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郝  莉

1  引言
現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，導(dǎo)致了自動(dòng)控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多點(diǎn)數(shù)字通訊的系統(tǒng)，在制造業(yè)、流程工業(yè)、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景。現(xiàn)場(chǎng)總線有以下特點(diǎn)：(1)開放性。(2)可互操作性與可互換性。(3)全數(shù)字化。(4)雙向通信。(5)智能化的現(xiàn)場(chǎng)儀表。
自80年代以來，有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到發(fā)展，逐漸形成其影響。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面，目前的IEC61158中就已存在8種總線（ControlNet, Foundation Fieldbus H1, Foundation Fieldbus HSE, Interbus, P-Net, PROFIBUS, SwiftNet及WorldFIP）。
2  PROFIBUS-DP基本特性
PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是成熟技術(shù)，已被全世界所接受。PROFIBUS-DP是PROFIBUS三個(gè)兼容版本之一，它是經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信系統(tǒng)，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)以O(shè)SI/ISO作為參考模型，DP為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行裕褂昧说谝弧⒍油饧佑脩艚涌凇ROFIBUS-DP的主要應(yīng)用區(qū)域在現(xiàn)場(chǎng)層，響應(yīng)時(shí)間從幾百微秒到幾百毫秒，它具有廣闊的數(shù)據(jù)傳輸范圍（從9.6Kbps到12Mbps），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個(gè)報(bào)文多達(dá)244字節(jié)，它不需要改變硬件就有低速和高速的傳輸速率。
3  PROFIBUS-DP的報(bào)文結(jié)構(gòu)與從站狀態(tài)機(jī)
3.1  PROFIBUS-DP的報(bào)文結(jié)構(gòu)
PROFIBUS-DP采用異步不歸零碼的編碼方式，傳輸?shù)目蛰d電平“1”，一個(gè)空載狀態(tài)至少33Tbit（同步時(shí)間），在每個(gè)請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送前必須保證此時(shí)間。在單個(gè)字符間所有數(shù)據(jù)傳送是無縫的。報(bào)文通訊的基本順序及報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在PROFIBUS-DP通訊中有四種報(bào)文格式，以SD標(biāo)識(shí)。SD為起始定界符，用于區(qū)分不同種類的報(bào)文，SD1為請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文，SD2用于可變數(shù)據(jù)長度報(bào)文，SD3用于固定長度報(bào)文，SD4用于令牌幀。DA表示

 
圖1  報(bào)文通訊的基本順序

目的站地址，SA表示源站地址，F(xiàn)C為功能控制碼，DU表示相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，F(xiàn)CS為校驗(yàn)碼，ED為終止定界符。在SD2報(bào)文的DU中包含服務(wù)存取點(diǎn)SAP。PROFIBUS-DP用服務(wù)存取點(diǎn)SAP標(biāo)明不同的數(shù)據(jù)存取服務(wù)，它提供有以下的服務(wù)存取點(diǎn)：
SAP54：用于主-主通訊；
SAP55：用于以軟件方式設(shè)定從站站地址（Set_Salve_Add）；
SAP56：讀輸入數(shù)據(jù)（Read_Input）；
SAP57：讀輸出數(shù)據(jù)（Read_Output）；
SAP58：廣播報(bào)文，全局控制（Global_Control）；
SAP59：讀組態(tài)數(shù)據(jù)（Get_Cfg）；
SAP60：讀診斷信息（Slave_Diag）；
SAP61：傳送參數(shù)數(shù)據(jù)（Set_Prm）；
SAP62：檢驗(yàn)組態(tài)數(shù)據(jù)（Chk_Cfg）；
缺省SAP：用于數(shù)據(jù)交換（Data_Exchange）。
4  PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機(jī)
PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機(jī)很好地說明了DP從站是如何工作的，圖2表示經(jīng)過簡化了的從站狀態(tài)機(jī)，橢圓表示狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，垂直箭頭表示從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

 
圖2  簡化的從站狀態(tài)機(jī)

