（检测技术与自动化装置专业论文）基于pc的现场总线监视仪的研究和开发.pdf

i1i 1-、 at h e s i ss u b m i t t e x l f o rt h ed t h er e s e a r c ha n d b a s e do np c m a j o r：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o ne q m p m e n t 1n c a n d i d a t e ：l i a n gm i n gj u n s u p e r v i s o r ： c h e ng u o p i n g w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 摘要 摘要 工业自动化技术的发展经历了3 个阶段：气动式或电动式的模拟仪表控制 系统、集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和现场总线控制系统 ( f c s ，f i d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。而其中现场总线控制系统与其他2 种系统相 比具有很多优势：简化 空制系统结构、大幅度降低系统硬件数量与成本、简化 系统的安装与维护、提高用户自主选择权等，是未来控制系统发展的主要趋势。 在众多的现场总线中，p r o f i b u s 作为市场占有率最大的总线技术，被广 泛地应用于各种场合。但出于工业现场的环境干扰因素影响以及严格的控制要 求，系统维护人员非常需要一套工具对总线控制系统运行状态进行监控和诊 断，以便于发现、分析、更正系统故障或是改进控制系统性能。p r o f i b u s 监视仪正是基于此而提出来的课题。 本课题采用p c 机以及m o x a 公司生产的兼容r s 4 8 5 的p c i 多串口通信 卡c p - 11 4 为硬件平台，、 c - h 为开发环境，开发个基于w i n d o w s 操作系统 的对话框软件以实现对p r o f i b u s 系统状态的诊断。主要的工作重点有：分 析了p r o f i b u s 的核心报文结构、总线时序以及报文的含义、归纳报文间的 区别与联系、系统的技术路线和运行架构、系统的详细设计和测试。通过验证， 软件的运行结果基本可以实现监控并诊断p r o f i b u s 系统。 分析诊断软件的研究和开发是现场总线领域的研究和应用热点之一，本课 题对国内的p r o f i b u s - d p 分析诊断软件有很好的推动作用，此外对开发兼容 p r o f i b u s 接口的智能仪器仪表也有很好的参考作用。 关键词：现场总线p r o f i b u s 监控诊断 武汉工程大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t h e r ea r et h r e e s t a g e i nt h eh i s t o r yo fi n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e m , p n e u m a t i c o re l e c t r i c t y p e o f a n a l o g i n s t n m a e n t a t i o nc o n t r o l s y s t e m , d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d e s ) a n df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w ok i n d so fs y s t e m s ，f c sh a sm a n ya d v a n t a g e s ： s i m p l i f y i n gc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e ，r e d u c i n gi nt h en u m b e ra n dc o s to f s y s t e mi nh a r d w a r e ，s i m p l i f y i n gi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，i m p r o v i n gt h e o p t i o n so fu s e r f c s i st h em a i nt r e n d si nt h ef u t u r ec o n t r o ls y s t e m d e v e l o p m e n t a m o n gt h em a n yf i e l d b u s e s ，p r o f i b u sw h i c ho w e dt h el a r g e s tt h e m a r k e ts h a r eh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u so c c a s i o n s b u tf o ri n d u s t r i a l f i e l do fe n v i r o n m e n t a li n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，a