在工業(yè)自動化領(lǐng)域，通信協(xié)議的穩(wěn)定與高效至關(guān)重要。基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus，簡稱 FF）作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的通信協(xié)議，其物理層的設(shè)計對于整個系統(tǒng)的性能起著基礎(chǔ)性的支撐作用。?
一、FF 協(xié)議物理層標準規(guī)范?
FF 協(xié)議物理層遵循 IEC1158 – 2 與 ISA – S50.02 中有關(guān)物理層的標準?，F(xiàn)場總線基金會針對低速總線頒布了 31.25kb/s 的 FF – 816 物理層規(guī)范，也就是我們常說的 H1 標準 。這一標準為現(xiàn)場設(shè)備與通信傳輸媒體之間的連接提供了詳細的機械和電氣接口規(guī)范，確保了不同廠商的設(shè)備能夠在同一物理層標準下實現(xiàn)互聯(lián)互通。例如，在石油化工、電力等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中，眾多現(xiàn)場設(shè)備依據(jù)該標準進行連接與通信。?
二、FF 協(xié)議物理層特性參數(shù)?
  1. 網(wǎng)絡(luò)電纜與阻抗：H1 網(wǎng)絡(luò)采用兩線（不接地）網(wǎng)絡(luò)電纜，其典型的特性阻抗為 100 歐姆 。這種電纜設(shè)計能夠有效減少信號傳輸過程中的干擾和損耗，保證信號的完整性。在實際工業(yè)環(huán)境中，復(fù)雜的電磁干擾無處不在，兩線制不接地的設(shè)計以及合適的特性阻抗，使得 FF 協(xié)議物理層在面對干擾時具有更強的魯棒性。?
  1. 數(shù)據(jù)與電源傳輸：直流電源與數(shù)字數(shù)據(jù)通過同一兩根導(dǎo)線傳輸，這意味著每個設(shè)備僅需連接兩根導(dǎo)線即可在 H1 網(wǎng)絡(luò)段上正常工作 。這種設(shè)計極大地簡化了現(xiàn)場布線，降低了安裝成本和維護難度。在一個大型工廠的自動化生產(chǎn)線中，大量的現(xiàn)場儀表和設(shè)備通過這種方式連接，減少了線纜的鋪設(shè)數(shù)量和復(fù)雜度。?
  1. 數(shù)據(jù)傳輸速率：選擇相對較慢的 31.25kbps 數(shù)據(jù)速率，這看似與高速通信的趨勢相悖，但實際上是經(jīng)過精心考量的。在工業(yè)環(huán)境中，電纜的質(zhì)量和安裝條件往往難以達到理想狀態(tài)，高速網(wǎng)絡(luò)容易受到這些因素的影響而出現(xiàn)信號衰減、誤碼等問題。而 31.25kbps 的數(shù)據(jù)速率能夠在一定程度上容忍不完美的電纜和終端連接，保證通信的穩(wěn)定性。?
  1. 信號傳輸方式：采用差分電壓信號傳輸，最小發(fā)送峰峰值為 0.75 伏，最小接收閾值峰峰值為 0.15 伏 。差分信號傳輸方式對共模干擾具有很強的抑制能力，能夠在惡劣的工業(yè)電磁環(huán)境中準確地傳輸信號。同時，采用曼徹斯特編碼，將網(wǎng)絡(luò)時鐘脈沖與數(shù)字數(shù)據(jù)嵌入在一起，簡化了設(shè)備之間的同步過程，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。?
三、FF 協(xié)議物理層拓撲結(jié)構(gòu)?
  1. 基本拓撲構(gòu)成：一個最小的 FF H1 網(wǎng)段由直流電源、“功率調(diào)節(jié)器”、恰好兩個終端電阻（分別位于電纜的兩端）、屏蔽雙絞線電纜以及至少兩個能夠相互通信的 FF 儀表組成 。連接每個儀表與最近連接點的電纜稱為支線（spur，有時也稱為 stub 或 drop），而連接所有連接點與主電源（通常是主機 DCS 所在位置）的電纜稱為干線（trunk，有時對于直接連接到主機系統(tǒng)的部分也稱為 home run）。功率調(diào)節(jié)器的實際功能是過濾掉數(shù)字數(shù)據(jù)脈沖，防止其到達直流電源，市面上的現(xiàn)場總線功率調(diào)節(jié)器通常是復(fù)雜的電子電路而非簡單的無源濾波網(wǎng)絡(luò)。?
  1. 拓撲結(jié)構(gòu)類型及影響：H1 網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是并行電路，所有現(xiàn)場儀表的兩個連接端子相互并聯(lián)。常見的設(shè)備連接方式有 “菊花鏈” 法，即每個儀表連接到兩段電纜長度，形成從網(wǎng)段一端到另一端的不間斷 “鏈” 狀網(wǎng)絡(luò) 。這種拓撲結(jié)構(gòu)雖然簡單，但存在明顯的缺點，在網(wǎng)段中任何設(shè)備的斷開都會中斷網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，導(dǎo)致所有 “下游” 設(shè)備暫時失去信號，這在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中是不可接受的，因為它給單個儀表的維護和檢修帶來了極大的不便。實際應(yīng)用中，為了克服這一缺點，常常采用樹形、星形等其他拓撲結(jié)構(gòu)或它們的復(fù)合形式。?
四、FF 協(xié)議物理層的應(yīng)用優(yōu)勢?
  1. 適應(yīng)工業(yè)環(huán)境：從物理層的設(shè)計參數(shù)可以看出，F(xiàn)F H1 網(wǎng)絡(luò)非常易于在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中構(gòu)建 。其物理層與 Profibus – PA 相同，這一特點進一步簡化了安裝過程，因為可以使用通用的網(wǎng)絡(luò)驗證工具和連接硬件，降低了系統(tǒng)集成的難度和成本。在一些老舊工廠的自動化改造項目中，由于可以利用現(xiàn)有的部分硬件和工具，大大縮短了改造周期和成本。?
  1. 支持總線供電：現(xiàn)場設(shè)備可以通過總線獲取電力，同時進行數(shù)據(jù)交換 。這種總線供電的方式減少了現(xiàn)場設(shè)備額外電源線的鋪設(shè)，降低了布線成本和復(fù)雜度，特別適用于一些難以單獨提供電源的場合，如危險區(qū)域或空間有限的場所。?
  1. 防爆性能支持：在一些對安全性要求極高的行業(yè)，如石油化工、煤礦等，F(xiàn)F 協(xié)議物理層支持本質(zhì)安全型防爆方法 。通過合理的電氣參數(shù)設(shè)計和物理層結(jié)構(gòu)，能夠有效防止在危險環(huán)境中產(chǎn)生電火花等引發(fā)爆炸的因素，確保系統(tǒng)在危險區(qū)域的安全運行。?
FF 協(xié)議物理層以其嚴謹?shù)臉藴室?guī)范、獨特的特性參數(shù)、多樣的拓撲結(jié)構(gòu)以及顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，為工業(yè)自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了堅實的基礎(chǔ)，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。?