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南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 现场总线综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和 智能仪表技术等多种技术手段，构成了一种全分散、全数字、智能、双向、互 连、多变量、多接点的通信与控制系统，成为自动控制发展的趋势。 在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 总线是一种比较流行的现场总线 标准，用于设各级控制系统与分散式i o 通信的p r o f i b u sd p 是市场占有率绝 对领先的总线技术。目前，我国对于p r o f i b u s d p 的应用和研究主要以西门子 等公司的成套设备为主，而自主研究开发通信接口的却比较少。如何为仪表或 电气设备开发p r o f i b u s d p 通信接口，使国产设备能连接到p r o f i b u s 总线中， 以推动我国仪表业的智能化进程和现场总线在我国的应用就显得尤为重要。 本文正是针对现场总线在我国的应用和发展现状，在研究p r o f i b u s d p 现 场总线基本理论( 主要包括系统组成、协议结构、数据存取机制、通信原理) 的基础上，提出了p r o f i b u s d p 智能从站接口的软硬件设计和实现方法，利用 p r o f i b u s d p 协议芯片s p c 3 和5 1 单片机开发出具有p r o f i b u s d p 接口的数字 量输入输出智能化从站接口模块，接着由c p 5 6 1 l 作为主站，结合开发的从站接 口模块组成单主站单从站的p r o f i b u s d p 现场总线最小系统，对开发的从站接 口模块进行了实验验证。 最后本文对课题的研究工作进行了总结，并对p r o f i b u s d p 智能从站接口 开发和系统集成方面提出了进一步的研究方向和方法。 关键词：现场总线，p r o f i b u s d p ，s p c 3 ，智能从站，通信协议，通信接口 p f f o f t b u sd p 现场总线通信研究及智能从站设计 a b s t r a c t m a n yt e c h n o l o g i e s s u c ha s d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，a u t o m a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t st e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e di n t ot h ef i e l d b u s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m c o n s t i t u t e st h e d i s t r i b u t e ，d i g i t a l ，i n t e l l i g e n t ，t w o d i r e c t i o n ，i n t e r l i n k ， m u l t i p a r a m e t e r s ，m u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，a n db e c o m e st h e 订e n do ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o na n dc o n t r 0 1 p r o f i b u si sm o r ep o p u l a ra m o n ga i le x i s t i n gf i e l d b u s s t a n d a r d s a n d p r o f i b u s - - d e , w h i c hi su 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 t m i c a t i o n ，i st h em a r k e tl e a d e ri nf i e l d b u st e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e a p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c h e so np r o f i b u s d pi no u rc o u n t r ya r em a i n l yt h ew h o l e s e to fe q u i p m e n t sp r o d u c e db ys i e m e n sa n ds oo n ，w h i l et h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ed e v e l o p e da n dr e s e a r c h e di n d e p e n d e n t l yi sv e r yf e w s oi t i so b v i o u s l y e s p e c i a l l yi m p o r t a n tt od e v e l o pp r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e f o r i n s t r u m e n t sa n de l e c t r i ca p p a r a t u s e s ，s ot h a tt h ei n d i g e n o u se q u i p m e n t sa r ea b l et o b ec o n n e c t e dt ot h ep r o f i b u s ，a n dt h i sc e r t a i n l yw i l lp u s ht h ei n t e l l e c t u a l i z e d c o u r s eo ft h ei n