基金会现场总线基于高速以太网通信的研究与实现
摘要
现场总线是应用在工业生产现场，用于实现在智能测量仪表、控制单元、
执行机构和其他现场设备之间进行数字信息交换的通信网络。现场总线的出现
使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。
近年来，以太网及TCP／IP通信技术在IT行业获得了很大的成功，成为IT行业
应用中首选的网络通信技术。目前，以太网及TCP／IP技术逐步在现场总线的底
层通信中得到应用，并发展成为一种技术潮流。基于高速以太网的基金会现场
总线(FF HSE)是目前唯一采用以太网技术进行通信的现场总线技术。在以太
网技术的应用大大提高现场总线的通信速率和可靠性的同时，如何利用FF HSE
通信会话层Session实现工厂自动化技术与以太网技术结合成为目前面临的关键
技术问题。
本文在分析FF HSE总线协议通信会话层Session的基础上，针对FF现场总
线基于以太网的数据传输，以及Session为总线的用户提供通信服务进行了研究
与开发，并实现了总线设备的互操作性处理，从而实现了以太网技术和现场控
制技术的融合。
本文首先对现场总线技术的概念、应用及目前的发展趋势做了介绍，讨论
了基于FF的现场总线控制系统的体系结构。然后对本文要实现的重点通信会话
层Session进行了系统的分析，并根据分析对其具体实现和FF HSE利用Session
进行通信的实现以及系统测试作了详尽的阐述。最后是对高速以太网在总线技
术中应用的展望。
Fieldbus is a communication network used to interconnect field devices such as intelligent measurement instruments,control devices.executive machines.The presence of Fieldbus changes the system framework formed by the traditional field instruments.In the recent years,the technology of Ethernet and TCP/IP is very successful in the field of Information Technology which have been the most prevailing technology in network communication.Now.Ethernet and TCP/IP are appled in the industry of automation gradually .which has been a trend.
The application of Ethernet in Fieldbus improve the speed and reliability of communication greatly.at the same time.we are faced a problem which become the key of the application of Ethernet.The problem is how to realize the combination of Ethernet and Fieldbus control techneque.
Foundation Fieldbus based on High Speed Ethernet(FF HSE) is the only kind of Fieldbus adopted the technology of Ethernet.My thesis focus on the analyse and realization of the HSE Session,and through it the combination of HSE and Fieldbus is described.
In the first part of this thesis,the history,the status and the trend of the Fieldbus technology are introduced and the architecture of the Foundation Field is discussed .Then HSE Session is analysed carefully. Based the analysis.the realization of Session and communication established with Session is given in detail.In the last part.the perspective of the application of Ethernet is described.
执行机构和其他现场设备之间进行数字信息交换的通信网络。现场总线的出现
使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。
近年来，以太网及TCP／IP通信技术在IT行业获得了很大的成功，成为IT行业
应用中首选的网络通信技术。目前，以太网及TCP／IP技术逐步在现场总线的底
层通信中得到应用，并发展成为一种技术潮流。基于高速以太网的基金会现场
总线(FF HSE)是目前唯一采用以太网技术进行通信的现场总线技术。在以太
网技术的应用大大提高现场总线的通信速率和可靠性的同时，如何利用FF HSE
通信会话层Session实现工厂自动化技术与以太网技术结合成为目前面临的关键
技术问题。
本文在分析FF HSE总线协议通信会话层Session的基础上，针对FF现场总
线基于以太网的数据传输，以及Session为总线的用户提供通信服务进行了研究
与开发，并实现了总线设备的互操作性处理，从而实现了以太网技术和现场控
制技术的融合。
本文首先对现场总线技术的概念、应用及目前的发展趋势做了介绍，讨论
了基于FF的现场总线控制系统的体系结构。然后对本文要实现的重点通信会话
层Session进行了系统的分析，并根据分析对其具体实现和FF HSE利用Session
进行通信的实现以及系统测试作了详尽的阐述。最后是对高速以太网在总线技
术中应用的展望。
Fieldbus is a communication network used to interconnect field devices such as intelligent measurement instruments,control devices.executive machines.The presence of Fieldbus changes the system framework formed by the traditional field instruments.In the recent years,the technology of Ethernet and TCP/IP is very successful in the field of Information Technology which have been the most prevailing technology in network communication.Now.Ethernet and TCP/IP are appled in the industry of automation gradually .which has been a trend.
