深入解析 FF 协议物理层

在工业自动化领域，通信协议的稳定与高效至关重要。基金会现场总线（Foundation Fieldbus，简称 FF）作为一种广泛应用于工业过程控制的通信协议，其物理层的设计对于整个系统的性能起着基础性的支撑作用。

一、FF 协议物理层标准规范

FF 协议物理层遵循 IEC1158 – 2 与 ISA – S50.02 中有关物理层的标准。现场总线基金会针对低速总线颁布了 31.25kb/s 的 FF – 816 物理层规范，也就是我们常说的 H1 标准。这一标准为现场设备与通信传输媒体之间的连接提供了详细的机械和电气接口规范，确保了不同厂商的设备能够在同一物理层标准下实现互联互通。例如，在石油化工、电力等行业的自动化控制系统中，众多现场设备依据该标准进行连接与通信。

二、FF 协议物理层特性参数

网络电缆与阻抗：H1 网络采用两线（不接地）网络电缆，其典型的特性阻抗为 100 欧姆。这种电缆设计能够有效减少信号传输过程中的干扰和损耗，保证信号的完整性。在实际工业环境中，复杂的电磁干扰无处不在，两线制不接地的设计以及合适的特性阻抗，使得 FF 协议物理层在面对干扰时具有更强的鲁棒性。

数据与电源传输：直流电源与数字数据通过同一两根导线传输，这意味着每个设备仅需连接两根导线即可在 H1 网络段上正常工作。这种设计极大地简化了现场布线，降低了安装成本和维护难度。在一个大型工厂的自动化生产线中，大量的现场仪表和设备通过这种方式连接，减少了线缆的铺设数量和复杂度。

数据传输速率：选择相对较慢的 31.25kbps 数据速率，这看似与高速通信的趋势相悖，但实际上是经过精心考量的。在工业环境中，电缆的质量和安装条件往往难以达到理想状态，高速网络容易受到这些因素的影响而出现信号衰减、误码等问题。而 31.25kbps 的数据速率能够在一定程度上容忍不完美的电缆和终端连接，保证通信的稳定性。

信号传输方式：采用差分电压信号传输，最小发送峰峰值为 0.75 伏，最小接收阈值峰峰值为 0.15 伏。差分信号传输方式对共模干扰具有很强的抑制能力，能够在恶劣的工业电磁环境中准确地传输信号。同时，采用曼彻斯特编码，将网络时钟脉冲与数字数据嵌入在一起，简化了设备之间的同步过程，提高了数据传输的准确性和可靠性。

三、FF 协议物理层拓扑结构

基本拓扑构成：一个最小的 FF H1 网段由直流电源、“功率调节器”、恰好两个终端电阻（分别位于电缆的两端）、屏蔽双绞线电缆以及至少两个能够相互通信的 FF 仪表组成。连接每个仪表与最近连接点的电缆称为支线（spur，有时也称为 stub 或 drop），而连接所有连接点与主电源（通常是主机 DCS 所在位置）的电缆称为干线（trunk，有时对于直接连接到主机系统的部分也称为 home run）。功率调节器的实际功能是过滤掉数字数据脉冲，防止其到达直流电源，市面上的现场总线功率调节器通常是复杂的电子电路而非简单的无源滤波网络。

拓扑结构类型及影响：H1 网络本质上是并行电路，所有现场仪表的两个连接端子相互并联。常见的设备连接方式有 “菊花链” 法，即每个仪表连接到两段电缆长度，形成从网段一端到另一端的不间断 “链” 状网络。这种拓扑结构虽然简单，但存在明显的缺点，在网段中任何设备的断开都会中断网络的连续性，导致所有 “下游” 设备暂时失去信号，这在大多数工业应用中是不可接受的，因为它给单个仪表的维护和检修带来了极大的不便。实际应用中，为了克服这一缺点，常常采用树形、星形等其他拓扑结构或它们的复合形式。

四、FF 协议物理层的应用优势

适应工业环境：从物理层的设计参数可以看出，FF H1 网络非常易于在严苛的工业环境中构建。其物理层与 Profibus – PA 相同，这一特点进一步简化了安装过程，因为可以使用通用的网络验证工具和连接硬件，降低了系统集成的难度和成本。在一些老旧工厂的自动化改造项目中，由于可以利用现有的部分硬件和工具，大大缩短了改造周期和成本。