FF總線控制系統的仿真與分析

朱天澤　曹劍馨　孫海洋

摘 要：利用MATLAB/Sinulink軟件中的Stateflow工具箱，搭建基金會現場總線控制系統的仿真平臺。通過此仿真平臺，對FF總線系統性能進行分析，分析結果與FF總線通信特征相一致，驗證了仿真模型的可行性，此模型可以為協議的改進提供理論基礎，更為實際工程應用提供指導。

關鍵詞：控制系統 仿真 分析

Simulation and Analysis of FF Bus Control System

Zhu Tianze，Cao Jianxin，Sun Haiyang

Abstract：The article uses the Stateflow toolbox in MATLAB/Sinulink software to build a simulation platform for the foundation fieldbus control system. Through this simulation platform， the performance of the FF bus system is analyzed， and the analysis results are consistent with the communication characteristics of the FF bus， verifying the feasibility of the simulation model. This model can provide a theoretical basis for the improvement of the protocol and provide guidance for practical engineering applications.

Key words：control system， emulation， analysis

1 引言

基金會現場總線（Foundation Fieldbus），簡稱 FF，是一種雙向的、多站點式、串行的總線系統。

本文在分析FF總線協議工作機制的基礎上，搭建FF總線系統仿真平臺。基于此仿真平臺，對FF總線系統中負載的變化對網絡吞吐量和數據傳輸平均延遲的影響進行了分析。

2 FF總線協議工作機制

FF總線采用的是令牌傳遞的總線控制方式。

進行周期性通信時，當監測到某個設備發布信息的時間到來時，鏈路活動調度器LAS就會向該設備發送強制數據CD，接收到此強制數據幀的設備會立刻使用此令牌向鏈路上發布數據幀。

在周期性通信的時間間隔內，通過鏈路活動調度器LAS向設備發送令牌PT的方式，給予設備發送非周期信息的機會。

3 FF總線控制系統的仿真平臺

仿真平臺中搭建的通信部分模塊如圖1所示，調度部分模塊如圖2所示。

本文中假定具有變送器功能的現場設備具備LAS功能。

在圖1中，三個“buffer”用來分別存放三種優先級的非周期性數據。 “Communication”狀態中，“start”狀態代表節點此時沒有數據需要接收，當總線上有信息需要發送時，Busstate會被置為1，此條件會觸發節點狀態轉移至“Receive-frame”狀態，節點開始接收數據幀。接下來，節點會對接收到的此數據幀進行過濾，若檢測為預定的數據則接收，只接收自己預定的數據并告知節點，否則將此數據幀丟棄。“Com-send”狀態中，“Send_CDdata”狀態代表節點接收到來自LAS的令牌CD，開始組裝數據幀并進行發送，“Send_PTdata” 狀態代表有非周期行數據需要發送時，節點接收到來自LAS的令牌PT，開始組裝數據幀并進行發送，“Return_PT”狀態代表將令牌PT返回給LAS。

圖2中，“CD”中有調度表，負責完成周期性數據的發送，本文中調度表依據時間“CDtime”對周期性數據進行發送。若監測到有非周期數據需要發送，這時PT部分開始工作，LAS將向設備發送令牌PT，接下來需要判斷剩余時間是否夠發起一次非周期數據的傳輸時間，如果判斷結果為不夠發起一次非周期性數據傳輸，則再轉入“CD”部分。

choose函數模塊負責對時間進行判斷;computeP函數用來完成優先級的動態調整。

4 FF總線系統性能分析

本文中設定每個節點的優先級由高到低依次為l、2、3。

通過仿真，得出FF總線的吞吐量與負載的關系，如圖4所示。

通過仿真，得出FF總線的傳輸平均時延與負載的關系，如圖4所示。

由圖3可見，當負載較小時，吞吐量會隨著負載的增加而快速增加，但當負載增加到一定程度時，吞吐量基本趨于飽和。這與FF總線協議的通信機制相符合，當負載較小時，不會受限于帶寬，但是當負載增大到一定值時，帶寬達到飽和狀態，吞吐量趨于不變。

由圖4可見，隨著負載的增加，信息發送平均延遲會隨之增大;同時，節點的優先級越低，信息發送平均延遲越大。這種情況同樣是由于可用帶寬的有限性產生的，依然與FF總線協議工作機制相符。

5 結語

運用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來對FF總線通信系統建模仿真切實可行。是現場總線協議分析與研究的又一途徑，也為研究其他現場總線提供了切實可行的建模方法。

項目名稱：FF現場總線建模及仿真;院校：陜西國際商貿學院。項目編號：S202013123003。

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