曾繩濤現(xiàn)場總線PROFIBUSDP從站設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)論文

1、. . . . 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)PROFIBUS-DP從站設(shè)計(jì)與研究Design and Research of PROFIBUS-DP Slave Station45 / 50摘 要現(xiàn)場總線綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表技術(shù)等多種技術(shù)手段，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)，成為自動(dòng)控制發(fā)展的趨勢。PROFIBUS現(xiàn)場總線具有通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、高傳輸率、低成本、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣、冗余性強(qiáng)、適于各種工控領(lǐng)域等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。針對PROFIBUS現(xiàn)場總線的特點(diǎn)，論文介紹PROFIBUS-DP總線的通信協(xié)議（即包括物理層、數(shù)據(jù)

2、鏈路層、用戶層）與PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機(jī)制，討論DP從站接口硬件配置的設(shè)計(jì)。主要從開發(fā)的角度詳細(xì)介紹了利用AT89S52單片機(jī)與ASIC芯片SPC3設(shè)計(jì)智能DP從站的方法，闡述SPC3自動(dòng)處理從站與主站之間數(shù)據(jù)交換的過程，最后介紹了GSD文件，為PROFIBUS-DP智能從站的簡單設(shè)計(jì)提供了方法。關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP；通信協(xié)議；SPC3；GSD文件ABSTRACTMany technologies such as digital communication technology,computer technology,a-utomatic and control tech

3、nology,network technology,intelligent instrument technology are integrated into the Fieldbus.Fieldbus control system constitutes the distributed,digital,intel-ligent,two-direction,interconnect,multi-variable,multi-junction communication and control system,and becomes the trend of the development of

4、automation and control.PROFIBUS has idespread usage because of its advantages,It is better communication real-time charact-er,high transmitting rate,low-cost,topological structure flexible,strong redundancy and suit-able for various industrial fields etc.For the Characteristics of PROFIBUS,the paper

5、 describes the communication protocol of PROFIBUS-DP bus (which includes the physical layer、data link layer、the user layer）and PROFIBUS-DP slave state mechanism,discuss the design of DP slave interface hardware configuration.Mainly from the perspective of the development ,describe in detail the meth

6、od of designing intelligentDP slave with AT89-S52 single-chip computer and SPC3 ASIC,describe the process that SPC3 automatically deal with data exchange of slave station between the master station,Finally,introduce the GSD files, for PROFIBUS-DP intelligent slave provides a method of simple design.

7、Key words: PROFIBUS-DP；Communication Protocol；SPC3；GSD files目 錄 1 緒論11.1 課題背景與研究意義11.2 研究的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景11.2.1 研究現(xiàn)狀11.2.2 發(fā)展前景21.3 本論文主要工作32 現(xiàn)場總線概述42.1現(xiàn)場總線簡介42.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點(diǎn)42.2.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42.2.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)42.2.3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)勢52.3 多種現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共存63 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線73.1 PROFIBUS-DP概述73.2 PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)73.3 PROFI

8、BUS-DP的通信協(xié)議83.3.1 物理層（RS-485）83.3.2 PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層103.3.3 PROFIBUS-DP用戶層簡介123.4 PROFIBUS-DP的總線設(shè)備類型133.4.1 概 述133.4.2 DP設(shè)備類型143.5 PROFIBUS-DP V0154 PROFIBUS-DP從站的設(shè)計(jì)194.1 PROFIBUS-DP從站的構(gòu)成194.1.1 PROFIBUS-DP從站的整體構(gòu)成194.1.2 從站的硬件結(jié)構(gòu)194.1.3 RS-485驅(qū)動(dòng)部分接口電路214.1.4 從站通信控制器SPC3224.2 PROFIBUS-DP從站的程序設(shè)計(jì)254.2.1

9、 從站程序設(shè)計(jì)方法254.2.2 PROFIBUS-DP接口的描述344.3 PROFIBUS-DP從站的GSD文件385 結(jié) 論41參考文獻(xiàn)42附錄431 緒 論1.1 課題背景與研究意義在機(jī)電一體化工業(yè)領(lǐng)域中，先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備、機(jī)械控制系統(tǒng)都離不開先進(jìn)的控制，離開了控制系統(tǒng)，設(shè)備或者系統(tǒng)的運(yùn)行就只能靠人工來控制，精確度將無法得到保證，或者根本無法實(shí)現(xiàn)。使用先進(jìn)的控制，由控制器、儀表、傳感器、執(zhí)行器等元器件組成的控制系統(tǒng)代替人的勞動(dòng)，不僅節(jié)省了大量的人力，而且精確度、效率都得到了很大的提高。因此，控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化工業(yè)領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)存的控制系統(tǒng)有傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，如離散控制系統(tǒng)（

10、DCS)，還有20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用的是現(xiàn)場總線技術(shù)，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，具有很大的優(yōu)越性?，F(xiàn)場總線技術(shù)是一種基于現(xiàn)場設(shè)備之問進(jìn)行通訊的新型總線系統(tǒng)，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字一模擬信號(hào)控制的局限性,構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多節(jié)點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線則是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是智能儀表。分散在各個(gè)工業(yè)

