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基于p r o f i b u s - d p 的智能通信模块的设计与开发 摘要 用于设备级控制系统与分散式i 0 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。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国外的成套设备 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，以推动我国仪表业的智能化进程就显得尤为重要。本文针 对现场总线的应用和发展趋势，研究设计了一种基于p r o f i b u s d p 的智能通信模 块，主要内容有： ( 1 ) 介绍了现场总线技术的概况及国内外发展历程，论述了p r o f i b u s d p 智 能从站的发展状况及在我国的应用前景，指出目前p r o f i b u s d p 技术在我国的应 用和研究的局限性及本课题的研究意义。 ( 2 ) 研究了p r o f i b u s d p 现场总线基本理论，在比较p r o f i b u s d p 现场层的 几种实现方案的基础上，提出了一种基于a s i c + 单片机来开发p r o f i b u s d p 智能 化从站通信接口的技术方案。 ( 3 ) 研究并设计了基于西门子公司的s p c 3 芯片通信接口模块中的存储器扩 展电路、a s i c 接口、微处理器接口以及r s 4 8 5 接口电路，其中针对工程应用的 特点，对普通r s 4 8 5 的连接方式做了改进，提高了系统的稳定性和抗干扰性。分 析了p r o f i b u s d p 的从站状态机和p r o f i b u s d p 的缓冲区结构，设计开发了系统软 件，阐述了软件的总体设计思想，给出了系统主程序文件、中断模块、电子设备 数据文件等模块的软件设计与实现方法。 ( 4 ) 将c p 5 6 11 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通信功能测试，给 出了测试实验结果并对实验数据进行了分析。 样机系统测试表明，所设计的智能通信模块实现了p r o f i b u s d p 通信协议， 作为通信接口可以应用于符合p r o f i b u s 现场总线协议的智能仪表或分散到现场的 输入输出设备的数据传输，达到了预期的设计目标。 关键词：智能通信模块；现场总线；p r o f i b u s d p ；s p c 3 硕士学位论文 ab s t r a c t p r o f i b u s - d pi st h eb u st e c h n o l o g ya b s o l u t e l yl e a d i n gm a r k e ts h a r e ，w h i c hi su s e d i n e q u i p m e n tg r a d ec o n t r o ls y s t e ma n dd is p e r s e dm o d eo fi oc o m m u n i c a t i o n p r e s e n t l y ，i n t e r n a la p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho np r o f i b u s d pg i v e sp r i o r i t yt of o r e i g n c o m p l e t ee q u i p m e n t s ，b u t w i t ht h el e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e d e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y i no r d e rt op r o m o t et h ei n t e l l i g e n tp r o c e s so ft h ei n s t r u m e n t sf i e l di n o u rc o u n t r y ，i ti s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t t o d 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 n i n t e r f a c ef o ri 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 a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to f t h ef i e l db u s ，i nt h i sp a p e ra ni n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e d o np r o f i b u s d pi sp r o p o s e d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： f i r s t l y ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h es u r v e ya n dh i s t o r yo ff i e l db u st e c h n o l o g y ，t h e d e v e l o p m e n ta n dp o t e n t i a la p p l i c 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 ea r ed i s c u s s e d ； t h el i m i t a t i o n so fp r o f i b u s - d pt e c h n o l o g ys t u d ya n da p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r ya n d t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h ep r o p o s e dt e c h n o l o g ya r ep o i n t e do u t s e c o n d l y ，t h eb a s i ct h e o r yo fp r o f i b u s d pf i e l db u si ss t u d i e d ，a f t e rc o m p