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浙江入学硕十学位论文 基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 摘要 现场总线是自动化技术的研究热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域 网。p r o f i b u s 作为全球最具影响力的现场总线，其技术已经发展到了全面成熟 的阶段，p r o f i b u s 标准中涵盖了各种需求的子集规约，包括p r o f i b u s d p ， p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s p a 等。截至到目前，p r o f i b u s d p 的应用占整 个p r o f i b u s 应用的8 0 ，代表了p r o f i b u s 的技术精华和特点。 p r o f i b u s d p 在国内工业自动化界应用广泛，但其应用方式基本以购买国 外自动化设备厂商的p r o f i b u s d p 通信芯片，再配以外部微控制器的应用方式 为主，基本不涉及p r o f i b u s d p 通信芯片本身的设计开发，这就限制了我国工 业自动化界对p r o f i b u s d p 协议的理解，难以掌握p r o f i b u s d p 核心技术。 针对这一现象，通过认真分析p r o f i b u s d p 总线协议，本文设计并完成了 一种通过f p g a 器件，采用硬件描述语言v e r i l o gh d l 实现p r o f i b u s d p 从站 协议功能的方案。该方案涵盖了p r o f i b u s d p 从站硬件和逻辑软件设计，其中 硬件设计包括了f p g a 、m s c 5 1 芯片的外围电路设计，从站物理层接口硬件设 计和微控制器接口硬件设计；逻辑软件设计则包括了从站物理层u a r t 模块设 计，数据链路层协议解析模块设计和外部微控制器接口模块设计。最后对完成的 整个软硬件系统进行了p r o f i b u s d p 协议一致性测试，包括从站硬件基本性能 查证、p r o f i b u s d p 总线传输要求、功能测试和与p r o f i b u s d p 协议标准的 一致性。 【关键词】现场总线，p r o f i b u s d p ，从站，f p g a ，一致性测试 浙江大学硕+ 学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 a b s t r a c t f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi sah o t s p o ti nc u r r e n ta u t o m a t i o nt e c h n o l o g yf i e l d ，a n d i ti sa l s oc a l l e dal o c a la r e an e t w o r ki na u t o m a t i o nf i e l d a st h em o s ti n f l u e n t i a l f i e l d b u si nt h ew o r l d ，p r o f i b u sh a ss t e p p e di n t oam a t u r et e c h n o l o g ys t a g e t h e s t a n d a r do fp r o f i b u sc o n t a i n saf e w s u b s e t s ，i n c l u d i n gp r o f i b u s - d p , p r o f i b u s - f m sa n dp r o f i b u s - p a 3 3 1 1n o w , t h ei m p l e m e n to fp r o f i b u s d p h a st a k e n8 0 o ft h ew h o l ep r o f i b u s sa p p l i c a t i o n ，a n di ts t a n d sf o rt h ee l i t eo f p r o f l b u s t h e r ea r em a n ya p p l i c a t i o n so fp r o f i b u s - d pi nd o m e s t i ci n d u s t r i a la u t o m a t i o n f i e l d ，b u tt h ew a yo fa p p l i c a t i o nm o s t l yr e l a y so nt h ea b r o a dc o m p a n y s s c o m m u n i c a t i o nc h i po fp r o f i b u s - d pa n de x t e r nm i c r o c o n t r o l l e r o u rd o m e s t i c a u t o m a t i o nc o m p a n y sr a r e l yc o n c e r nt h ed e s i g no fp r o f i b u s d p c h i p s oi t sh a r d f o ru st om a s t e rt h ec o r eo fp r o f i b u s - d p p r o t o c o la n dc o m p r e h e n dp r o f i b u s - d p t e c h n o l o g y i na l l u s i o nt ot h i sp r o b l e m ，af p g a - b a s e dh a r d w a r el o g i c a ld e s i g nm e t h o df o r p r o f i b u s - d ps l a v es t a t i o nw a sp r o p o s e da n dt e s t e d t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h e s y s t e m a n d t h e f u n c t i o n so ff p g aw e r ed e t a i l e d t h e d e s i g n c o n t a i n e d p r o f i b u s d ps l a v es t a t i o n sh a r d w a r e ( i n c l u d e st h ec i r c u i td e s i g no ff p g aa n d m s c 5 1 ，h a r d w a r ed e s i g no fp h y s i c a l1 a y ea n db u si n t e r f a c e ) ，s o f t w a r es u c h 弱 p h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e r ( i n c l u d e ss e t t i n gt h ea d d r e s