11、現(xiàn)場的智能儀表通過數(shù)字現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。通過遵循一定的國際標(biāo)準(zhǔn)，可以將不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統(tǒng)DCS的控制功能進(jìn)一步下放到現(xiàn)場智能儀表，由現(xiàn)場智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能。現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)(包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù))通過現(xiàn)場總線傳送到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場儀表的運(yùn)行狀態(tài)，保存智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)完成少量現(xiàn)場儀表無法完成的高級(jí)控制功能。另外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提

12、供依據(jù)。所以現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點(diǎn)?，F(xiàn)場總線的高性價(jià)比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，對我國現(xiàn)有現(xiàn)場設(shè)備與儀表提出新的要求，由于現(xiàn)場總線技術(shù)的開放性，為我國現(xiàn)場設(shè)備與儀表提供新的市場機(jī)會(huì)。1.2 研究的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景1.2.1 研究現(xiàn)狀現(xiàn)場總線從站的研究與開發(fā)直接受到現(xiàn)場總線技術(shù)水平的影響?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展水平即代表了從站研究與開發(fā)的深度。目前現(xiàn)場總線的發(fā)展有如下情況：1.多種現(xiàn)場總線共存?，F(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用了8種協(xié)議類型，以與其他一些現(xiàn)場總線。每種

13、總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。總線是為了滿足自動(dòng)化發(fā)展的需求而產(chǎn)生的，由于不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對這一特定領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。據(jù)美國ARC公司的市場調(diào)查，世界市場對各種現(xiàn)場總線的需求的實(shí)際額為：過程自動(dòng)化5%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），醫(yī)藥領(lǐng)域18%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），交通運(yùn)輸15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），航空、國防34%（PROFIBUS-FMS、Lon Works、Control

14、Net、DeviceNet），農(nóng)業(yè)（未統(tǒng)計(jì)，P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），樓宇（未統(tǒng)計(jì)，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet）。由此可見，隨著時(shí)間的推移，占市場80%左右的總線將只有六七種，而且其應(yīng)用領(lǐng)域比較明確，如FF、PROFIBUS-PA適用于冶金、石油、化工、醫(yī)藥等流程行業(yè)的過程控制，PROFIBUS-DP、DeviceNet適用于加工制造業(yè)，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)。但這種劃分又不是絕對的，相互之間又互有滲透。2.每種總線各有其應(yīng)用

15、領(lǐng)域。每種總線都力圖擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)其勢力圍。在一定應(yīng)用領(lǐng)域中已取得良好業(yè)績的總線，往往會(huì)進(jìn)一步根據(jù)需要向其他領(lǐng)域發(fā)展。如PROFIBUS在DP的基礎(chǔ)上又開發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。3.每種總線各有其國際組織。大多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方向的支持，同時(shí)也想顯示出其技術(shù)是開放的。如WorldFIP國際用戶組織、FF基金會(huì)、PROFIBUS國際用戶組織、P-Net國際用戶組織與ControlNet國際用戶組織等。4.每種總線均有其支持背景。每種總線都以一個(gè)或幾個(gè)大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)，如PROFIBUS以Siemen

16、s公司為主要支持，ControlNet以Rockwell公司為主要背景，WorldFIP以Alstom公司為主要后臺(tái)。5.設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織。大多數(shù)設(shè)備制造商都積極參加不止一個(gè)總線組織，有些公司甚至參加2-4個(gè)總線組織。道理很簡單，裝置是要管在系統(tǒng)上的。6.多種總線均作為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。每種總線大多將自己作為國家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)自己的競爭地位?，F(xiàn)在的情況是：P-Net已成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成法國標(biāo)準(zhǔn)。上述3種總線于1994年成為并列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，其他總線也形成了各組織的技術(shù)規(guī)。1.2.2 發(fā)展前景現(xiàn)場總線從站的開發(fā)與研究根據(jù)不同

17、的現(xiàn)場總線協(xié)議而有不同開發(fā)過程，與不同的開發(fā)技術(shù)?，F(xiàn)場總線協(xié)議與技術(shù)的發(fā)展直接影響從站開發(fā)的前景。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有：1 智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；2 組態(tài)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互連等；3 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；4 人機(jī)接口、軟件技術(shù)；5現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)。 1.3 本論文主要工作在本次畢業(yè)設(shè)置中，主要做如工作。1. 闡述課題的背景和意義，分析

18、課題的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。2. 介紹了現(xiàn)場總線的特點(diǎn)和現(xiàn)場總線控制系的優(yōu)點(diǎn)，以與闡述了PROFIBUS現(xiàn)場總線的通信協(xié)議和從站的工作原理，為從站的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。3. 完成PROFIBUS-DP從站的整體設(shè)置，并選取合適的元件，完成各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，最后編寫從站初始化程序和GSD文。2 現(xiàn)場總線概述2.1現(xiàn)場總線簡介IEC（International Electrotechnical Commission，國際電工技術(shù)委員會(huì)）將現(xiàn)場總線（Fieldbus）定義為：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以與現(xiàn)場裝置與控制室的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。 現(xiàn)場總線以測量

19、控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以雙絞線等傳輸介質(zhì)為紐帶，將位于生產(chǎn)現(xiàn)場、具備了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力的測量控制設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公開、規(guī)的通信協(xié)議，在多個(gè)測量控制設(shè)備之間、以與現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，進(jìn)而形成適應(yīng)各種應(yīng)用的自動(dòng)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)既是一個(gè)開放的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，又是一個(gè)可以由現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)完整控制功能的全分布控制系統(tǒng)。它作為現(xiàn)場設(shè)備之間信息溝通交換的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備連接為實(shí)現(xiàn)各種測量控制功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如PID控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化與控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。這是一項(xiàng)以數(shù)字通信、計(jì)算機(jī)

