郝  莉

1  引言
現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，現(xiàn)場總線技術自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、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，導致了自動控制領域的一場革命。它是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向、串行、多點數(shù)字通訊的系統(tǒng)，在制造業(yè)、流程工業(yè)、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛應用前景。現(xiàn)場總線有以下特點：(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)場儀表。
自80年代以來，有幾種現(xiàn)場總線技術得到發(fā)展，逐漸形成其影響。在國際標準中，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)場總線是歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線技術，是成熟技術，已被全世界所接受。PROFIBUS-DP是PROFIBUS三個兼容版本之一，它是經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信系統(tǒng)，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分散I/O之間通信設計，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OSI/ISO作為參考模型，DP為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?，使用了第一、二層外加用戶接口。PROFIBUS-DP的主要應用區(qū)域在現(xiàn)場層，響應時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)容量為每個報文多達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的報文結(jié)構(gòu)與從站狀態(tài)機
3.1  PROFIBUS-DP的報文結(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”，一個空載狀態(tài)至少33Tbit（同步時間），在每個請求報文發(fā)送前必須保證此時間。在單個字符間所有數(shù)據(jù)傳送是無縫的。報文通訊的基本順序及報文結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在PROFIBUS-DP通訊中有四種報文格式，以SD標識。SD為起始定界符，用于區(qū)分不同種類的報文，SD1為請求數(shù)據(jù)報文，SD2用于可變數(shù)據(jù)長度報文，SD3用于固定長度報文，SD4用于令牌幀。DA表示

 
圖1  報文通訊的基本順序

目的站地址，SA表示源站地址，F(xiàn)C為功能控制碼，DU表示相應的數(shù)據(jù)單元，F(xiàn)CS為校驗碼，ED為終止定界符。在SD2報文的DU中包含服務存取點SAP。PROFIBUS-DP用服務存取點SAP標明不同的數(shù)據(jù)存取服務，它提供有以下的服務存取點：
SAP54：用于主-主通訊；
SAP55：用于以軟件方式設定從站站地址（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
PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機很好地說明了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，橢圓表示狀態(tài)機的狀態(tài)，垂直箭頭表示從一個狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

 
圖2  簡化的從站狀態(tài)機

DP主站若要和DP從站建立循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，必須經(jīng)歷以下幾個狀態(tài)：
―  請求診斷（Slave_Diag1）；
―  參數(shù)化從站(Set_Prm)；
―  檢查從站組態(tài)(Chk_Cfg)；
―  再次請求診斷(Slave_Diag2)。
即：DP主站若想與DP從站進行循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，主站必須檢查從站的準備情況，首先DP主站向DP從站請求診斷數(shù)據(jù)，從站處于Slave_Diag1狀態(tài)，如果從站用診斷數(shù)據(jù)響應主站且該從站沒有被其他主站占據(jù)，DP主站將對該從站設置參數(shù)，從站進入Set_Prm狀態(tài)，以短應答E5H響應主站報文，接著主站傳送組態(tài)數(shù)據(jù)，從站進入Chk_Cfg狀態(tài)，同樣以E5H響應主站報文，另一方面，從站對主站傳送的參數(shù)數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)分析、比較、判斷，注冊診斷信息的相應位；然后主站再次向從站請求診斷數(shù)據(jù)，確認參數(shù)化和組態(tài)正確與否，若正確且從站已經(jīng)做好了進入數(shù)據(jù)交換的準備，則進入循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段，若參數(shù)化和組態(tài)數(shù)據(jù)有誤，則主站重新請求診斷，從站進入Slave_Diag1狀態(tài)，若從站數(shù)據(jù)未準備好，則從站一直處于Slave_Diag2狀態(tài)接受主站查詢，直到準備就緒。這便是DP主從站間的建立通訊的過程。
進入數(shù)據(jù)交換階段后，DP主從站間主要進行I/O數(shù)據(jù)的交換，若從站有診斷信息，會利用數(shù)據(jù)交換的機會以高優(yōu)先級報文的形式通知主站，主站會臨時使從站進入診斷狀態(tài)（Slave_Diag2），然后再恢復數(shù)據(jù)交換（Data_Exch）。
另外，在進入數(shù)據(jù)交換階段后，主站也可以發(fā)參數(shù)化報文，改變從站用戶參數(shù)的設置；主站也可以請求診斷數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)、輸入輸出數(shù)據(jù)。
5  PROFIBUS-DP從站的軟件實現(xiàn)方案
PROFIBUS-DP從站的實現(xiàn)可采用專用協(xié)議芯片，稱為硬件實現(xiàn)。文中給出的DP從站實現(xiàn)方案采用軟件方式，即本軟件實現(xiàn)方案采用51系列單片機，集成PROFIBUS-DP從站協(xié)議，外加總線接口及驅(qū)動裝置，實現(xiàn)DP從站，波特率可達500Kbps，滿足大多數(shù)工業(yè)應用領域，實現(xiàn)了PROFIBUS-DP從站智能I/O模塊的自主開發(fā)。
該軟件實現(xiàn)的DP從站，可自動適應網(wǎng)上波特率，站地址由撥碼開關設置，不支持軟件上對站地址的修改。
采用8051單片機集成DP從站協(xié)議，軟件的核心部件是從站自動機。從站是被動站，只是響應主站的請求，而不向主站請求數(shù)據(jù)。從站接收到主站的請求報文后分析報文類型，根據(jù)報文類型做相應的數(shù)據(jù)處理，在相應的自動機上行走，響應主站的請求。按照從站自動機，從站要經(jīng)歷診斷、參數(shù)設置、組態(tài)檢查、再診斷幾個階段，如果上述幾步完全正確，從站進入與主站的循環(huán)數(shù)據(jù)交換，否則，重復自動機的前四步，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、對網(wǎng)上波特率的適應，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)測定期查看通訊狀態(tài)，在通訊出現(xiàn)故障時，要及時復位單片機。在適應網(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)，維護從站自動機并將相應的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。其核心部分數(shù)據(jù)管理子程序流程圖見圖3所示。
6  結(jié)語
文中詳細闡述了PROFIBUS-DP的工作方式，介紹了軟件實現(xiàn)DP從站所需具備的一些基礎知識，并給出了軟件主要部件的程序流程圖。由于從站的實現(xiàn)只需要PROFIBUS-DP協(xié)議的一小部分，因此實施起來特別經(jīng)濟。采用軟件方式實現(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，實現(xiàn)自主開發(fā)。

參考文獻：
[1]  陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及應用[M]. 清華大學出版社, 1999, (6).
[2]  TechnicalBrochure-v99[S]. www.profibus.com 1999-6, (17).
[3]  Manfred Popp. The Rapid Way to PROFIBUS-DP[R]. Germany PROFIBUS Interface Center/Lab. 1997,(23).
[4]  Profibus Specification (En50170)[S]. www.profibus.com 1998-3, (122).