so fs l a v es t a t i o n , p a r a m e t e re v a l u a t i n g ，c o n f i g u r a t i o na n dd i a g n o s i s ) a n db u si n t e r f a c em o d u l e t h e w h o l ed e s i g ns a t i s f i e dt h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n to fp r o f i b u s - d pp r o t o c o l ， a n dw a sc a r r i e di n t oc o n f o r m a n c et e s tw h i c hi n c l u d e st h ea u t h e n t i c a t i o no fh a r d w a r e p r o f o r m a n c e ，t h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n to fp r o f i b u s d p , f u n c t i o n st e s t 【k e y w o r d s 】h e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，p r o f i b u s - d p , s l a v es t a t i o n ，f p o a , c o n f o r m a n c et e s t 2 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 第1 章绪论 工业自动化技术在现代通信技术、计算机网络技术的推动下已发展到了现场 总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 阶段，f c s 在串行的通信电缆上 连接工业现场设备组成数字通信网络，实现可靠的、满足工业实时通信要求的设 备及车间级的数字化通信网络，在此基础上实现对工业对象的监测与控制，f c s 系统的出现代表了工业自动控制系统一个新时期的开始。 1 1 现场总线技术概述 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 线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算 和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪 表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量 设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成 各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线控制系统既是一个开放通讯网络，又是一种全分布式控制系统。现 场总线作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接 为网络系统，并进一步构成了具有基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 监控、优化及管控一体化等多种功能的综合自动化系统。这是一项以智能传感器、 控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总 线系统的出现，打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一 的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的 控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连 接。由于现场总线系统采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 室的控制模块和各种输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通讯能 力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制功厶匕e _ 厶匕f j e , 够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，同时又 为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换部件。 这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创 造了条件。 现场总线系统在技术上具有开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能 化与功能自治性、结构的高度分散性和对现场环境的适应性。其中开放是指对相 关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从，现场总线开发者就是要致 力于建立统一的工厂底层网络的开放系统，用户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，通过现场总线构筑自动化领域的开放互 连系统；互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，而互用则 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换；智能化和自治性是指将 传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现 场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态；分散性是 指现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有 d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性； 适应性是指工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环 境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有 较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防暴要求 等。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。由于现场总 线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而 可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作 为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。