20、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制為主要容的綜合技術(shù)。2.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點(diǎn)2.2.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)在設(shè)備之間采用一對一的連線，測量變送器、控制器、執(zhí)行器、開關(guān)、電機(jī)之間均為一對一的物理連接。而在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，各現(xiàn)場設(shè)備分別作為總線上的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)式連接是現(xiàn)場總線系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上最顯著的特征之一。在兩根普通導(dǎo)線制成的雙絞線上，掛接著幾個(gè)、十幾個(gè)自控設(shè)備?？偩€在傳輸多個(gè)設(shè)備的多種信號(hào)，如運(yùn)行參數(shù)值、設(shè)備狀態(tài)、故障、調(diào)校與維護(hù)信息等的同時(shí)，還可為總線上的設(shè)備提供直流工作電源?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)不再需要傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中的模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬

21、件設(shè)備、節(jié)約連接電纜、節(jié)約各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，由于設(shè)備增強(qiáng)了數(shù)字技術(shù)能力，有條件將各種控制計(jì)算功能模塊、輸入輸出功能模塊置入到現(xiàn)場設(shè)備之中。借助現(xiàn)場設(shè)備所具有的通信能力，直接在現(xiàn)場完成測量變送儀表與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信號(hào)傳送，實(shí)現(xiàn)了徹底分散在現(xiàn)場的全分布式控制。2.2.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場總線是控制系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)脈、通信的樞紐，因而應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)的開放性、互可操作性、通行的實(shí)時(shí)性、以與對環(huán)境的適應(yīng)性等問題。系統(tǒng)的開放性。系統(tǒng)的開放性體現(xiàn)在通信協(xié)議公開，不同制造商提供的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與信息交換。這里的開放是指對相關(guān)規(guī)的一致與公開，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。

22、一個(gè)開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任一制造商提供的、遵從一樣標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相互連通。用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不用供應(yīng)商的產(chǎn)品組成適合自己控制應(yīng)需要的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)該成為自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)?；タ刹僮餍?。這里的互可操作性，是指網(wǎng)絡(luò)中互連的之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳送與交換。如A設(shè)備可以接收B設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以控制C設(shè)備的動(dòng)作與所處狀態(tài)。而互用則意味著對不生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以相互替換。通信的實(shí)時(shí)性與確定性?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的基本任務(wù)是測量控制。而有些測控任務(wù)是有嚴(yán)格的時(shí)序與時(shí)實(shí)性要求的。達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求或因時(shí)間同步等問題影響了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)作時(shí)序，有時(shí)會(huì)造成災(zāi)難性的后果。這就

23、要求現(xiàn)場總線系統(tǒng)提供相應(yīng)的通信機(jī)制，提供時(shí)間發(fā)布與時(shí)間管理功能，滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的媒體訪問控制機(jī)制、通信模式、網(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)試方式等都會(huì)影響到通信的實(shí)時(shí)性、有效性與確定性。現(xiàn)場設(shè)備的智能與功能自治性。這里的智能主要體現(xiàn)在現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字計(jì)算與數(shù)字通信能力上。而功能自治性則是指將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理、控制計(jì)算等功能塊分散嵌入到現(xiàn)場設(shè)備中，借助位于現(xiàn)場的設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的功能，構(gòu)成全分布式控制系統(tǒng)。并具備隨時(shí)診斷設(shè)備工作狀態(tài)的能力。對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)工作在生產(chǎn)現(xiàn)場，應(yīng)具有對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。對工作在不同環(huán)境下的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，對其環(huán)境適應(yīng)性有不同的要求

24、。在不同的高溫、嚴(yán)寒、粉塵環(huán)境下能保持正常工作狀態(tài)，具備抗震動(dòng)、抗電磁干擾的能力。在易燃易爆環(huán)境下能保證本質(zhì)安全，有能力支持總線供電等。這是現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要方面。采用防雨、防潮、防電磁干擾的殼體封裝，采用工作溫度圍更寬的電子器件，采用屏蔽電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)總線供電，滿足本質(zhì)安全防爆要求等都是現(xiàn)場總線所采取的提高環(huán)境適應(yīng)性的措施。2.2.3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)勢由于現(xiàn)場總線的以上特點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)和檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。節(jié)省硬件數(shù)量與投資?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，由于智能現(xiàn)場設(shè)備能直接執(zhí)行參數(shù)測量、控制、報(bào)警、累計(jì)計(jì)算等多種功能，因而可減少變送

25、器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等，不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換等功能單元，從而也省去了他們之間的復(fù)雜接線，節(jié)省了一大筆硬件投資，減少了控制室的占地面積。節(jié)省安裝費(fèi)用。現(xiàn)場總系統(tǒng)在一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而系統(tǒng)的連線非常簡單。與傳統(tǒng)連接方式相比，所需電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少連線設(shè)計(jì)與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)，安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。節(jié)約維護(hù)開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單的故障處理功能，并通過數(shù)字通

26、信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間。同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。用戶具有系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議，接口而一籌莫展。使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在用戶手中。提高了系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模

27、塊化，使系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。2.3 多種現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共存現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)是數(shù)字通信，通信就必須有協(xié)議，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)協(xié)議，同樣適用于現(xiàn)場總線。OSI參考模型把開放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個(gè)層。由于不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此形成了多種總線共存的局面，在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對這一特定的領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，比較流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、Control-Net、World-FI