The application of Ethernet in Fieldbus improve the speed and reliability of communication greatly.at the same time.we are faced a problem which become the key of the application of Ethernet.The problem is how to realize the combination of Ethernet and Fieldbus control techneque.
Foundation Fieldbus based on High Speed Ethernet(FF HSE) is the only kind of Fieldbus adopted the technology of Ethernet.My thesis focus on the analyse and realization of the HSE Session,and through it the combination of HSE and Fieldbus is described.
In the first part of this thesis,the history,the status and the trend of the Fieldbus technology are introduced and the architecture of the Foundation Field is discussed .Then HSE Session is analysed carefully. Based the analysis.the realization of Session and communication established with Session is given in detail.In the last part.the perspective of the application of Ethernet is described.
引文
1． 计算机网络，Andrew S．Tanenbaum，清华大学出版社。
2． 现场总线技术及其应用，阳宪惠，清华大学出版社。
3． WINDOWS网络编程技术，Anthony Jones，Jim Ohlund，机械工业出版社， 2000年。
4． TCP／IP网络互连技术，Douglas E．Comer，卷1，2，3，清华大学出版社。
5． Windows Sockets网络程序设计大全，蒋东兴等编著，清华大学出版社。
6． UNIX网络编程，W．Richard Stevens，卷1，2，清华大学出版社。
7． Windows高级编程指南，Jeffrey Richter，清华大学出版社。
8． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-581 System Architecture, FS 1． 1．
9． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-880 System Management, FS1． 1．
10． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-586 HSE Presence, FS1． 1．
11． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-803,HSE Network Management, FS 1． 1．
12． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-870 Fieldbus Message Specification., FS1． 4．
13． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-103 Common File Format
14． 基金会现场总线协议软件技术报告，中科院沈阳自动化研究所，2000年6 月。
15． TCP／IP详解，W．Richard Stevens，卷1，卷2，机械工业出版社。
16． C程序设计，谭浩强编著，清华大学出版社。
18． ISO／IEC8802局域网标准： 1) IEEE 802． 1(综述和体系结构) 2) IEEE 802． 2(逻辑链路控制) 3) IEEE 802． 3(CSMA／CD送取方法和物理层规范)
4) IEEE 802． 4(令牌传递总线送取方法和物理层技术规范) 5) IEEE 802． 5(令牌环路送取方法和物理层规范)
19． 现场总线论文选，1998。
20． VxWorks 5． 4 Programmer' s Guide, Wind River.
21． VxWorks 5． 4 Network Programmer' s Guide, Wind River.
22． VxWorks Reference Manual, Wind River.
23． MCF5272 ColdFire(?) integrated Microprocessor User' s Manual, Motorola Inc.
24． ColdFire(?) Family Programmer' s Reference Manual, Motorola Inc.
25． ColdFire 2/2M Integrated Microprocessor User' s Manual, Motorola Inc.
26． 基金会现场总线技术及其产品开发，郑萍宋文，工业控制计算 机，2001，14(1) 。
27． 现场总线标准最新进展与我们的对策，缪学勤，机械工业标准化与质 量，2000，21(6) 。
28． 现场总线技术的最新进展，缪学勤，自动化仪表，2000，21(6) 。
29． 现场总线技术的最新进展(续完)，缪学勤，自动化仪表，2000，21(7) 。
30． IEC1158现场总线技术概况，缪学勤，仪器仪表标准化与计量，1998，(5) 。
31． 现场总线的标准与发展，施一明冯冬芹，电工技术杂志，2000，(9) 。
32． 基于以太网的工业控制系统，徐皑冬，信息与控制，2000， (4) 。