现场总线 系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、 2 浙江大学硕十学位论文基- 丁f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 端子、槽盒、架桥的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上， 既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。由于现场控制设备具有自诊断与 简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户 可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除， 缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的 产品而被限制了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而 一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。由于现场总线设备 的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度， 减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部 功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性，此外，由于现场 总线的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。【6 - 1 0 】 1 2 几种有影响的现场总线 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的 应用领域显示出了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力， 对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。 ( 1 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标 准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系 列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息规范，p r o f i b u s f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。 p r o f i b u s 在现场总线市场上占据了大于2 0 的份额，目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过2 5 0 0 多种，分别来自国际上4 0 0 多个生产厂家，应用覆盖了制 造业自动化( 汽车制造、装瓶系统、仓储系统) 、楼宇自动化( 供热空调系统) 、 交通管理自动化、过程自动化( 石油化工、造纸和纺织品工业企业) 及电子工业 和电力输送行业等。 3 浙江大学硕士学位论文基- pf p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 ( 2 ) 基金会( f f ) 现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和 以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l d f i p 协议。屈 于用户的压力，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力 于开发出国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础， 取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增 加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规 则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。 基金会现场总线分低速h i 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。 h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m ， 物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准，其物 理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。基金会现场总线的主要技术内容，包括 f f 通信协议、用于完成开放互连模型中第2 7 层通信协议的通信栈 ( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) 、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的d d l 设 备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功 能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系 统、网络系统的系统集成技术。 ( 3 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国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l s o o s l 模型的全部七层通讯协议， 采用了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 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ， 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发 了相应的本质安全防爆产品。l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称 之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u ，一个用 于完成开放互连模型中第1 和第2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介 质访问的控制与处理，第二个用于完成第3 - 6 层的功能，称为网络处理器，进 4 浙江人学硕十学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责 网络通信控制，收发数据包等，第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户 代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网 络缓冲区和应用缓冲区。 ( 4 ) c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现己被 1 s o 国际标准组织制订为国际标准。