28、P、P-Net、Swift-Net 等現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。3PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線3.1 PROFIBUS-DP概述PROFIBUS是Process Fieldbus 的縮寫，是面向工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化的一種國際性的開放性的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)際上是指一組協(xié)議與應(yīng)用規(guī)約的集合。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化（汽車制造、裝瓶系統(tǒng)、倉儲(chǔ)系統(tǒng)）、工程自動(dòng)化（石油化工、造紙和紡織品工業(yè)企業(yè)）、樓宇自動(dòng)化（供熱空調(diào)系統(tǒng)）、交通管理自動(dòng)化、電子工業(yè)和電力傳輸?shù)刃袠I(yè)。在可編程控制器、傳感器、執(zhí)行器、低壓電器開關(guān)等設(shè)備之間的傳遞數(shù)據(jù)信息，承擔(dān)控制網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)任務(wù)。PROFIBUS由DP、FMS、PA三部分組成。

29、PROFIBUS-DP用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)所需要達(dá)到的目標(biāo)對通信功能的加以擴(kuò)充，其傳輸速度在9.6Kb/s-12Mb/s之間可選。一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作。PROFIBUS-DP的設(shè)計(jì)旨在用于設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這一級(jí)，中央控制器（如 PLC或PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如 I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等）進(jìn)行通信，同這些分散的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的。3.2 PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)圖3-1為PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)，PROFIBUS-DP協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的第

30、1、2層，同時(shí)增加了用戶接口層。第3層到第7層未使用，這種精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。物理層采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了傳輸介質(zhì)、物理連接和電氣等特性。PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)鏈路層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FLD，F(xiàn)ieldbus Data Link layer）,包括與PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的總線介質(zhì)訪問控制MAC以與現(xiàn)場總線鏈路控制（FLC,Fieldbus Link Control）,FLC向上層提供服務(wù)存取點(diǎn)的管理和數(shù)據(jù)的緩存。第1、2層的現(xiàn)場總線管理（FMA1/2，F(xiàn)ieldbus Management layer 1 and 2）完成第2層待定總線

31、參數(shù)的設(shè)定和第1層參數(shù)的設(shè)定，它還完成這兩層出錯(cuò)信息的上傳。PROFIBUS-DP的用戶層包括直接數(shù)據(jù)鏈路映射（DDLM，Direct Data Link Mapping)、DP的基本功能、擴(kuò)展功能以與設(shè)備行規(guī)。DDLM提供了方便訪問FDL的接口，DP設(shè)備行規(guī)是對用戶數(shù)據(jù)含義的具體說明，規(guī)定了各種應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場級(jí)分散I/O設(shè)備之間的通信。圖3-1 PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)3.3 PROFIBUS-DP的通信協(xié)議3.3.1 物理層（RS-485）RS-485是PROFIBUS系統(tǒng)中最常見的物理連接方

32、式。在PROFIBUS-DP的物理層中采用RS-485。1. 電纜連接器。在PROFIBUS-DP總線連接中，國際性的PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)EN50170推薦使用9針D型連接器用于總線站與總線的相互連接。D型連接器分插頭、插座兩種形式。插座在總線站一側(cè)，插頭與RS-485電纜相連。9針D型連接器如圖3-2圖3-2 9針D型接頭示意圖由EIA定義的RS-485采用平衡差分傳輸方式。在一個(gè)有屏蔽的雙絞線上傳輸大小同而方向相反的通信信號(hào)，以消弱工業(yè)現(xiàn)場的噪聲影響。系統(tǒng)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率從9.6Kbit/s到12Mbit/s可選，當(dāng)設(shè)備數(shù)多于32時(shí)，或擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)圍時(shí)，可使用中繼器連接不同的網(wǎng)段。

33、9針D型連接器的針腳分配如表3-1表3-1 9針D型連接器的針腳分配 編號(hào) 腳名功能 1SHIELD屏蔽層保護(hù)地 2M2424V輸出電壓的地（輔助電源） 3RxD/TxD-P數(shù)據(jù)接收/發(fā)送+B線 4CNTR-P方向控制信號(hào)P 5DGEN數(shù)據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)位（地） 6VP供電電壓（+5V） 7P24正24V輸出電壓（輔助電源） 8RxD/TxD-N數(shù)據(jù)接收/發(fā)送-A線 9CNTR-N方向控制信號(hào)N2. DP信號(hào)的編碼波形。RS-485電纜上的通信信號(hào)以字符幀為單位傳輸，每個(gè)字符有11bit長，包括1個(gè)起始符0,8個(gè)數(shù)據(jù)位，加1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位1信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)制形式為NRZ（不歸零）編碼，在傳輸期間

34、，二進(jìn)制“1”對應(yīng)于RxD/TxD_P線上的正電位，而在RxD/TxD-N線上則相反。各報(bào)文間的空閑（IDLE）狀態(tài)對應(yīng)于二進(jìn)制“1”信號(hào)。如圖3-3。圖3-3 DP上的NRZ編碼信號(hào)3.3.2PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)OSI參考模型，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定總線存取控制、數(shù)據(jù)安全性以與傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。在PROFIBUS-DP中，數(shù)據(jù)鏈路層（第二層）稱為FDL層（現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層）1. 數(shù)據(jù)傳輸功能集。在主站（控制器）和從站（前端站點(diǎn)）之間，PROFIBUS能夠周期性或非周期性的傳遞各種檢測、控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。表3-2所示的基本功能集，是構(gòu)成各種通信功能的基礎(chǔ)。DP-V0

