WorldFip-現(xiàn)場(chǎng)總線的又一顆新星

一、 概述

WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線組織成立于1987年。目前已有一百多個(gè)成員，其中許多是工控領(lǐng)域的世界著名大公司，如Honeywell、西技來克(Cegelec)、阿爾斯通(Alstom)、施耐德(Schneider)等。前期產(chǎn)品是Fip(Factory Instrumentation Protocol)。Fip是法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，后來采納了IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(61158-2)改名為WorldFip。相應(yīng)的歐州標(biāo)準(zhǔn)是EN50170-3。不久前國(guó)內(nèi)也成立了“WorldFip技術(shù)推廣中心”。我國(guó)引進(jìn)的一些大型工程，如上海地鐵、嶺奧核電站、軍糧城電廠等都可以看到這種現(xiàn)場(chǎng)總線。目前正在建造的世界上能量最高的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)已選定WorldFip為工程標(biāo)準(zhǔn)總線之一。該加速器周長(zhǎng)27公里，耗資數(shù)十億美元，將于2004年建成。筆者在參與該工程現(xiàn)場(chǎng)總線評(píng)估和應(yīng)用過程中，對(duì)該總線的特點(diǎn)有所了解，簡(jiǎn)介如下。

由于篇幅的限制，這里只介紹其有特色之處。網(wǎng)絡(luò)管理、遠(yuǎn)程服務(wù)、遠(yuǎn)程下載、出錯(cuò)處理、廣播方式、重新同步、應(yīng)答方式等等與其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議差不多的部分不在這里介紹。

二、 WorldFip的特點(diǎn)

WorldFip總線是面向工業(yè)控制的，其主要特點(diǎn)可歸納為實(shí)時(shí)性、同步性、可靠性。

WorldFip 目前使用的傳輸速率是31.5K，1M和2.5M。典型速率為1M bit/s。典型的傳輸介質(zhì)是工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線。對(duì)接線盒、9針D型插頭座等都有嚴(yán)格的規(guī)定。每個(gè)網(wǎng)段最長(zhǎng)為1公里。加中繼器(Repeater)以后可擴(kuò)展到5公里。

WorldFip與Internet類似，使用曼徹斯特碼傳輸。但它是一種令牌網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)由仲裁器和若干用戶站組成。

WorldFip 使用信息生產(chǎn)者和消費(fèi)者的概念，和通常意義上的輸出量、輸入量略有區(qū)別。每個(gè)生產(chǎn)者或消費(fèi)者變量有一個(gè)IP地址。每個(gè)用戶站可以有例如16個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者變量。任何時(shí)候，生產(chǎn)者只能有一個(gè)，而消費(fèi)者可以是1個(gè)或多個(gè)。

WorldFip的設(shè)計(jì)思想是，按一定的時(shí)序，為每個(gè)信息生產(chǎn)者分配一個(gè)固定的時(shí)段，通過總線仲裁器諸個(gè)呼叫每個(gè)生產(chǎn)者，如果該生產(chǎn)者已經(jīng)上網(wǎng)，應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)答。生產(chǎn)者提供必要的信息，同時(shí)提供一個(gè)狀態(tài)字，說明這一信息是最新生產(chǎn)的，還是過去傳送過的老信息。消費(fèi)者接收到信息時(shí)，可根據(jù)狀態(tài)字判斷信息的價(jià)值。

WorldFip 將信息分為：周期性同步數(shù)據(jù)、周期性異步數(shù)據(jù)和非周期性消息包。同步數(shù)據(jù)嚴(yán)格地按確定的時(shí)序呼叫，接下去是周期性異步數(shù)據(jù)，用于對(duì)同步性要求不太高的數(shù)據(jù)傳送。最后呼叫消息包。周期性同步數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)用于時(shí)序要求嚴(yán)格，數(shù)據(jù)包不大的信息(8~128字節(jié))，消息包指時(shí)序要求不嚴(yán)格，數(shù)據(jù)量大的信息，例如每包256字節(jié)。形象地比喻，網(wǎng)線可以看成一個(gè)流水的管道。一半(或1/3、2/3,由用戶設(shè)計(jì))流的是水，是不可壓縮的。即周期性同步和異步數(shù)據(jù)。另一半可以看成是空的，留給非周期性消息包的傳送。

