基金会现场总线是一种双向、串行、全数字通信的工业现场级网络控制系统。基金会现场总线由两部分组成:HSE部分和H1部分。前者是以标准的百兆以太网构建的现场总线网络,主要用于完成组态、诊断等管理功能;后者是以一种全新的令牌总线网构建的现场总线网络,主要用于现场仪表设备级别的通信,用于完成最底层的回路控制、报警等功能。通过链接设备将这两部分网络连接起来。HSE部分利用H1部分提供的实时信息对整个网络系统进行管理。
由于H1部分位于整个网络控制系统的最低层,直接用于完成现场的控制任务,所以对于这部分通信系统的可靠性和实时性要求非常高。可靠性是通过冗余、数据校验和协议栈软件的纠错机制等手段来保证的,而实时性这一点主要是依赖H1网络通信的令牌机制。根据通信调度表,FFH1的令牌机制可以使那些实时的数据在确定的时刻发送到网络上。相比之下,标准的以太网之所以实时性差是由于它的CSMA/CD的总线访问机制使得数据帧何时能发送到网络上变得不可预测。
该文简单介绍了令牌机制所处的网络层次,重点从令牌管理者和令牌使用者两个角度研究了令牌管理机制,最后分析了两种提高网络性能的方法。
在FF协议栈软件开发中,借助实时操作系统实现了这种令牌管理机制,从而保证了网络的实时通信,为完成上层功能实现奠定了基础。
1 网络结构
整个FFH1网络可以由多个网段组成,网段之间用网桥连接。从不同的网络层次上可以看到的网络结构是不同的。令牌是数据链路层上的一个概念。在一个网段内,物理上的拓扑结构可以是总线型的、菊花链型的（一般不使用）和星型的等,也可以是总线型和星型的组合。在一个网段内物理信号在整个网段上是广播的。但是在数据链路层上上述各种拓扑结构的逻辑结构是相同的:令牌总线结构。
从数据链路层的角度看,可以把网络上的设备分为基本设备,主设备和网桥。与令牌机制相关的只是前两者,就是说令牌的传递和使用只是在一个网段内进行。主设备通过竞争可以成为令牌管理中心,称为链路活动调度器（LAS）,竞争失败的主设备都是LAS的冗余备份,所有的设备都可以是令牌使用者。因此从数据链路层上看到的网络逻辑结构如图1所示。
2 令牌机制的基本原理
FFH1网段采用集中令牌管理方式。一个网段上有且仅有一个令牌管理器（LAS）,网段上的所有设备（包括LAS本身）只有持有令牌的时候才能向网络上发送数据。
网段上存在3种令牌:调度令牌、授权令牌和应答令牌。当某种令牌处于使用中时,这种令牌就称为当前网段上的支配令牌,所以支配令牌就是使用总线的权力。这3种令牌不是平等的关系,而是一种令牌生成另一种令牌,被生成的令牌使用完后返还给生成它的那个令牌,这种关系如图2所示。
调度令牌具有最高的优先级,只有LAS才能持有该令牌,这种令牌用来发起周期性通信和产生其他两种令牌;授权令牌用来进行非周期通信和生成应答令牌;应答令牌只是持有其他两种令牌的设备,给某个其他设备一个暂时通信的权力,持有应答令牌的设
备只能发送一个帧。
根据调度表,在要进行周期性通信的时刻,LAS持有的调度令牌成为支配令牌,LAS向要发布数据的设备发送一个CD帧,在该设备内生成一个应答令牌,该应答令牌成为支配令牌,该设备就使用这个应答令牌向网络上发布一个数据帧。
在非周期性通信的时间内,也就是在周期性通信之间的间隔内,持有调度令牌的LAS向其他设备发送一个PT帧,在该设备内生成一个授权令牌,该令牌成为支配令牌,该设备在规定的时间内使用这个令牌发送数据。在这段时间内该设备也能向其他设备发放应答令牌（用来生成应答令牌的帧不一定是CD帧,有可能是RQ帧等）,从而给另一个设备以暂时的通信权力。整个过程如图3所示。图中1,4,6时间内调度令牌是支配令牌;2,7时间内应答令牌是支配令牌;3,5时间内授权令牌是支配令牌。
3 LAS的令牌发放机制
LAS是一个网段上的令牌管理中心,由它发放授权令牌（必要时授权令牌也能发放应答令牌）和应答令牌。
LAS根据调度表,在指定的周期性通信开始的时刻,向指定的设备通过CD帧发放一个应答令牌。然后开始监视网络,如果在一个令牌恢复时间内网络上没有出现数据,LAS就将应答令牌收回,并用调度令牌进行下一个活动。