DP主站若要和DP從站建立循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，必須經(jīng)歷以下幾個(gè)狀態(tài)：
―  請(qǐng)求診斷（Slave_Diag1）；
―  參數(shù)化從站(Set_Prm)；
―  檢查從站組態(tài)(Chk_Cfg)；
―  再次請(qǐng)求診斷(Slave_Diag2)。
即：DP主站若想與DP從站進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，主站必須檢查從站的準(zhǔn)備情況，首先DP主站向DP從站請(qǐng)求診斷數(shù)據(jù)，從站處于Slave_Diag1狀態(tài)，如果從站用診斷數(shù)據(jù)響應(yīng)主站且該從站沒有被其他主站占據(jù)，DP主站將對(duì)該從站設(shè)置參數(shù)，從站進(jìn)入Set_Prm狀態(tài)，以短應(yīng)答E5H響應(yīng)主站報(bào)文，接著主站傳送組態(tài)數(shù)據(jù)，從站進(jìn)入Chk_Cfg狀態(tài)，同樣以E5H響應(yīng)主站報(bào)文，另一方面，從站對(duì)主站傳送的參數(shù)數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)分析、比較、判斷，注冊(cè)診斷信息的相應(yīng)位；然后主站再次向從站請(qǐng)求診斷數(shù)據(jù)，確認(rèn)參數(shù)化和組態(tài)正確與否，若正確且從站已經(jīng)做好了進(jìn)入數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)備，則進(jìn)入循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段，若參數(shù)化和組態(tài)數(shù)據(jù)有誤，則主站重新請(qǐng)求診斷，從站進(jìn)入Slave_Diag1狀態(tài)，若從站數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，則從站一直處于Slave_Diag2狀態(tài)接受主站查詢，直到準(zhǔn)備就緒。這便是DP主從站間的建立通訊的過程。
進(jìn)入數(shù)據(jù)交換階段后，DP主從站間主要進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)的交換，若從站有診斷信息，會(huì)利用數(shù)據(jù)交換的機(jī)會(huì)以高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的形式通知主站，主站會(huì)臨時(shí)使從站進(jìn)入診斷狀態(tài)（Slave_Diag2），然后再恢復(fù)數(shù)據(jù)交換（Data_Exch）。
另外，在進(jìn)入數(shù)據(jù)交換階段后，主站也可以發(fā)參數(shù)化報(bào)文，改變從站用戶參數(shù)的設(shè)置；主站也可以請(qǐng)求診斷數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)、輸入輸出數(shù)據(jù)。
5  PROFIBUS-DP從站的軟件實(shí)現(xiàn)方案
PROFIBUS-DP從站的實(shí)現(xiàn)可采用專用協(xié)議芯片，稱為硬件實(shí)現(xiàn)。文中給出的DP從站實(shí)現(xiàn)方案采用軟件方式，即本軟件實(shí)現(xiàn)方案采用51系列單片機(jī)，集成PROFIBUS-DP從站協(xié)議，外加總線接口及驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)DP從站，波特率可達(dá)500Kbps，滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了PROFIBUS-DP從站智能I/O模塊的自主開發(fā)。
該軟件實(shí)現(xiàn)的DP從站，可自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)上波特率，站地址由撥碼開關(guān)設(shè)置，不支持軟件上對(duì)站地址的修改。
采用8051單片機(jī)集成DP從站協(xié)議，軟件的核心部件是從站自動(dòng)機(jī)。從站是被動(dòng)站，只是響應(yīng)主站的請(qǐng)求，而不向主站請(qǐng)求數(shù)據(jù)。從站接收到主站的請(qǐng)求報(bào)文后分析報(bào)文類型，根據(jù)報(bào)文類型做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，在相應(yīng)的自動(dòng)機(jī)上行走，響應(yīng)主站的請(qǐng)求。按照從站自動(dòng)機(jī)，從站要經(jīng)歷診斷、參數(shù)設(shè)置、組態(tài)檢查、再診斷幾個(gè)階段，如果上述幾步完全正確，從站進(jìn)入與主站的循環(huán)數(shù)據(jù)交換，否則，重復(fù)自動(dòng)機(jī)的前四步，直到初始化完全正確。

圖3  數(shù)據(jù)管理子程序流程圖

在主程序中主要完成初始化工作、對(duì)網(wǎng)上波特率的適應(yīng)，也即查找網(wǎng)上波特率、采集處理輸入輸出數(shù)據(jù)，通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)等工作。采集處理輸入輸出數(shù)據(jù)是主程序的主要工作，通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)定期查看通訊狀態(tài)，在通訊出現(xiàn)故障時(shí)，要及時(shí)復(fù)位單片機(jī)。在適應(yīng)網(wǎng)上波特率后，開串口中斷，接收總線數(shù)據(jù)。在串口中斷服務(wù)程序中主要的工作是接收總線數(shù)據(jù)、分析管理數(shù)據(jù)，維護(hù)從站自動(dòng)機(jī)并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。其核心部分?jǐn)?shù)據(jù)管理子程序流程圖見圖3所示。
6  結(jié)語
文中詳細(xì)闡述了PROFIBUS-DP的工作方式，介紹了軟件實(shí)現(xiàn)DP從站所需具備的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并給出了軟件主要部件的程序流程圖。由于從站的實(shí)現(xiàn)只需要PROFIBUS-DP協(xié)議的一小部分，因此實(shí)施起來特別經(jīng)濟(jì)。采用軟件方式實(shí)現(xiàn)DP從站，是一種簡單有效的方法，用它代替專用協(xié)議芯片，可降低開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)自主開發(fā)。

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