第4章 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線

第4章PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線PROFIBUS（ProcessFieldbus的縮寫）是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領(lǐng)域。本章首先對PROFIBUS進行了概述然后講述了PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)、PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程、PROFIBUS-DP的通信模型、PROFIBUS-DP的總線設(shè)備類型和數(shù)據(jù)通信和PROFIBUS通信用ASICs。對應(yīng)用非常廣泛的PROFIBUS-DP從站通信控制器SPC3進行了詳細講述，同時介紹了主站通信網(wǎng)絡(luò)接口卡CP5611。以PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表為例，詳細講述了采用SPC3進行PROFIBUS-DP從站的開發(fā)設(shè)計過程，最后介紹了PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用和PROFIBUS-DP從站的測試方法。PROFIBUS（ProcessFieldbus的縮寫）是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：1987年由德國SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年成為德國工業(yè)標準DIN19245；1996年成為歐洲標準EN50170V.2（PROFIBUS-FMS-DP）；1998年P(guān)ROFIBUS-PA被納入EN50170V.2；1999年P(guān)ROFIBUS成為國際標準IEC61158的組成部分（TYPEIII）；2001年成為中國的機械行業(yè)標準JB/T10308.3-2001。4.1PROFIBUS概述PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS三個兼容部分組成。PROFIBUS-DP：用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，DP的傳輸速率可達12Mbit/s，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。

它的設(shè)計旨在用于設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這一級，中央控制器（如PLC/PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O、驅(qū)動器、閥門等）進行通信，同這些分散的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的。PROFIBUS-PA：對于安全性要求較高的場合，制定了PROFIBUS-PA協(xié)議，這由DIN19245的第四部分描述。PA具有本質(zhì)安全特性，它實現(xiàn)了IEC1158-2規(guī)定的通信規(guī)程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案，PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了4~20mA模擬信號傳輸技術(shù)，在現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)劃、敷設(shè)電纜、調(diào)試、投入運行和維修等方面可節(jié)約成本40%之多，并大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性，因此PA尤其適用于石油、化工、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng)。PROFIBUS-FMS：它的設(shè)計是旨在解決車間一級通用性通信任務(wù)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速率進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。

為了滿足苛刻的實時要求，PROFIBUS協(xié)議具有如下特點：

（1）不支持長信息段>235B（實際最大長度為255B，數(shù)據(jù)最大長度244B，典型長度120B）；

（2）不支持短信息組塊功能；

（3）本規(guī)范不提供由網(wǎng)絡(luò)層支持運行的功能；

（4）除規(guī)定的最小組態(tài)外，根據(jù)應(yīng)用需求可以建立任意的服務(wù)子集；

（5）其他功能是可選的，如口令保護方法等；

（6）網(wǎng)絡(luò)拓撲是總線形，兩端帶終端器或不帶終端器；

（7）介質(zhì)、距離、站點數(shù)取決于信號特性，如對屏蔽雙絞線，單段長度小于或等于1.2km，不帶中繼器，每段32個站點；

（8）傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)拓撲和總線長度，從9.6kbit/s到12Mbit/s不等；

（9）可選第二種介質(zhì)（冗余）；

（10）在傳輸時，使用半雙工，異步，滑差（Slipe）保護同步（無位填充）；

（11）報文數(shù)據(jù)的完整性，用海明距離HD=4，同步滑差檢查和特殊序列，以避免數(shù)據(jù)的丟失和增加；

（12）地址定義范圍為：0~127（對廣播和群播而言，127是全局地址），對區(qū)域地址、段地址的服務(wù)存取地址（服務(wù)存取點LSAP）的地址擴展，每個6bit；

（13）使用兩類站：主站（主動站，具有總線存取控制權(quán)）和從站（被動站，沒有總線存取控制權(quán)）。如果對實時性要求不苛刻，最多可用32個主站，總站數(shù)可達127個；

（14）總線存取基于混合、分散、集中三種方式；

（15）數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)有兩類：

非循環(huán)的：

有/無應(yīng)答要求的發(fā)送數(shù)據(jù)；

有應(yīng)答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)。

循環(huán)的（輪詢）：

有應(yīng)答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)。PROFIBUS廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其它自動化領(lǐng)域，PROFIBUS的典型應(yīng)用如圖4-1所示。圖4-1PROFIBUS的典型應(yīng)用4.2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-DP使用第1層、第2層和用戶接口層，第3到第7層未用，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標準，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（FDL，F(xiàn)ieldbusDataLinklayer），包括與PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的總線介質(zhì)訪問控制MAC以及現(xiàn)場總線鏈路控制（FLC，F(xiàn)ieldbusLinkControl）。FLC向上層提供服務(wù)存取點的管理和數(shù)據(jù)的緩存。4.2.1PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應(yīng)用層（第7層）包括FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）和LLI（低層接口）。FMS包含應(yīng)用協(xié)議和提供的通信服務(wù)。LLI建立各種類型的通信關(guān)系，并給FMS提供不依賴于設(shè)備的對第2層的訪問。FMS處理單元級（PLC和PC）的數(shù)據(jù)通信。功能強大的FMS服務(wù)可在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)使用，并為解決復(fù)雜通信任務(wù)提供了很大的靈活性。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議。因此，它們可以在同一根電纜上同時運行4.2.2PROFIBUS-FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-PA使用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，它執(zhí)行規(guī)定現(xiàn)場設(shè)備特性的PA設(shè)備行規(guī)。傳輸技術(shù)依據(jù)IEC1158-2標準，確保本質(zhì)安全和通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。使用段耦合器可將PROFIBUS-PA設(shè)備很容易地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)之中。PROFIBUS-PA是為過程自動化工程中的高速、可靠的通信要求而特別設(shè)計的。用PROFIBUS-PA可以把傳感器和執(zhí)行器連接到通常的現(xiàn)場總線（段）上，即使在防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器也可如此。4.2.3PROFIBUS-PA的協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于Siemens公司在離散自動化領(lǐng)域具有較深的影響，并且PROFIBUS-DP在國內(nèi)具有廣大的用戶，本節(jié)以PROFIBUS-DP為例介紹PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。4.3PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)4.3.1PROFIBUS-DP的三個版本PROFIBUS-DP經(jīng)過功能擴展，一共有DP-V0、DP-V1和DP-V2三個版本，有時將DP-V1簡寫為DPV1。

1．基本功能（DP-V0）

（1）總線存取方法各主站間為令牌傳送，主站與從站間為主-從循環(huán)傳送，支持單主站或多主站系統(tǒng)，總線上最多126個站?？梢圆捎命c對點用戶數(shù)據(jù)通信、廣播（控制指令）方式和循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)通信。

（2）循環(huán)數(shù)據(jù)交換DP-V0可以實現(xiàn)中央控制器（PLC，PC或過程控制系統(tǒng)）與分布式現(xiàn)場設(shè)備（從站，例如I/O、閥門、變送器和分析儀等）之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請求報文，從站收到后返回響應(yīng)報文。這種循環(huán)數(shù)據(jù)交換是在被稱為MS0的連接上進行的?？偩€循環(huán)時間應(yīng)小于中央控制器的循環(huán)時間（約10ms），DP的傳送時間與網(wǎng)絡(luò)中站的數(shù)量和傳輸速率有關(guān)。每個從站可以傳送224B的輸入或輸出。

（3）診斷功能經(jīng)過擴展的PROFIBUS-DP診斷，能對站級、模塊級、通道級這3級故障進行診斷和快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。

（4）保護功能

所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。對DP從站的輸出進行存取保護，DP主站用監(jiān)控定時器監(jiān)視與從站的通信，對每個從站都有獨立的監(jiān)控定時器。DP從站用看門狗（WatchdogTimer，監(jiān)控定時器）檢測與主站的數(shù)據(jù)傳輸，如果在設(shè)置的時間內(nèi)沒有完成數(shù)據(jù)通信，從站自動地將輸出切換到故障安全狀態(tài)。

在多主站系統(tǒng)中，從站輸出操作的訪問保護是必要的。這樣可以保證只有授權(quán)的主站才能直接訪問。其他從站可以讀它們的輸入的映像，但是不能直接訪問。

（5）通過網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)功能與控制功能

通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)下列功能：動態(tài)激活或關(guān)閉DP從站，對DP主站（DPM1）進行配置，可以設(shè)置站點的數(shù)目、DP從站的地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷報文的格式等，以及檢查DP從站的組態(tài)。控制命令可以同時發(fā)送給所有的從站或部分從站。（6）同步與鎖定功能主站可以發(fā)送命令給一個從站或同時發(fā)給一組從站。接收到主站的同步命令后，從站進入同步模式。這些從站的輸出被鎖定在當(dāng)前狀態(tài)。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸中，輸出數(shù)據(jù)存儲在從站，但是它的輸出狀態(tài)保持不變。同步模式用“UNSYNC”命令來解除。鎖定（FREEZE）命令使指定的從站組進入鎖定模式，即將各從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)，直到主站發(fā)送下一個鎖定命令時才可以刷新。用“UNFREEZE”命令來解除鎖定模式。

（7）DPM1和DP從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸DPM1與有關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行的。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶定義DP從站與DPM1的關(guān)系，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)。DMP1和DP從站之間的數(shù)據(jù)傳送分為3個階段：參數(shù)化、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換。

（8）DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸PROFIBUS-DP允許主站之間的數(shù)據(jù)交換，即DPM1和DPM2之間的數(shù)據(jù)交換。該功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)，改變DPM1的操作方式，動態(tài)地允許或禁止DPM1與某些從站之間交換數(shù)據(jù)。

2．DP-V1的擴展功能

（1）非循環(huán)數(shù)據(jù)交換除了DP-V0的功能外，DP-V1最主要的特征是具有主站與從站之間的非循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能，可以用它來進行參數(shù)設(shè)置、診斷和報警處理。非循環(huán)數(shù)據(jù)交換與循環(huán)數(shù)據(jù)交換是并行執(zhí)行的，但是優(yōu)先級較低。

（2）工程內(nèi)部集成的EDD與FDT在工業(yè)自動化中，由于歷史的原因，GSD（電子設(shè)備數(shù)據(jù)）文件使用得較多，它適用于較簡單的應(yīng)用；EDD（ElectronicDeviceDescription，電子設(shè)備描述）適用于中等復(fù)雜程序的應(yīng)用；FDT/DTM（FieldDeviceTool/DeviceTypemanager，現(xiàn)場設(shè)備工具/設(shè)備類型管理）是獨立于現(xiàn)場總線的“萬能”接口，適用于復(fù)雜的應(yīng)用場合

（3）基于IEC61131-3的軟件功能塊為了實現(xiàn)與制造商無關(guān)的系統(tǒng)行規(guī)，應(yīng)為現(xiàn)存的通信平臺提供應(yīng)用程序接口（API），即標準功能塊。PNO（PROFIBUS用戶組織）推出了“基于IEC61131-3的通信與代理（Proxy）功能塊”。

（4）故障安全通信（PROFIsafe）PROFIsafe定義了與故障安全有關(guān)的自動化任務(wù)，以及故障-安全設(shè)備怎樣用故障-安全控制器在PROFIBUS上通信。PROFIsafe考慮了在串行總線通信中可能發(fā)生的故障，例如數(shù)據(jù)的延遲、丟失、重復(fù)，不正確的時序、地址和數(shù)據(jù)的損壞。

（5）擴展的診斷功能。

DP從站通過診斷報文將突發(fā)事件（報警信息）傳送給主站，主站收到后發(fā)送確認報文給從站。從站收到后只能發(fā)送新的報警信息，這樣可以防止多次重復(fù)發(fā)送同一報警報文。狀態(tài)報文由從站發(fā)送給主站，不需要主站確認。

3．DP-V2的擴展功能（1）從站與從站間的通信。在2001年發(fā)布的PROFIBUS協(xié)議功能擴充版本DP-V2中，廣播式數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)了從站之間的通信，從站作為出版者（Publisher），不經(jīng)過主站直接將信息發(fā)送給作為訂戶（Subscribers）的從站。這樣從站可以直接讀入別的從站的數(shù)據(jù)。這種方式最多可以減少90%的總線響應(yīng)時間。從站與從站的數(shù)據(jù)交換如圖4-4所示；圖4-4從站與從站的數(shù)據(jù)交換（2）同步（Isochronous）模式功能同步功能激活主站與從站之間的同步，誤差小于1ms。通過“全局控制”廣播報文，所有有關(guān)的設(shè)備被周期性地同步到總線主站的循環(huán)。（3）時鐘控制與時間標記（TimeStamps）通過用于時鐘同步的新的連接MS3，實時時間（RealTime）主站將時間標記發(fā)送給所有的從站，將從站的時鐘同步到系統(tǒng)時間，誤差小于1ms。利用這一功能可以實現(xiàn)高精度的事件追蹤。在有大量主站的網(wǎng)絡(luò)中，對于獲取定時功能特別有用。主站與從站之間的時鐘控制通過MS3服務(wù)來進行（4）HARTonDPHART是一種應(yīng)用較廣的現(xiàn)場總線。HART規(guī)范將HART的客戶-主機-服務(wù)器模型映射到PROFIBUS，HART規(guī)范位于DP主站和從站的第7層之上。HART-client（客戶）功能集成在PROFIBUS的主站中，HART的主站集成在PROFIBUS的從站中。為了傳送HART報文，定義了獨立于MS1和MS2的通信通道。（5）上載與下載（區(qū)域裝載）這一功能允許用少量的命令裝載任意現(xiàn)場設(shè)備中任意大小的數(shù)據(jù)區(qū)。例如不需要人工裝載就可以更新程序或更換設(shè)備。（6）功能請求（FunctionInvocation）功能請求服務(wù)用于DP從站的程序控制（起動、停止、返回或重新起動）和功能調(diào)用。（7）從站冗余在很多應(yīng)用場合，要求現(xiàn)場設(shè)備的通信有冗余功能。冗余的從站有兩個PROFIBUS接口，一個是主接口，一個是備用接口。它們可能是單獨的設(shè)備，也可能分散在兩個設(shè)備中。這些設(shè)備有兩個帶有特殊的冗余擴展的獨立的協(xié)議堆棧，冗余通信在兩個協(xié)議堆棧之間進行，可能是在一個設(shè)備內(nèi)部，也可能是在兩個設(shè)備之間。1．系統(tǒng)的組成PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)設(shè)備包括主站（主動站，有總線訪問控制權(quán)，包括1類主站和2類主站）和從站（被動站，無總線訪問控制權(quán)）。當(dāng)主站獲得總線訪問控制權(quán)（令牌）時，它能占用總線，可以傳輸報文，從站僅能應(yīng)答所接收的報文或在收到請求后傳輸數(shù)據(jù)。

（1）1類主站；1類DP主站能夠?qū)恼驹O(shè)置參數(shù)，檢查從站的通信接口配置，讀取從站診斷報文，并根據(jù)已經(jīng)定義好的算法與從站進行用戶數(shù)據(jù)交換。1類主站還能用一組功能與2類主站進行通信。所以1類主站在DP通信系統(tǒng)中既可作為數(shù)據(jù)的請求方（與從站的通信），也可作為數(shù)據(jù)的響應(yīng)方（與2類主站的通信）。4.3.2PROFIBUS-DP系統(tǒng)組成和總線訪問控制

（2）2類主站

在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，2類主站是一個編程器或一個管理設(shè)備，可以執(zhí)行一組DP系統(tǒng)的管理與診斷功能。

（3）從站從站是PROFIBUS-DP系統(tǒng)通信中的響應(yīng)方，它不能主動發(fā)出數(shù)據(jù)請求。DP從站可以與2類主站或（對其設(shè)置參數(shù)并完成對其通信接口配置的）1類主站進行數(shù)據(jù)交換，并向主站報告本地診斷信息。圖4-5典型DP系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

2．系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型DP系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。3．總線訪問控制

PROFIBUS-DP系統(tǒng)的總線訪問控制要保證兩個方面的需求：一方面，總線主站節(jié)點必須在確定的時間范圍內(nèi)獲得足夠的機會來處理它自己的通信任務(wù)；另一方面，主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換必須是快速且具有很少的協(xié)議開銷。在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，這種混和總線訪問控制方式允許有如下的系統(tǒng)配置：純主-主系統(tǒng)（執(zhí)行令牌傳遞過程）；純主-從系統(tǒng)（執(zhí)行主-從數(shù)據(jù)通信過程）；混合系統(tǒng)（執(zhí)行令牌傳遞和主-從數(shù)據(jù)通信過程）。（1）令牌傳遞過程連接到DP網(wǎng)絡(luò)的主站按節(jié)點地址的升序組成一個邏輯令牌環(huán)。控制令牌按順序從一個主站傳遞到下一個主站。令牌提供訪問總線的權(quán)利，并通過特殊的令牌幀在主站間傳遞。具有HAS（HighestAddressStation，最高站地址）的主站將令牌傳遞給具有最低總線地址的主站，以使邏輯令牌環(huán)閉合。令牌經(jīng)過所有主站節(jié)點輪轉(zhuǎn)一次所需的時間叫做令牌循環(huán)時間（TokenRotationTime）?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)中令牌輪轉(zhuǎn)一次所允許的最大時間叫做目標令牌時間（TTRTargetRotationTime），其值是可調(diào)整的。圖4-6純主-主系統(tǒng)中的令牌傳遞過程純主-主系統(tǒng)中的令牌傳遞過程如圖4-6所示。（2）主-從數(shù)據(jù)通信過程一個主站在得到令牌后，可以主動發(fā)起與從站的數(shù)據(jù)交換。主-從訪問過程允許主站訪問主站所控制的從站設(shè)備，主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。其數(shù)據(jù)傳遞如圖4-7所示。

圖4-7主-從數(shù)據(jù)通信過程

如果一個DP總線系統(tǒng)中有若干個從站，而它的邏輯令牌環(huán)只含有一個主站，這樣的系統(tǒng)稱為純主-從系統(tǒng)。

下面以圖4-8所示的PROFIBUS-DP系統(tǒng)為例，介紹PROFIBUS系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)從上電到進入正常數(shù)據(jù)交換工作狀態(tài)的整個過程可以概括為以下四個工作階段。4.3.3PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程圖4-8PROFIBUS-DP系統(tǒng)實例1．主站和從站的初始化

上電后，主站和從站進入Offline狀態(tài)，執(zhí)行自檢。當(dāng)所需要的參數(shù)都被初始化后（主站需要加載總線參數(shù)集，從站需要加載相應(yīng)的診斷響應(yīng)信息等），主站開始監(jiān)聽總線令牌，而從站開始等待主站對其設(shè)置參數(shù)。2．總線上令牌環(huán)的建立

主站準備好進入總線令牌環(huán)，處于聽令牌狀態(tài)。在一定時間（Time-out）內(nèi)主站如果沒有聽到總線上有信號傳遞，就開始自己生成令牌并初始化令牌環(huán)。然后該主站做一次對全體可能主站地址的狀態(tài)詢問，根據(jù)收到應(yīng)答的結(jié)果確定活動主站表和本主站所轄站地址范圍GAP，GAP是指從本站地址（TS，ThisStation）到令牌環(huán)中的后繼站地址NS之間的地址范圍。LAS的形成即標志著邏輯令牌環(huán)初始化的完成。3．主站與從站通信的初始化DP系統(tǒng)的工作過程如圖4-9所示。在主站可以與DP從站設(shè)備交換用戶數(shù)據(jù)之前，主站必須設(shè)置DP從站的參數(shù)并配置此從站的通信接口，因此主站首先檢查DP從站是否在總線上。如果從站在總線上，則主站通過請求從站的診斷數(shù)據(jù)來檢查DP從站的準備情況。如果DP從站報告它已準備好接收參數(shù)，則主站給DP從站設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)并檢查通信接口配置，在正常情況下DP從站將分別給予確認。收到從站的確認回答后，主站再請求從站的診斷數(shù)據(jù)以查明從站是否準備好進行用戶數(shù)據(jù)交換。只有在這些工作正確完成后，主站才能開始循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)。在上述過程中，交換了下述三種數(shù)據(jù)。圖4-9DP系統(tǒng)的工作過程（1）參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)包括預(yù)先給DP從站的一些本地和全局參數(shù)以及一些特征和功能。參數(shù)報文的結(jié)構(gòu)除包括標準規(guī)定的部分外，必要時還包括DP從站和制造商特有的部分。參數(shù)報文的長度不超過244字節(jié)，重要的參數(shù)包括從站狀態(tài)參數(shù)、看門狗定時器參數(shù)、從站制造商標識符、從站分組及用戶自定義的從站應(yīng)用參數(shù)等。（2）通信接口配置數(shù)據(jù)DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式通過標識符來描述。標識符指定了在用戶數(shù)據(jù)交換時輸入/輸出字節(jié)或字的長度及數(shù)據(jù)的一致刷新要求。在檢查通信接口配置時，主站發(fā)送標識符給DP從站，以檢查在從站中實際存在的輸入/輸出區(qū)域是否與標識符所設(shè)定的一致。如果一致，則可以進入主從用戶數(shù)據(jù)交換階段。（3）診斷數(shù)據(jù)在啟動階段，主站使用診斷請求報文來檢查是否存在DP從站和從站是否準備接收參數(shù)報文。由DP從站提交的診斷數(shù)據(jù)包括符合標準的診斷部分以及此DP從站專用的外部診斷信息。DP從站發(fā)送診斷報文告知DP主站它的運行狀態(tài)、出錯時間及原因等。4．用戶的交換數(shù)據(jù)通信DP從站報告出現(xiàn)診斷報文的流程如圖4-10所示。圖4-10DP從站報告當(dāng)前有診斷報文的流程4.4PROFIBUS-DP的通信模型4.4.1PROFIBUS-DP的物理層PROFIBUS-DP的物理層支持屏蔽雙絞線和光纜兩種傳輸介質(zhì)。1．DP（RS-485）的物理層

對于屏蔽雙絞電纜的基本類型來說，PROFIBUS的物理層（第1層）實現(xiàn)對稱的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIARS-485標準（也稱為H2）。一個總線段內(nèi)的導(dǎo)線是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器，如圖4-11所示。傳輸速率從9.6kbit/s到12Mbit/s可選，所選用的波特率適用于連接到總線（段）上的所有設(shè)備。圖4-11RS-485總線段的結(jié)構(gòu)（1）傳輸程序用于PROFIBUSRS-485的傳輸程序是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎(chǔ)的。數(shù)據(jù)的發(fā)送用NRZ（不歸零）編碼，即1個字符幀為11位（bit），如圖4-12所示。當(dāng)發(fā)送位（bit）時，由二進制“0”到“1”轉(zhuǎn)換期間的信號形狀不改變。圖4-12PROFIBUSUART數(shù)據(jù)幀在傳輸期間，二進制“1”對應(yīng)于RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）線上的正電位，而在RXD/TXD-N線上則相反。各報文間的空閑（idle）狀態(tài)對應(yīng)于二進制“1”信號，如圖4-13所示。2根PROFIBUS數(shù)據(jù)線也常稱之為A線和B線。A線對應(yīng)于RXD/TXD-N信號，而B線則對應(yīng)于RXD/TXD-P信號。圖4-13用NRZ傳輸時的信號形狀圖4-149針D型連接器（2）總線連接國際性的PROFIBUS標準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型連接器的插座與總線站相連接，而D型連接器的插頭與總線電纜相連接，9針D型連接器如圖4-14所示。

圖4-149針D型連接器（3）總線終端器根據(jù)EIARS-485標準，在數(shù)據(jù)線A和B的兩端均加接總線終端器。PROFIBUS的總線終端器包含一個下拉電阻（與數(shù)據(jù)基準電位DGND相連接）和一個上拉電阻（與供電正電壓VP相連接）。當(dāng)總線系統(tǒng)運行的傳輸速率大于1.5Mbit/s時，由于所連接站的電容性負載而引起導(dǎo)線反射，因此必須使用附加有軸向電感的總線連接插頭，如圖4-15所示。

RS-485總線驅(qū)動器可采用SN75176，當(dāng)通信速率超過1.5Mbit/s時，應(yīng)當(dāng)選用高速型總線驅(qū)動器，如SN75ALS1176等。圖4-15傳輸速率大于1.5Mbit/s的連接結(jié)構(gòu)2．DP（光纜）的物理層PROFIBUS第1層的另一種類型是以PNO（PROFIBUS用戶組織）的導(dǎo)則“用于PROFIBUS的光纖傳輸技術(shù)，版本1.1，1993年7月版”為基礎(chǔ)的，它通過光纖導(dǎo)體中光的傳輸來傳送數(shù)據(jù)。光纜允許PROFIBUS系統(tǒng)站之間的距離最大到15km。光纜對電磁干擾不敏感并能確?？偩€站之間的電氣隔離。近年來，由于光纖的連接技術(shù)已大大簡化，因此這種傳輸技術(shù)已經(jīng)普遍地用于現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，特別是用于塑料光纖的簡單單工連接器的使用成為這一發(fā)展的重要組成部分。用玻璃或塑料纖維制成的光纜可用作傳輸介質(zhì)。根據(jù)所用導(dǎo)線的類型，目前玻璃光纖能處理的連接距離達到15km，而塑料光纖只能達到80m。

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)安全性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在PROFIBUS-DP中，數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）稱為FDL層（現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層）。PROFIBUS-DP的報文格式如圖4-16所示。1．幀字符和幀格式

（1）幀字符

每個幀由若干個幀字符（UART字符）組成，它把一個8位字符擴展成11位：首先是一個開始位0，接著是8位數(shù)據(jù)，之后是奇偶校驗位（規(guī)定為偶校驗），最后是停止位1。4.4.2PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）圖4-16數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）的報文幀格式（2）幀格式第2層的報文格式（幀格式）如圖4-16所示。其中：（3）幀控制字節(jié)FC的位置在幀中SA之后，用來定義報文類型，表明該幀是主動請求幀還是應(yīng)答/回答幀，F(xiàn)C還包括了防止信息丟失或重復(fù)的控制信息。（4）擴展幀在有數(shù)據(jù)字段（DU）的幀（開始符是SD2和SD3）中，DA和SA的最高位（第7位）指示是否存在地址擴展位（EXT），0表示無地址擴展，1表示有地址擴展。（5）報文循環(huán)在DP總線上一次報文循環(huán)過程包括主動幀和應(yīng)答/回答幀的傳輸。除令牌幀外，其余三種幀：無數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀、有數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀和有數(shù)據(jù)字段無固定長度的幀，既可以是主動請求幀也可以是應(yīng)答/回答幀（令牌幀是主動幀，它不需要應(yīng)答/回答）2．FDL的四種服務(wù)FDL可以為其用戶，也就是為FDL的上一層提供四種服務(wù)：發(fā)送數(shù)據(jù)須應(yīng)答SDA，發(fā)送數(shù)據(jù)無須應(yīng)答SDN，發(fā)送且請求數(shù)據(jù)須應(yīng)答SRD及循環(huán)的發(fā)送且請求數(shù)據(jù)須應(yīng)答CSRD。用戶想要FDL提供服務(wù)，必須向FDL申請，而FDL執(zhí)行之后會向用戶提交服務(wù)結(jié)果。用戶和FDL之間的交互過程是通過一種接口來實現(xiàn)的，在PROFIBUS規(guī)范中稱之為服務(wù)原語。3．現(xiàn)場總線第1/2層管理（FMA1/2）FDL的用戶除了可以申請FDL的服務(wù)之外，還可以對FDL以及物理層PHY進行一些必要的管理，例如強制復(fù)位FDL和PHY、設(shè)定參數(shù)值、讀狀態(tài)、讀事件及進行配置等。在PROFIBUS-DP規(guī)范中，這一部分叫做FMA1/2（第1、2層現(xiàn)場總線管理）。1．概述

用戶層包括DDLM和用戶接口/用戶等，它們在通信中實現(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FMA1/2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)，接收來自第2層的確認和指示并將它們傳送給用戶接口/用戶。4.4.3PROFIBUS-DP的用戶層圖4-17PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信模型PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信模型如圖4-17所示。2．PROFIBUS-DP行規(guī)PROFIBUS-DP只使用了第1層和第2層。而用戶接口定義了PROFIBUS-DP設(shè)備可使用的應(yīng)用功能以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。PROFIBUS-DP協(xié)議的任務(wù)只是定義用戶數(shù)據(jù)怎樣通過總線從一個站傳送到另一個站。在這里，傳輸協(xié)議并沒有對所傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)進行評價，這是DP行規(guī)的任務(wù)。由于精確規(guī)定了相關(guān)應(yīng)用的參數(shù)和行規(guī)的使用，從而使不同制造商生產(chǎn)的DP部件能容易地交換使用。目前已制定了如下的DP行規(guī)：

（1）NC/RC行規(guī)（3.052）：該行規(guī)介紹了人們怎樣通過PROFIBUS-DP對操作機床和裝配機器人進行控制。根據(jù)詳細的順序圖解，從高一級自動化設(shè)備的角度，介紹了機器人的動作和程序控制情況。

（2）編碼器行規(guī)（3.062）：本行規(guī)介紹了回轉(zhuǎn)式、轉(zhuǎn)角式和線性編碼器與PROFIBUS-DP的連接，這些編碼器帶有單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)分辨率。有兩類設(shè)備定義了它們的基本和附加功能，如標定、中斷處理和擴展診斷。

（3）變速傳動行規(guī)（3.071）；傳動技術(shù)設(shè)備的主要生產(chǎn)廠商共同制定了PROFIDRIVE行規(guī)。行規(guī)具體規(guī)定了傳動設(shè)備怎樣參數(shù)化，以及設(shè)定值和實際值怎樣進行傳遞，這樣不同廠商生產(chǎn)的傳動設(shè)備就可互換，此行規(guī)也包括了速度控制和定位必需的規(guī)格參數(shù)。傳動設(shè)備的基本功能在行規(guī)中有具體規(guī)定，但根據(jù)具體應(yīng)用留有進一步擴展和發(fā)展的余地。行規(guī)描述了DP或FMS應(yīng)用功能的映像。

（4）操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）：HMI行規(guī)具體說明了通過PROFIBUS-DP把這些設(shè)備與更高一級自動化部件的連接，此行規(guī)使用了擴展的PROFIBUS-DP的功能來進行通信。1．1類主站的用戶接口1類主站用戶接口與用戶之間的接口包括數(shù)據(jù)接口和服務(wù)接口。在該接口上處理與DP從站通信的所有信息交互，1類主站的用戶接口如圖4-18所示。4.4.4PROFIBUS-DP用戶接口圖4-181類主站的用戶接口（1）數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)接口包括主站參數(shù)集、診斷數(shù)據(jù)和輸入/輸出數(shù)據(jù)。其中主站參數(shù)集包含總線參數(shù)集和DP從站參數(shù)集，是總線參數(shù)和從站參數(shù)在主站上的映射。①總線參數(shù)集總線參數(shù)集的內(nèi)容包括總線參數(shù)長度、FDL地址、波特率、時隙時間、最小和最大響應(yīng)從站延時、靜止和建立時間、令牌目標輪轉(zhuǎn)時間、GAL更新因子、最高站地址、最大重試次數(shù)、用戶接口標志、最小從站輪詢時間間隔、請求方得到響應(yīng)的最長時間、主站用戶數(shù)據(jù)長度、主站（2類）的名字和主站用戶數(shù)據(jù)。②DP從站參數(shù)集DP從站參數(shù)集的內(nèi)容包括從站參數(shù)長度、從站標志、從站類型、參數(shù)數(shù)據(jù)長度、參數(shù)數(shù)據(jù)、通信接口配置數(shù)據(jù)長度、通信接口配置數(shù)據(jù)、從站地址分配表長度、從站地址分配表、從站用戶數(shù)據(jù)長度和從站用戶數(shù)據(jù)。③診斷數(shù)據(jù)診斷數(shù)據(jù)Diagnostic_Data是指由用戶接口存儲的DP從站診斷信息、系統(tǒng)診斷信息、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)表（Data_Transfer_List）和主站狀態(tài)（Master_Status）的診斷信息。④輸入/輸出數(shù)據(jù)輸入（InputData）/輸出數(shù)據(jù)（OutputData）包括DP從站的輸入數(shù)據(jù)和1類主站用戶的輸出數(shù)據(jù)。該區(qū)域的長度由DP從站制造商指定，輸入和輸出數(shù)據(jù)的格式由用戶根據(jù)其DP系統(tǒng)來設(shè)計，格式信息保存在DP從站參數(shù)集的Add_Tab參數(shù)中。（2）服務(wù)接口通過服務(wù)接口，用戶可以在用戶接口的循環(huán)操作中異步調(diào)用非循環(huán)功能。非循環(huán)功能分為本地和遠程功能。本地功能由Scheduler或Service_Handler處理，遠程功能由Scheduler處理。用戶接口不提供附加出錯處理。在這個接口上，服務(wù)調(diào)用順序執(zhí)行，只有在接口上傳送了Mark.req并產(chǎn)生Global_Control.req的情況下才允許并行處理。服務(wù)接口包括以下幾種服務(wù)。①設(shè)定用戶接口操作模式（Set_Mode）用戶可以利用該功能設(shè)定用戶接口的操作模式（USIF_State），并可以利用功能DDLM_Get_Master_Diag讀取用戶接口的操作模式。2類主站也可以利用功能DDLM_Download來改變操作模式②指示操作模式改變（Mode_Change）用戶接口用該功能指示其操作模式的改變。如果用戶通過功能Set_Mode改變操作模式，該指示將不會出現(xiàn)。如果在本地接口上發(fā)生了一個嚴重的錯誤，則用戶接口將操作模式改為Offline。

③加載總線參數(shù)集（Load_Bus_Par）用戶用該功能加載新的總線參數(shù)集。用戶接口將新裝載的總線參數(shù)集傳送給當(dāng)前的總線參數(shù)集并將改變的FDL服務(wù)參數(shù)傳送給FDL控制。在用戶接口的操作模式Clear和Operate下不允許改變FDL服務(wù)參數(shù)Baud_Rate或FDL_Add。④同步數(shù)據(jù)傳輸（Mark）利用該功能，用戶可與用戶接口同步操作，用戶將該功能傳送給用戶接口后，當(dāng)所有被激活的DP從站至少被詢問一次后，用戶將收到一個來自用戶接口的應(yīng)答。⑤對從站的全局控制命令（Global_Control）利用該功能可以向一個（單一）或數(shù)個（廣播）DP從站傳送控制命令Sync和Freeze，從而實現(xiàn)DP從站的同步數(shù)據(jù)輸出和同步數(shù)據(jù)輸入功能。⑥讀統(tǒng)計計數(shù)器（Read_Value）利用該功能讀取統(tǒng)計計數(shù)器中的參數(shù)變量值。

⑦清零統(tǒng)計計數(shù)器（Delete_SC）利用該功能清零統(tǒng)計計數(shù)器，各個計數(shù)器的尋址索引與其FDL地址一致。2．從站的用戶接口

在DP從站中，用戶接口通過從站的主-從DDLM功能和從站的本地DDLM功能與DDLM通信，用戶接口被創(chuàng)建為數(shù)據(jù)接口，從站用戶接口狀態(tài)機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)交換的監(jiān)視。4.5PROFIBUS-DP的總線設(shè)備類型和數(shù)據(jù)通信4.5.1

概述PROFIBUS-DP協(xié)議是為自動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)計的。典型的DP配置是單主站結(jié)構(gòu)，如圖4-19所示。DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理。也就是說，只有當(dāng)主站請求時總線上的DP從站才可能活動。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)據(jù)連續(xù)地交換，而并不考慮用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)容。圖4-19DP單主站結(jié)構(gòu)圖4-20在DP主站上處理輪詢表的示意圖在DP主站上處理輪詢表的情況如圖4-20所示。DP主站與DP從站間的一個報文循環(huán)由DP主站發(fā)出的請求幀（輪詢報文）和由DP從站返回的有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)幀組成。

由于按EN50170標準規(guī)定的PROFIBUS節(jié)點在第1層和第2層的特性，一個DP系統(tǒng)也可能是多主結(jié)構(gòu)。實際上，這就意味著一條總線上連接幾個主站節(jié)點，在一個總線上DP主站/從站、FMS主站/從站和其他的主動節(jié)點或被動節(jié)點也可以共存，如圖4-21所示。圖4-21PROFIBUS-DP多主站結(jié)構(gòu)1．DP主站（1類）1類DP主站循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)。它使用如下的協(xié)議功能執(zhí)行通信任務(wù)。

（1）Set_Prm和Chk_Cfg

在啟動、重啟動和數(shù)據(jù)傳輸階段，DP主站使用這些功能發(fā)送參數(shù)集給DP從站。對個別DP從站而言，其輸入和輸出數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)在組態(tài)期間進行定義。

（2）Data_Exchange

此功能循環(huán)地與指定給它的DP從站進行輸入/輸出數(shù)據(jù)交換。4.5.2DP設(shè)備類型

（3）Slave_Diag

在啟動期間或循環(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_ControlDP主站使用此控制命令將它的運行狀態(tài)告知給各DP從站。此外，還可以將控制命令發(fā)送給個別從站或規(guī)定的DP從站組，以實現(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主站通常還支持下列特殊功能：

（1）RD_Inp和RD_Outp

在與1類DP主站進行數(shù)據(jù)通信的同時，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）分配一個新的總線地址給一個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從站組合在一個硬件模塊中形成一個DP組合設(shè)備。實際上，這樣的設(shè)備是很常見的。

一些典型的設(shè)備組合如下：1類DP主站與2類DP主站的組合；DP從站與1類DP主站的組合。1．DP通信關(guān)系和DP數(shù)據(jù)交換

按PROFIBUS-DP協(xié)議，通信作業(yè)的發(fā)起者稱為請求方，而相應(yīng)的通信伙伴稱為響應(yīng)方。所有1類DP主站的請求報文以第2層中的“高優(yōu)先權(quán)”報文服務(wù)級別處理。與此相反，由DP從站發(fā)出的響應(yīng)報文使用第2層中的“低優(yōu)先權(quán)”報文服務(wù)級別。DP從站可將當(dāng)前出現(xiàn)的診斷中斷或狀態(tài)事件通知給DP主站，僅在此刻，可通過將Data_Exchange的響應(yīng)報文服務(wù)級別從“低優(yōu)先權(quán)”改變?yōu)楦邇?yōu)先權(quán)來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的傳輸是非連接的1對1或1對多連接（僅控制命令和交叉通信）。

4.5.3DP設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信2．初始化階段，重啟動和用戶數(shù)據(jù)通信

在DP主站可以與從站設(shè)備交換用戶數(shù)據(jù)之前，DP主站必須定義DP從站的參數(shù)并組態(tài)此從站。為此，DP主站首先檢查DP從站是否在總線上。如果是，則DP主站通過請求從站的診斷數(shù)據(jù)來檢查DP從站的準備情況。當(dāng)DP從站報告它已準備好參數(shù)定義時，則DP主站裝載參數(shù)集和組態(tài)數(shù)據(jù)。DP主站再請求從站的診斷數(shù)據(jù)以查明從站是否準備就緒。只有在這些工作完成后，DP主站才開始循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)DP從站初始化階段的主要順序如圖4-22所示。圖4-22DP從站初始化階段的主要順序

（1）參數(shù)數(shù)據(jù)（Set_Prm）

（2）組態(tài)數(shù)據(jù)（Chk_Cfg）

（3）診斷數(shù)據(jù)（Slave_Diag）

（4）用戶數(shù)據(jù)（Data_Exchange）

圖4-23DP主站與DP從站循環(huán)地交換用戶數(shù)據(jù)DP主站與DP從站循環(huán)交換用戶數(shù)據(jù)如圖4-23所示。DP從站報告當(dāng)前的診斷中斷如圖4-24所示。圖4-24DP從站報告當(dāng)前的診斷中斷1．PROFIBUS-DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)

單主總線系統(tǒng)中DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4-25所示。4.5.4PROFIBUS-DP循環(huán)圖4-25PROFIBUS-DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)

一個DP循環(huán)包括固定部分和可變部分。固定部分由循環(huán)報文構(gòu)成，它包括總線存取控制（令牌管理和站狀態(tài)）和與DP從站的I/O數(shù)據(jù)通信（Data_Exchange）。DP循環(huán)的可變部分由被控事件的非循環(huán)報文構(gòu)成。

報文的非循環(huán)部分包括下列內(nèi)容：DP從站初始化階段的數(shù)據(jù)通信；DP從站診斷功能；2類DP主站通信；DP主站和主站通信；非正常情況下（Retry），第2層控制的報文重復(fù)；與DPV1對應(yīng)的非循環(huán)數(shù)據(jù)通信；PG在線功能；HMI功能。

根據(jù)當(dāng)前DP循環(huán)中出現(xiàn)的非循環(huán)報文的多少，相應(yīng)地增大DP循環(huán)。這樣，一個DP循環(huán)中總是有固定的循環(huán)時間。如果存在的話，還有被控事件的可變的數(shù)個非循環(huán)報文。2．固定的PROFIBUS-DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)

對于自動化領(lǐng)域的某些應(yīng)用來說，固定的DP循環(huán)時間和固定的I/O數(shù)據(jù)交換是有好處的。

這特別適用于現(xiàn)場驅(qū)動控制。例如，若干個驅(qū)動的同步就需要固定的總線循環(huán)時間。固定的總線循環(huán)常常也稱為“等距”總線循環(huán)。

與正常的DP循環(huán)相比較，在DP主站的一個固定的DP循環(huán)期間，保留了一定的時間用于非循環(huán)通信。如圖4-26所示，DP主站確保這個保留的時間不超時。圖4-26固定的PROFIBUS-DP循環(huán)的結(jié)構(gòu)

交叉通信，也稱之為“直接通信”，是在SIMATICS7應(yīng)用中使用PROFIBUS-DP的另一種數(shù)據(jù)通信方法。

在交叉通信期間，DP從站不用1對1的報文（從→主）響應(yīng)DP主站，而用特殊的1對多的報文（從→nnn）。這就是說，包含在響應(yīng)報文中的DP從站的輸入數(shù)據(jù)不僅對相關(guān)的主站可使用，而且也對總線上支持這種功能的所有DP節(jié)點都可使用。4.5.5

采用交叉通信的數(shù)據(jù)交換4.5.6設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征，特性的不同在于現(xiàn)有功能（即I/O信號的數(shù)量和診斷信息）的不同或可能的總線參數(shù)，如波特率和時間的監(jiān)控不同。對一種設(shè)備類型的特性GSD以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設(shè)備類型準備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶，這種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動地對輸入與整個系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。GSD分為以下三部分。

（1）總體說明

包括廠商和設(shè)備名稱、軟硬件版本情況、支持的波特率、可能監(jiān)控時間間隔及總線插頭的信號分配。

（2）DP主設(shè)備相關(guān)規(guī)格

包括所有只適用于DP主設(shè)備的參數(shù)（例如可連接的從設(shè)備的最多臺數(shù)或加載和卸載能力）。從設(shè)備沒有這些規(guī)定。

（3）從設(shè)備的相關(guān)規(guī)格

包括與從設(shè)備有關(guān)的所有規(guī)定（例如I/O通道的數(shù)量和類型、診斷測試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)的一致性信息）。每種類型的DP從設(shè)備和每種類型的1類DP主設(shè)備都有一個標識號。主設(shè)備用此標識號識別哪種類型設(shè)備連接后不產(chǎn)生協(xié)議的額外開銷。主設(shè)備將所連接的DP設(shè)備的標識號與在組態(tài)數(shù)據(jù)中用組態(tài)工具指定的標識號進行比較，直到具有正確站址的正確的設(shè)備類型連接到總線上后，用戶數(shù)據(jù)才開始傳輸。這可避免組態(tài)錯誤，從而大大提高安全級別。SIEMENS公司提供的PROFIBUS通信用ASICs主要有DPC31、LSPM2、SPC3、SPC41和ASPC2。如表4-3所示。

其中一些PROFIBUS通信用ASICs內(nèi)置INTEL80C31內(nèi)核CPU；供電電源有5V或3.3V；一些PROFIBUS通信控制器需要外加微控制器；一些PROFIBUS通信用ASICs不需要外加微控制器，但均支持DP/FMS/PA通信協(xié)議中的一種或多種。由于AMISHoldings,Inc.被ONSemiconductorCorporation（安森美半導(dǎo)體公司）收購，PROFIBUS通信控制器ASPC2、DPC31STEPC1和SPC3ASIC的標簽已于2009年3月使用新的安森美半導(dǎo)體公司的ON標志代替之前的AMIS標志，標簽的更改對于部件的功能性和兼容性沒有影響。4.6PROFIBUS通信用ASICs表4-3幾種典型的PROFIBUS通信用ASICs型號類型特性FMSDPPA加微控制器加協(xié)議軟件最大波特率支持電壓DPC31從站SPC3+80C31內(nèi)核×√√可選√12Mbit/s3.3VDCLSPM2從站低價格、單片、有32個I/O輸入/輸出位×√×××12Mbit/s5VDCSPC3從站通用DP協(xié)議芯片，需外加CPU×√×√√12Mbit/s5VDCSPC41從站DP協(xié)議芯片，外加CPU，可通過SIM1-2連接PA√√√√√12Mbit/s3.3/5VDCASPC2主站主站協(xié)議芯片，外加CPU實現(xiàn)主站功能√√√√√12Mbit/s5VDCPROFIBUS通信用ASICs應(yīng)用特點：便于將現(xiàn)場設(shè)備連接到PROFIBUS；集成的節(jié)能管理；不同的ASICs用于不同的功能要求和應(yīng)用領(lǐng)域。

通過PROFIBUS通信用ASICs，設(shè)備制造商可以將設(shè)備方便地連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)最高12Mbit/s的傳輸速率。PROFIBUS通信用ASICs的應(yīng)用場合介紹如下。（1）主站應(yīng)用ASPC2。

（2）智能從站SPC3，硬件控制總線接入；DPC31，集成80C31內(nèi)核CPU；SPC41、SPC42。（3）

本安連接

用于安全現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的物理連接的SIM1-2，作為一個符合IEC61158-2標準的介質(zhì)連接單元，傳輸速率31.25Kbit/s。尤其適合與SPC41、SPC42和DPC31結(jié)合使用。（4）連接到光纖導(dǎo)體

該ASIC的功能是補充現(xiàn)有的用于PROFIBUS-DP的ASIC。FOCSI模塊可以保證接收/發(fā)送光纖信號的可靠電氣調(diào)節(jié)和發(fā)送。為了把信號輸入光纜，除了FOCSI以外，還需使用合適的發(fā)送器/接收器。FOCSI可以與其他的PROFIBUSDPASIC一起使用。4.7PROFIBUS-DP從站通信控制器SPC34.7.1SPC3功能簡介SPC3為PROFIBUS智能從站提供了廉價的配置方案，可支持多種處理器。與SPC2相比，SPC3存儲器內(nèi)部管理和組織有所改進，并支持PROFIBUS_DP。SPC3只集成了傳輸技術(shù)的部分功能，而沒有集成模擬功能（RS-485驅(qū)動器）、FDL（現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路FieldbusDataLink）傳輸協(xié)議。它支持接口功能、FMA功能和整個DP從站協(xié)議（USIF：用戶接口讓用戶很容易訪問第二層）。第二層的其余功能（軟件功能和管理）需要通過軟件來實現(xiàn)。SPC3內(nèi)部集成了1.5kB的雙口RAM作為SPC3與軟件/程序的接口。整個RAM被分為192段，每段8字節(jié)。用戶尋址由內(nèi)部MS(Microsequencer)通過基址指針（Base-Pointer）來實現(xiàn)?；分羔樋晌挥诖鎯ζ鞯娜魏味?。所以，任何緩存都必須位于段首。SPC3內(nèi)部集成了1.5kB的雙口RAM作為SPC3與軟件/程序的接口。整個RAM被分為192段，每段8字節(jié)。用戶尋址由內(nèi)部MS(Microsequencer)通過基址指針（Base-Pointer）來實現(xiàn)?；分羔樋晌挥诖鎯ζ鞯娜魏味?。所以，任何緩存都必須位于段首。

總線接口是一參數(shù)化的8位同步/異步接口，可使用各種Intel和Motorola處理器/微處理器。用戶可通過11位地址總線直接訪問1.5kB的雙口RAM或參數(shù)存儲器。

處理器上電后，程序參數(shù)（站地址、控制位等）必須傳送到參數(shù)寄存器和方式寄存器。

任何時候狀態(tài)寄存器都能監(jiān)視MAC的狀態(tài)。

各種事件（診斷、錯誤等）都能進入中斷寄存器，通過屏蔽寄存器使能，然后通過響應(yīng)寄存器響應(yīng)。SPC3有一個共同的中斷輸出。看門狗定時器有三種狀態(tài)Baud_Search、Baud_Control、Dp_Control。微順序控制器（MS）控制整個處理過程。

程序參數(shù)（緩存器指針、緩存器長度、站地址等）和數(shù)據(jù)緩存器包含在內(nèi)部1.5kB雙口RAM中。

在UART中，并行、串行數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，SPC3能自動調(diào)整波特率。

空閑定時器（IdleTimer）直接控制串行總線的時序。4.7.2SPC3引腳說明SPC3為44引腳PQFP封裝，引腳說明如書中表4-5所示。

4.7.3SPC3存儲器分配SPC3內(nèi)部1.5kB雙口RAM的分配如表4-6所示。表4-6SPC3內(nèi)存分配地

址功

能000H處理器參數(shù)鎖存器/寄存器（22字節(jié)）內(nèi)部工作單元016H組織參數(shù)（42字節(jié)）040H......5FFHDP緩存器

DataIn(3)*DataOut(3)**Diagnostics(2)ParameterSettingData(1)ConfigurationData(2)AuxiliaryBuffer(2)SSA-Buffer(1)內(nèi)部鎖存器/寄存器位于前22字節(jié)，用戶可以讀取或?qū)懭搿Ｒ恍﹩卧蛔x或只寫，用戶不能訪問的內(nèi)部工作單元也位于該區(qū)域。組織參數(shù)位于以16H開始的單元，這些參數(shù)影響整個緩存區(qū)（主要是DP-SAPs）的使用。另外，一般參數(shù)（站地址、標識號等）和狀態(tài)信息（全局控制命令等）都存儲在這些單元中。與組織參數(shù)的設(shè)定一致，用戶緩存(User-GeneratedBuffer)位于40H開始的單元，所有的緩存器都開始于段地址。SPC3的整個RAM被劃分為192段，每段包括8字節(jié)，物理地址是按8的倍數(shù)建立的。

下面是DP緩存器結(jié)構(gòu)。DP_Mode＝1時，SPC3DP方式使能。在這種過程中，下列SAPs服務(wù)于DP方式。DefaultSAP:數(shù)據(jù)交換（Write_Read_Data）SAP53:保留SAP55:改變站地址（Set_Slave_Address）SAP56:讀輸入（Read_Inputs）SAP57:讀輸出（Read_Outputs）SAP58:DP從站的控制命令（Global_Control）SAP59:讀配置數(shù)據(jù)（Get_Config）SAP60:讀診斷信息（Slave_Diagnosis）SAP61:發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（Set_Param）SAP62:檢查配置數(shù)據(jù)(Check_Config)4.7.4PROFIBUS–DP接口DP從站協(xié)議完全集成在SPC3中，并獨立執(zhí)行。用戶必須相應(yīng)地參數(shù)化ASIC，處理和響應(yīng)傳送報文。除了DefaultSAP、SAP56、SAP57和SAP58，其他的SAPs一直使能，這四個SAPs在DP從站狀態(tài)機制進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)才使能。用戶也可以使SAP55無效，這時相應(yīng)的緩存器指針R_SSA_Buf_Ptr設(shè)置為00H。在RAM初始化時已描述過使DDB單元無效。SPC3輸入緩沖區(qū)有3個，并且長度一樣；輸出緩沖區(qū)也有3個，長度也一樣。輸入輸出緩沖區(qū)都有3個狀態(tài)，分別是U、N和D。在同一時刻，各個緩沖區(qū)處于相互不同的狀態(tài)。SPC3的08H～0BH寄存器單元表明了各個緩沖區(qū)的狀態(tài)，并且表明了當(dāng)前用戶可用的緩沖區(qū)。U狀態(tài)的緩沖區(qū)分配給用戶使用，D狀態(tài)的緩沖區(qū)分配給總線使用，N狀態(tài)是U、D狀態(tài)的中間狀態(tài)。SPC3輸入輸出緩沖區(qū)U-D-N狀態(tài)的相關(guān)寄存器如下：（1）寄存器08H（Din_Buffer_SM7..0），各個輸入緩沖區(qū)的狀態(tài)。4.7.5SPC3輸入輸出緩沖區(qū)的狀態(tài)（2）寄存器09H（New_Din_Buffer_Cmd1..0），用戶通過這個寄存器從N狀態(tài)下得到可用的輸入緩沖區(qū)。（3）寄存器0AH（Dout_Buffer_SM7..0），各個輸出緩沖區(qū)的狀態(tài)（4）寄存器0BH（Next_Dout_Buffer_Cmd1..0），用戶從最近的處于N狀態(tài)的輸出緩沖區(qū)中得到輸出緩沖區(qū)。SPC3輸入輸出緩沖區(qū)U-D-N狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D4-27所示。圖4-27SPC3輸入輸出緩沖區(qū)U-D-N狀態(tài)的轉(zhuǎn)變1.輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變

當(dāng)持有令牌的PROFIBUS-DP主站向本地從站發(fā)送輸出數(shù)據(jù)時，SPC3在D緩存中讀取接收到的輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)SPC3接收到的輸出數(shù)據(jù)沒有錯誤時，就將新填充的緩沖區(qū)從D狀態(tài)轉(zhuǎn)到N狀態(tài)，并且產(chǎn)生DX_OUT中斷，這時用戶讀取Next_Dout_Buffer_Cmd寄存器，處于N狀態(tài)的輸出緩沖區(qū)由N狀態(tài)變到U狀態(tài)，用戶同時知道哪一個輸出緩沖區(qū)處于U狀態(tài)，通過讀取輸出緩沖區(qū)得到當(dāng)前輸出數(shù)據(jù)。2.輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變

輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有3個，長度一樣（初始化時已經(jīng)規(guī)定），輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)也有3個狀態(tài)，即U、N和D。同一時刻，3個緩沖區(qū)處于不同的狀態(tài)。即一個緩沖區(qū)處于U，一個處于N，一個處于D。處于U狀態(tài)的緩沖區(qū)用戶可以使用，并且在任何時候用戶都可更新。處于D狀態(tài)的緩沖區(qū)SPC3使用，也就是SPC3將輸入數(shù)據(jù)從處于該狀態(tài)的緩沖區(qū)中發(fā)送到主站。SPC3從D緩存中發(fā)送輸入數(shù)據(jù)。在發(fā)送以前，處于N狀態(tài)的輸入緩沖區(qū)轉(zhuǎn)為D狀態(tài)，同時處于U狀態(tài)的輸入緩沖區(qū)變?yōu)镹狀態(tài)，原來處于D狀態(tài)的輸入緩沖區(qū)變?yōu)閁狀態(tài)，處于D狀態(tài)的輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。用戶可使用U狀態(tài)下的輸入緩沖區(qū)，通過讀取New_Din_Buffer_Cmd寄存器，用戶可用知道哪一個輸入緩沖區(qū)屬于用戶。SPC3有一個11位地址總線的并行8位接口。SPC3支持基于Intel的80C51/52(80C32)處理器和微處理器、Motorola的HC11處理器和微處理器，Siemens80C166、IntelX86、MotorolaHC16和HC916系列處理器和微處理器?？偩€接口單元（BIU）和雙口RAM控制器（DPC）控制著SPC3處理器內(nèi)部RAM的訪問。另外，SPC3內(nèi)部集成了一個時鐘分頻器，能產(chǎn)生2分頻（DIVIDER＝1）或4分頻（DIVIDER＝0）輸出，因此，不需附加費用就可實現(xiàn)與低速控制器相連。SPC3的時鐘脈沖是48MHz。4.7.6

通用處理器總線接口1．總線接口單元（BIU）BIU是連接處理器/微處理器的接口，有11位地址總線，是同步或異步8位接口。接口配置由2個引腳（XINT/MOT和MODE）決定，XINT/MOT引腳決定連接的處理器系列（總線控制信號，如：XWR，XRD，R_W和數(shù)據(jù)格式），MODE引腳決定同步或異步。

在C32方式下必須使用內(nèi)部鎖存器和內(nèi)部譯碼器。2．雙口RAM控制器SPC3內(nèi)部1.5k字節(jié)的RAM是單口RAM。然而，由于內(nèi)部集成了雙口RAM控制器，允許總線接口和處理器接口同時訪問RAM。此時，總線接口具有優(yōu)先權(quán)。從而使訪問時間最短。如果SPC3與異步接口處理器相連，SPC3產(chǎn)生Ready信號。3．接口信號在復(fù)位期間，數(shù)據(jù)輸出總線呈高阻狀態(tài)。微處理器總線接口信號如表4-14所示。表4-14微處理器總線接口信號名

稱輸入/輸出說

明DB(7..0)I/O復(fù)位時高阻AB(10..0)IAB10帶下拉電阻MODEI設(shè)置：同步/異步接口XWR/E_CLOCKI采用Intel總線時為寫，采用Motorola總線時為E_CLKXRD/R_WI采用Intel總線時為讀，采用Motorola總線時讀/寫表4-14微處理器總線接口信號（續(xù)表）名

稱輸入/輸出說

明XCSI片選ALE/ASIIntel/Motorola：地址鎖存允許DIVIDERICLKOUT2/4的分頻系數(shù)2/4X/INTO極性可編程XRDY/XDTACKOIntel/Motorola：準備好信號CLKI48MHzXINT/MOTI設(shè)置：Intel/Motorola方式CLKOUT2/4O24/12MHzRESETI最少4個時鐘周期發(fā)送器將并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)流。在發(fā)送第一個字符之前，產(chǎn)生Request-to-Send(RTS)信號，XCTS輸入端用于連接調(diào)制器。RTS激活后，發(fā)送器必須等到XCTS激活后才發(fā)送第一個報文字符。接收器將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以4倍的傳輸速率掃描串行數(shù)據(jù)流。為了測試，可關(guān)閉停止位（方式寄存器0中DIS_STOP_CONTROL=1或DP的Set_Param_Telegram報文），PROFIBUS協(xié)議的一個要求是報文字符之間不允許出現(xiàn)其它狀態(tài)，SPC3發(fā)送器保證滿足此規(guī)定。通過DIS_START_CONTROL=1（模