一、 概述

WorldFip現場總線組織成立于1987年。目前已有一百多個成員，其中許多是工控領域的世界著名大公司，如Honeywell、西技來克(Cegelec)、阿爾斯通(Alstom)、施耐德(Schneider)等。前期產品是Fip(Factory Instrumentation Protocol)。Fip是法國標準，后來采納了IEC國際標準(61158-2)改名為WorldFip。相應的歐州標準是EN50170-3。不久前國內也成立了“WorldFip技術推廣中心”。我國引進的一些大型工程，如上海地鐵、嶺奧核電站、軍糧城電廠等都可以看到這種現場總線。目前正在建造的世界上能量最高的大型強子對撞機已選定WorldFip為工程標準總線之一。該加速器周長27公里，耗資數十億美元，將于2004年建成。筆者在參與該工程現場總線評估和應用過程中，對該總線的特點有所了解，簡介如下。

由于篇幅的限制，這里只介紹其有特色之處。網絡管理、遠程服務、遠程下載、出錯處理、廣播方式、重新同步、應答方式等等與其它網絡協議差不多的部分不在這里介紹。

二、 WorldFip的特點

WorldFip總線是面向工業控制的，其主要特點可歸納為實時性、同步性、可靠性。

WorldFip 目前使用的傳輸速率是31.5K，1M和2.5M。典型速率為1M bit/s。典型的傳輸介質是工業級屏蔽雙絞線。對接線盒、9針D型插頭座等都有嚴格的規定。每個網段最長為1公里。加中繼器(Repeater)以后可擴展到5公里。

WorldFip與Internet類似，使用曼徹斯特碼傳輸。但它是一種令牌網。網絡由仲裁器和若干用戶站組成。

WorldFip 使用信息生產者和消費者的概念，和通常意義上的輸出量、輸入量略有區別。每個生產者或消費者變量有一個IP地址。每個用戶站可以有例如16個生產者/消費者變量。任何時候，生產者只能有一個，而消費者可以是1個或多個。

WorldFip的設計思想是，按一定的時序，為每個信息生產者分配一個固定的時段，通過總線仲裁器諸個呼叫每個生產者，如果該生產者已經上網，應在規定時間內應答。生產者提供必要的信息，同時提供一個狀態字，說明這一信息是最新生產的，還是過去傳送過的老信息。消費者接收到信息時，可根據狀態字判斷信息的價值。

WorldFip 將信息分為：周期性同步數據、周期性異步數據和非周期性消息包。同步數據嚴格地按確定的時序呼叫，接下去是周期性異步數據，用于對同步性要求不太高的數據傳送。最后呼叫消息包。周期性同步數據、異步數據用于時序要求嚴格，數據包不大的信息(8~128字節)，消息包指時序要求不嚴格，數據量大的信息，例如每包256字節。形象地比喻，網線可以看成一個流水的管道。一半(或1/3、2/3,由用戶設計)流的是水，是不可壓縮的。即周期性同步和異步數據。另一半可以看成是空的，留給非周期性消息包的傳送。

網絡仲裁器是整個網絡通信的主宰者。網絡仲裁器輪番呼叫每一個生產者變量。整個網線上總是有信號的。如果若干時間間隔內(例如幾十毫秒)沒有監聽到網上的信號、則可以診斷為網絡故障，此時可以自動將冗余熱備份網線切換上去，也可以設計成各用戶站回本質安全態。WorldFip 在網絡安全性方面的考慮有其獨到之處。在一個網絡中可以有一個或多個網絡仲裁器。在任意給定時刻，只有一個在起作用，其他處于熱備份態，監聽網絡狀態。而每個用戶站的網絡冗余則是通過一個控制器驅動兩路驅動器，接入兩個獨立的網線實現的。當一個網線被破壞，自動切換到另一網線。

三、 WorldFip 協議

除用戶層外，WorldFip使用以下三層通信協議：應用層、數據鏈路層、物理層。

用戶層指有用的信息，一個變量(生產者或消費者)，可以是8字節，也可以是16、32、48......乃至128字節。一則消息，則可以長至256字節。以下三層是在WorldFip網絡控制器中自動實現的，不需要用戶CPU干預。它相應于7層網絡通信協議的1、2和7層。

應用層在用戶層信息的前面加上兩個字節的識別碼（ID）。這兩個字節第一個是變量類型即所謂PDU類型。第二個字節是數據長度。

數據鏈路層則在應用層基礎上加上一頭一尾。頭上是一個字節的狀態字，表示該信息是最近刷新的，還是重復以前的數據。尾上加兩個字節，用于CRC校驗。

到物理層，則在數據鏈路層基礎上再加上頭尾。頭上加兩個字節，一個是前同步字符，由10101010組成，第二個是幀開始分界符，由1、高電平、低電平、1、零、高電平、低電平、零組成。尾部加一個幀結束字節，由1、高電平、低電平、高電平、低電平、1、零、1、組成。