網(wǎng)絡(luò)仲裁器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的主宰者。網(wǎng)絡(luò)仲裁器輪番呼叫每一個(gè)生產(chǎn)者變量。整個(gè)網(wǎng)線上總是有信號(hào)的。如果若干時(shí)間間隔內(nèi)(例如幾十毫秒)沒有監(jiān)聽到網(wǎng)上的信號(hào)、則可以診斷為網(wǎng)絡(luò)故障，此時(shí)可以自動(dòng)將冗余熱備份網(wǎng)線切換上去，也可以設(shè)計(jì)成各用戶站回本質(zhì)安全態(tài)。WorldFip 在網(wǎng)絡(luò)安全性方面的考慮有其獨(dú)到之處。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)仲裁器。在任意給定時(shí)刻，只有一個(gè)在起作用，其他處于熱備份態(tài)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。而每個(gè)用戶站的網(wǎng)絡(luò)冗余則是通過一個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)兩路驅(qū)動(dòng)器，接入兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)線被破壞，自動(dòng)切換到另一網(wǎng)線。

三、 WorldFip 協(xié)議

除用戶層外，WorldFip使用以下三層通信協(xié)議：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

用戶層指有用的信息，一個(gè)變量(生產(chǎn)者或消費(fèi)者)，可以是8字節(jié)，也可以是16、32、48......乃至128字節(jié)。一則消息，則可以長(zhǎng)至256字節(jié)。以下三層是在WorldFip網(wǎng)絡(luò)控制器中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，不需要用戶CPU干預(yù)。它相應(yīng)于7層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的1、2和7層。

應(yīng)用層在用戶層信息的前面加上兩個(gè)字節(jié)的識(shí)別碼（ID）。這兩個(gè)字節(jié)第一個(gè)是變量類型即所謂PDU類型。第二個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)鏈路層則在應(yīng)用層基礎(chǔ)上加上一頭一尾。頭上是一個(gè)字節(jié)的狀態(tài)字，表示該信息是最近刷新的，還是重復(fù)以前的數(shù)據(jù)。尾上加兩個(gè)字節(jié)，用于CRC校驗(yàn)。

到物理層，則在數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上再加上頭尾。頭上加兩個(gè)字節(jié)，一個(gè)是前同步字符，由10101010組成，第二個(gè)是幀開始分界符，由1、高電平、低電平、1、零、高電平、低電平、零組成。尾部加一個(gè)幀結(jié)束字節(jié)，由1、高電平、低電平、高電平、低電平、1、零、1、組成。

綜上所述，三層協(xié)議一共在有用信息兩端增加了8個(gè)字節(jié)。當(dāng)速率為1M時(shí)，幀與幀之間的間隔可設(shè)定在10～70μS之間。如果每個(gè)數(shù)據(jù)都是8字節(jié)，有用通量在200K～300 Kbit/s之間。如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128字節(jié)，有用通量可達(dá)800K bit/s。

在1M速率下，如果掃描周期為10mS。假設(shè)5mS用于周期性同步和異步數(shù)據(jù)，5mS用于傳送信息包，則5mS中可以掃描23個(gè)8字節(jié)變量或4個(gè)128字節(jié)變量。如果網(wǎng)上真的有250個(gè)用戶站，每站有16個(gè)變量，即總共4000個(gè)變量，一半的時(shí)間留給消息包傳輸，則一次掃描約需要2秒。

四、 WorldFip總線典型器件

1、 用于總線仲裁器的典型IC是VLSI公司的FullFip2。這是一個(gè)84引腳的芯片，使用時(shí)需要外擴(kuò)獨(dú)享存儲(chǔ)器(Private memory)。有最多2M尋址空間，可主管最多4000個(gè)用戶站，6萬個(gè)以上變量。考慮到上述掃描周期不宜太長(zhǎng)，用戶站不可能這么多。

該芯片可方便地與Intel CPU或Motorola 單片機(jī)接口。可設(shè)計(jì)成PC機(jī)內(nèi)的一塊總線仲裁卡，也可以方便地與Motorola 16/32位單片機(jī)接口，例如MC68HC3XX、MC68HC16等。

FullFip2與WorldFip的連接是通過總線驅(qū)動(dòng)器經(jīng)變壓器耦合實(shí)現(xiàn)的。

FullFip2主要用于總線仲裁，也可用于用戶站。FullFip2內(nèi)部有近100個(gè)寄存器，編程時(shí)較為復(fù)雜。一些公司提供C語言的函數(shù)庫用于總線仲裁器的編程與開發(fā)。