s t r u m e n t si n d u s t r ya n dp u s ht h ea p p l i c a t i o n so ff i e l d b u si no u r c o u n t r y e x a c t l ya c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t u so ff i e l d b u sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n i no u rc o u n t r y , t h i sp a p e rp r e s e n t ss o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fp r o f i b u s - d pi n t e l l i g e n ts l a v ei n t e r f a c eb a s e dons t u d y i n gt h eb a s i c t h e o r y o fp r o f i b u s d p ( i n c l u d i n gs y s t e mc o m p o s i n g ，p r o t o c o ls t r u c t u r e ，d a t a a c c e s sm e c h a n i s ma n dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ) b yu s i n gt h ep r o f i b u s d p p r o t o c o lc h i pa n dm c s 51 ，t h em o d u l eo ft h ei n t e l l i g e n t s l a v ei n t e r f a c ew i t h p r o f i b u s d pi n t e r f a c e ，w h i c hi su s e df o rd i g i t a li n p u ta n do u t p u t ，h a sb e e n d e v e l o p e da n du s i n gt h ec p 5 6 1 1a st h em a s t e r , c o m b i n i n gw i t ht h em o d u l eo ft h e s l a v ei n t e r f a c et oc o m p o s et h em i n i m u ms y s t e mo fp r o f i b u s d p , w h i c hi n c l u d e s t h es i n g l em a s t e ra n ds i n g l es l a v e b a s e do nt h i ss y s t e m ，t ot e s tt h em o d u l eo ft h e 南京航空航天大学硕士学位论文 i n t e l l i g e n ts l a v ei n t e r f a c ed e v e l o p e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h et a s k a n db r i n g sf o r w a r d t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na n da p p r o a c hf o r t h e d e v e l o p m e n ta n ds y s t e m i n t e g r a t i o no fp r o f i b u s d pi n t e l l i g e n ts l a v ei n t e r f a c e k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，p r o f i b u s p d p ，s p c 3 ，i n t e l l i g e n ts l a v e ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： p r o f i b u sd p 现场总线通信研究及智能从站设计 注释表 符号注释蜕明 p r o f i b u sp r o c e s sf i e l d b u s 过程现场总线 d pd e o e n t _ ia l i z e dp e r i p h e r y分散外设 g s d 电子设备数据文件 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n丌放式系统互联网络 f c sf i e d b u sc o n t r o ls y s t e m 现场总线控制系统 f d lf i e i d b u s d a t al i n k现场总线数据链路 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和选题依据”8 卜”“畸2 卜“4 信息技术的迅猛发展，导致了自动控制领域的深刻变革。随着控制技术、 计算机技术、通信技术、网络技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖 从现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖工段、车间、工厂、企业乃至世界 各地的市场，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总 线( f i e l d b u s ) 正是这场变革中的关键技术。 什么是现场总线? 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定 义，现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线的意义不仅仅在于用数字仪表代替模拟仪表，更重要的是它对整个控 制系统的结构产生了根本性的变革。现场总线技术在制造业、流程工业、交通 和楼宇等领域的自动化系统中具有广阔的应用前景。 