0 引言 　　基金會現(xiàn)場總線是一種雙向、串行、全數(shù)字通信的工業(yè)現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?；饡F(xiàn)場總線由兩部分組成:HSE部分和H1部分。前者是以標(biāo)準(zhǔn)的百兆以太網(wǎng)構(gòu)建的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),主要用于完成組態(tài)、診斷等管理功能;后者是以一種全新的令牌總線網(wǎng)構(gòu)建的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),主要用于現(xiàn)場儀表設(shè)備級別的通信,用于完成最底層的回路控制、報(bào)警等功能。通過鏈接設(shè)備將這兩部分網(wǎng)絡(luò)連接起來。HSE部分利用H1部分提供的實(shí)時(shí)信息對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理。 由于H1部分位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最低層,直接用于完成現(xiàn)場的控制任務(wù),所以對于這部分通信系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求非常高?？煽啃允峭ㄟ^冗余、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和協(xié)議棧軟件的糾錯(cuò)機(jī)制等手段來保證的,而實(shí)時(shí)性這一點(diǎn)主要是依賴H1網(wǎng)絡(luò)通信的令牌機(jī)制。根據(jù)通信調(diào)度表,FFH1的令牌機(jī)制可以使那些實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)在確定的時(shí)刻發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。相比之下,標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)之所以實(shí)時(shí)性差是由于它的CSMA/CD的總線訪問機(jī)制使得數(shù)據(jù)幀何時(shí)能發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上變得不可預(yù)測。 該文簡單介紹了令牌機(jī)制所處的網(wǎng)絡(luò)層次,重點(diǎn)從令牌管理者和令牌使用者兩個(gè)角度研究了令牌管理機(jī)制,最后分析了兩種提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法。 在FF協(xié)議棧軟件開發(fā)中,借助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這種令牌管理機(jī)制,從而保證了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信,為完成上層功能實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　整個(gè)FFH1網(wǎng)絡(luò)可以由多個(gè)網(wǎng)段組成,網(wǎng)段之間用網(wǎng)橋連接。從不同的網(wǎng)絡(luò)層次上可以看到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不同的。令牌是數(shù)據(jù)鏈路層上的一個(gè)概念。在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi),物理上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型的、菊花鏈型的（一般不使用）和星型的等,也可以是總線型和星型的組合。在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)物理信號在整個(gè)網(wǎng)段上是廣播的。但是在數(shù)據(jù)鏈路層上上述各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)是相同的:令牌總線結(jié)構(gòu)。 　　從數(shù)據(jù)鏈路層的角度看,可以把網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備分為基本設(shè)備,主設(shè)備和網(wǎng)橋。與令牌機(jī)制相關(guān)的只是前兩者,就是說令牌的傳遞和使用只是在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行。主設(shè)備通過競爭可以成為令牌管理中心,稱為鏈路活動調(diào)度器（LAS）,競爭失敗的主設(shè)備都是LAS的冗余備份,所有的設(shè)備都可以是令牌使用者。因此從數(shù)據(jù)鏈路層上看到的網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2 令牌機(jī)制的基本原理 　　FFH1網(wǎng)段采用集中令牌管理方式。一個(gè)網(wǎng)段上有且僅有一個(gè)令牌管理器（LAS）,網(wǎng)段上的所有設(shè)備（包括LAS本身）只有持有令牌的時(shí)候才能向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)。 網(wǎng)段上存在3種令牌:調(diào)度令牌、授權(quán)令牌和應(yīng)答令牌。當(dāng)某種令牌處于使用中時(shí),這種令牌就稱為當(dāng)前網(wǎng)段上的支配令牌,所以支配令牌就是使用總線的權(quán)力。這3種令牌不是平等的關(guān)系,而是一種令牌生成另一種令牌,被生成的令牌使用完后返還給生成它的那個(gè)令牌,這種關(guān)系如圖2所示。 　　調(diào)度令牌具有最高的優(yōu)先級,只有LAS才能持有該令牌,這種令牌用來發(fā)起周期性通信和產(chǎn)生其他兩種令牌;授權(quán)令牌用來進(jìn)行非周期通信和生成應(yīng)答令牌;應(yīng)答令牌只是持有其他兩種令牌的設(shè)備,給某個(gè)其他設(shè)備一個(gè)暫時(shí)通信的權(quán)力,持有應(yīng)答令牌的設(shè) 備只能發(fā)送一個(gè)幀。 