33． FF总线系统用户层高级接口的设计与实现，董景彦邹益仁，微计算机信 息，2001 17(2) 。
34． 浅淡现场总线技术，黄建炜，广东化工，2000(6) 。
35． 基金会现场总线网络控制器通信算法，周侗徐皑冬等，信息与控 制，2001，30(3) 。
36． 基金会现场总线的测试技术，林强李震刚，仪器仪表标准化与计 量，2000，(3) 。
37． 现场总线及其发展展望，熊菊秀，世界仪表与自动化，2000，4(4) 。
38． 现场总线控制系统结构与分析，周晓燕周立峰，自动化与仪器仪表，2000，(5) 。
39． OPC技术在现场总线控制系统中的应用，苑明哲王智，工业仪表与自动化装 置，2000,(3) 。
40． FF现场总线概述，龙姿平万曼影， 自动化与仪表，1999，14(4) 。
41． FF现场总线系统中网络管理功能的实现，王普郭民，测控技术，1999，18(2) 。
42． FF现场总线互操作性原理，董雁适金建祥，冶金自动化，1999,23(4) 。
43． 现场总线物理层协议概述，冯军，工业控制计算机，1996,(6) 。
2． 现场总线技术及其应用，阳宪惠，清华大学出版社。
3． WINDOWS网络编程技术，Anthony Jones，Jim Ohlund，机械工业出版社， 2000年。
4． TCP／IP网络互连技术，Douglas E．Comer，卷1，2，3，清华大学出版社。
5． Windows Sockets网络程序设计大全，蒋东兴等编著，清华大学出版社。
6． UNIX网络编程，W．Richard Stevens，卷1，2，清华大学出版社。
7． Windows高级编程指南，Jeffrey Richter，清华大学出版社。
8． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-581 System Architecture, FS 1． 1．
9． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-880 System Management, FS1． 1．
10． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-586 HSE Presence, FS1． 1．
11． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-803,HSE Network Management, FS 1． 1．
12． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-870 Fieldbus Message Specification., FS1． 4．
13． Fieldbus Foundation. FOUNDATIONTM Specification: FF-103 Common File Format
14． 基金会现场总线协议软件技术报告，中科院沈阳自动化研究所，2000年6 月。
15． TCP／IP详解，W．Richard Stevens，卷1，卷2，机械工业出版社。
16． C程序设计，谭浩强编著，清华大学出版社。
18． ISO／IEC8802局域网标准： 1) IEEE 802． 1(综述和体系结构) 2) IEEE 802． 2(逻辑链路控制) 3) IEEE 802． 3(CSMA／CD送取方法和物理层规范)
4) IEEE 802． 4(令牌传递总线送取方法和物理层技术规范) 5) IEEE 802． 5(令牌环路送取方法和物理层规范)
19． 现场总线论文选，1998。
20． VxWorks 5． 4 Programmer' s Guide, Wind River.
21． VxWorks 5． 4 Network Programmer' s Guide, Wind River.
22． VxWorks Reference Manual, Wind River.
23． MCF5272 ColdFire(?) integrated Microprocessor User' s Manual, Motorola Inc.
24． ColdFire(?) Family Programmer' s Reference Manual, Motorola Inc.
25． ColdFire 2/2M Integrated Microprocessor User' s Manual, Motorola Inc.
26． 基金会现场总线技术及其产品开发，郑萍宋文，工业控制计算 机，2001，14(1) 。
27． 现场总线标准最新进展与我们的对策，缪学勤，机械工业标准化与质 量，2000，21(6) 。
28． 现场总线技术的最新进展，缪学勤，自动化仪表，2000，21(6) 。
29． 现场总线技术的最新进展(续完)，缪学勤，自动化仪表，2000，21(7) 。
30． IEC1158现场总线技术概况，缪学勤，仪器仪表标准化与计量，1998，(5) 。
31． 现场总线的标准与发展，施一明冯冬芹，电工技术杂志，2000，(9) 。
32． 基于以太网的工业控制系统，徐皑冬，信息与控制，2000， (4) 。
33． FF总线系统用户层高级接口的设计与实现，董景彦邹益仁，微计算机信 息，2001 17(2) 。
34． 浅淡现场总线技术，黄建炜，广东化工，2000(6) 。
35． 基金会现场总线网络控制器通信算法，周侗徐皑冬等，信息与控 制，2001，30(3) 。
36． 基金会现场总线的测试技术，林强李震刚，仪器仪表标准化与计 量，2000，(3) 。
37． 现场总线及其发展展望，熊菊秀，世界仪表与自动化，2000，4(4) 。
38． 现场总线控制系统结构与分析，周晓燕周立峰，自动化与仪器仪表，2000，(5) 。
39． OPC技术在现场总线控制系统中的应用，苑明哲王智，工业仪表与自动化装 置，2000,(3) 。
40． FF现场总线概述，龙姿平万曼影， 自动化与仪表，1999，14(4) 。
41． FF现场总线系统中网络管理功能的实现，王普郭民，测控技术，1999，18(2) 。
42． FF现场总线互操作性原理，董雁适金建祥，冶金自动化，1999,23(4) 。
43． 现场总线物理层协议概述，冯军，工业控制计算机，1996,(6) 。