摘要:在描述混合介质访问方式Profibus总线和集中介质访问方式FF(FoundationFieldbus)总线通信协议特点的基础上，系统地定义了现场总线控制系统FCS(FieldbusCointrolSystem)的网络性能指标;从数据帧结构和包信息率，周期性信息时延的确定性和有界性，以及负载与实际周转时间、吞吐量、非周期性信息时延、网络利用率、网络效率和负载完成率的关系方面，进行了Profibus总线和FF总线的定量定性的对比分析。分析结果表明，在周期性信息具有严格实时性要求的应用场合，选用FF总线比较适合;反之，选用Profibus总线比较好，从而为Profibus和FF总线通信协议的改进和实际工程应用提供理论和方法的指导。
关键词:过程总线;基金会现场总线;介质访问协议;网络性能;实时通信
引言在底层过程自动化系统中，不同设备通过现场总线传递信息，从而产生了信息时延，进而影响系统性能。因此，作为典型支持现场设备实时通信的网络，Profibus总线和FF总线对数据通信时延提出很高的要求。其中，位于数据链路层的介质访问控制方式MAC(MediaAccessControl)子层是规范网络节点如何获得对网络介质访问的协议，它决定了信息通信的实时性和网络节点间通信的质量和可靠性。
过程自动化领域广泛应用的Profibus总线和FF总线通信协议都是基于时间触发的令牌机制，均是服务于具有通信实时性要求的应用领域。二者的主要区别在于对周期发起通信活动的周期性信息的服务方式不同。前者是在主节点处理完高优先级信息后，根据所剩的持牌时间来处理轮询列表的周期性信息;后者是通过预先定义一个调度时间表，严格地按照调度时间表来执行周期性信息的通信活动。由此引起了二者网络性能的不同
前已有许多学者对现场总线的MAC协议进行研究和改进。Tovar和王等应用实时调度理论对CAN(ControllerAreaNetwork)，WorldFIP，Profibus，PNET和FF分别进行了研究;Marsan，Park和周等应用时间Petri网对Ethernet，Profibus，CAN和FF的MAC协议进行了细致的建模与分析;Lian等对Ethernet，ControlNet和DeviceNet进行了性能对比分析。
笔者主要针对公认的过程控制总线代表和技术领先者Profibus(PA)和FF总线，从帧结构、包信息率、信息时延有界性和网络性能方面进行系统的对比分析与评价，以便为实际工程应用提供有价值的理论指导。
性能指标 定义1 包信息率:每个数据帧中有效数据位数与整个数据帧(包括地址，校验等)位数之比。
定义2 吞吐量:单位时间内系统成功发送信息数量的均值。
定义3 平均信息时延:从信息发出传输请求到被成功传输到目的节点所需要的平均时间。
定义4 网络利用率:单位时间内通道传送信息号的时间比率，即是通道处于忙碌状态的概率，它反映了通道被利用的情况。
定义5 网络效率:通道成功传送的信息与通道发送信号的时间比率，即吞吐量与通道利用率的比率。
定义6 网络负载率:单位时间内发出访问网络的信息数。
定义7 网络负载完成率:单位时间通道成功传送的信息与网络负载率的比率，即吞吐量与网络负载率的比率。
定义8 轮询列表完成率:在Profibus总线系统中目标令牌周期TTR设定后，令牌每次到达主站i
时，能够成功处理轮询列表中的周期性信息数量与表中信息数量的比率。
帧结构与包信息率图1a和图1b分别为Profibus(PA)和FF总线的数据帧结构。图2a和图2b分别为它们的包信息率Edc和发送时间T与数据大小的关系曲线(均按照最大附加信息消耗)。其中，Profibus和FF总线的信道带宽相同，均为31.25kbit/s。从数据帧结构和包信息率可见，二者的性能差别不大。
周期性信息时延的确定性和有界性Profibus总线MAC协议是混合介质访问方式，即通过采用轮询列表来支持具有时间触发的通信活动。轮询列表中的周期性信息是在主节点拥有令牌时，发送完所有待发送的高优先级信息后，且持牌时间大于零时，将被处理。如果持牌时间到，尽管轮询列表中的周期性信息没有全部处理完，也将终止进行，并在下一次拥有令牌时继续处理。当表中的周期性信息处理完后，若持牌时间大于零时，将处理低优先级信息。同时，周期性信息的网络性能受目标令牌周期设定值TTR、高优先级信息负载、低优先级信息负载和主节点数的影响，具有不确定性;在TTR较大时，是有界的。
FF总线MAC协议是集中介质访问方式，通过链路活动调度器LAS严格地按照预定义调度时间表执行周期性信息的通信活动，以支持周期性信息的实时性要求。调度时间表一旦建立，周期性信息的信息时延便是确定的和有界的，且不超过其截止期(周期)。可见，就周期性信息时延的确定性和有界性而言，在由时间触发的通信系统中，周期性信息具有严格的通信实时性要求时，FF总线的周期性信息的网络性能好于Profibus总线。
网络性能Profibus(PA)总线系统和FF总线系统都是针对过程控制系统应用而设计的，系统的通信活动主要是服务于现场设备间控制信息的频繁周期性传递。为此，通过对一个应用实例的仿真实验研究，进一步对比分析二者的特点。
Profibus(PA)总线中的信息帧是个报文循环，由请求和应答两部分组成;而FF总线中的信息帧是个信息，或者是请求，或者是应答，即一个报文循环需要由两个PT令牌帧发起。另外，Profibus总线系统中用于报警等活动的高优先级信息的到达率较小。为便于二者比较，FF总线系统中的信息帧长度取其请求数据帧长度和应答数据帧长度的均值，并设其非周期性信息数为Profibus总线系统中非周期性信息数的2倍，即保证报文循环数相等。设Profibus总线系统中高优先级信息的到达率为∞，或高优先级信息数为零;Profibus总线采用单主节点系统。
在仿真实验中，设应答信息帧含有5byte的数据信息，周期性信息数为6，周期相同，均为100ms;Profibus总线和FF总线系统中非周期性报文循环均为10，则n=10，T=20，其中n和T分别为Profibus总线和FF总线系统中非周期性信息的数量;设Profibus总线的TTR为10000bit。通过调整Profibus和FF总线系统中非周期性信息的到达时间间隔K
Pro和K
FF，并令K=KPro=KFF来获得系统稳态时非周期性信息到达间隔对Profibus总线和FF总线的网络性能影响。图3a～图3f分别为Profibus总线和FF总线系统中非周期性信息到达间隔(负载)K对实际周转时间T
rr、吞吐量S、非周期性信息平均信息时延D、网络利用率U、网络效率E、非周期性信息完成率P
a和Profibus总线轮询列表完成率P
c-P
ro的仿真实验结果。
通过仿真实验对比研究，分析了信息到达间隔(负载)对Profibus和FF总线系统网络性能的影响。可见，FF总线能够保证周期性信息的实时性要求，但其他网络性能指标比Profibus总线差;这表明FF总线是通过牺牲其他网络性能指标来保证和支持周期性信息通信实时性的。
结束语
笔者通过从数据帧结构、包信息率、周期性信息时延的确定性和有界性，以及其他网络性能指标，进行了Profibus和FF总线的对比分析。结果表明，在周期性信息具有严格的实时性要求的应用场合，应选用FF总线比较适合;反之，选用Profibus总线比较好。
来源:电子设计应用 作者:周悦，于海斌，王天然，苑明哲 时间:2006/12/23 0:00:00