a r i n g w i t hs e v e r a lr e a l i z a t i o no ft h ep r o f i b u s - d p sp r o g r a m s ，t h ep r o p o s a lw h i c hb a s e do n t h em o d u l eo fa s i cc h i p sa n dm c ut od e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo f p r o f i b u s - d ps l a v es t a t i o na r eg i v e n t h i r d l y ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t ，w h i c h i sb a s e do ns p c 3 c h i p ，i n c l u d i n gt h e m e m o r yd i s t r i b u t i o nc i r c u i t ，a s i ci n t e r f a c ec i r c u i t ，m c ui n t e r f a c ec i r c u i ta n dr s 4 8 5 i n t e r f a c ec i r c u i ti sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d ，e s p e c i a l l y ，a c c o r e d i n gt ot h ef e a t u r eo f i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n ，t h eg e n e r a lr s 4 8 5c o n n e c t i o ni si m p r o v e dt oe n h a n c et h e s y s t e ms t a b i l i t ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t h es t a t em a c h i n eo ft h es l a v es t a t i o n a n dt h es t r u c t u r eo ft h eb u f f e rz o n ei np r o f i b u s d pa r ea n a l y s e d ，t h e nt h es o f t w a r e s d e s i g ni d e a si sf i g u r e d ，a n dt h es y s t e mm a i np r o g r a mf i l e s ，t h ei n t e r r u p tm o d u l e ，t h e e l e c t r o n i cd e v i c ed a t af i l e so ft h es o f t w a r em o d u l ea n di m p l e m e n t a t i o ni sa l s og i v e n f o u r t h l y ，t h ec p 5 6 11 ，a sam a s t e rc o m b i n i n gw i t ht h em o d u l eo fs l a v ei n t e r f a c e ， t h em i n i m u ms y s t e mi nt h em o d u l eo fs i g n a lm a s t e ra n ds i g n a ls l a v eb a s e do nf i e l d b u so fp r o f i b u s - d pi sf o r m e d ，t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nt e s to ft h ed e s i g n e ds l a v e i n t e r f a c em o d u l eh a sc o m p l e t e d ，t h er e s u l to ft h i st e s ti sg i v e na n da n a l y z e d t h ef i n a lt e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n t e l l i g e n c em o d u l er e a l i z e st h ep r o c e s so f i i i 基于p r o f i b u s - d p 的智能通信模块的设计与开发 c o m m u n i c a t i o nb a s e do np r o f i b u s - d p ，t h eg e n e r a li n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t sa n dt h e a t t r i b u t e di 0e q u i p m e n t sw h i c ha c c o r dw i t ht h es t a n d a r dp r o f i b u sp r o t o c o lc a nr u r w e l li nt h i sm o d u l e t h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l ea n da c h i e v e st h ed e s i g ng o a l k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n ts l a v e ；f i e d b u s ；p r o f i b u s d p ；s p c 3 i v 硕士学位论文 插图索引 图2 1p r o f i b u s 应用范围6 图2 2p r o f i b u s 协议结构7 图2 3p r o f i b u s 总线存取协议殳 图2 4 网络拓朴结构9 图2 5 单主站系统的配置图1 1 图2 6p r o f i b u s d p 通信模型1 3 图2 7p r o f i b u su a r t 数据帧一1 6 图2 8 用n r z 传输时的信号形状一1 6 图2 9 从站接口的硬件框图1 8 图3 1s p c 3 的结构图2 1 图3 2s p c 3 芯片内部译码电路2 6 图3 3s p c 3 与8 0 c 3 2 的接口电路一2 7 图3 4 存储器扩展电路2 8 图3 5 看门狗电路2 9 图3 6 用两片8 位双端口r a m 