sw e l la st h es t r i n g e n tc o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，s y s t e mm a i n t e n a n c es t a f fn e e dat o o lt om o n i t o ra n dd i a g n o s i s t h es t a t u so ff c st oi m p r o v i n gt h ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e f o rt h e i s s u eo fd e v e l o p i n gp r o f i b u sm o n i t o rw a sp r o p o s e d t h i si s s u eu s e sp ca n dc p 一114 ( p c ic o m m u n i c a t i o nc a r dp r o d u c e db y t h em o x a c o m a p y ) a st h eh a r d w a r ep l a t f o r m , v c + + a st h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t od e v e l o p i n gad i a l o gs o f t w a r eb a s e do nw i n d o w so p e r a t i n g s y s t e mf o rm o n i t o r i n gt h es y s t e ms t a t eo ft h ep r o f i b u s t h em a i nf o c u s h a s ：a n a l y z e dt h et h ec o r ep a c k e ts t r u c t u r eo fp r o f i b u s ，t h eb u st i m i n ga n d t h e i rm e a n i n g ，t h ed i f f e r e n c ea n dc o n n e c t i o na m o n gt h e m ，t h et e c h n i c a ll i n e a n d r u n i n g a r c h i t e c t u r eo ft h e s o f t w a r e ，d e t a i l e dd e s i g n i n g a n d t e s t i n g a u t h e n t i c a t e d , t h e t e s tr e s u l t sh a ds h o w e dt h a tt h es o f t w a r ec a n b a s i c a l l ym o n i t o ra n dd i a g n o s ep r o f i b u ss y s t e m s d e v e l o p i n go fd i a g n o s t i cs o f t w a r ei so n eo ft h eh o tt o p i c si nr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o n sd o m a i no ft h ef i e l d b u s ，t h i si s s u ec a np r o m o tt h er e s e r c ho f i i i 武汉工程大学硕士学位论文 d o m e s t i cp r o f i b u s d pd i a g n o s t i cs o f t w a r ea sw e l la sag o o dr e f e r e n c ei n d e v e l o p i n gi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n dm e t e r sw h i c hc o m p l i a n tp r o f i b u s i 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 sm o n i t o r d i a g n o s i s i v 目录 目录 摘j 1 2 善i a b s t r a c t i i i 目录i 第l 章绪论1 1 1 研究背景和选题依据1 1 2 国内外研究状况和进展2 1 3 研究意义和主要工作3 第2 章p r o f i b u s d p 监视仪的技术路线5 2 1 实现原理5 2 1 1 基于微控制器及p c 机的技术路线6 2 1 2 基于微控制器、a s i c 芯片的技术路线7 2 1 3p c 机+ 软件的技术路线8 2 2p c 机+ 软件的实现方法9 第3 章p r o f i b u s 总线通信协议分析1 l 3 1p r o f i b u s 总线技术基础知识1 l 3 2p r o f i b u s 的通信协议结构分析13 3 2 1p r o f i b u s 的物理层协议1 4 3 2 2p r o f i b u s 的数据链路层和应用层1 5 3 3p r o f i b u s d p 系统的通信过程分析2 0 3 3 