结构上，现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式，采用智能现 场设备，使得控制系统功能能够直接在现场完成，实现彻底的分散控制。由于 采用数字信号替代模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行 参数值、多个没备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源。这就为简 化系统结构、节约硬件设备、减少连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 技术上，系统具有开放性、互可操作性与互用性；现场设备实现了智能化 和功能自治：系统结构高度分散，现场总线已构成了新的全分散性控制系统的 体系结构。 由于现场总线的以h 特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 从设计、安装到f 常生产运行及检修维护，都具有优越性。现场总线系统的优 点主要体现在以下几个方面：1 、节省硬件数量与投资；2 、节省安装费用；3 、 节省维护开销；4 、用户具有高度的系统集成自主权：5 、提高了系统的准确性 与可靠性。此外，由于现场总线设备标准化、功能模块化，还具有设计简单， p r o f i b u sd p 现场总线通信研究及智能从站设计 易于重构的优点。 在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 现场总线是一种比较流行的现场 总线标准，它由三个兼容部分组成，即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 ，其中用于设备级控制系统与分散式i o 通信的p r o f i b u s d p 是 市场占有率绝对领先的总线技术。p r o f i b u s - - d p 已经应用于我国的制造业、流 程工业、冶金、电力、石油、化工、楼宇和铁路等自动化领域，但是目前我国 对于p r o f i b u s d p 的应用和研究主要以系统集成和工程应用为主，许多具有 p r o f i b u s d p 接口的底层设备和智能仪表都是国外大公司直接提供的，这些公 司在仪表和设备的价格上具有垄断地位，这就使得整个p r o f f i b u sd p 总线系统 的成本增加，而且也阻碍了p r o f i b u s d p 技术在我国的应用及发展，因此为智 能仪表或设备开发具有p r o f i b u s d p 通信接口就显得尤为必要。为仪表或电气 设备开发p r o f i b u s d p 通信接口，使国产仪表和设备能连接到p r o f i b u s d p 总 线系统中，可以推动我国现场总线仪表智能化进程和现场总线在我国的应用。 现场总线智能仪表和设备具有良好的市场前景。据国内仪器仪表业权威部 门统计和预测，2 0 0 3 年现场总线仪表占现场自动化仪表市场2 0 咀上的份额， 2 0 0 5 年将占3 0 一5 0 的份额。国内工业自动化仪表的市场需求量近1 8 亿美 元，现场总线变送器的需求可达到1 0 亿美元，市场前景十分看好。p r o f i b u s d p 在过程控制领域广泛的应用以及f c s 系统的应用前景使得开发带p r o f i b u sd p 通信接口的现场总线产品在我国有着很大的市场前景。 p r o f i b u s d p 现场总线技术具有良好的技术特点与优点，其在国内外有着 广泛应用和市场前景，同时我国也急需实现具有p r o f i b u s d p 通信接口智能仪 表和设备的国产化。鉴于此，南京航空航天大学现场总线实验室决定实施自主 设计开发p r o f i b u s d p 现场总线智能从站的计划，以此推动p r o f i b u s d p 现场 总线智能仪表和设备国产化的发展，这将有利于我国仪器仪表业的发展，有力 地推动现场总线技术和现场总线控制系统在我国的应用和发展。 1 2 国内外研究现状及前景。”叫”4 叫 p r o f i b u s 是德国于9 0 年代初指定的国家工业现场总线协议标准，1 9 9 6 年 3 月1 5 同批准为欧洲标准，即e n5 0 1 7 0v 2 。p r o f i b u s 现在已是欧洲首屈一 指的开放式现场总线系统，并已被全世界所接受，成为国际化的丌放式现场总 南京航空航天大学硕士学位论文 线标准。经过十多年的发展，现场总线技术取得了高速发展，现场总线技术大 大加快了仪表智能化的进程，现场总线技术与各种智能化的现场仪表共同组成 现场总线控制系统，这是工业控制系统的一场技术革命。 目前，国外一些大的仪表制造厂商( 如著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 公司等) 都推出了p r o f i b u s d p 现场总线控制系统及相应的现场总线产品，许多智能仪 表和设备具备了p r o f i b u s d p 接口，这些智能仪表和设备包括传感器、执行器、 阀门、马达、继电器、开关电源等。随着p r o f i b u s d p 现场总线控制系统在国 际市场上的广泛应用和不断发展，国外的仪表制造厂商也正加快研制新的具有 p r o f i b u s d p 接口智能仪表和设备的步伐。 就国内而言，我国的自动化企业和科研单位在跟踪p p r o f i b u s d p 现场总线 技术发展的同时，也先后开始了p p r o f i b u s d p 现场总线的研究工作。1 9 9 7 年7 月中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会组建成立，同时开始筹建现场总线 ( p r o f i b u s ) 产品演示及认证实验室。起初我国对于p r o f i b u s d p 现场总线技 术主要以系统集成和应用为主，处于系统底层的智能仪表和设备都是有国外大 公司提供的。此后，包括北京的鼎实公司、浙江的正泰集团以及华中理工大学、 海交通大学、西安电子科技大学等企业和科研院校都开始研制p r o f i b u s d p 总线控制系统底层智能仪表和设备，希望实现相关产品的国产化。