由于得到了m o t o r o l a ，i n t e i ，p h i l i p ，s i e m e n s ， n e c 等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。c a n 协议也是建立在国际标 准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层，其信号传输介质为双绞线，通信速 率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，可挂接设备数最 多可达1 1 0 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个， 因而传输时间短，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有自动关闭的功能， 以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强 的抗干扰能力。 ( 5 ) h a r t h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，与1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基 金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有 模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过 渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。 它规定了一系列命令，按命令方式工作，它有三类命令，第一类称为通用命 令，这是所有设备都理解、执行的命令，第二类称为一般行为命令，所提供的功 能可以在许多现场设备中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库，第三 类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金 会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。h a r t 采用统一的设备描述 语言d d l ，现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由h a r t 基金 会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用d d l 技 5 浙江人学硕+ 学位论文基t - f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟 数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。【6 1 5 】 1 3p r o f l b u s 的发展与国际标准 p r o f i b u s 是一种国际性的开放式的现场总线标准，它实际上是指一组协议 与应用规约的集合，其核心是指数据链路层上使用统一的通信协议一一基于 t o k e np a s s i n g 的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层则使用不同 的应用规约。严格地说，在p r o f i b u s 中并无对应o s i 模型的应用层定义，而 是用多个应用p r o f i l e s * 来表示。不同的规约和物理层的组合就组成了p r o f i b u s 中一系列应用规范定义子集，其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的 不同。从应用上看，最早的p r o f i b u s 仅定义了一个用户界面规约一一现场总 线报文规范( 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 ，f m s ) 。f m s 主要定义了主站和主 站通信功能，目的是在信息交换应用层次上定义多主站系统间的统一的通信报文 规范，满足针对车间或一条流水线层面上的实时控制任务，重点在于提供大范围 下的车间控制层的、中等速度的、循环和非循环通信服务。在1 9 9 3 年，第2 种 用户界面规约p r o f i b u s d p 被定义，它用于更为简单的组态控制和更快速的现 场设备组的一组i o 对象间高速信息通信，可以说是优化并简化了的p r o f i b u s 。 相对于f m s 的侧重于车间级较大范围的报文交换的特点，p r o f i b u s d p 则主 要是面向工厂现场层应用，完成针对包括诸如可编程控制器、自动控制设备、传 感器、执行器间的快速可靠的循环通信任务。网络的规模小但速度快、最快可达 1 2 m b p s ，可以建成单主站或多主站系统。截至到目前，d p 的应用占整个 p r o f i b u s 应用的8 0 安装实例，代表了p r o f i b u s 的技术精华和特点，一般 意义的p r o f i b u s 也是泛指p r o f i b u s d p 。为了解决过程自动化控制中大量的 要求本质安全通信传输的问题，p i ( p r o f l b u s 国际组织) 在d p 之后有针对性 地推出了一种新的p r o f i b u s 用户界面规程p r o f i b u s p a ，其物理层采用了完 全不同于p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s d p 的标准i e c 6 1 1 5 8 2 ，能够进行总线 供电，具有本质安全特点，通信速度固定为3 1 2 5 k b p s ，主要用于防爆安全要求 高、通信速度低的过程控制场合。以上3 种p r o f i b u s 规范子集构成了传统意 义上的p r o f i b u s 系统，截至到目前，市场上的p r o f i b u s e n a b l e 的产品绝大 6 浙江人学硕十学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 多数属于此3 种类型。 p r o f i b u s 利用了现有国际标准，其协议以国际标准o s i 系统互连模型 ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 为基础。其中，p r o f i b u s f m s 定义了1 、2 、7 层，其应用层包括了现场总线报文规范和相应的一个低层接口 ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ，l l i ) ，f m s 包括了应用协议并向用户提供了各种可直 接调用的通信服务，l l i 向f m s 提供设备独立的对下一层介质访问层的访问途 径。p r o f i b u s d p 使用了第1 、2 层加一个用户的应用接口，而对通用意义上 的3 , - - 7 层未加以描述定义，这种精简结构的好处是数据传输的快速和高效率。 p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s d p 第1 、2 层完全相同，其数据链路层也是使用 基于t o k e np a s s i n g 的主从轮询协议，物理层使用异步传输模式的r s - 4 8 5 技术或 光纤。