2、 MicroFip是一種低價(jià)位、用于用戶站的IC，也是VLSI產(chǎn)品。對(duì)于I/O端口≤16的用戶站，MicroFip可獨(dú)立工作(Stand alone 方式)。用戶事先定義的，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)各輸出端口應(yīng)該輸出的值、初值等參數(shù)可遠(yuǎn)程下載。這是一個(gè)100引腳的表面貼芯片。

作為單片機(jī)接口芯片，它可以方便地與8051、68HC11/12/16等單片機(jī)接口，此時(shí)該用戶站可處理16個(gè)變量(生產(chǎn)者或消費(fèi)者)。由于片內(nèi)有512字節(jié)的變量緩沖區(qū)，每個(gè)數(shù)據(jù)變量的大小可為n8字節(jié)(0≤n≤7)。而最長(zhǎng)的消息包可以大到256字節(jié)。

3、 總線驅(qū)動(dòng)與變壓器。WorldFip用的總線驅(qū)動(dòng)器與其它總線驅(qū)動(dòng)器的不同之處在于，除了實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼、解碼功能之外，它還提供總線監(jiān)聽與看門狗功能，這為總線的熱備份、總線冗余提供了方便，提高了總線的安全性。

總線驅(qū)動(dòng)芯片是一個(gè)28引腳的表面貼芯片。

變壓器用于驅(qū)動(dòng)器與傳輸介質(zhì)的隔離，驅(qū)動(dòng)器與變壓器之間應(yīng)加上保護(hù)與抗干擾措施。

符合WorldFip協(xié)議的芯片還有一些，如FIPIU2、FIPCOI等。不在此詳述。

五、 開發(fā)工具

除一些公司提供用于FullFip2和MicroFip編程的C語言程序庫以外，最值得一提的是WorldFip協(xié)議分析器。其硬件是插在PC機(jī)內(nèi)的一塊卡。用于采集WorldFip網(wǎng)線上的信號(hào)。軟件名為Fip Watcher。在Windows下運(yùn)行。開發(fā)者給定觸發(fā)條件以后，F(xiàn)ip Watcher在屏幕上顯示數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和每個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間關(guān)系。這個(gè)工具硬件相當(dāng)簡(jiǎn)單，而使用起來比示波器、邏輯分析儀都方便、直觀，價(jià)格也便宜許多。

另外，一些公司還提供開發(fā)散件，包括主要控制器芯片，驅(qū)動(dòng)器芯片，變壓器等。也有PC機(jī)上的演示板，用于總線仲裁器?；蛘咭粔KPC 機(jī)上的卡，使某一PC機(jī)成為一個(gè)用戶站。還有以MicroFip芯片加驅(qū)動(dòng)、變壓器耦合等三部分組成的評(píng)估板可供使用。該板可單獨(dú)使用，也可以方便地與Intel 8051或各種Motorola 單片機(jī)接口。

六、 目前存在的一些問題和應(yīng)用前景

由于WorldFip的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)十余年的發(fā)展過程，而最終被國(guó)際上認(rèn)可成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還是最近幾年的事。各公司都聲稱支持WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，而不少公司使用的是他們自己設(shè)計(jì)的專用芯片。使用的類似標(biāo)準(zhǔn)有Fip、FipIO等等。如果全部使用某公司的產(chǎn)品，一般不會(huì)有什么問題。這些公司還提供上層的編程工具等。如果同時(shí)使用兩家不同公司的產(chǎn)品，或?qū)⒏鶕?jù)WorldFip協(xié)議自行開發(fā)的設(shè)備連入從某公司購(gòu)得的網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)格式不一致，不能接入的問題。

在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)工程中，歐洲核子研究中心希望購(gòu)買施耐德公司的PLC，用于總線仲裁，而用戶站則將根據(jù)需要自行開發(fā)，結(jié)果出現(xiàn)了上述問題。目前此類問題正在解決之中。

由于WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線依照工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，不但嚴(yán)格定義了通信協(xié)議，也嚴(yán)格定義了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸介質(zhì)、接線盒、插頭座等。在實(shí)時(shí)性、同步性、冗余性方面獨(dú)具特色。速度更高的、以光纖為介質(zhì)的高速網(wǎng)也不斷推出。預(yù)計(jì)將來的幾年中，在工控領(lǐng)域，WorldFip總線將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。