35、、DP-V1、DP-V2 是PROFIBUS-DP的三個(gè)版本。表3-2 PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能集 基本功能 服務(wù)容 DP-V0 DP-V1 DP-V2 SDNSend Data with No Acknowledge發(fā)送不需確認(rèn)的數(shù)據(jù) SDASend Data with Acknowledge發(fā)送需確認(rèn)的數(shù)據(jù) SRD Send and Request Data發(fā)送和請求回答數(shù)據(jù) CSRDCyclic Send and Request Data周期性地發(fā)送和請求回答數(shù)據(jù) MSRDSend and Request Data withMulticast Reply 發(fā)送和請求群發(fā)

36、回復(fù) CSClock synchronization時(shí)鐘同步注： 為選中SDN 發(fā)送不需確認(rèn)的數(shù)據(jù)。SDN服務(wù)用于由一個(gè)主站向多個(gè)站點(diǎn)廣播發(fā)送與群發(fā)數(shù)據(jù)，它不需要恢復(fù)響應(yīng)，主要用于數(shù)據(jù)的同步發(fā)送，狀態(tài)宣告等。SDA 發(fā)送需確認(rèn)的數(shù)據(jù)。SDA是一種基本服務(wù)，由一個(gè)主動(dòng)發(fā)起者向另外的站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)且接收其確認(rèn)的響應(yīng)。SDA只發(fā)生在主站間的通信中。SRD 發(fā)送數(shù)據(jù)且要求回復(fù)數(shù)據(jù)。SRD不同于SDA之點(diǎn)在于，通信的發(fā)起者發(fā)送數(shù)據(jù)到另一端時(shí)，還要求響應(yīng)者立即回復(fù)數(shù)據(jù)。對只有輸出功能的從站，則回復(fù)一個(gè)確認(rèn)短幀“0XE5”。它常用在主站對從站的輪詢中。發(fā)起者通過發(fā)送“空”報(bào)文到對方，并要求響應(yīng)方回傳數(shù)據(jù)。CS

37、RD 周期性發(fā)送且要求回復(fù)數(shù)據(jù)（周期性數(shù)據(jù)交換）。CSRD既是由主站周期性地輪詢從站，以采集前端的數(shù)據(jù)。此服務(wù)只是在FMS規(guī)約中有定義，在后來DP的各個(gè)版本中已不再使用。其中一個(gè)原因是因?yàn)樗a(chǎn)生較大的總線數(shù)據(jù)通信量。MSRD 發(fā)送數(shù)據(jù)且要求以群發(fā)數(shù)據(jù)幀答復(fù)。MSRD與SRD的不同點(diǎn)就在于，它要求響應(yīng)者以群發(fā)數(shù)據(jù)幀答復(fù)。CS 時(shí)鐘同步信號(hào)。CS用于在一個(gè)系統(tǒng)同步各個(gè)站點(diǎn)的時(shí)鐘，它包括了2個(gè)廣播發(fā)送出的不需響應(yīng)答復(fù)的數(shù)據(jù)幀。從表中可知PROFIBUS-DP各個(gè)從版本所用到的基本服務(wù)功能，如DP-V0中僅使用了SDN和SRD服務(wù)功能。2. 報(bào)文幀的格式和定義。每個(gè)幀由若干個(gè)幀字符（UART字符）組成

38、，它把一個(gè)8位的字符擴(kuò)展成11位：首先是一個(gè)開始位0，接著是8位數(shù)據(jù)，之后是奇偶校驗(yàn)位（規(guī)定為偶校驗(yàn)），最后是停止位1。從PROFIBUS-DP的FDL層上看，傳輸?shù)膱?bào)文幀結(jié)構(gòu)僅有四種類型，分別如下所述，這些幀可以攜帶不同的參數(shù)或組合完成表3-2所述的不同功能。SD1 無數(shù)據(jù)域，只用作查詢總線上的激活站點(diǎn) SD1 DA SA FC FCS ED 0X10 XX XX X X 0X16SD3 帶有固定8字節(jié)長的數(shù)據(jù)域 SD3 DA SA FC PDUFCS ED 0XA2 XX XX X X X 0X16SD2 數(shù)據(jù)域長度可變。參數(shù)域的配置多且功能強(qiáng)大，是PROFIBUS中應(yīng)用最多的一種幀結(jié)構(gòu)，

39、常用于SRD服務(wù)。 SD2 LE LEr SD DA SA FC DU FCS ED0X68 X X 0X68 XX XX X X X0X16SD4 Token令牌幀，固定結(jié)構(gòu)。 SD4 DA SA 0XDC XX XXSC 僅用于對請求服務(wù)的簡短回復(fù)，如當(dāng)從站在尚未準(zhǔn)備好時(shí)，告知請求方自己尚無數(shù)據(jù)。 SC 0XE5以上幀結(jié)構(gòu)中的各個(gè)域中的符號(hào)定義如表3-3所示表3-3 報(bào)文幀結(jié)構(gòu)中的符號(hào)定義 符號(hào) 定義 SDStart Delimiter(起始符) LELength 包括DA，SA，F(xiàn)C，DSAP,SSAP在的所有用數(shù)據(jù)的長度 LErLength Repeat，LE的重復(fù)（為保險(xiǎn)起見，因長度

