Profibus -DP網(wǎng)絡(luò)的基本原理、特性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主從通信的方法

1、引言

現(xiàn)場總線（Fieldbu）是20 世紀(jì)80 年代末、90 年代初發(fā)展起來的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的產(chǎn)物，經(jīng)過十幾年的發(fā)展已成為當(dāng)今世界自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前各類現(xiàn)場總線有40 多種，主要用于解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信及這些現(xiàn)場控制設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

目前，較為流行的現(xiàn)場總線有FF 、LonWorks 、Profibus 、WorldFIP 、CAN 、HART （過渡協(xié)議）等?，F(xiàn)場總線雖然必須設(shè)計(jì)成開放系統(tǒng)，但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不需要保持與OSI 系統(tǒng)完全一致。現(xiàn)場總線采用了3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。流量控制和差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層中執(zhí)行，報(bào)文的可靠傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層中執(zhí)行。

2、Profibus-DP 總線

2.1 Profibus-DP 主從通信

Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)主站/從站．ｍａｓｔｅｒ/ Slaver）網(wǎng)絡(luò)，典型的DP 配置是單主站結(jié)構(gòu)。DP 主站與DP 從站之間的通信基于主從原理，主站具有總線控制權(quán)，周期地讀取從站的輸人信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，而總線上的DP 從站僅僅是對(duì)主站作有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)。數(shù)據(jù)通信由主站和從站進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)DP 系統(tǒng)也可能是多主系統(tǒng)。

2.2 Profibus-DP 總線拓?fù)?/p>

Profibus-DP 系統(tǒng)有2 種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一種是RS-485 ，采用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通信速率為9.6kb/s.（12oom ）-1， 12Mb/s.（100 m ）-1，每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，不支持總線供電；另一種是采用光纖，用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。

2.3 Profibus-DP主從通信原理

在數(shù)據(jù)鏈路層，Profibus-DP 使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)相關(guān)站之間的通信。其存取控制機(jī)制包括用于主站間通信的分散的令牌傳遞機(jī)制和用于主站與從站間通信的集中的主-從機(jī)制。Profibus-DP的總線存取控制機(jī)制與所使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)，每個(gè)DP 節(jié)點(diǎn)有一個(gè)總線上惟一的地址，報(bào)文用節(jié)點(diǎn)編址的方法組織。

令牌介質(zhì)存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權(quán)。連接到Profibus 網(wǎng)絡(luò)的主站按其總線地址（由總線存取控制MAC 程序自動(dòng)判定總線上所有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)地址并記錄在主動(dòng)站表LAS 中）的升序組成一個(gè)邏輯令牌環(huán)。當(dāng)某個(gè)主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。根據(jù)主從站關(guān)系表給其它的主站或從站發(fā)送幀，直到發(fā)完或規(guī)定的時(shí)間到，再把令牌按令牌環(huán)規(guī)定的順序傳給其它主站。具有總線地址HAS （最高站地址）的站點(diǎn)例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點(diǎn)，以使邏輯令牌環(huán)閉合。在主-從方式下，由一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，構(gòu)成主-從系統(tǒng)。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個(gè)主站應(yīng)與相關(guān)的多個(gè)從站中的每個(gè)從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路，從站可以發(fā)送多個(gè)偵，直到以下一種情況發(fā)生為止：從站沒有信息幀可發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止。典型的Profibus-DP 總線配置是以主-從總線存取程序?yàn)榛A(chǔ)的，一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP 主站）循環(huán)地與被動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP 從站）交換數(shù)據(jù)。在單主方式中不存在令牌的傳遞，故在本文所討論的系統(tǒng)中只涉及主從機(jī)制，也就是說令牌始終在這個(gè)主站，該主站是這個(gè)系統(tǒng)中惟一具有總線控制權(quán)的站。

3、基于Profibus 一DP 主從通信

3 .1 硬件部分

Profibus 通信的實(shí)現(xiàn)主要由帶Profibus通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP 從站、DP 主站、FMS 站及混合DP 和FMS 的通信模塊。本文實(shí)驗(yàn)是基于奧地利貝加萊（B&R） 公司的相關(guān)產(chǎn)品在貝加萊-東華大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，以通過Profibus-DP網(wǎng)對(duì)下位對(duì)象的控制為例介紹Profibus 一DP 網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中主站為B&R公司的2005 系列，CPU 為CP260 或IF260 ，主站通過網(wǎng)絡(luò)模塊EX450 掛接到Profibus - DP 網(wǎng)上。當(dāng)用EX450 作為主站模塊時(shí)，可帶具有IF361 、IF661 或其它接口模塊的從站127 個(gè)，也可帶具有Profibus 一DP 口的其它設(shè)備，如B&R公司的PROVIT 圖文顯示操作站、ACOPOS 伺服裝置、PANEL WARE 人機(jī)界面模塊等，或其它公司的一些產(chǎn)品，如Siemens 公司的ET200系列。2 個(gè)從站選用2 種不同配置，其中一個(gè)為2003 系列，網(wǎng)絡(luò)接口模塊IF361 ；另一個(gè)為2005 系列，接口模塊為IF661。接口模塊IF36l 與IF661 內(nèi)部采用的都是Siemens 公司ASICs 芯片SPC3 ， SPC3 是一種用于從站的智能通信芯片，支持Profibus-DP 協(xié)議，可獨(dú)立完成全部Profibus-DP 通信功能。

