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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的仿真平臺。通過此仿真平臺，對FF總線系統(tǒng)性能進行分析，分析結(jié)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(xié)議的改進提供理論基礎(chǔ)，更為實際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 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(xiàn)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(tǒng)。

本文在分析FF總線協(xié)議工作機制的基礎(chǔ)上，搭建FF總線系統(tǒng)仿真平臺?；诖朔抡嫫脚_，對FF總線系統(tǒng)中負載的變化對網(wǎng)絡(luò)吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸平均延遲的影響進行了分析。

2 FF總線協(xié)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(dāng)監(jiān)測到某個設(shè)備發(fā)布信息的時間到來時，鏈路活動調(diào)度器LAS就會向該設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)CD，接收到此強制數(shù)據(jù)幀的設(shè)備會立刻使用此令牌向鏈路上發(fā)布數(shù)據(jù)幀。

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

3 FF總線控制系統(tǒng)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(diào)度部分模塊如圖2所示。

本文中假定具有變送器功能的現(xiàn)場設(shè)備具備LAS功能。

在圖1中，三個“buffer”用來分別存放三種優(yōu)先級的非周期性數(shù)據(jù)。 “Communication”狀態(tài)中，“start”狀態(tài)代表節(jié)點此時沒有數(shù)據(jù)需要接收，當(dāng)總線上有信息需要發(fā)送時，Busstate會被置為1，此條件會觸發(fā)節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移至“Receive-frame”狀態(tài)，節(jié)點開始接收數(shù)據(jù)幀。接下來，節(jié)點會對接收到的此數(shù)據(jù)幀進行過濾，若檢測為預(yù)定的數(shù)據(jù)則接收，只接收自己預(yù)定的數(shù)據(jù)并告知節(jié)點，否則將此數(shù)據(jù)幀丟棄?！癈om-send”狀態(tài)中，“Send_CDdata”狀態(tài)代表節(jié)點接收到來自LAS的令牌CD，開始組裝數(shù)據(jù)幀并進行發(fā)送，“Send_PTdata” 狀態(tài)代表有非周期行數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，節(jié)點接收到來自LAS的令牌PT，開始組裝數(shù)據(jù)幀并進行發(fā)送，“Return_PT”狀態(tài)代表將令牌PT返回給LAS。

圖2中，“CD”中有調(diào)度表，負責(zé)完成周期性數(shù)據(jù)的發(fā)送，本文中調(diào)度表依據(jù)時間“CDtime”對周期性數(shù)據(jù)進行發(fā)送。若監(jiān)測到有非周期數(shù)據(jù)需要發(fā)送，這時PT部分開始工作，LAS將向設(shè)備發(fā)送令牌PT，接下來需要判斷剩余時間是否夠發(fā)起一次非周期數(shù)據(jù)的傳輸時間，如果判斷結(jié)果為不夠發(fā)起一次非周期性數(shù)據(jù)傳輸，則再轉(zhuǎn)入“CD”部分。

choose函數(shù)模塊負責(zé)對時間進行判斷;computeP函數(shù)用來完成優(yōu)先級的動態(tài)調(diào)整。

4 FF總線系統(tǒng)性能分析

本文中設(shè)定每個節(jié)點的優(yōu)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(guān)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(guān)系，如圖4所示。

由圖3可見，當(dāng)負載較小時，吞吐量會隨著負載的增加而快速增加，但當(dāng)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(xié)議的通信機制相符合，當(dāng)負載較小時，不會受限于帶寬，但是當(dāng)負載增大到一定值時，帶寬達到飽和狀態(tài)，吞吐量趨于不變。

由圖4可見，隨著負載的增加，信息發(fā)送平均延遲會隨之增大;同時，節(jié)點的優(yōu)先級越低，信息發(fā)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(chǎn)生的，依然與FF總線協(xié)議工作機制相符。

5 結(jié)語

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

項目名稱：FF現(xiàn)場總線建模及仿真;院校：陜西國際商貿(mào)學(xué)院。項目編號：S202013123003。

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