40、域的碼HD不保證為4） DADestination Address（目的地址），傳輸幀的目的地址 SASource Address （源地址），傳輸幀的發(fā)起者源地址 FC Function Code （功能碼），用于標(biāo)識(shí)本幀的類型 DUData Unit（用戶數(shù)據(jù)域），用于放置要“攜帶”的用戶數(shù)據(jù)，長度246B FCSFrame（Telegram）Checking Sequence對幀中各個(gè)數(shù)據(jù)域的代數(shù)和，由ASIC自動(dòng)劃計(jì)算給出 EDEnd Delimiter (結(jié)束符)，標(biāo)志著本報(bào)文幀的結(jié)束。固定為0X163.3.3 PROFIBUS-DP用戶層簡介用戶層包括DDLM和用戶接口/用戶等，它

41、們在通信中實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能（在PROFIBUS-DP協(xié)議中沒有定義第7層（應(yīng)用層），而是在用戶接口中描述其應(yīng)用）。DDLM是預(yù)先定義的直接數(shù)據(jù)鏈路映射程序，將所有的在用戶接口中傳送的功能都映射到第2層FDL和FMA 1/2 服務(wù)。它向第2層發(fā)送功能調(diào)用中SSAP、DSAP和Serv_class等必須的參數(shù)，接受來自第2層的確認(rèn)和指示并將它們傳送給用戶接口/用戶。PROFIBUS_DP系統(tǒng)的通信模型如圖3-4所示。圖3-4 PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信模型在圖3-4中，2類主站中不存在用戶接口，DDLM直接為用戶提供服務(wù)。在1類主站上除了DDLM外，還存在用戶、用戶接口以與用戶與用戶接口之間

42、的接口。用戶接口與用戶之間的接口被定義為數(shù)據(jù)接口與服務(wù)接口，在該接口上處理與DP從站之間的通信。在DP從站中，還存在著用戶與用戶接口，而用戶與用戶接口之間的接口被創(chuàng)建為數(shù)據(jù)接口。主站與主站之間的數(shù)據(jù)通信由2類主站發(fā)起，在1類主站中數(shù)據(jù)流直接通過DDLM到達(dá)用戶，不經(jīng)過用戶接口與其接口之間的接口，而1類主站與DP從站兩者的用戶經(jīng)由用戶接口，利用預(yù)先定義的DP通信接口進(jìn)行通信。在不同的應(yīng)用中，具體需要的功能圍必須與具體應(yīng)用相適應(yīng)，這些適應(yīng)性定義稱為行規(guī)。行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有一樣的通信功能。關(guān)于PROFIBUS-DP的行規(guī)的說明，可查找相關(guān)資料。3.4 PROFIBU

43、S-DP的總線設(shè)備類型3.4.1 概 述PROFIBUS-DP協(xié)議是為自動(dòng)化制造工廠中分散的I/O設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備所需要的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的。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。既是只有當(dāng)主站請求時(shí)總線上的DP從站才可能活動(dòng)。DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問。DP主站與DP從站間的用戶數(shù)將連續(xù)地交換，而并不考慮用戶數(shù)據(jù)的容。DP主站上處理輪詢表的情況如圖3-5DP主站與DP從站間的一個(gè)報(bào)文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請求幀（輪詢報(bào)文）和由DP從站返回的有關(guān)答應(yīng)或響應(yīng)幀組成。 DP主站圖3-5 在DP主站上處理輪詢表示意圖3.4.2DP設(shè)備類型1. DP主站（1類）

44、。 1類DP主站循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)。主要使用如下的協(xié)議功能執(zhí)行通信任務(wù)。（1） Set_Prm和Chk_Cfg：在啟動(dòng)、重啟動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸階段，DP主站使用些功能發(fā)送參數(shù)集給DP從站。（2）Data_Exchange：此功能循環(huán)地與指定給它的DP從站進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)交換。（3）Slave_Diag：在啟動(dòng)期間或循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)交換期間，用此功能讀取DP從站的診斷信息。（4）Global_Control DP：主站使用此控制命令將它的運(yùn)行狀態(tài)告知給各DP從站。此外，還可以將控制命令發(fā)送給個(gè)別從站或規(guī)定的DP從站組，以實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)的同步（Sync和Freeze命令）。2.DP從站。

45、 DP從站只與裝載此從站的參數(shù)并組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)。DP從站可以向此主站報(bào)告本地診斷中斷和過程中斷。3.DP主站（2類）。 2類DP主站是編程裝置，診斷和管理設(shè)備。除了已經(jīng)描述的1類主站的功能外，2類DP主站通常還支持以下特殊功能：（1）RD_Inp和RD_Outp：在與1類DP主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，用這些功能可讀取DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)。（2）Get_Cfg：用此功能讀取DP從站的當(dāng)前組態(tài)數(shù)據(jù)。（3）Set_Slave_Add：此功能允許DP主站（2類）分配一個(gè)新的總線地址給一個(gè)DP從站。當(dāng)然，此從站是支持這種地址定義方法的。此外，2類DP 主站還提供一些功能用于與1類DP主站