目前，随着 p r o f i b u s - - d p 总线控制系统在我国应用的深入，p r o f i b u s - - d p 总线技术产品的 需求会越来越大，因此，带p r o f i b u s 接口的智能从站的开发与研究在我国有着 广阔的市场前景。 13 本文内容总述 本论文第1 章是绪论部分，本章首先分析了课题的研究背景和选题依据， 然后给出了课题研究的国内外现状及前景。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、传输方式和 总线存取协议：探讨了p r o f i b u s - d p 总线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 总线的报文结构和通信顺序：最后介绍p r o f i b u s d p 从站的 状态机的实现方式，并给出了具体的实例。第3 章是p r o f i b u s d p 智能从站软 便件设计部分，首先在分析两种从站设计方法的基础上，确定了课题所采用的 设计方案；详细分析了智能从站系统硬件总体结构以及各部分接口的设计；细 p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站殴计 致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讨的思路；最后 讲解了g s d 文件的具体内容，并给出了本文涉及到的g s d 文件。第4 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 从站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。第 5 章对整个课题的工作进行了回顾和总结，并对课题未来进一步研究方向进行 了展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章p r o fb u s - d p 现场总线通信技术研究 2 1p r o fb u s 技术概述川8 他 p r o f b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的丌放式的现场总 线标准，即e n 5 01 7 0 欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们 生产的设备提供p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造、过程和 楼宇自动化，是成熟技术，其应用范围如图2 1 所示。 工厂 管理级 总线循环 时闻 1 0 0 0 m s 图2 1p r o f i b u $ 应用范围 p r o f i b u s 根据应用特点可分为p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m $ ，p r o f i b u s p a 三个兼容版本。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统的设 备级分散i o 之间通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或 o 2 0 m a 并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。 p r o f i b u s f m s ：解决车问级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成 中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传 一一一一咖一一嫩一嗍一一 p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站殴计 动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了 i e c l l 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站 点。 2 11 p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 是一种现场总线，用于将分散的现场总线过程控制设备与集中控 制系统底层进行连接。处于底层的过程控制数字通信的基本要求是数据传输时 间短、通信协议简单、可靠，以满足控制系统与分散外围设备的快速响应要求。 如果按照o s i 七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口 的造价与时间开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成 本，现场总线采用的协议结构大都在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 协议结构如图2 2 所示。 数据链路崖( 2 ) l 物理层( 1 ) l 图2 2p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s - d p 吏n g g - 、二层和用户接口。这种结构确保了数据传输的快 速和有效进行，直接数据链路映像( d d l m ) 为用户接口提供第二层功能映像， 用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各 南京航空航天大学硕十学位论文 种不同p r o f i b u s d p 发备的设备行为。 p r o f i b u sf m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ， f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和底层接口( l l i ，l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。 f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调 不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 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 协议。