3．2 軟件部分

（ l ）網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)部分實(shí)際上就是形成整個(gè)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置，包括網(wǎng)絡(luò)波特率、主從站地址及主從關(guān)系表等參數(shù)；上位機(jī)中裝有B&R PCC 通信程序開發(fā)平臺(tái)Automation Studio （AS）軟件及B&R Fieldbus Configurator（Sycon）網(wǎng)絡(luò)配置軟件，分別用于對(duì)PCC 編程和對(duì)Profibus-DP 網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)、通信設(shè)置及監(jiān)控。

Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的配置相當(dāng)靈活，網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置，既可以單主-從網(wǎng)絡(luò)，又可多主-從網(wǎng)絡(luò)。通過B&R 公司軟件B&R Fieldbus Configurator可對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。通過該軟件，不僅可配置Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，對(duì)InterBus ， CANopen ， DeviceNet ， ControlNet ， SDS ， As-Interface 都可以進(jìn)行相關(guān)配置。組建Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過讀取相應(yīng)GSD 文件而加人到同一總線系統(tǒng)中。GSD文件是電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。為了將不同廠家的Profibus 產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD 文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。GSD 文件應(yīng)該包括3 個(gè)部分：總體規(guī)范（生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特串等）、與DP 有關(guān)的規(guī)范（主站的各項(xiàng)參數(shù)）、與DP 從站有關(guān)的規(guī)范（輸人輸出通道數(shù)、 類型、診斷數(shù)據(jù)等）。從站與主站之間的通信是通過使用設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD ）實(shí)現(xiàn)的。另外，B&R 公司軟件FieldBus Configurator 還可以用于對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，并可對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信信息進(jìn)行監(jiān)控。

系統(tǒng)具體配置過程如下：

① 通過GSD 文件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)波特率、主從站地址，給從站模塊在主站內(nèi)存區(qū)分配映射緩沖區(qū)，確定映射區(qū)起始地址及大?。◤恼驹谥髡揪彌_區(qū)中分配的映射區(qū)是連續(xù)的），將配置文件下載至EX450 。

② 從站IF361是在程序中設(shè)置從站地址及波特率的，而從站IF661從站地址是通過硬件撥碼設(shè)置的，此撥碼設(shè)定須與主站配置軟件中的設(shè)置一致。

③ 將兩從站AS編寫的通信程序通過模塊上的RS-232 口下載至對(duì)應(yīng)模塊。

④ 在B&R Fieldbus Configurator軟件診斷模式下測試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，查看從站激活情況，然后由軟件生成主站通信程序所需要的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)模塊。

⑤ 在主站程序中加人主站Profibus-DP 庫，并加人上面生成的數(shù)據(jù)模塊，編寫主站通信程序，下載至主站CPU 中。

（ 2 ）通信編程。在該網(wǎng)絡(luò)配置完成后，物理架構(gòu)上的主從網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)，下面就是要實(shí)現(xiàn)主從站之間的通信。從站程序主要設(shè)置從站緩沖區(qū)大小及實(shí)現(xiàn)主站相應(yīng)緩沖區(qū)與從站緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換。它并不參與數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào)過程，整個(gè)數(shù)據(jù)交換過程完全由主站程序控制。主站程序中，首先在初始化程序段通過Init 函數(shù)初始化模塊，并檢查網(wǎng)絡(luò)配置模塊是否存在（標(biāo)志變量與Config是否為1 ）。若標(biāo)志變量Config 與run 都為1 ，直接調(diào)用I/O函數(shù)進(jìn)人循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段；若標(biāo)志變量Config為0 ，調(diào)用Config命令將配置模塊傳送到通信模塊中；若標(biāo)志變量run為0 ，說明當(dāng)前未在數(shù)據(jù)交換階段，則調(diào)用Start 函數(shù)開始數(shù)據(jù)交換，進(jìn)人循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段。在循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段，通過I/O函數(shù)復(fù)制需傳送的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的緩沖區(qū)中，由Command 函數(shù)檢查總線狀態(tài)，判斷總線是否忙，并進(jìn)行同步處理。由SlaveState 函數(shù)來診斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)從站是否存在并處于激活狀態(tài)，并由slaveExtStat 函數(shù)給出詳細(xì)的從站狀態(tài)信息。若一切正常，則配合從站程序，實(shí)現(xiàn)從站程序緩沖區(qū)與主站緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)交換，最后由Stop終止數(shù)據(jù)交換。主站通信控制程序流程如圖2 所示。

（ 3 ）通信監(jiān)控。通過B&R Fieldbus configurator軟件本身帶有的監(jiān)控程序I/O Watch ，可以實(shí)時(shí)看到主從站數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的變化。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在主站程序設(shè)置一個(gè)兩元素的數(shù)組，數(shù)組元素自加，通過SYSCON 的I/O Watch 監(jiān)控功能可以得到數(shù)據(jù)交換。

4、結(jié)語

本文從研究的角度討論了Profibus -DP網(wǎng)絡(luò)的基本特性、拓?fù)湫问?、通信原理等，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹了實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)主從通信的具體方法并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。在本文所論述方法的基礎(chǔ)上，通過修改應(yīng)用程序可很好地滿足實(shí)際工程中主站對(duì)從站的配置監(jiān)控、主從站數(shù)據(jù)通信等要求，具有很廣泛的通用性。由于Profibus -DP的開放性、實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，可靠性高，符合現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，將在未來一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt