（控制理论与控制工程专业论文）基于profibus现场总线技术的产品设计与开发.pdf

d e s i g na n dd e v e l o p m e n t b y l i m i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f m e n gq i n g j i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 u 进行 任何 重要 本声 校保 被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔熟导师签名： 毕吼叫 1 5 本文内容总述：4 第二章p r o f i b u s d p 现场总线技术5 2 1p r o f i b u s 技术概述5 2 1 1p r o f i b u s 协议结构5 2 1 2 物理层传输方式一6 2 1 3 数据链路层服务的实现7 2 2p r o f i b u s d p 报文传输分析8 2 2 1 帧字符8 2 2 2p r o f i b u s d p 报文结构8 2 3 直接数据链路映像功能1 3 2 3 1d p 主从通信功能1 3 2 3 2 各功能详述1 4 2 4 本章小结1 8 第三章p r o f i b u s p a 现场总线技术。1 9 3 1 实现i e c l15 8 2 传输技术。1 9 3 2p r o f i b u s d p 扩展功能d p v l 2 0 3 2 1d p v l 总线设备的主要特征2 l 3 2 2 从站数据模块的寻址。2 l 3 3 实现p r o f i b u s p a 设备行规2 2 3 3 1p a 的通信特性2 2 3 3 2 应用特性一2 2 3 3 3 功能模块2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章利用a s i c 芯片进行耦合器的硬件设计2 7 4 1 协议芯片介绍2 7 4 i 1s p c 3 结构介绍一2 7 4 1 2s p c 3 内部寄存器和缓冲区的分区2 8 4 1 3s p c 3 的其他重要功能控制器3 0 4 2 其他协议芯片31 4 2 1 带有处理器内核的a s i c 芯片s p c 4 3 1 4 2 2a s i c 芯片的关键内核一s i m l 3 2 4 3 耦合器的硬件设计3 2 4 3 1d p 从站部分硬件连接3 5 4 3 2p r o f i b u s p a 接口模块设计3 7 4 4 程序设计3 8 2 济南大学硕t 学位论文 ! 鼍! 鼍曼曼皇! 鼍! 曼! 苎鼍曼曼曼! 鼍! ! 曼! 鼍! ! 曼詈曼皇i i ii 。 i i ! 鼍! ! ! ! ! ! 皇曼! ! 鼍! ! ! 暑! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! 詈! 皇! 摘要 现场总线是安装在生产过程区域的现场仪表与控制室内的自动控制系统之间的 一种串行，全分散，智能，数字式，多点，双向通信的数据总线。p r o f i b u s 包括 p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m s 三个系列。 d p 与p a 的物理层协议是不同的，d p 采用符合r s 4 8 5 传输技术的的n r z 编码， 每八位二进制数按1 1 位被传输，包括1 位开始位、8 位数据位、1 位终止位和1 位奇 偶校验位，传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ；而p a 采用符合i e c l l 5 8 - - 2 标准的曼彻斯 特双向码；数据传输速率一般固定为3 1 2 5k b p s 。因此需要利用耦合器进行数据传输 格式的转换，从而使p a 设备能便捷的接入p r o f i b u s - d p 现场总线。目前国际上应 用的耦合器主要是a b b 、德国p + f 倍加福的成品，但价格昂贵。国内，尚未有人进 行耦合器的开发。 首先，基于国内外发展研究的现状，本人阅读了大量国内外相关的资料，分析了 p r o f i b u s 现场总线的基本的特性、系统的组成、协议的结构、数据的存取机制、报 文分析，然后对p r o f i b u s - d p 与p r o f i b u s p a 进行了详细的对比研究。 其次，提出了选用智能芯片s p c 3 ，s p c 4 ，s i m l 进行产品开发的思路，利用西门子 协议芯片加微处理器的方案来开发实现p r o f i b u s - d p p a 耦合器的功能，微处理器采 用a t 8 9 s 5 2 ，而用s p c 3 ，s p c 4 协议芯片则作为总线控制器负责完成数据的转换和收 发功能。 再次，按照该设计方案，完成了从站的硬件选型和电路设计，搭接了硬件电路。 并且对从站软件编程进行了深入的研究。 最后，在实验室对硬件电路进行了初步测试，测试结果证明，该耦合器电路波特 率达到了课题设计的要求，实现了对p a 总线的供电，并且p a 总线达到了本安要求。 测试结果达到了预期目标。 该设计不仅可以使p r o f i b u s 协议的具体实现简单方便，给用户节省很大一部 分开支。这意味着本文设计的耦合器有着良好的工业应用发展前景。对提高我国在自 动化领域的国产化率等具有重要意义。 关键词：服务存取点，报文帧，p r o f i b u s d p , p r o f i b u s p a ，a s i c 协议芯片 基于p r o f i b u s 现场总线技术的产品设计与开发 a bs t r a c t p r o f i b u sw a sd e v e l o p e di nt h ew o r l dd u r i n gm i d e i g h t i e si n2 0c e n t u r y , i tw a sa s e r i a l 、d i g i t a l 、m u l t i p o i n ta n di n t e r c o m m u n i c a t i o nd a t ab u sw h i c hw a si n s t a l l e db e t w e e n f i e l dd e v i c eo fi n d u s t r i a la r e aa n da u t o c o n t r o ld e v i c eo fc o n t r o lc e n t r e b e c a u s eo fi t sb e t t e rr e a l t i m ei nc o m m u n i c a t i o n ，h i g ht r a n s m i t t i n gr a t e ，l o wc o s t , 1 l i g hr e d u n d a n c yf l e x i b l yt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e , a n da p p l i c a b i l i t y ，p r o f i b u sh a sb e e n w i d e l yu s e da m o n ga l le x i s t i n gf i e l db u ss t a n d a r d si na l lk i n d so fi n d u s t r yc o n t r o l f i e l d s p r o f i b u si n c h d e sp r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p aa n dp r o f i b u s f m s b e s i d e s ， p r o f i b u s d p , w h i c hh a sb e e nu s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e v i c e - l e v e la n dd i s t r i b u t e d i oc o m m u n i c a t i o n ，w a st h em a r k e tl e a d e ri nf i e l db u st e c h n o l o g y p r o f i b u sp r o d u c t so nt h em a r k e tt o d a yi sm a i n l ys i e m e n s ，a b ba n do t h e rf b 而舻 c o m p a n i e s ，p r o f i b u s d pi n t e r f a c ep r o d u c td e v e l o p m e n tr e l a t i v e l ye a s y , t h e r ew e r e s o m ee n t e r p r i s e si nc h i n ah a v ed e v e l o p e dp r o f i b u s d pi n t e r f a c ep r o d u c t s ，b u t p r o f i b u s p ab u sp r o d u c td e v e l o p m e n ti s r e l a t i v e l yd i f f i c u l t ，p r o f i b u s p ab u s i n t e r f a c ep r o d u c t si si m p o r t e df r o ma b r o a d ，w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e t h ed pa n dp ah a sd i f f e r e n t a g r e e m e n t s t h ep r o f i b u s - d pu s er s 4 8 5 t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ：d a t ac o d i n gi su s e dn r z ，e a c he i g h t - b i tb i n a r yn u m b e ro ft h e11 b i t sa r et r a n s m i t t e di no r d e r , a d dt h eb e g i n n i n gb i t ，8 b i t sd a t a s ，t h et e r m i n a t i o nb i ta n dt h e p a r i t yb i t a n d d a t at r a n s m a t i n gi sf r o m9 6 k b p s - 1 2 mb p s w h i l ep au s em a n c h e s t e r c o d e ，i e c 6 115 8 2t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sab i ts y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o lw i t h d a t at r a n s m a t i n g31 2 5 k b p s w i t hac o u p l e rt oc h a n g e ，d pc a l le a s i l yb ec o n n e c t e dt ot h e b u s t h ec o u p l e ro nt h em a r k e tt o d a yi sm a i n l ys i e m e n s ，a b ba n do t h e rf o r e i 黟c o m p a n i e s ， w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e ，o nd o m e s t i ct h ec o u p l e rh a sn o tb e e ne m p o l d e r e d t h i sp a p e ri sb a s e do ns i t e - s p e c i f i cb u si nt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fo u r c u r r e n ts i t u a t i o n ，i ns t u d y i n gt h eb a s i ct h e o r yo fp r o f i b u sf i e l db u s ( m a i n l yi n c l u d i n g b a s i cf e a t u r e s ，s y s t e m c o m p o n e n t s ，p r o t o c o ls t r c t u r e ，d a t aa c e s sm e c h a n i s m sf o rp a c k e t a n a l y s i s ，f r o m t h es t a t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e ,c a r r i e do u tad e t a i l e d c o m p a r a t i v es t u d yo fp r o f i b u s d pa n dp r o f i b u s p a t h i sp a p e rc h o o s et h e i n t e l l i g e n tp r o t o c o lc h i ps p c 3 ，s p c 4 ，s i m l - 2a n d5 1m i c r o c o n t r o l l e rt od e v e l o pp r o d u c t t h ea g r e e m e n ts p c 3 ，s p c 4a sab u sc o n t r o l l e rc h i pi sr e s p o n s i b l ef o rc o m p l e t i n gt h ed a t a n d o m e s t i ca n dt h ef o r e i g nt e c h n o l o g i e sl e v e l ，t oi m p r o v eo u rc o u n t r yd o m e s t i cr a t e si nt h e f i e l do fa u t o m a t i o n f i n a l l y , t h i sa r t i c l es u m m a r i z et h ew o r ko ft h ei n v e s t i g a t e , a n db r i n gf o r w a r dt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to fr e s e a r c hd i r e c t i o n sa n dm e t h o d so nt h ec o u p l e r ? k e y w o r d s ：f r a m e ，p r o f i b u s - d p ，p r o f i b u s p a ，i n t e l l i g e n tp r o t o c o lc h i p i i i 引起了工业控制系统体系结构的重大变革。9 0 年代初，新一代全分布式控制系统一 现场总线控制系统因此产生，该总线技术集计算机、数字信息通信、工业以太网络、 自动化仪器仪表等技术为一体，主要用于过程自动化、制造自动化等领域的现场智能 设备的互连通信。现场总线技术适应了工业控制系统领域的技术发展趋势，它可以促 进控制系统功能的分散化、现场仪器仪表的智能化等，给用户带来了更大的经济利益 以及更多的方便。所以，现场总线技术一经产生便成为工业自动化技术领域的热点， 受到了全世界的厂商和用户的普遍关注，被称为控制技术新时代的开端。 1 2 现场总线技术的特点 随着微电子技术的发展，以及数字通信网络延伸到工业过程现场后，在1 9 8 4 年 提出了现场总线的概念。一般定义为：现场总线是连接自动化控制系统与现场智能设 备的双方向串行传输的、数字式的以及能实现多点通信的底层实时的控制层网络技术 【1 1 。它采用可以进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪器仪表或者计 算机等作为网络节点相互连接成网络系统，并按公开规范的通信协议，在生产控制的 现场设备与实现监控管理的计算机之间，完成数据的传输与信息的交流，共同完成自 动控制任务。它具有智能化与自治性以及自诊断等功能，现场总线设备能处理各种参 数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能。在单元部件、甚至网络出现故障的 情况下，仍然能进行独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性与容错能力。另外， 现场总线还具有传输信息速度快、响应时间短等优势。 p r o f i b u s 总线符合欧洲标准e n 5 0 1 7 0 和德国工业标准d i n l 9 2 4 5 ，是i e c 6 1 1 5 8 国际标准的八个子集之一。它是一种比较流行的现场总线标准，是西门子公司倡导的 一种国际性的开放式的现场总线，协议满足i s o o s i 网络化参考模型对开放系统的 要求。1 9 8 7 由德国西门子公司等1 3 家公司与5 家科研机构联合研发，现已成为欧洲 基于p r o f i 踟s 现场总线技术的产品设计与开发 首屈一指的开放式现场总线系统。p r o f b u s 总线标准包括3 个方面内容【2 】： p r o f i b u s d p 和p i 的f i b u s p a 以及p r o f i b u s f m s ，他们适用于不同的应用 领域。d p 是一种高速的低成本通讯连接，用于分散式通信和设备级控制系统，实现 像中央控制器等自控系统和分散外围设备f o 及智能现场仪表之间的高速数据通 信；p a 是专为过程化而设计的，使用于对安全要求较高的场合，具有本质安全规范 【4 】【5 】【6 1 。f m s 是一种令牌结构和实时的多主网络。它的设计主要用于解决车间一级通 用性通信任务，它完成控制器与现场设备以及控制器之间的信息交换，更多的应用于 工厂、楼宇自动化中的单元级控制网络。 1 3 国内外研究动态和发展现状 现场总线技术将会使自动化控制系统的安装费用减少，节省大量的开支，并且结 构简单，易于安装维护，用户可以自由选择不同的厂商、不同品牌的现场设备实现系 统集成的最优化等一系列优点。因而，现场总线技术在国内外引起人们的高度重视， 成为世界范围内自动化技术发展的新热点。国际上许多有影响的有实力的公司都先后 在不同程度上进行了现场总线技术以及总线产品的研发。据不完全统计，世界上将近 有2 0 0 种现场总线技术，经过十几年的进一步发展与完善，很具有生命力的有十几种， 随着 e c 6 1 1 5 8 成为国际标准，多种总线已成共存的局面。 目前在国际上，现场总线技术发展是在竞争中“合作共存 与“共同进化。这 主要体现在：第一，在各总线协议下，由一家或几家大型跨国公司牵头、众多公司参与的 国际化组织；如w o f l d f 口国际用户组织、p r o f i b u s 国际用户组织等。第二，激烈的竞 争中出现了协调共存的前景。比如欧洲标准在制定时候，就将法、德、丹麦3 个标准 并列于一卷中，形成了多总线的标准体系。第三，每种总线制定出不同背景的国家标 准，地区型标准和企业标准，以提高自己的竞争力。第四，出现多种总线并存的局面； i e c 6 1 1 5 8 标准的通过，以及这些总线都各自有着不同的技术特长以及擅长的应用领 域，并且都有国际大型的跨国公司作依托，因此多种总线共存的局面将会持续相当长 的一段时间。第五，工业以太网e t h e r n e 喧的引入将成为新的发展热点，以太网e t h e r n e ：t 网络必将成为现场总线中的主流技术。工业以太网正在工业自动化和过程控制市场上 迅速增长，几乎所有的远程v o 接口技术的供应商均提供一个支持t c p i p 协议的工 业以太网接口。 目前，p r o f i b u s 和f f 基金会现场总线共同构成当今现场总线的两大体系。 2 济南大学硕十学位论文 p r o f i b u s 现场总线投运的时间较长，目前己广泛应用于工控领域。p r o f i b u s 的 三个模块( d p ，p a 和f m s ) 可以满足不同的应用对象和通信速率方面的要求，他 的开放性很好，因此，得到了众多生产厂家的支持。此外，p r o f i b u s 是从p l c 技 术发展而来，得到了p l c 销售商的大力支持，再加上f f 基金会标准迟迟得不到进 一步的完善，p r o f i b u s 必定将会有更大的发展空间，有望成为国际上推广速度最 快、应用范围最广及最有发展前景的现场总线。 在我国，像d c s 、p l c 等民族工控技术产品长期落后于国外，原因是国外少数 几家大型公司为保证他们的垄断地位对其生产的工控产品采取了封闭式结构。我国对 其关键技术只有通过引进消化后才能掌握，因而总是落后于人。开放的现场总线的出 现无疑为我国自动化控制领域提供了一个进行平等竞争的良好机遇，因此我们要积极 把握住这一机会，研发具有中国自身特色的现场总线产品和符合国际水准的工控产 品。 1 4 课题主要任务 由于p r o f i b u s 协议复杂，国外产品研发技术保密，国内只有少数几家公司采 用西门子协议芯片s p c 3 及d p 从站开发包p a c k a g e 4 开发出p r o f i b u s d p v 0 产 品。对于符合p a 行规的p r o f i b u s 产品，尚未有成形的产品推出，尚未有人开发 出成形的p a 产品。其主要原因是由于p a 是面向仪表设备的，根据不同的p a 设备行 规需要不同的上层软件来支持，不具备通用性，同时还有防爆要求，需要总线供电 4 1 。 根据前期资料查询，目前国内市场还没有人涉及到耦合器的产品开发。本课题， 通过大量的文献资料查询学习，对p r o f i b u s d p 与p r o f i b u s p a 的不同协议进行 详细研究分析，分析其不同的传输技术；对耦合器的原理进行分析研究；通过对目前 市场上的智能协议芯片了解和分析，提出了利用西门子协议芯片进行产品的开发。具 体的工作包括以下几个方面： 1 采用西门子协议芯片搭建d p p a 耦合器 在参考了大量相关产品设计的成功经验的基础上，本课题采用西门子公司开发的 p r o f i b u s 专用协议芯片s p c 3 ，s p c 4 和s i m l 来实现总线数据通信，以及采用 a t 8 9 s 5 2 单片机作为c p u 来搭建d p p a 数据转换器。 2 深入分析研究p r o f i b u s - d p 现场总线通信协议 通过对p r o f i b u s d p 通信协议的详细研究，了解并掌握了总线协议结构中各个 3 基于p r o f i b u s 现场总线技术的产品设计与开发 层的基本通信功能。重点掌握了其中的帧格式，帧字符格式和一些重要字节的含义。 理解并且掌握在具体通信过程中的几种报文循环的方式，从而为以后的试验调试提供 了大方向的指导。 3 试验及调试 利用实验室现有的现场总线控制系统，将自己的搭建的耦合器挂接到d p 网络中， 使其实现数据交换的基本功能。调试运行，验证其实用性。具体工作如下： ( 1 ) 总体方案设计前期阅读了大量国内外相关资料，研究分析系统的总体设计 方案。 ( 2 ) 硬件实现设计硬件实现的方案；进行器件的选型；硬件的搭建调试。 ( 3 ) 软件实现在上阶段调试经验的基础上，深刻理解p r o f i b u s d p 通信协 议的一些细节，特别是关于字符的传送、总线定时等的一些相关规定。 ( 4 ) 系统调试检验组态化系统，运行软件，调试并检查系统，以及检测硬件设 备运行情况。 1 5 本文内容总述 本论文第1 章是概述部分，本章首先分析了课题的研究背景，然后给出了课题 研究的国内外现状及前景，介绍了课题的任务。第2 章是p r o f i b u s d p 现场总线通 信原理研究部分，本章综述了p r o f i b u s d p 现场总线的协议结构、研究了总线 p r o f i b u s d p 的物理层和数据链路层的实现方式，分析了p r o f i b u s d p 总线的报 文结构以及主从站通信过程。