并联构成1 6 位数据线3 0 图3 7r s 4 8 5 与从站设备相连部分电路图3 l 图3 8r s 4 8 5 与p r o f i b u s d p 接口电路3 2 图4 1p r o f i b u s d p 从站状态机的流程图3 4 图4 2 主程序流程图3 6 图4 3s p c 3 初始化程序流程图一3 7 图4 4 用户诊断信息处理3 8 图4 5 启动s p c 3 程序框图3 9 图4 6 中断服务程序框图4 0 图4 7g s d 文件编译界面4 2 图5 1p bs o f t n e t _ d pv 5 2 软件安装界面4 3 图5 2 确定c p 5 6 1 1 ( c o mp r o f i b u s ) 界面4 4 图5 3 从站数据采集界面4 5 普通r s 4 8 5 接口电路6 1 p r o f i b u s d p 接口电路6 2 基于p r o f i b u s - d p 的智能通信模块的设计与开发 附表索引 表2 1p r o f i b u s 总线电缆特性15 表2 2p r o f i b u s 波特率与传输导线的关系1 5 表2 39 针d 型连接器的针脚分配1 6 表3 1 s p c 3 中的内存区域分布2 2 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：唐志、壳军 日期：2 护杉年加月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：庵乏，高罕 导师签名 日期：少p 多年i o 月；p 日 日期： 如口彦年加月罗口日 硕上学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 现场总线技术及其控制系统 根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 对现场总线( f i e l d b u s ) 一词的定义，现场总 线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、 串行、多节点数字通信的技术。 现场总线技术将专用微处理器嵌入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计 算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。现 场总线不仅是当今3 c 技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术 和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集 中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 用开放的现场总线通信 网络，实现将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连，组成实时网 络控制系统。由于将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。f c s 作为新一代控制系统，不仅突破了集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 采用专用通信网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭 系统所造成的缺陷；而且把d c s 的集中和分散相结合的系统结构，变成了新型全 分布式结构。因此，开放性、分散性与数字通信是现场总线控制系统最显著的特 征【l 2 】。 2 现场总线技术的特点 ( 1 ) 开放互连网络 现场总线标准、协议规范是公开的，且现场总线网络是开放的，因此这种网 络既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连。用户可以共享网络资源， 用户也可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 现场通信网络 现场总线将总线电缆延伸到工业现场，或总线电缆就是直接安装在工业现场 的，完全适用于工业环境。 ( 3 ) 数字通信网络 现场底层的变送器传感器、执行器、控制器之间的信号传输及中上层的控 制器、监控监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号。各层设备之间的信 息交换也均用数字信号。网络数据通信采用基带传输( 即数字数据数字传输) ， 基于p r o f i b u s d p 的智能通信模块的设计与开发 数据传输速率高，实时性好，抗干扰能力强。 ( 4 ) 现场设备互连网络及现场设备的互操作性与互用性 现场总线通过根通信数据线将所需的各个现场设备( 如变送器传感器、执 行器、控制器) 互相连接起来构成了现场设备的互连网络。且现场设备具有互操 作性与互用性，互操作性是指实现互连的设备间或系统间的信息传送与沟通，可 实行点对点，一点对多点的数字通信。在遵守同一通信协议的前提下，可将不同 厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。而互用性是指对不同生产厂 家的性能类似的设备可进行互换而实现互用b , 2 】。 3 现场总线国际标准和中国标准 目前国际上已经出现一百多种现场总线，其中宣称为开放型总线的就有4 0 多种。作为一项数据通信技术，单从应用需要和技术特点的角度，统一通信标准 应该是首选。但由于行业、地域发展历史和商业利益的驱使以及种种经济社会的 复杂原因，总线标准的制定工作并非一帆风顺。现场总线的国际标准虽然从1 9 8 4 年开始就着手制定，期间经过长达1 5 年的争论和9 次投票表决，其中两次遭到否 决，但经过有关各方的共同努力和协商妥协，终于在1 9 9 9 年年底的投票表决中， 使8 种现场总线协议的i e c 6 1 1 5 8 国际标准被正式获得通过。又在2 0 0 3 年4 月， 由i e c s c 6 5 c m t 9 小组负责修订的i e c 6 1 1 5 8e d 3 ( 现场总线标准第3 版) 正式 成为国际标准，在新版本标准中规定了1o 种类型的现场总线。19 9 6 年， i e c t c l 7 s c l 7 b w g 3 工作组开始制定用于低压开关设备和控制设备的现场总线 ( 设备层现场总线) 的标准i e c 6 2 0 2 6 。 目前，我国也已经开展了相应于i e c 6 2 0 2 6 和i e c 6 1 1 5 8 的中国现场总线标准 的研究工作，并于2 0 0 2 年1 2 月颁布了中国现场总线标准g b 1 8 8 5 8 ( 相应于 i e c 6 2 0 2 6 ) 。