1.HSE的由來

按照現場總線基金會原來的構思，基金會現場總線FF（Foundation Fieldbus）是由低速部分H1與高速部分H2共同組成，H2的傳輸速率有1Mbps與2.5Mbps二種，傳輸距離分別為750m與500m。由于技術的低速發展，互聯網技術向控制網絡的滲透，H2還未正式出臺就已經顯得不適應應用的需求而改為高速以太網HSE（High Speed Ethernet），其傳輸速率為100Mbps，并于2000年3月29日發布了HSE的規范。由于HSE采用了以太網，所以要簡單地先介紹了一下以太網與工業以太網。

2.以太網的簡介

（1）以太網的由來

以太網（Ethernet）最初是由美國Xerox公司于1975年推出的一種局域網，他以無源電纜作為總線來傳送數據，并以曾經在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，那個時候認為以太無所不在（實際上目前認為他并不存在），所以借此來理解為可以將大量數據一次送往任何各地。1980年9月，DEC(數據設備公司，目前已被Compact公司收購，已不存在)，Intel及Xerox合作公布了Ethernet物理層和數據鏈路層的規范，稱為DIX規范。IEEE802.3是由美國電氣與電子工程師協會IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)公布了以太網物理層和數據鏈路層的規范。IEEE802.3是由IEEE在DIX規范基礎上進行了修改而制定的標準，電子IEEE只是美國的電氣和電子工程師協會，所以IEEE802.3并不是國際標準，只有當國際標準化組織ISO(International Standards Organigation)接受而成為ISO8802-3標準后，才能正式成為國際標準，于是以太網就獲得快速的發展。嚴格來講，以太網與IEEE802.3標準并不完全相同，但人們通常都將IEEE802.3就認為是以太網標準。

（2）介質訪問控制協議CSMA/CD

最能表證以太網通信的基礎就是CSMA/CD。在802.3以太網MAC(介質訪問控制)層中，對介質的訪問控制采用了載波監聽多路訪問/沖突檢測協議CSMA/CD其主要思想可用“先聽后說，邊說邊聽”的形象來表示。“先聽后說”是指在發送數據之前先監聽總線的狀態。在以太網上，每個設備可以在任何時候發送數據。發送給在發送數據之前先要檢測通信信道中的載波信號，如果沒有檢測到載波信號，說明沒有其他站在發送數據，或者說在信道上沒有數據，該站可以發送。否則，說明信道上有數據，需等待一個隨機的時間后再重復檢測，直到能夠發送數據為止。當信號在傳送時，每個站均檢查數據幀中的目的地址字段，并依此判定是接受該幀還是忽略該幀。由于數據在網中的傳輸需要時間，總線上可能會出現二個和二個以上的站點監聽到總線上沒有數據而發送數據幀，因此就會發生沖突，“邊說邊聽”就是指在發送數據的過程的同時檢測總線上的沖突。沖突檢測最基本思想是一邊將信息輸送到傳輸介質上，一邊從傳輸介質上接收信息，然后將發送出去的信息和接收的信息進行按位比較。如果二者一致，說明沒有沖突；如果二者不一致，則說明總線上發生了沖突。一旦檢出沖突以后，不必講數據幀全部發完，CSMA/CD立即停止數據幀的發送，并向總線發送一串阻塞信號，讓其總線上其他各線均能感知沖突已經發生。總線上各站點“聽”到阻塞信號以后，均等待一段隨機的時間，然后再去重發受沖突影響的數據幀。這一段隨機的時間通常由網卡中的一個算法來決定。CSMA/CD的優勢在于站點無需依靠中心控制就能進行數據發送。當網絡通信量較小的時候，沖突很少發生，這種介質訪問控制方式是快速而有效的。當網絡負載較重的時候，就容易出現沖突，網絡性能也相應降低。

這種通信方式，對通信量大而且沒有實時性要求的場合是非常有效的，因此在辦公自動化上應用非常適合；而在控制領域上應用時，由于不能滿足實時性和時間上的確定性的要求，就出現了問題，必須采取相應措施才能奏效，這在以后有關實時以太網的講座中，再行講解。

（3）沖突退避算法

在802.3以太網中，當檢測到沖突檢測出來以后，就要重發原來的數據幀。沖突過的數據幀的重發又可能再次引起沖突。為避免這種情況的發生，經常采用錯開各站的重發時間的辦法來解決，重發時間的控制問題就是沖突退避算法問題。

最常用的計算重發時間間隔的算法就是二進制指數退避算法。其本質上是根據沖突的歷史估計網上信息量而決定本次應等待的時間。按此算法，當發生沖突時，控制器延遲一個隨機長度的間隔時間，如下式所示：

TN=R×A×(2N-1)

式中：R為0～1的隨機數；A是時間片（可選總線循環一周的時間）；N是連續沖突的項數。整個算法過程可以理解為

1）每個幀在首次發生沖突時的退避時間為T1。

2）當重復發生一次沖突，則最大退避時間加倍，然后組織重傳數據幀。

3）在10次碰撞發生后，該間距將被凍結在最大時間片（即1023）上。

4）16次碰撞后，控制器將停止發送，并向節點微處理器回報失敗信息。

這個算法中等待時間的長短與沖突的歷史有關，一個數據幀遭遇的沖突次數越多，則等待時間越長，說明網上傳輸的數據量越大。

3.工業以太網

以太網是用于辦公自動化的技術，要用于工業領域必須在沿用以太網技術的基礎上，采取相應的措施才行。

（1）以太網與工業以太網不同之點

1）早先的以太網規范只包括OSI通信模型中的物理層與數據鏈路層；而工業以太網則還包括了網絡層，傳輸層和應用層，見圖1所示。圖中MAC代表介質訪問控制（Media Access Control）,IP(Internet Protoeol)指網際互聯協議，TCP（Transmission Control Protocol）為傳輸控制協議而UDP（User Datagram Protocol）則指用戶數據報協議。

圖1工業以太網與OSI互連參考模型的分層對照

2）要適應工業環境需采取的措施：

·優質的元器件及材料以保證其可靠性。

·機械環境的適應性，如耐根動、耐沖擊。

·氣候環境的適應性，如工作溫度要求為-40～85℃，至少為-20～70℃，并要耐腐蝕、防塵與防水。

·電磁環境適應性或電磁兼容性EMC如符合EN50081-2、EN50082-2標準（EN為歐洲標準）

這樣工業以太網的價格就比以太網要高得多。至于實時性，時間確定性，供電與防爆等問題在以后的實時工業以太網中講解。