p r o f i b u s p a 的数据链路层使用扩展的基于t o k e np a s s i n g 的主从轮询协 议，不同于f m s 和d p 的是，其物理层使用m b p 曼彻斯特编码总线供电技术， 具有本质安全特点，能通过通信电缆向设备供电，此时的数据传输采用同步模式， 传输速率为3 1 2 k b p s 。 p r o f i b u s 最早源于1 9 8 7 年由德国政府牵头组织、共2 1 个大学研究所、工 业企业单位完成的一个联合研究项目，其目的在于实现一个接口标准统一、开放 的串行现场总线系统。该标准在1 9 8 9 年成为德国国家工业标准d i n l 9 2 4 5 ，随着 它的进一步完善和推广，在1 9 9 6 年被批准成为欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 中的 一种，继而在2 0 0 0 年p r o f i b u s 和另外7 种现场总线正式构成了国际标准 i e c 6 1 1 5 8 。由于1 e c 6 1 1 5 8 是一个各方利益集团问妥协的技术产物，它仅列举了 各种现场总线的协议类型，规定了物理层、数据链路层及应用层的各种不同可能 性，而并没有对其具体实施给出明确的指导定义数据，为此，国际电工委员会 ( 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 ，i e c ) 又制定了i e c 6 1 7 8 4 作为实施 i e c 6 1 1 5 8 标准的技术实施参考手册，具体定义了各个协议类型的通信规约。 i e c 6 1 7 8 4 的标题是“连续和断续制造的工业控制系统中使用的现场总线规约集 ( p r o f i l es e t sf o rc o n t i n u o u sa n dd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gr e l a t i v et of i e l d b u su s ei n i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ) ，定义了基于i e c 6 1 1 5 8 的各种不同总线协议的特定 通信规约，以及如何设计在工厂制造和过程控制中具有通信功能的设备时使用这 些通信规约，它给出了在i e c 6 1 1 5 8 中列出的各种总线系统的具体实施技术标准。 7 浙江大学硕十学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 具p l ( p r o f i b u s & p r o f i n e ti n t e r n a t i o n a l ) 统计，p r o f i b u s 是目前市场 占有量最大的现场总线标准，并于1 9 9 7 年进入中国，在2 0 0 1 年成为中国机械工 业的行业标准之一，现在已经成为中国国家标准。有理由相信，随着自动化技术 的进一步提高，p r o f i b u s 技术会在国内有更进一步的推广应用。【2 7 1 8 】 1 4 国内外研究现状 p r o f i b u s 是完全开放的国际标准，无知识产权保护，任何厂商和个人都可 以根据此标准设计各自的软硬件实现方案，目前国内外p r o f i b u s d p 从站的常 用实现方法有以下三种： ( 1 ) 利用单片机实现 一般来讲，只要微处理器配有内部或外部安装有串行通信接口( u a r t ) ， p r o f i b u s d p 的通信协议就可以在其上实现，即利用p r o f i b u s 模型中的服务 访问点，通过完全的单片机软件编程和相应的外围硬件接口来实现对 p r o f i b u s d p 的状态机的控制。 ( 2 ) 使用专用通信a s i c 芯片实现 a s i c 芯片集成p r o f i b u s 的t o k e n _ p a s s i n g 协议，负责处理与通信有关的 状态机控制、将数据打包成规定格式帧、从总线上截取帧以及令牌环的管理等， 使所有的与总线通信有关的任务在a s i c 上得以完成。 近些年来，市场上已经出现了许多集成了完整的p r o f i b u s d p 通信协议的 a s i c 芯片，这些芯片可以把数据从总线上直接传送到从站的i o 端口并且把响 应发送回总线，或者通过连接一个m p u 微控制器将p r o f i b u s d p 接口模拟成 一个r a m 模块，使主站可以透明地直接对外设写和读数据，以实现实际的远程 控制。并且，当使用某些智能型a s i c 构成简单从站连接方式时，从站甚至不需 要m p u ，所以也不用编写软件。对一个现场设备的制造商来说，只需将a s i c 连接集成于硬件之中即可构成一个符合p r o f i b u s d p 协议的从站设备。 表1 1 适于p r o f l b u s d p 从站的a s i c 芯片 制造商芯片型号类型适用规约最大传输速率特征 m 2 clm s f m s ，d p3 m b p s单一芯片 s i e m e n s d p c 3 1s d p - v 1 ，d p - v 21 2 m b p s集成协议 8 浙江人学硕十学位论文 基y - f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 s l e m e n sl s p m 2s d p v 0 1 2 m b p s 简单型芯片 s i e m e n ss p m 2s d p v 0 1 2 m b p s 简单型芯片 s i e m e n ss p c 3s d p - v 0 ，d p - v 1 1 2 m b p s 智能从站芯片 s i e m e n s s p c 4 2s f m s ，d p , p a1 2 m b p s 智能从站芯片 p r o f i c h i p v p c l ss d p v o 1 2 m b p s 单一芯片 p r o f i c h i p v p c 3 + bs d p v 0 1 2 m b p s外接m p u 说明：s = s l a v e ( 从站) ；m = m a s t e r ( 主站) ( 3 ) 使用接口模板实现 接口模板在类型上分为两种：主站接口模板和从站接口模板。主站接口模板 能将第3 方设备作为主站设备连接到p r o f i b u s d p 系统中，从站接口模板能将 第3 方设备作为从站设备连接到p r o f i b u s d p 系统中。如s i e m e n s 公司的 i m l 8 3 1 模板，它主要由s p c 3 、8 0 c 3 2 微处理器、e p r o m 和r a m 存储器以及 与p r o f i b u s d p 总线连接用的r s 4 8 5 接口组成。 以上三种p r o f i b u s d p 从站实现方案分别代表了三种典型的情况。但是用 单片机实现的p r o f i b u s d p 从站的传输速率受单片机资源，如计算能力、内存 大小和时钟晶振的限制，无法使一个站点能够达到p r o f i b u s d p 所要求的最大 通信传输速率，尤其是目前的p r o f i b u s d p 系统通信速率都起码要求在 1 5 m b p s 以上，一般都在最高1 2 m b p s ，而软件实现的速率太慢，达不到要求。 