第3 章详细阐述了p r o f i b u s - p a 传输技术，通信协议 以及专用功能模块。第4 章是d p p a 耦合器转换模块软硬件设计部分，首先确定了 课题所采用的设计方案，详细分析了d p p a 耦合器转换模块硬件总体结构以及各部 分接口的设计，详细地阐述了软件方面总体设计、功能模块设计以及中断模块设计的 思路。第5 章是组网通信测试及结果部分，在建立实验测试平台的基础上，详细阐述 了对所开发的d p p a 耦合器转换模块进行通信测试的步骤，得出了相应的实验结果， 并对结果进行了分析。 4 即。目前，世界上许多自动化技术生产厂商都为它们生产的设备提供相的p r o f i b u s 接口【5 1 ，p r o f i b u s 有望成为国际上推广速度最快、应用范围最广及最有发展前景 的现场总线。根据应用特点p r o f i b u s 可分为p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a 和 p r o f i b u s f m s 三个兼容版本系列。 p r o f i b u s d p ：可用于分布式控制系统的高速数据传输，它是经过优化的高速、 廉价的数据通信连接。它专为自动控制系统中的设备级分散i o 之间的通信设计。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化而设计，实现了i e c l l 5 8 2 标准中规定的通信 规程，多用于对安全性要求高的场合以及由总线供电的站点。 p r o f i b u s f m s ：解决车间级通用性的通信任务，可以提供大量的通信服务， 完成中等传输速度的循环与非循环的通信任务，多用于楼宇自动化、纺织工业领域、 等一般自动化控制领域。 为了设计d p p a 耦合器，首先必须从了解现场总线的物理层和数据链路层入手， 理解其电气特性、协议方式、报文结构、服务种类以及通信过程掣们。 2 1 1p r o f i b u s 协议结构 在工业生产现场数据传输的实时性要求很高，为了满足实时性的要求，并降低工 业网络的成本，减少网络接口通信的开销，各种现场总线的通信协议模型都在i s o 或者o s i 模型的基础上进行了不同程度的简化。p r o f i b u s 的协议结构是以i s o 国 际标准开放式系统参考模型为基础，根据最新的1 e c 6 11 5 8 的标准，现场总线只占用 l ，2 ，7 三层，即物理层、数据链路层和应用层哪8 】【9 1 。p r o f i b u s 的具体协议结构如 图2 1 所示。这种结构保证了数据的快速与高效的传输。 基于p r o f i b u s 现场总线技术的产品设计与开发 、厂、 厂弘、 ( f m s )(dp) 卅( i彳 ：s f m s d p 行规p a 行规 设备行规 r1 r l d p 扩展功能 1r d p 基本功能 现场总线信息规范 未使用 现场总线数据链路 i i f _ c 接口 _ i r s - 4 8 5 光纤i e c1 1 5 8 - 2 i 图2 lp r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 通信协议。另外还使用了 描述现场设备行为的p a 行规。i e c l l 5 8 - - 2 标准规定，这种传输技术可保证其本质 安全并提供总线供电。 2 1 2 物理层传输方式 p r o f i b u s d p 采用r s - 4 8 5 传输技术。r s 4 8 5 传输技术的基本特徂1 0 1 ： 1 传输介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽。同时在连接各站时，应确保数据线不 要拧绞。 2 插头连接：9 针d 型插头，插座部分安装在设备上。 3 站点数：不带转发器，每段3 2 个站。带转发器最多可到1 2 7 个站。 4 传输速率：波特率从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s ，是一种高速的现场总线。电缆的最 大长度取决于传输速度，所以在速率较高时，电缆的长度受到一定的限制。 5 数据编码：采用不归零码( n r z ) ，每八位二进制数按照1 l 位的顺序被传输，包括 开始位、终止位和奇偶校验位。 p r o f i b u s d p 通信采用半双工方式，数据的编码采用n z r 码，也就是不归零 码，一个字符在总线上为l l 位，1 个起始位，8 个数据位以及一个奇偶检验位和一 个停止位，l s b 最低有效位被第一个发送，m s b 最高有效位被最后发送。当两数据 线r x d t x d - n ( 脚8 ) 与r x d t x d p ( 脚3 ) 之间为恒定正的差分电压时，即电压 6 起始位01 o011o l偶校验停止位 图2 - 2 n r z 编码 2 1 3 数据链路层服务的实现 在p r o f i b u s 中，数据链路层向上层提供的服务有下面四种【1 1 】【1 2 】：s d a 需要 响应的数据传输服务，s d n 无需响应的数据传输服务，s r d 需回答的数据传输与请 求服务，和c s r d 需要回答的循环数据传输与请求服务。 