46、的通信。 4.DP組合設(shè)備。 可以將1類DP主站、2類DP主站和DP從站組合在一個(gè)硬件模塊中形成一個(gè)DP組合設(shè)備。3.5 PROFIBUS-DP V0PROFIBUS-DP有三個(gè)版本，即DP-V0、DP-V1、DP-V2。周期性數(shù)據(jù)交換的MS0模式是DP-V0的主要容，也是后來的新版本DP-V1、DP-V2的基礎(chǔ)。PROFIBUS-DP從站開發(fā)中，從站通信的ASIC芯片SPC3符合DP-V0的標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)將主要介紹DP-V0中的數(shù)據(jù)交換、從站的參數(shù)配置、組態(tài)過程、出錯(cuò)診斷等過程。DP（Decentralized Periphery）指分布式外設(shè)之間通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換，由主機(jī)通過總線與遠(yuǎn)端I/

47、O通信并控制其數(shù)據(jù)交換。1. 周期性數(shù)據(jù)通信MS0。主站與從站之間的MS0通信模式可用圖3-6表示。圖3-6 DP主站與從站間的數(shù)據(jù)關(guān)系如前面所述，PROFIBUS中有三種不同的站點(diǎn)，1類主站、2類主站和從站，它們以不同的模式交換參數(shù)和用戶數(shù)據(jù)。1類主站與從站的I/O端口間為交換數(shù)據(jù)而開展的周期性通信，是PROFIBUS最基本的任務(wù)，稱為MS0模式。PROFIBUS有多主站系統(tǒng)和單主站系統(tǒng)兩種類型。多主站系統(tǒng)中由多個(gè)主站構(gòu)成令牌環(huán)，令牌在多主站上循環(huán)，用于從站與主站間MS0周期通信的間隔時(shí)間相對較長。單主站系統(tǒng)中僅有一個(gè)主站，往往是1類主站和2類主站在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)，令牌就在本地循環(huán)。用于從站

48、與主站間MS0周期性的通信的間隔時(shí)間相對可以非常短。如對12Mbit/s的單主站系統(tǒng)，多個(gè)從站可在100ms與主站通信一次，可以滿足大部分時(shí)間要求苛刻的被控對象的要求2. 從站的狀態(tài)機(jī)。PROFIBUS-DP的主從通信中，從站一般只能是被動(dòng)地等待主站的請求，然后才能執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。而在進(jìn)入此狀態(tài)之前，必須由主站對從站配置參數(shù)，并進(jìn)行初始化。PROFIBUS的從站有如圖3-7所示的幾種狀態(tài)。圖3-7 PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機(jī)從站在上電或復(fù)位后，進(jìn)入Wait_PRM等待參數(shù)化狀態(tài)，即等待由2類主站（Class 2）從總線上發(fā)來“Set_Slave_Address”指令，以改變從站的默認(rèn)地址

49、。通常從站上有非易揮發(fā)性存儲(chǔ)器，如EPROM等，可以保存該地址。如果不需要改變地址時(shí)，從站將直接接受Prm_Telegram參數(shù)賦值指令。它攜帶兩部分參數(shù)，一部分是PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)。如ID號(hào)、Sync/Freeze、所屬主站的地址等等；另一部分是由用戶應(yīng)用程序特別指定的從站參數(shù)。除了以上這兩種與地址參數(shù)相關(guān)的賦值指令外，此時(shí)的從站不接受其他的任何指令。然后，從站進(jìn)入Wait_CFG等待組態(tài)狀態(tài)，即跟在參數(shù)賦值指令后面的是組態(tài)指令。它定義了系統(tǒng)要輸入/輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況，即主站通知從站要輸入/輸出數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量、由哪一個(gè)模塊輸入或輸出等，以準(zhǔn)備開始周期性的MS0數(shù)據(jù)交換。當(dāng)從

50、站接受了參數(shù)賦值和組態(tài)后，就轉(zhuǎn)入DATA_EXCH的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，便可與主站進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換。3.從站的參數(shù)賦值。從站初始化過程的一個(gè)主要環(huán)節(jié)是運(yùn)行參數(shù)的賦值，即由主站（一般由2類主站）將建立與從站通信時(shí)所需的參數(shù)賦給從站，并指定從站的工作狀態(tài)。同時(shí)從站也能從此過程得知應(yīng)與其通信的主站的地址，即其“所屬”主站是誰。這一點(diǎn)對多主站PROFIBUS系統(tǒng)中的從站來說，是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)行參數(shù)中包括的兩種類型數(shù)據(jù)，其參數(shù)含義和作用如下。（1）確定從站的工作狀態(tài)是否使用Watchdog看門狗功能是否激活Freeze_Mode是否激活Sync_ModeLock_Information（2） 確定計(jì)

51、算Watchdog值的系（3） 確定從站的最快反應(yīng)時(shí)間min TSDR（4）確定ID標(biāo)識(shí)號(hào)Ident_Number,以備全局控制之用（5）確定所屬主站的地址（6）確定該從站可否由別的主站調(diào)用（7）確定由用戶指定的參數(shù)，如規(guī)定當(dāng)主站處于Clear狀態(tài)時(shí)的行為4. 組態(tài)（Configuration）。主站在完成對從站的參數(shù)賦值后，即開始對各個(gè)從站發(fā)送組態(tài)報(bào)文幀，定義要交換的輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通知從站在周期性數(shù)據(jù)交換中有多少個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。組態(tài)實(shí)際上就是對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的組合描述，以方便主站的調(diào)用和應(yīng)用層用戶的應(yīng)用。組態(tài)參數(shù)中包括了如主站輸出、從站輸入的數(shù)據(jù)長度、從站的模塊結(jié)構(gòu)等參數(shù)信息。其目的在于使