再加上编制通信协议的工作量巨大，满足这样高硬件要求的单片机价格也不菲， 而且当通信协议的运行和站点的外设控制均从软件上依赖于宿主机微处理器时， 两方面对微处理器资源的争抢和冲突会影响到对通信状态机的实时控制，从而大 大降低通信的实时性能，因此p r o f i b u s d p 从站的主流设计方案都是依靠专用 的通信a s i c 芯片实现的。【2 】 1 5 本文的研究目标 目前市场上常用的p r o f i b u s d p 从站控制a s i c 芯片均由少数国外大型自 动化设备生产商提供，如s i e m e n s 、p r o f i c h i p 等，国内自动化设备厂商几乎没 有相应的产品面市，这就大大限制了我国自动化现场总线产业对p r o f i b u s d p 9 浙江火学硕士学位论文基于f p g a 的p r o 同b u s d p 从站设计 协议核心技术的掌握，导致了对国外产品的依赖，不利于p r o f i b u s d p 在我国 的推广及应用。所以本文实现了一种基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计方案， 利用数字电路来解决若干在高通信速率和高实时性需求的情况下单片机软件无 法解决的关键性问题，以实现p r o f i b u s d p 主从站点的正常通信。整个设计结 构类似于接口模板，采用f p g a 实现p r o f i b u s d p 从站功能，外接m s c 5 1 c p u 和r s 4 8 5 接口，构成了整个p r o f i b u s d p 从站系统。 1 0 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 第2 章p r o f i b u s d p 协议分析 p r o f i b u s 利用了现有国际标准，其协议以国际标准o s i 系统互连模型 ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 为基础，定义了通信所需要的 所有元素结构和任务，并把它们分为7 层，即应用层、表达层、会话层、传输层、 网络层、数据链路层和物理层。p r o f i b u s d p 使用了第1 、2 层加一个用户的 应用接口，而对通用意义上的第3 一- - 7 层并未加以描述定义，这种精简结构的好 处是数据传输的快速和高效率。 2 1p r o f i b u s - d p 物理层 p r o f i b u s d p 的物理层传输方式采用的是基于e a 定义的r s 一4 8 5 方式， 其应用既适合于需高速传输的系统，也适合于简单、廉价、需快速铺设的场合。 r s 一4 8 5 采用平衡差分传输方式，在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输 大小相同而方向相反的电流，以削弱工业现场噪声，且避免多个节点间接地电平 差异的影响。r s 一4 8 5 传输数据的速率为9 6 k b p s - - 1 2 m b p s ，且一个系统中总线上 的传输速率对连接在总线上的各个设备是统一设定的，各个设备均连在具有线型 拓扑结构的总线上，每一个线段可以连入的最大设备数为3 2 ，每个线段的最大 长度为1 2 0 0 m ，当设备数多于3 2 时，或扩大网络范围时，可使用中继器连接各 个不同的网段。 总线上的所有接入设备在静止状态( 非通信状态) 时均处于高阻状态( 三态 门) ，此高阻态可使总线电缆处于不确定的电平状态且容易损坏电流驱动部件， 为避免此情况出现，一般在总线终端器中施加2 个总线偏置电阻，使总线电缆的 稳态( 静止) 电平保持在一个稳定数值。理论上说，在一个总线段中起码要接入 一个这样的总线终端器，为保险起见，工程实践中要求在两端各接入一个，即接 入两个总线终端器。 信号的传输是以半双工、异步、无间隙同步为基础的，传输的调制形式为 n r z ( 不归零) 编码，即在整个码的时间内，都维持有效电平，而当线路空闲时， 浙江人学硕+ 学位论文 基丁：f p g a 的p r o n b u s d p 从站设计 保持在状态“1 ”。电缆上的信号在高速传输中的一个常见问题是信号的畸变，计 算表明，电信号在导线上的传播速度可达约光速的2 3 ，如此高速的传播信号不 可能在到达电缆两端后简单地消失，而是会被“反射 回来，叠加到原始的信号 波形上，从而引起干扰。理论上说这种反射干扰对所有速度的信号波形的传输都 会有影响，比特率越高，位传输时间越短，则影响越大，在当前p r o f i b u s d p 应用中，传输速率一般都设在1 5 m b p s 以上且常常到1 2 m b p s ，为了消除此干扰， 通常的方法是在电缆的两端接入终端电阻一一阻抗匹配电阻，以吸收传到两端的 能量，从而避免信号反射的形成。现代工程实践中，作为r s 4 8 5 电缆接入工具 的d 型接头，已经内置了上、下拉电阻和终端阻抗匹配电阻，当此接头位于总 线段的首尾两端时，开启其上的拨码开关，即接通偏置电阻和终端电阻，从而使 得电缆的特征阻抗等于总线终点上的终端电阻，以消除传输信号的反射干扰。 并行的多股总线电缆可以等效表示为一个电容和电感的并联模型，因此，电 缆上的每一个接入点都会引起电缆特性的改变，也有可能造成新的反射干扰、传 输信号变形等，所以需要特别注意每一个现场设备的接入连接方式的规范。目前 市场上有专用的总线接头、座和专用工具，用户可以在不中断原有的系统工作的 情况下，切割电缆屏蔽层，方便地将新加的站点连入总线电缆，要注意的一个问 题是接头的内部不可避免地要使用部分短接线，长度一般在几厘米，当系统的数 据传输率处于1 2 m b p s 时，这些短接导线产生的容载不得超过3 5 p f ，否则必须外 加电感以进行感性补偿。【1 1 1 2 1 2 2p r o f 旧u s d o 数据链路层 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 在现场总线系统中常被称为f d l ( f i e l d b u sd a t a l i n k ) ，包括了介质访问控制m a c 子层和现场总线链路控制子层f l c ( f i e l d b u s l i n kc o n t r 0 1 ) ，两者在现场总线管理f m a ( f i e l d b u sm a n a g e m e n t ) 下共同完成“呈 接上层应用层的任务，下达给物理层；呈接下层物理层的数据，上传给应用层一。 浙江人学硕士学位论文 基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 数 图2 1p r o f i b u s d p 协议层次结构 2 2 1f d l 层服务和交互作用规范 在主站和从站之间，p r o f i b u s 能够周期性或非周期性地传递参数和检测、 控制数据，以实现数据交换，这是p r o f i b u s 的基本功能，这些基本的f d l 功 能集是构成各种规约功能的基础。 提供给p r o f i b u sf d l 层用户的传输服务功能如下： ( 1 ) 发送数据需应答( s d a ) 此服务允许主站中的f d l 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