另外，p a 还描述 了设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本征安 全性，而且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网络。 21 2p r o f l b u s 传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些 总的要求( 传输可靠，传输距离和高速) 又要考虑一些简便而又费用不大的机 电因数。当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上。由于 单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c l l 5 8 2 传输；光线( f o ) 。 一、d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输 r s 4 8 5 是p r o f i b u s 最常用的一种，通常称为h 2 ，采用屏蔽双绞铜线电缆， 共用一根导线对。适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领域，r s 4 8 5 传输技术的基本特性如表2 1 所示。 表21r s 4 8 5 传输技术的基本特性 网络拓扑线性总线，两端有有源的总线终端电阻。短截线的波特率1 5 m b p s 介质屏蔽取绞线，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 站点数每段3 2 个站，不带转发器。带转发器最多可到1 2 7 个站。 插头连接器 晟鲥为9 针d 副插头连接器 r s 4 8 5 操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其它 站点的操作。传输速度可选用9 6 k b p s1 2 m b p s ，一旦设备投入运行，全部设 备均需选用同一传输速度。电缆的最大长度取决于传输速度，如表2 2 所示。 表2 2r s 4 8 5 传输速度与电缆的距离 l 波特率( k p b s ) 961 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 j 距离段( m )1 2 0 01 2 0 01 2 0 01 0 0 0 4 0 02 0 0l o o p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站设计 二、用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输技术 i e c l l 5 8 2 传输技术能满足化工和石化工业的要求，它可保持其本质安全 性并使现场设备通过总线供电，此技术是一种位同步协议，可进行无电流的连 续传输，通常称之为h 1 ，用于p r o f i b u s p a 。 i e c l1 5 8 2 传输技术原理如下： 每段只有一个电源，供电装置； 站发送信息时不向总线供电； 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流； 现场设备的作用如无源的电流吸收装置； 主总线两端起无源终端线的作用： 允许使用线、树型和星型网络； 设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性。 i e c l l 5 8 2 传输技术特性表如2 3 所示。 表2 3i e c l l 5 8 2 传输技术特性 数据传输数字式，位同步，曼彻斯特编码 传输速度 3 12 5 k b p s ，电压式 数据可靠性 预兆性，避免误差采用起始和终止限定符 电缆双绞线( 屏蔽或非屏蔽) 远程电源可选附件，通过数据线 防爆掣可以进行本质或非本质安全操作 拓扑线形或树型，或两者相结合型 站数每段最多3 2 个，总数最多1 2 6 个 转发器可扩展至最多4 台 三、光纤传输技术 在电磁干扰很大的环境下应用p r o f i b u s 系统时，可使用光纤导体以延长高 速传输的最大距离。便宜的塑料纤维导体供距离在5 0 m 以内时使用，玻璃纤维 导体供距离在l k m 内时使用。许多厂商，如s i e m e n s 、h o n e y w e l l 提供专用的总 线插头可将r s 4 8 5 信号转换成光纤信号或光纤信号转换成r s 4 8 5 信号，这样就 使得同一系统上既可以使用r s 4 8 5 又能使用光纤传输。 2 1 3p r o f ib u s 总线存取协议 南京航空航天大学硕士学位论文 p r o f i b u s 的p d ，f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过0 s i 参考模 型的第2 层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在p r o f i b u s 中，第2 层称之为现场总线数据链路( f d l ，f i e l d b u sd a t al i n k ) 。介质存取 控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保 在任何时刻只能有一个发送数据。p r o f i b u s 协议的设计旨在满足介质存取控制 的基本要求： 在复杂的自动化系统( 主站) 间通信，必须保证在确切限定的时间削隔中， 任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务；在复杂的程序控制器和简单的 i o 设备( 从站) 间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此，p r o f i b u s 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站 之间的主从方式，如图2 3 所示。 