另外，d e v i c e n e t 被中国电器工业协会批准为行业标准，p r o f i b u s 被 中国机械工业协会批准为行业标准f 2 ，3 1 。 4 主要的现场总线及其特点 目前市场上具有一定影响且已占有一定市场份额的现场总线有几下几种【l 4 j ： ( 1 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是局域操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 的简称，是又一具有 强劲实力的现场总线技术。它由美国埃斯郎( e c h e l o n ) 公司推出并由它与摩托罗 拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型 的全部7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计 简化为参数设置，其通讯速率从3 0 0 b p s 至l5 mb p s 不等，最远通信距离可达 2 7 0 0 m ( 通信速率为7 8 k b p s ，双绞线) ，节点总数可达3 2 0 0 0 个。 ( 2 ) e i b 总线 e i b 总线采用的是串行异步的传输方式，为了提高可靠性和达到最大传输 硕士学位论文 速率，e i b 应用了c s m a c a ( 具有避免冲突的载波侦听多路访问) ，通过这种总 线访问技术，使得在多个总线元件同时发送信号时就不会发生信号丢失现象，而 且e i b 有自己的优先权定义以保证信号按照一定的次序先后传送。e i b 总线目前 可支持双绞线( t w i s tp a i r ) 、电力线( p o w e rl i n e ) 、无线电( r a d i o ) 和红外线 ( i n f r a r e d ) 四种传输介质。目前在国内市场上提供的主要以双绞线系统为主 ( 3 ) c a n 总线 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，它最早是由德国的 b o s c h 公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是为汽车的检测和控制而设 计的，后来逐步发展到用于其它工业部门，c a n 是目前难一被批准为国际标准的 现场总线，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 、n e c 等公司的支持，并广泛应用在 离散控制领域。 ( 4 ) m o d b u s 总线 m o d b u s 是m o d i c o n 公司为该公司生产的p l c 设计的一种通信协议，从其功 能上看，可以认为是一种现场总线。m o d b u s 通过2 4 种总线命令实现p l c 与外界 的信息交换，具有m o d b u s 接口的p l c 可以很方便的进行组态。m o d b u s 传输协议 定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不需考虑通信网络的拓扑结构。 m o d b u s 有两种传送方式：r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 方式和a s c i i 方式。 ( 5 ) d e v i c e n e t 总线 d e v i c e n e t 是由a l l e n b r a d l e y 公司( r o c k w e l l 自动化) 开发的一种基于c a n 的开放的现场总线标准。d e v i c e n e t 是一个开放性的协议，每个o d v a 成员都有 资格发行基于d e v i c e n e t 标准开发的后续产品。主要特点有：采用c a n 物理层 和数据链路层规约，使用c a n 规约芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持； 每个d e v i c e n e t 最多可连接6 4 个节点，每个节点可以支持无限多的i o ：使用短 帧传送，可选的数据传输波特率为1 2 5 k b p s 、2 5 0 k b p s 及5 0 0 k b p s ；适用于点对点、 多主或主从等各种通信方式；带电更换网络节点，在线修改网络配置。当一个节 点发生严重错误时具有自动关闭输出的功能，以免影响总线上其他节点等。 ( 6 ) p r o f i b u s 总线 在本论文中采用的p r o f i b u s 现场总线技术也是当前比较热门的现场总线技术 之一，其内容和特点将在以下的章节中详细介绍。 5 p r o f i b u s 现场总线技术在国内外的研究动态及前景 由于现场总线代表着生产过程自动化未来的发展方向，国外许多大公司相继 推出了各自的现场总线标准。在众多的现场总线产品中，作为欧洲标准并已占据 较大市场份额的p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是很具有代表性的一种。1 9 8 7 年， 原西德联邦科技部集中了1 3 家公司和5 家研究所的力量按着i s o o s i 参考模型 制定了现场总线德国国家标准( p r o f i b u s ) 。后来，又通过投票成为欧洲标准 基于p r o f i b u s d p 的智能通信模块的设计与开发 e n 5 0 1 7 0 。现在，p r o f i b u s 已成为国际化的开放现场总线标准，得到了众多生产厂 家的支持，并和基金会现场总线一起成为现场总线的两大体系。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 ，ab 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，9 0 年代初，p r o f i b u s 由西门子公司引入中国，开始被国内所接 受。由于得到中德两国政府有关部门的支持和西门子公司的大力推广，p r o f i b u s 在中国发展势头良好，目前p r o f i b u s 在我国拥有许多用户。p r o f i b u s 是一种国际 化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，是一种用于工厂自动化车间 级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间 级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设 备智能化提供了可行的解决方案，广泛适用于制造业自动化、工业自动化和电力 等其他领域的自动化【3 ，5 1 。 