在周期性通信之间,如果有足够的时间,LAS就按照设备地址从小到大依次通过PT帧发放授权令牌。然后开始监视网络,如果在一个令牌恢复时间内网络上没有出现数据,LAS就将授权令牌收回,并用调度令牌进行下一个活动。否则当网络上的一个帧传输完毕的时候,又要按上述的过程开始监视网络,重复这个过程,直到授权令牌返回。整个过程如图4所示。
如果发现到下一个周期性通信开始所剩余的时间不足于发放授权令牌,就等待下一个周期性通信的开始,必要时（网络上没有数据传输的时间太长时）就向网段上广播IDLE帧来表示LAS还是处于活动中的。
LAS的整个令牌发放过程如图5所示。
4 设备的令牌使用机制
收到令牌的设备就有权力向网络上发送数据。设备根据收到的两种令牌的不同,发送不同的数据。如果设备收到了LAS以CD帧发过来的应答令牌,该设备就将令牌中指定缓冲器中的数据发送到网段上。
如果设备收到的是LAS以PT帧发过来的授权令牌,该设备就在一个规定的时间内享有对网段的控制权。在这一段时间内,该设备的数据链路层会去查找那些已经在排队等待的数据,如果发现有数据的优先级（关于优先级的描述见第6部分）比令牌的优先级高或者相等就把这个数据帧发送到网络上,所有的数据发完后令牌时间还有剩余,就在最后一个数据帧中将令牌捎带返回。如果没有符合要求的数据要发送,就直接用RT帧将令牌返回。如果规定的时间内不足以把所有请求的数据发送完成,就在规定时间内发送完尽可能多的数据帧,然后用RI帧返回令牌,同时向LAS申请更多的时间。
5 一些提高网络性能的措施
FF H1的数据链路层通过以下一些措施可以提高网络的性能。
5.1 优先级
为每台设备要发送的非周期性数据划分3个优先等级:最高、中等、最低。根据数据紧急性的要求,为其分配一个优先等级。通过动态地改变授权令牌的优先级,可以在网段上通信繁忙的时候让那些优先级高的非周期性数据有更多的机会发送到网段上。由上文的描述可知只有数据的优先级高于或等于令牌的优先级时才能发送,所以当网络繁忙的时候提高令牌的优先级就可以限制低优先级的数据发送而使高优先级的数据得到更多的发送权力。网络是否繁忙可以这样确定:记录完成网段上一个授权令牌发放周期所花的时间V（ATRT）,如果这个值小于另一个标志网络繁忙的值V（TTRT）,说明网络空闲,此时就降低令牌的优先级;当V（ATRT）大于V（TTRT）,说明网络繁忙,就提高令牌优先级。LAS开始调度时发送的第一块令牌的优先级总是中等,并且在一个令牌发放周期内的令牌优先级都是一样的。整个过程如图6所示。
5.2 令牌持有时间
在LAS向某个设备发放授权令牌的时候会规定该设备使用令牌时间,这就是令牌持有时间。对于通信栈用户来说,为了令牌的发放、返回而占用的网络时间是一种浪费,因为在这段时间内没有在网络上传输有用的数据。例如:某个设备有50帧数据需要发送,而授权令牌中规定的令牌持有时间只允许发送一个帧,这样令牌收发占用了很大比例的网络时间,要50个令牌才能将数据帧发送完成。如果发给该设备的令牌持有时间允许发送50个帧,那么只要一个令牌就能将数据发送完成,大大提高了网络利用率。
FF H1使用RI这个帧来实现这一点。当使用授权令牌的设备发现自身有很多数据要发,而令牌持有时间不够的时候,先尽可能多的发送数据帧,最后用RI帧向LAS返回令牌,并且申请更多的令牌持有时间。LAS在下一次给该设备发放授权令牌的时候,只要网络剩余时间足够,就像该设备提供所申请的令牌持有时间。
另外,由于FF H1网段上一般不会出现大量的数据,只有在向某台设备进行域上载下载时才会出现比较多的数据帧。所以上述的这种方法不会使得某台设备长时间地占用网络时间而严重影响网段上其他设备的非周期通信。
6 结束语
数据链路层之上的各个通信协议栈层次并不关心总线何时、如何存取的,它们总是认为总线是可以使用的,从而直接将数据发送的请求发送下来。在数据链路层,网段上的LAS和其他设备通过令牌来协调数据何时发送和怎样发送。
协议中只是规定了基本的令牌传递规则,具体的令牌参数可以由网络组态确定,比如V（TTRT）多大才表示网络繁忙。甚至协议实现者可以自己添加一些措施来提高网络性能,只要这些措施不会影响到协议一致性和设备互可操作性就可以。这是需要进一步研究的。
参考文献:
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