根據(jù)調(diào)度表,在要進(jìn)行周期性通信的時(shí)刻,LAS持有的調(diào)度令牌成為支配令牌,LAS向要發(fā)布數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)送一個(gè)CD幀,在該設(shè)備內(nèi)生成一個(gè)應(yīng)答令牌,該應(yīng)答令牌成為支配令牌,該設(shè)備就使用這個(gè)應(yīng)答令牌向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布一個(gè)數(shù)據(jù)幀。 在非周期性通信的時(shí)間內(nèi),也就是在周期性通信之間的間隔內(nèi),持有調(diào)度令牌的LAS向其他設(shè)備發(fā)送一個(gè)PT幀,在該設(shè)備內(nèi)生成一個(gè)授權(quán)令牌,該令牌成為支配令牌,該設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用這個(gè)令牌發(fā)送數(shù)據(jù)。在這段時(shí)間內(nèi)該設(shè)備也能向其他設(shè)備發(fā)放應(yīng)答令牌（用來生成應(yīng)答令牌的幀不一定是CD幀,有可能是RQ幀等）,從而給另一個(gè)設(shè)備以暫時(shí)的通信權(quán)力。整個(gè)過程如圖3所示。圖中1,4,6時(shí)間內(nèi)調(diào)度令牌是支配令牌;2,7時(shí)間內(nèi)應(yīng)答令牌是支配令牌;3,5時(shí)間內(nèi)授權(quán)令牌是支配令牌。 3 LAS的令牌發(fā)放機(jī)制 　　LAS是一個(gè)網(wǎng)段上的令牌管理中心,由它發(fā)放授權(quán)令牌（必要時(shí)授權(quán)令牌也能發(fā)放應(yīng)答令牌）和應(yīng)答令牌。 LAS根據(jù)調(diào)度表,在指定的周期性通信開始的時(shí)刻,向指定的設(shè)備通過CD幀發(fā)放一個(gè)應(yīng)答令牌。然后開始監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),如果在一個(gè)令牌恢復(fù)時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù),LAS就將應(yīng)答令牌收回,并用調(diào)度令牌進(jìn)行下一個(gè)活動。 在周期性通信之間,如果有足夠的時(shí)間,LAS就按照設(shè)備地址從小到大依次通過PT幀發(fā)放授權(quán)令牌。然后開始監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),如果在一個(gè)令牌恢復(fù)時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù),LAS就將授權(quán)令牌收回,并用調(diào)度令牌進(jìn)行下一個(gè)活動。否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)幀傳輸完畢的時(shí)候,又要按上述的過程開始監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),重復(fù)這個(gè)過程,直到授權(quán)令牌返回。整個(gè)過程如圖4所示。 　　如果發(fā)現(xiàn)到下一個(gè)周期性通信開始所剩余的時(shí)間不足于發(fā)放授權(quán)令牌,就等待下一個(gè)周期性通信的開始,必要時(shí)（網(wǎng)絡(luò)上沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間太長時(shí)）就向網(wǎng)段上廣播IDLE幀來表示LAS還是處于活動中的。 LAS的整個(gè)令牌發(fā)放過程如圖5所示。 4 設(shè)備的令牌使用機(jī)制 　　收到令牌的設(shè)備就有權(quán)力向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備根據(jù)收到的兩種令牌的不同,發(fā)送不同的數(shù)據(jù)。如果設(shè)備收到了LAS以CD幀發(fā)過來的應(yīng)答令牌,該設(shè)備就將令牌中指定緩沖器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)段上。 如果設(shè)備收到的是LAS以PT幀發(fā)過來的授權(quán)令牌,該設(shè)備就在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)享有對網(wǎng)段的控制權(quán)。在這一段時(shí)間內(nèi),該設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層會去查找那些已經(jīng)在排隊(duì)等待的數(shù)據(jù),如果發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的優(yōu)先級（關(guān)于優(yōu)先級的描述見第6部分）比令牌的優(yōu)先級高或者相等就把這個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,所有的數(shù)據(jù)發(fā)完后令牌時(shí)間還有剩余,就在最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀中將令牌捎帶返回。如果沒有符合要求的數(shù)據(jù)要發(fā)送,就直接用RT幀將令牌返回。如果規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不足以把所有請求的數(shù)據(jù)發(fā)送完成,就在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送完盡可能多的數(shù)據(jù)幀,然后用RI幀返回令牌,同時(shí)向LAS申請更多的時(shí)間。 