綜上所述，三層協議一共在有用信息兩端增加了8個字節。當速率為1M時，幀與幀之間的間隔可設定在10～70μS之間。如果每個數據都是8字節，有用通量在200K～300 Kbit/s之間。如果數據長度為128字節，有用通量可達800K bit/s。

在1M速率下，如果掃描周期為10mS。假設5mS用于周期性同步和異步數據，5mS用于傳送信息包，則5mS中可以掃描23個8字節變量或4個128字節變量。如果網上真的有250個用戶站，每站有16個變量，即總共4000個變量，一半的時間留給消息包傳輸，則一次掃描約需要2秒。

四、 WorldFip總線典型器件

1、 用于總線仲裁器的典型IC是VLSI公司的FullFip2。這是一個84引腳的芯片，使用時需要外擴獨享存儲器(Private memory)。有最多2M尋址空間，可主管最多4000個用戶站，6萬個以上變量。考慮到上述掃描周期不宜太長，用戶站不可能這么多。

該芯片可方便地與Intel CPU或Motorola 單片機接口。可設計成PC機內的一塊總線仲裁卡，也可以方便地與Motorola 16/32位單片機接口，例如MC68HC3XX、MC68HC16等。

FullFip2與WorldFip的連接是通過總線驅動器經變壓器耦合實現的。

FullFip2主要用于總線仲裁，也可用于用戶站。FullFip2內部有近100個寄存器，編程時較為復雜。一些公司提供C語言的函數庫用于總線仲裁器的編程與開發。

2、 MicroFip是一種低價位、用于用戶站的IC，也是VLSI產品。對于I/O端口≤16的用戶站，MicroFip可獨立工作(Stand alone 方式)。用戶事先定義的，網絡故障時各輸出端口應該輸出的值、初值等參數可遠程下載。這是一個100引腳的表面貼芯片。

作為單片機接口芯片，它可以方便地與8051、68HC11/12/16等單片機接口，此時該用戶站可處理16個變量(生產者或消費者)。由于片內有512字節的變量緩沖區，每個數據變量的大小可為n8字節(0≤n≤7)。而最長的消息包可以大到256字節。

3、 總線驅動與變壓器。WorldFip用的總線驅動器與其它總線驅動器的不同之處在于，除了實現曼徹斯特編碼、解碼功能之外，它還提供總線監聽與看門狗功能，這為總線的熱備份、總線冗余提供了方便，提高了總線的安全性。

總線驅動芯片是一個28引腳的表面貼芯片。

變壓器用于驅動器與傳輸介質的隔離，驅動器與變壓器之間應加上保護與抗干擾措施。

符合WorldFip協議的芯片還有一些，如FIPIU2、FIPCOI等。不在此詳述。

五、 開發工具

除一些公司提供用于FullFip2和MicroFip編程的C語言程序庫以外，最值得一提的是WorldFip協議分析器。其硬件是插在PC機內的一塊卡。用于采集WorldFip網線上的信號。軟件名為Fip Watcher。在Windows下運行。開發者給定觸發條件以后，Fip Watcher在屏幕上顯示數據包的內容和每個數據包之間的時間關系。這個工具硬件相當簡單，而使用起來比示波器、邏輯分析儀都方便、直觀，價格也便宜許多。

另外，一些公司還提供開發散件，包括主要控制器芯片，驅動器芯片，變壓器等。也有PC機上的演示板，用于總線仲裁器。或者一塊PC 機上的卡，使某一PC機成為一個用戶站。還有以MicroFip芯片加驅動、變壓器耦合等三部分組成的評估板可供使用。該板可單獨使用，也可以方便地與Intel 8051或各種Motorola 單片機接口。

六、 目前存在的一些問題和應用前景

由于WorldFip的發展經歷了一個十余年的發展過程，而最終被國際上認可成為國際標準還是最近幾年的事。各公司都聲稱支持WorldFip現場總線協議，而不少公司使用的是他們自己設計的專用芯片。使用的類似標準有Fip、FipIO等等。如果全部使用某公司的產品，一般不會有什么問題。這些公司還提供上層的編程工具等。如果同時使用兩家不同公司的產品，或將根據WorldFip協議自行開發的設備連入從某公司購得的網絡，則會出現數據格式不一致，不能接入的問題。

在大型強子對撞機工程中，歐洲核子研究中心希望購買施耐德公司的PLC，用于總線仲裁，而用戶站則將根據需要自行開發，結果出現了上述問題。目前此類問題正在解決之中。

由于WorldFip現場總線依照工業控制系統的要求，不但嚴格定義了通信協議，也嚴格定義了符合工業標準的傳輸介質、接線盒、插頭座等。在實時性、同步性、冗余性方面獨具特色。速度更高的、以光纖為介質的高速網也不斷推出。預計將來的幾年中，在工控領域，WorldFip總線將會得到越來越廣泛的應用。