图2 3p r o f i b u s 总线存取协议 令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权 ( 令牌) ，令牌是一条特殊的电文，它在所有主站循环一周的最长时问是事先规 定的，在p r o f i b u s 中，令牌只在各主站之间通信时使用。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向 从站发送或索取信息，通过这种方法有可能实现下列系统配置：纯主一从系统； 纯主一主系统( 带令牌传递) ；混合系统。 图2 3 中的三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站 p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站设计 可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照主一从关系表与 所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。 令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中， 令牌在规定的时问内按照地址的升序在各主站中依次传递。在总线系统初建时， 主站介质存取控制m c 的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线 运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入环中。 2 2p r o fib u s - d p 技术基本特性2 2 1 2 6 1 2 9 p r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信 息并周期地向从站输出信息。总线循环时间必须要比主站( p l c ) 程序循环时间 短。除周期性用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非 周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。 2 2 1p r o f lb u s d p 的基本功能 ( 1 ) 传输技术：r s 4 8 5 双绞线双线电缆或光缆。波特率从9 6 k b p s 1 2 m b p s 。 ( 2 ) 总线存取：各主站间令牌传送，主站与从站间为主一从传送。支持单主或 多主系统，总线上最多站点( 主从设备) 数为1 2 6 。 ( 3 ) 通信：点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 。循环主一从用户数 据传送和非循环主一主数据传送。 ( 4 ) 运行模式：运行、清除、停止。在运行模式，主站和从站完成输入和输出 数据的循环传送；在清除模式，主站读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持 为故障一安全状态；在停止模式，只能进行主一主数据传送，主站和从站之间 没有数据传送。 ( 5 ) 功能：d p 主站和d p 从站间的循环用户数据传送。各d p 从站的动态激活 和撤消。d p 从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的 同步。通过总线给d p 从站赋予地址。通过总线对d p 主站进行配置。每个d p 从 站最大为2 4 6 字节的输入和输出数据。 2 2 2p r o flb u s d p 设备类型和系统配置 一、设备类型 o 南京航空航天大学硕士学位论文 每个p r o f i b u s d p 系统可包括以下三种不同类型设备： 一类d p 主站( d p m l ) ：一类d p 主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与 分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的d p m l 如p l c 或p c 。 二类d p 主站( d p m 2 ) ：二类d p 主站是编程器、组态设备或控制面板，在d p 系 统组态操作时使用，完成系统操作或监视目的。 d p 从站：d p 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，如i o 设备、 驱动器、h m i 、阀门等。 二、系统配罨 p r o f i b u s - d p 允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了 高度的灵活性。系统配嚣的描述包括：站点数、站地址和输入输出的格式，诊 断信息的格式以及所使用的总体参数。 输入输出信息量大小取决于设备的形式，目前允许的输入和输出信息，最 多不超过2 4 6 字节。 图2 4p r o f i b u s d p 单主站系统 单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站。图2 4 为一个 单主站系统的配置图，p l c 为一个中央控制部件。单主站系统可获得最短的总 体循环时间。 多主站配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或是作 为网 二的附加配置和诊断设备，如图2 5 所示。任何一个主站均可读取d p 从站 的输入输出映象，但只有一个主站( 在系统配置时指定的d p m l ) 可对d p 从站 写入输出数据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。 p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站设计 图2 5p r o f i b u s d p 多主站系统 2 3 物理层传输方式及数据链路层服务的实现m m 州2 4 m 3 “ 2 31 物理层传输方式 p r o f i b u s 通过采用差分电压输出的r s 4 8 5 实现电流连接，数据的编码采用 n z r 码即不归零码，在位持续时期，二值信号“0 ”或“1 ”不改变。