5 一些提高網(wǎng)絡(luò)性能的措施 FF H1的數(shù)據(jù)鏈路層通過以下一些措施可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。 5.1　優(yōu)先級 為每臺設(shè)備要發(fā)送的非周期性數(shù)據(jù)劃分3個(gè)優(yōu)先等級:最高、中等、最低。根據(jù)數(shù)據(jù)緊急性的要求,為其分配一個(gè)優(yōu)先等級。通過動態(tài)地改變授權(quán)令牌的優(yōu)先級,可以在網(wǎng)段上通信繁忙的時(shí)候讓那些優(yōu)先級高的非周期性數(shù)據(jù)有更多的機(jī)會發(fā)送到網(wǎng)段上。由上文的描述可知只有數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高于或等于令牌的優(yōu)先級時(shí)才能發(fā)送,所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙的時(shí)候提高令牌的優(yōu)先級就可以限制低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送而使高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)得到更多的發(fā)送權(quán)力。網(wǎng)絡(luò)是否繁忙可以這樣確定:記錄完成網(wǎng)段上一個(gè)授權(quán)令牌發(fā)放周期所花的時(shí)間V（ATRT）,如果這個(gè)值小于另一個(gè)標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)繁忙的值V（TTRT）,說明網(wǎng)絡(luò)空閑,此時(shí)就降低令牌的優(yōu)先級;當(dāng)V（ATRT）大于V（TTRT）,說明網(wǎng)絡(luò)繁忙,就提高令牌優(yōu)先級。LAS開始調(diào)度時(shí)發(fā)送的第一塊令牌的優(yōu)先級總是中等,并且在一個(gè)令牌發(fā)放周期內(nèi)的令牌優(yōu)先級都是一樣的。整個(gè)過程如圖6所示。 5.2　令牌持有時(shí)間 在LAS向某個(gè)設(shè)備發(fā)放授權(quán)令牌的時(shí)候會規(guī)定該設(shè)備使用令牌時(shí)間,這就是令牌持有時(shí)間。對于通信棧用戶來說,為了令牌的發(fā)放、返回而占用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間是一種浪費(fèi),因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)沒有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸有用的數(shù)據(jù)。例如:某個(gè)設(shè)備有50幀數(shù)據(jù)需要發(fā)送,而授權(quán)令牌中規(guī)定的令牌持有時(shí)間只允許發(fā)送一個(gè)幀,這樣令牌收發(fā)占用了很大比例的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間,要50個(gè)令牌才能將數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成。如果發(fā)給該設(shè)備的令牌持有時(shí)間允許發(fā)送50個(gè)幀,那么只要一個(gè)令牌就能將數(shù)據(jù)發(fā)送完成,大大提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。 FF H1使用RI這個(gè)幀來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)使用授權(quán)令牌的設(shè)備發(fā)現(xiàn)自身有很多數(shù)據(jù)要發(fā),而令牌持有時(shí)間不夠的時(shí)候,先盡可能多的發(fā)送數(shù)據(jù)幀,最后用RI幀向LAS返回令牌,并且申請更多的令牌持有時(shí)間。LAS在下一次給該設(shè)備發(fā)放授權(quán)令牌的時(shí)候,只要網(wǎng)絡(luò)剩余時(shí)間足夠,就像該設(shè)備提供所申請的令牌持有時(shí)間。 另外,由于FF H1網(wǎng)段上一般不會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù),只有在向某臺設(shè)備進(jìn)行域上載下載時(shí)才會出現(xiàn)比較多的數(shù)據(jù)幀。所以上述的這種方法不會使得某臺設(shè)備長時(shí)間地占用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間而嚴(yán)重影響網(wǎng)段上其他設(shè)備的非周期通信。 6 結(jié)束語 　　數(shù)據(jù)鏈路層之上的各個(gè)通信協(xié)議棧層次并不關(guān)心總線何時(shí)、如何存取的,它們總是認(rèn)為總線是可以使用的,從而直接將數(shù)據(jù)發(fā)送的請求發(fā)送下來。在數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)段上的LAS和其他設(shè)備通過令牌來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)何時(shí)發(fā)送和怎樣發(fā)送。 協(xié)議中只是規(guī)定了基本的令牌傳遞規(guī)則,具體的令牌參數(shù)可以由網(wǎng)絡(luò)組態(tài)確定,比如V（TTRT）多大才表示網(wǎng)絡(luò)繁忙。甚至協(xié)議實(shí)現(xiàn)者可以自己添加一些措施來提高網(wǎng)絡(luò)性能,只要這些措施不會影響到協(xié)議一致性和設(shè)備互可操作性就可以。這是需要進(jìn)一步研究的。 參考文獻(xiàn): [1]　Fieldbus Foundation. 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