1 2 课题研究的目的及意义 科技的进步，对仪表和设备采取人工控制的这种方式由于它的低效率肯定会 退出历史的舞台，因此目前市场上种类繁多的工业控制设备大都具备通信功能， 能够实行网络监控，但它们所支持的通信协议又往往不尽相同，这就给不同设备 之间的数据交换带来了很大困难。当企业对原有生产线进行扩充和改造时，新设 备与原有设备组成的控制网络，因二者所支持的通信协议不同而导致无法组成分 布式计算机控制系统，即使勉强组网可靠性上也难以得到保证，而用于设备级控 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【5 j ，但是，我们也注意到，以往的老设备绝大多数都不具 备p r o f i b u s 接口，而目前我国对于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 i b u s d 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，即使是这些具有p r o f i b u s 接口的设备，由于生产厂家不同，它们的数据 类型也有可能不一样，因而会造成互相之间的数据交换难题。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 硕十学位论文 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 4 , 5 1 。 l - 3 本文结构和主要内容 本文的结构及主要内容如下： 第1 章，绪论。主要介绍了现场总线技术的概况及其国内外的发展历程，以 及本课题的提出与研究现状； 第2 章，p r o f i b u s 总线技术及p r o f i b u s d p 智能从站的总体设计。研究了 p r o f i b u s d p 现场总线基本理论，在比较p r o f i b u s d p 在现场层的几种实现方案的 基础上，提出了利用西门子公司的a s i c 芯片s p c 3 来开发d p 从站的通信接口硬 件及软件的方案； 第3 章，p r o f i b u s d p 从站通信接口的硬件电路设计。研究了基于p r o f i b u s d p 智能控制器的从站通信接口的硬件电路设计，并对硬件电路的主要组成部分进行 了分析； 第4 章，p r o f i b u s d p 从站通信接口软件开发。分析了p r o f i b u s d p 的从站状 态机和p r o f i b u s d p 的缓冲区结构，对基于p r o f i b u s d p 智能控制器的从站通信接 口的软件进行了总体设计； 第5 章，系统通信测试与结果分析。对设计的p r o f i b u s d p 智能控制器的从 站进行了测试，详细说明了测试平台及步骤，并对所得的测试结果进行了分析。 文章最后对本课题的研究工作进行了总结和展望。 基于p r o f i b u s d p 的智能通信模块的设计与开发 第2 章p r o f i b u s 总线技术及智能从站总体方案设计 2 1p r o f i b u s 总线技术 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准。 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【1 , 5 , 6 】见图2 1 。 图2 1p r o f i b u s 应用范围 p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ， p r o f i b u s 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 ) ，p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 三个兼容版本，特点如下： p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备 级分散i o 之间的通信设计，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 0 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 ：解决车间级通用性通信任务，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、电气传动、 传感器和执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般自动化控制。 硕卜学位论文 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 ll5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站 点。 p r o f i b u s 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分为 主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权( 令牌) 时，没 有外界请求也可以主动发送信息。 从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量发 送器。它们没有总线控制权，仅对接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向 它发送信息1 , 7 , 8 , 9 】。 1 协议结构 p r o f i b u s 协议的结构定向根据i s 0 7 4 9 8 国际标准以开放系统互联网络o s i 为 参考模型，结构见图2 2 。 用户 应用 i ( 7 )i ( 3 ) ( 6 ) i 数据链路l ( 2 ) l 物理l ( 1 ) l ( f m s ) d p )( p a ) l 。ij 善 。i 3 f m s d p 行规p a 行规 设备 1r1r 规范 d p 扩展 1r鳓 僦雉眯y 未使用 ， ， 埘磷赢、 二似每锄7 i e c l l 5 8 - 2 囫e n 5 0t 7 0 匹叉。i 第n 4 e 部1 9 分2 4 5 p 键豺3 图2 2p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s d p 定义了第l 、2 层和用户接口，第3 到7 层未加以描述，这种流 体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像( d d l m ，d i r e c td a t a l i n km a p p e r ) 提供易于进入第2 层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及 不同设备可以调用的应用功能并详细说明了各种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行 为，还提供了传输用的应用r s 4 8 5 传输技术或光纤。 