52、1類主站能有效地與從站通信。在組態(tài)時(shí)，主站必須正確地獲知從站上要交換數(shù)據(jù)的輸入/輸出模塊的區(qū)域圍和結(jié)構(gòu)，根據(jù)從站各槽（Slots）的情況，約定要交換數(shù)據(jù)的字節(jié)或字結(jié)構(gòu)。從站一般以多槽（Slots）為基本邏輯單元而構(gòu)成其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)Slot可以看作一個(gè)模塊（Module）。Module則對應(yīng)了物理輸入輸出的具體功能點(diǎn)，如數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊等?？誗lot則以空模塊表示。5. 診斷。診斷是系統(tǒng)對通信過程、硬件外設(shè)等發(fā)生錯(cuò)誤的探測和記錄，并以診斷信息的形式傳輸給主站。PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)中定義了豐富、靈活的各種診斷信息類型，以應(yīng)對工業(yè)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種異常情況。在PROFIBUS中

53、設(shè)置了系統(tǒng)狀態(tài)信息和系統(tǒng)診斷信息兩個(gè)級(jí)別。狀態(tài)信息用于反應(yīng)系統(tǒng)的普通狀態(tài)，而診斷信息則表示系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)的情況。當(dāng)Ext_Diag被置位時(shí)，主站自動(dòng)對從站的狀態(tài)進(jìn)行一次探測，一旦發(fā)現(xiàn)問題，主站則調(diào)用一個(gè)出錯(cuò)處理程序加以處理。錯(cuò)誤消除時(shí)，從站則置Ext_Diag為“0”，把對錯(cuò)誤的診斷信息級(jí)別“降低”為狀態(tài)信息級(jí)別。在PROFIBUS系統(tǒng)初始化期間，對從站的參數(shù)賦值和組態(tài)對系統(tǒng)的正常構(gòu)建和穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。因此，伴隨從站初始化的每一步，主站都會(huì)默認(rèn)地自動(dòng)發(fā)出診斷請求（Diagnose_request),從站會(huì)立即以高優(yōu)先級(jí)方式給予響應(yīng)，給出6個(gè)字節(jié)的“診斷”信息，報(bào)告自身的狀況。同時(shí)還可以給出與設(shè)備

54、或用戶相關(guān)的一些特殊診斷容（需事先在該設(shè)備的GSD文件中定義）。除了在對系統(tǒng)和從站的初始化階段中，從站能給出診斷信息外，在從站的任何狀態(tài)，如進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)周期性交換階段后，若從站或外設(shè)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，從站也可以主動(dòng)向主站發(fā)出“示意”，表示目前有一個(gè)診斷信息數(shù)據(jù)已等在發(fā)送隊(duì)列中，主站則在下一個(gè)周期的操作中發(fā)出診斷請求，以“取走”此診斷信息數(shù)據(jù)。 4 PROFIBUS-DP從站的設(shè)計(jì)4.1 PROFIBUS-DP從站的構(gòu)成4.1.1 PROFIBUS-DP從站的整體構(gòu)成圖4-1為PROFIBUS-DP從站的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖4-1 PROFIBUS-DP從站結(jié)構(gòu)圖圖4-1中，以從站通信控制器SPC3為核心，

55、實(shí)現(xiàn)主站與從站的通信?，F(xiàn)場信號(hào)經(jīng)控制器采集后，無法直接通過總線傳到主站，需通過通信芯片SPC3進(jìn)行信號(hào)處理后才能經(jīng)總線送往主站。同樣，主站信號(hào)也無法直接通過總線傳到現(xiàn)場，而要經(jīng)過SPC3的處理后，才能對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。RS-485驅(qū)動(dòng)器主要為通信控制器SPC3與PROFIBUS-DP總線進(jìn)行連接。4.1.2 從站的硬件結(jié)構(gòu)SPC3通過一塊置的1.5KB的雙口RAM與CPU連接。圖4-2為SPC3與CPU的接口電路圖。圖4-2 SPC3與AT89S52的接口電路如圖，CPU使用AT89S52，它是采用先進(jìn)的CMOS工藝制造的8位微控制器。AT89S52單片機(jī)是ATMEL公司的AT89S系列中的

56、增強(qiáng)型高檔機(jī)產(chǎn)品。它具有并行可編程功能的非易失性FLASH存儲(chǔ)器，是80C51的派生器件。該控制器具有運(yùn)算速度快、兼容MCS-51指令集的特點(diǎn),可以閃速可編程、可擦除。它有三個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器。由于AT89S52部集成有8KB的FLASH,因此本設(shè)計(jì)不需另外擴(kuò)展ROM。對AT89S52 而言，SPC3相當(dāng)于它擴(kuò)展的一個(gè)外部RAM。而且，SPC3有部地址解碼電路。所以,AB8-AB10接地。此時(shí)DB7-DB0是數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線?？梢援a(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0-AB3產(chǎn)生，AB4-AB7產(chǎn)生SPC3的片選信號(hào)。只有AB4-AB7同時(shí)為0時(shí)才選中SPC3。在圖4-2中，SPC3的片選信號(hào)是1000H，SPC3的部RAM位于10