p r o f i b u s d p 仅限于s d n 与s r d 数据传输服务。s d n 服务是发送数据信息到 规定的一组从站，并且按照要求来触发s d n 服务，而对s d n 报文则不会进行应答服 务。在s r d 服务时，主站发送输出数据到相关从站和接收相关从站的输入数据信息， 并且在规定的时间周期内进行应答服务。用户是通过调用数据链路层的服务存取点 s a p 来实现的这两种服纠1 3 】【1 4 】。在应用层与数据链路层之间的交互作用中，要应用 到服务存取点。请求站的服务存取点叫作源服务存取点，而响应站的服务存取点则叫 作目的服务存取点。在d p 通信中，每一个服务存取点被分配给一个确定的服务功能， 通过检测自身的这种服务存取点s a p ，每个站点能清楚地判断出什么样数据已被请求 以及需要提供什么样的响应数据。p r o f i b u s d p 提供以下服务存取点s a p 功能： d e f a u l ts a p ( 缺省值s a p ) ：意味着在( d a t ae x c h a n g e ) 数据交换状态； s a p 5 4 ：主一主通信； s a p 5 5 ：( s e ts l a v ea d d ) 改变从站的站地址； s a p 5 6 ：( r e a di n p u t s ) 读取输入数据； s a p 5 7 ：( r e a do u t p u t s ) 读取输出数据； s a p 5 8 ：( g l o b a lc o n t r 0 1 ) 传送控制命令到d p 从站； s a p 5 9 ：( g e tc f g ) 读组态化数据： s a p 6 0 ：( s l a v ed i a g ) 读诊断数据； s a p 6 1 ：( s e tp r r n ) 传送参数数据； s a p 6 2 ：( c h kc f g ) 校验组态数据。 7 基于p r o f i b i j s 现场总线技术的产品设计与开发 詈皇皇鼍皇詈鼍苎鼍曼曼曼! 皇曼鼍鼍! 鼍曼苎! ! ! 鼍! 詈曼! 皇苎i二 i i i ! ! 皇曼曼! ! 曼曼皇! 鼍詈! 曼曼! 曼皇曼暑! ! 曼! 曼! 曼曼鼍 2 2p r o f i b u s d p 报文传输分析 2 2 1 帧字符 根据o s i 参考模型，第2 层规定了数据传输协议、介质的访问控制、数据的安全 性以及报文信息的相应处理。下面主要介绍其帧格式、总线介质的访问控制方式以及 服务管理方面的内容。 每一帧是由一系列的帧字符组成的，其传输规则为：每一异步字符由1 1 位组成： 起始位是“0 ，8 个数据位( - - 进制的“0 或者“1 ) ，一个偶校验位( “0 或者 “1 ) 以及一个停止位，它总是“1 ”。总线上的所有数据都会依照这一规则来进行传 送。帧结构如图2 3 所示。 1234567891 011 图2 - 3 位传输序列图 接收器的位同步总是伴随着起始位的下降沿开始，例如：数据传输将由“l 变 为“0 ”开始，并且起始位以及所有后续位在位时间的中间时刻都要被检查。另外起 始位在位时间的中间时刻总是二进制“0 ”，否则就会被认为同步字符失败从而被停 止数据传输【1 5 1 。在停止位上，如果检测到二进制“0 的话，则会被认为异步字符或 者同步错误错误发生，另外还要检查每个帧的开始定界符、目的地址、源地址、奇偶 检验位、帧校验序列以及结束定界符等，以上任何一个校验失败，都将导致整个帧的 丢失，如果没有错误接收器将等待下一个起始位的下降沿到来。 2 2 2p r o f i b u s d p 报文结构 p r o f i b u s 主要具有四种形式的报文结构，p a 与d p 遵循同样的p r o f i b u s 协 议规范，只是由于p a 采用的是同步传输，所以p a 报文与d p 报文的不同之处就是 在报文前多了一个1 8 个字节的同步头，这是通过软件来选择的。下面详细的叙述一 下四种形式的报文结构。 l 、无数据信息的固定长度报文 8 济南大学硕 ：学位论文 无数据信息固定长度的请求报文、应答报文以及短应答报文格式如图2 4 所示。 s y n s d ld as af cf c s防 s d ld as a f cf c s四 s c ，- 请求报文 应答报文 短应答 图2 - 4 无数据信息的固定长度报文格式 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位；s d l ：开始分界符( 1 0 h ) ； d a ：目的地址；s a ：源地址；f c s ：帧校验序列；f c ：功能代码； e d ：终止定界符( 1 6 h ) ；s c ：单字节，表示短应答； l ：报文中信息部分的长度，在这种类型报文中l = 3 ； 、具有数据信息的固定长度报文 有数据信息固定长度报文的发送请求报文( s e n d r e , l u s t ) 与应答报文的格式如 日2 5 所示。 ， s y ns d 3d as a f cd a t a _ l r n i tf c se d s d 3d as a f cd a t a _ o n i tf c se d l l 发送储求报文j帝答报文 图2 - 5 有数据信息的固定长度报文格式 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位； s d 3 ：( a 2 h ) 开始分界符；d a ：目的地址；s a ：源地址；f c ：功能码； d a t au n i t ：在这种类型的报文中，数据信息为固定长度8 字节； f c s ：帧校验序列；e d ：( 1 6 h ) 终止定界符； l ：在这种类型的报文中，固定长度l = l l ； 3 、具有数据信息的变化长度报文 在这种类型报文中，数据信息的长度是可以变化的，这种类型的数据帧用于s r d 数据链路服务中。请求报文和应答报文结构如图2 - 6 所示。 9 基于p r o f i b u s 现场总线技术的产品设计与开发 l s y l qs d 2l e 瞰1 s d 2d as af c d a t a u n i t f c se di i l l 邕：主e 止圭，出七乜一 i b - q ：) 2l eu 蛩 s d 2d as af c d a t a u n i t f c se dl l l r - j e r 上r ，- j - - 图2 - 6 具有数据信息的变化长度报文格式 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位； s d 2 ：开始分界符( 6 8 h ) ： l e ：报文长度值，允许长度范围为4 ，一- - 2 4 9 字节； l er ：报文长度值；d a ：目的地址； s a ：源地址；f c ：功能码； d a t a u n i t ：在该类型报文中长度不固定，数据信息最大为2 4 6 字节； f c s ：帧校验序列；e d = 16 h ：终止定界符 4 、令牌报文，其格式如图2 7 所示。 图2 - 7 令牌报文的格式 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位； s d 4 ：( d c h ) 开始分界符； d a ：目的地址，指出将要接受此帧报文的站： s a ：源地址，指出将要发送此帧报文的站。 帧中字节分析： ( 1 ) 长度字节( l e ，l e o ： 有两个同样的长度值在可变数据长度帧的帧头，该长度是从目的地址d a 到 d a t a u n i t 数据单元的长度，在接收过程中只有当这两次长度的值相等时，该报文 才被认为是有效的信息报文【1 6 】【 1 8 1 。一帧中可传送的最大数据长度为2 4 6 字节，一 1 0 济南大学硕十学位论文 曼曼曼! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 苎鼍鼍! ! ! ! ! ! 皇! 詈! ! 鼍! 皇! 曼苎苎! 曼! ! ! ! 詈! ! i i二 i!ii!苎! 帧报文中至少应包含目的地址d a ，源地址s a ，功能码f c 以及一个数据字节。 ( 2 ) 地址字节，如图2 8 所示： 图2 - 8 地址中各个位信息 地址1 2 7 ( 从b 1 到b 7 全部为1 ) ，这种情况为全局控制地址保留，用作广播报文 及多广播报文服务1 9 】。主动帧的地址被包含在响应帧中。例如，响应帧中的d a 部分 包含了发送帧的源地址，而响应帧中的s a 部分则包含了发送帧的目的地址。如果地 址扩展位是“1 ”，则表明紧随f c 之后，在数据单元中有源地址以及目的地址的扩展 s s a p 和d s a p ，如图2 - 9 所示。 图2 9d s a p s s a p 在帧中的位置 ( 3 ) 帧控制字节( f c ) ： 如图2 1 0 所示，f c 用来定义报文的类型，它的位置在帧报文中s a 源地址之后， 它的功能是表明该帧的类型是主动请求帧还是应答或者响应帧，以及f c 中还包含了 防止信息丢失或重复的控制信息。 位序 b 7b 6b 5b 4b 3b 2b lb 0 l f c bf c v 含义r e sf 】洲ef u n c t i o n 0 s t n - t y p e 图2 1 0 帧控制字节的定义 其中：f r a m e ：帧报文的类型，如果为“1 则表示请求帧；如果为“0 ”则表示 应答帧回答帧； f c b ：帧记数位，0 和1 交替出现( 帧类型b 6 = 1 ) ； f c v ：如果帧类型b 6 = l ，则帧记数位有效，如果“0 则表示f c b 的交替功能 已开始或已结束，“1 则表示f c b 的交替功能是有效的。 s t n