p r o f i b u s f m s 对第l 、2 和7 层均加以定义，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 ) 和低层接口( l l i ，l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。 基于p r o f i b u s d p 的智能通信模块的设计与开发 f m s 包括了应用层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 调了不同的通信关系并向f m s 提供了不依赖设备访问第2 层。 p r o f i b u s p a 数据传输采用扩展的“p r o f i b u s d p ”协议，另外还使用了描述现场 设备行为的行规，根据i e c l l 5 8 2 标准，这种传输技术可确保其本质安全性并使 现场设备通过总线供电【1 , 1 0 , 1 1 】 2 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) 又要考虑一些简单而费用又不大的机电因 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 提供了3 种类型的传输技术【l ，1 0 j 。 ( 1 )用于d p f m s 的r s 4 8 5 传输技术 r s 4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术，采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s 4 8 5 传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9 6 kb i t s 1 2 mb i t s 。 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 插头连接：最好使用9 针d 型插头。 ( 2 ) 用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输技术 数据i e c l l 5 8 2 的传输技术用于p r o f i b u s p a ，能满足化工和石油化工业的要 求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。 ( 3 ) 光纤传输技术 p r o f i b u s 系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高 速传输的距离。许多厂商提供专用总线插头可将r s 4 8 5 信号转换成光纤导线信 号或将光纤导线信号转换成r s 4 8 5 信号【1 2 , 1 3 , 1 4 】。 3 总线存取协议 三种p r o f i b u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议是通过 o s i 参考模型第2 层( 数据链路层) 来实现的，它包括了数据可靠性技术及传输 协议和报文处理。在p r o f i b u s 中，第2 层称之为现场总线数据链路层( f d l ，f i e l d b u s d a t al i n k ) 。介质存取控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是具体控制数据传 输的程序，m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 p r o f i b u s 总线存取协议包括主站之间的令牌传送方式和主站与从站之间的主 从方式，见图2 3 。令牌传递程序保证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) 。在p r o f i b u s 中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总 硕上学位论文 从站，主设备 图2 3p r o f i b u s 总线存取协议 线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或读取信息。主从方式允 许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站可向从站发送或索取信息 【l ，1 4 ，1 5 1 o 4 网络拓朴结构 p r o f i b u s 支持总线型、星型和树型三种拓朴结构，线性总线拓朴结构见图2 4 。 两端有有源的总线终端电阻，一段可以最多由3 2 个站( 不带中继) ，最多可到12 7 个站( 带中继) 。同时有中继器时，距离可延长到10 公里，非常适合用在远距离 控制现场【1 4 , 1 5 】。 图2 4 网络拓朴结构 基于p r o f i b u s d p 的智能通信模块的设计弓开发 2 2p r o f i b u s d p 总线技术 p r o f i b u s d p 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线同分散 的现场设备( 如i o 、驱动器、阀门等) 进行通信，多数数据交换是周期性的? 除此之外，智能化现场设备还需要非周期通信，以进行组态、诊断和报警处理。 1 p r o f i b u s d p 技术基础 中央控制器周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，总线 循环时间必须要比中央控制器的程序循环时间短。除周期性用户数据传输外， p r o f i b u s d p 还提供强有力的诊断和配置功能，数据通信是由主机和从机进行监控 “1 ，8 1 。 ( 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 i t s 到1 2 m b i t s 。 ( 2 ) 总线存取 各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。 支持单主或多主系统。 总线上最多站点( 主从设备) 数为12 6 。 ( 3 ) 功能 d p 主站和d p 从站间的循环实现用户数据传送。 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(