一个字符 在p r o f i b u s 总线上为1 1 位( 即1 个起始位，8 个数据位，一个奇偶检验位( 偶 校验) 和一个停止位) ，当没有数据发送时，空载电位为“l ”，起始位使之变为 “o ”。非归零码的信号见图2 6 所示。 23 2 数据链路层服务的实现 图2 6 非归零码信号 南京航空航天大学硕士学位论文 在p r o f i b u s 中，数据链路层向上提供的服务包括以下四种：需要响应的数 据传输服务( s d a ，s e n dd a t aw i t ha c k n o w l e d g e ) 、无需响应的数据传输服务 ( s d n ，s e n dd a t aw i t hn oa c k n o w l e d g e ) 、需回答的数据传输和请求服务( s r d ， s e n da n dr e q u e s td a t aw i t hr e p y ) 、需回答的循环数据传输和请求服务( c s r d ， c y c l i cs e n da n dr e q u e s td a t aw i t hr e p l y ) 。 其中s d a 服务允许主站中的f d l ( 第2 层) 用户( 以下称本地用户) 发送 用户数据( l i n k s e r v i c e d a t a _ u n i t ，l s d u ) 给一个远程站。在远程站，如果 接收无误，则l s d u 被f d l 传送给用户( 以下称远程用户) 。本地用户接收关于 用户数据收到或未收到的一个确认。如果在传输期间出现错误，则本地用户的 f d l 将重复此数据传输。 s d n 服务允许本地用户传送数据( l s d u ) 给一个远程站，或同时传送给多 个远程站( 群播) 或全部远程站( 广播) 。本地用户接收一个传输结束的确认信 息，不管数据是否及时接收。在远程站，如果接收无误，则ls d u 被传递给远 程用户，无需确认。这样，一次数据传输就已经完成。 s r d 服务允许本地用户传输数据( l s d u ) 给一个远程站，并同时请求早就 在远程站准备好的数据( l s d u ) 。在远程站，若接收无错误，则所接收的l s d u 被传送给远程用户。此服务还允许本地用户不用发送数据( l s d u = n u l l ) 给远 程用户而向远程用户请求数据。 c s r d 服务允许本地用户循环地传输数据( ls d u ) 给远程站，并同时请求 从远程站发束的数据。在远程站将接收到的无误的数据循环地传送给远程用户。 此服务还允许本地用户循环地不发送数据给远程用户而请求从远程用户来的数 据。 p r o f i b u s d p 仅限于s r d 和s d n 服务，在s r d 服务时，主站发送输出数据 到从站和接收从站的输入数据，在规定的时间周期内应答。s d n 服务是发送数 据到规定的一组从站，可按照要求触发s d n 服务，对s d n 报文没有应答。用户 使用这两种服务是通过调用数据链路层的s a p ( 服务存取点) 实现的。在d p 中， 每一个服务存取点分配一个确定的功能，通过检测s a p ，每个站点能清楚地辨 认出什么数据已被请求和需要提供什么响应数据。p r o f i b u s d p 提供以下s a p 功能： d e a u l ts a p ( 缺省值s a p ) ：数据交换( d a t a _ e x c h a g e ) ： s a p 5 4 ：主一主s a p ： p r o f i b u s d p 现场总线通信研究及智能从站设计 s a p 5 5 ： s a p 5 6 ： s a p 5 7 ： s a p 5 8 ： s a p 5 9 ： s a p 6 0 ： s a p 6 l ： s a p 6 2 ： 改变从站地址( s e t s l a v e a d d ) ： 读输入( r e a d i n p u t s ) ； 读输出( r e a d o u t p u t s ) ； 到d p 从站的控制命令( g l o b a l c o n t r 0 1 ) 读组态( g e t c f g ) ： 读珍断数据( s l a v e d i a g ) ： 传送参数( s e t p r m ) ； 校核组态( c h k c f g ) ； 2 4p r o fb u s d p 报文传输分析m 1 卜旺9 懈 2 41 p r o fb u s - d p 报文结构 p r o f i b u s 主要具有如下四种形式的报文结构： l 、无数据信息的固定长度报文 无数据信息固定长度的请求报文( r e q u e s t ) 、应答报文( a c k n o w l e d g e ) 、 短应答报文格式如图2 7 所示。 请求报文 陋m 卜 f oi f c $e 扫 圈 艟应答 图2 7 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 i ：开始分界符( i o h ) ；d a ：目的地址： s a ：源地址； f c ：功能代码； f c s ：帧校验序列ie d ：终止定界符( 1 6 h ) ： s c ：单字节； l ：报文中信息部分的长度，在这种类型报文中l = 3 2 、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 q u e s t ) 和应答报文的 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 格式如图2 8 所示。 应答报史 图2 8 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 ：开始分界符( a 2 h ) ；d a ：目的地址； s a ：源地址：f c ：功能代码； d a t a u n i t ：数据信息，在该类型报文中为固定长度8 字节； f c s ：帧校验序列：e d ：终止定界符( 1 6 h ) l ：固定长度，l = 1 1 ； 3 、具有数据信息的变化长度报文 因为在此种类型种，数据信息的长度是变化的，所以为了保证海明距离仍 为4 ，在固定报文头中加入了两次长度信息。该长度是从目的地址d a 到帧校验 序列f c s ，在接收过程中只有当这两次长度相等时，才被认为是有效报文。具 有数据信息的变化长度发送请求报文、应答报文如图2 9 所示。 发送请求报文 s d 2l i ：l e