在工業(yè)自動化領域，通信協(xié)議的穩(wěn)定與高效至關重要。基金會現場總線（Foundation Fieldbus，簡稱 FF）作為一種廣泛應用于工業(yè)過程控制的通信協(xié)議，其物理層的設計對于整個系統(tǒng)的性能起著基礎性的支撐作用。?
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 中有關物理層的標準?，F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 。這一標準為現場設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備能夠在同一物理層標準下實現互聯互通。例如，在石油化工、電力等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中，眾多現場設備依據該標準進行連接與通信。?
二、FF 協(xié)議物理層特性參數?
  1. 網絡電纜與阻抗：H1 網絡采用兩線（不接地）網絡電纜，其典型的特性阻抗為 100 歐姆 。這種電纜設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，復雜的電磁干擾無處不在，兩線制不接地的設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. 數據與電源傳輸：直流電源與數字數據通過同一兩根導線傳輸，這意味著每個設備僅需連接兩根導線即可在 H1 網絡段上正常工作 。這種設計極大地簡化了現場布線，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線中，大量的現場儀表和設備通過這種方式連接，減少了線纜的鋪設數量和復雜度。?
  1. 數據傳輸速率：選擇相對較慢的 31.25kbps 數據速率，這看似與高速通信的趨勢相悖，但實際上是經過精心考量的。在工業(yè)環(huán)境中，電纜的質量和安裝條件往往難以達到理想狀態(tài)，高速網絡容易受到這些因素的影響而出現信號衰減、誤碼等問題。而 31.25kbps 的數據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，將網絡時鐘脈沖與數字數據嵌入在一起，簡化了設備之間的同步過程，提高了數據傳輸的準確性和可靠性。?
三、FF 協(xié)議物理層拓撲結構?
  1. 基本拓撲構成：一個最小的 FF H1 網段由直流電源、“功率調節(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）。功率調節(jié)器的實際功能是過濾掉數字數據脈沖，防止其到達直流電源，市面上的現場總線功率調節(jié)器通常是復雜的電子電路而非簡單的無源濾波網絡。?
  1. 拓撲結構類型及影響：H1 網絡本質上是并行電路，所有現場儀表的兩個連接端子相互并聯。常見的設備連接方式有 “菊花鏈” 法，即每個儀表連接到兩段電纜長度，形成從網段一端到另一端的不間斷 “鏈” 狀網絡 。這種拓撲結構雖然簡單，但存在明顯的缺點，在網段中任何設備的斷開都會中斷網絡的連續(xù)性，導致所有 “下游” 設備暫時失去信號，這在大多數工業(yè)應用中是不可接受的，因為它給單個儀表的維護和檢修帶來了極大的不便。實際應用中，為了克服這一缺點，常常采用樹形、星形等其他拓撲結構或它們的復合形式。?
四、FF 協(xié)議物理層的應用優(yōu)勢?
  1. 適應工業(yè)環(huán)境：從物理層的設計參數可以看出，FF H1 網絡非常易于在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中構建 。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絡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：現場設備可以通過總線獲取電力，同時進行數據交換 。這種總線供電的方式減少了現場設備額外電源線的鋪設，降低了布線成本和復雜度，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，FF 協(xié)議物理層支持本質安全型防爆方法 。通過合理的電氣參數設計和物理層結構，能夠有效防止在危險環(huán)境中產生電火花等引發(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)議物理層以其嚴謹的標準規(guī)范、獨特的特性參數、多樣的拓撲結構以及顯著的應用優(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，在工業(yè)領域發(fā)揮著不可替代的重要作用。?