1p r o f i b u s d p 的传输技术2 0 3 3 2d p 总线报文存取过程2 1 3 3 4d p 设备的地址分配2 2 3 4p r o f i b u s d p 监视仪核心数据分析2 3 3 4 1 改变从站地址报文2 4 3 4 2 总线诊断请求和响应报文2 5 3 4 3 参数设置请求以及响应报文2 7 3 4 4 组态请求及响应报文2 8 3 4 5 数据交换以及全局控制报文2 9 3 5p r o f i b u s 总线的循环时间计算3 2 3 6d p 总线监视仪的概要设计3 3 3 6 1d p 总线监视仪的需求分析3 4 3 6 2d p 总线监视仪的运行架构设计3 4 第4 章p r o f i b u s 总线监视仪的详细设计3 7 4 1 监视仪的功能模块划分3 7 武汉工程大学硕士学位论文 4 2 获取总线数据模块的设计3 9 4 3 监视仪分帧模块的设计与开发4 3 4 3 1 分帧策略4 3 4 3 2 分帧函数的设计4 5 4 4 各个窗口功能模块的设计4 8 4 4 1 主窗口显示功能4 8 4 4 2 活动站点列表的实现4 9 4 4 3 帧解释窗口功能实现5l 4 5s a p 服务帧的解释5 8 4 6 数据的保存功能6 l 4 6 1 主对话框数据帧的保存61 4 6 2 帧反编译列表控件的导出6 2 4 6 3 监视仪的辅助功能6 3 第5 章p r o f i b u s 总线监视仪的测试。6 5 5 1 监视仪测试平台及测试结果6 5 5 2 测试结果分析7l 第6 章结论与展望7 3 6 1 论文总结7 3 6 2 下一步工作展望7 4 攻读硕士期间发表论文7 5 参考文献7 7 致谢81 i i 第1 章绪论 1 1 研究背景和选题依据 第1 章绪论 经过十几年的实践证明，以p r o f i b u s 技术为基础的f c s 控制系统在各 种场合都表现优秀，其总线标准也成为了目前我国唯一的现场总线国标，可以 预见在国内各个领域以p r o f i b u s 现场总线为基础构成的f c s 系统将得到越 来越广泛的应用，各种p r o f i b u s 配套产品的开发也会受到更大的重视，这 是工业控制发展的需求决定的【l 】o 但是电磁干扰、空气潮湿等因素极易出现在工业控制环境，并且控制系统 的设备长时间、超负荷地运行也会出错，加上严格的控制要求，要保障生产的 安全和效率，系统维护人员需要有一种高效率的工具来实时监测和诊断 p r o f i b u s 系统的状态；另外，系统集成工程师也需要工具来调试系统的设备， 根据监视仪的提示，快速找到不正常设备的位置和原因，以便检修。因此，开 发p r o i 兀b i7 s 总线的分析诊断软件( t i p 总线监视仪) 也成为现场总线领域的 一个研究和应用热点。总线监视仪的作用有很多，如在试车期间发现各种总线 错误，系统集成人员就可以根据错误预先采取措施以减少投产后的损失、运行 期间能动态分析总线状态而不用暂停整个生产线、在停车期间工程师也可根据 监视仪保存的历史数据找到可能需要更换的仪器仪表等等。 在p r o f i b u s 工业控制系统中，各个主站( 一般是p l c ，兼容p r o f i b u s 接口) ，各个从站如工业现场的仪器仪表、驱动装置如阀门等全部都挂载在 p r o f i b u s 数据总线上。一个典型的工业控制过程比如主站要开启某个阀门， 主站发送相应的数据帧( 数据的发送目的地址、源地址、控制要求如开阀门等 信息都包含在其中) 到肼帅u s 总线上，只有对应地址的从站( 阀门) 可 以接收这个数据帧并解析出其中的控制参数( 如开启阀门等) ，然后做出响应 ( 把阀门打开) 。因此，p r o f i b u s 总线上的数据包含了p r o f i b u s 控制系统 的运行状态，只要能获取这些数据就可以根据它们分析出系统的运行状态。更 武汉工程大学硕士学位论文 进一步，如果要人工控制某个设备，只要把设备的地址、控制参数等按照 瑚帅u s 协议格式打包后发送到总线上就可以了。 由于p r o f i b u s 协议是一个完全开放的协议，并且符合i s o o s i 参考模 型，使得开发p r o f i b u s 监视仪成为可能。利用具有r s 4 8 5 传输技术的通信 卡就可以把p r o f i b u s 总线物理层的电气信号转化为数字信号，只不过这样 得到的数据是连续的、没有分帧的数据，监视仪读到这些数据后根据 p r o f i b u s 数据链路层传输协议把这些连续的数据进行分帧，这样就可以得到 完整的、分离的报文帧，最后在应用层根据这些报文帧的数据结构分离这些报 文帧的各个组成部分，分析这些组成域的每位或几位就可以得到系统的运行 状态。 如果把m o x a 公司的c p - 11 4 通信卡把p r o f i b u s 数据总线和p c 机连 接起来，c p - 11 4 数据通信卡截取到一段数据如下所示： 可以看到帧1 和帧2 在内存中是连续保存的，监视仪必须通过一系列的数据处 理才能得到系统的运行状态。比如分析帧头、帧长度、帧类型等把帧1 和帧2 分开，再对帧1 、帧2 进行数据域的分离，比如帧l ，它有3 个鲴成域：帧头、 目的地址、源地址，它们的值分别为0 虹) c 、0 x 0 2 、0 x 0 1 ，再根据帧头的含义 知道这是个令牌传递报文，这样就可以得到这个报文的含义为：主站( 地址 为1 ) 让出总线通道控制权给另个主站( 地址为2 ) 。因此，对h 帅u s 报文的分析是开发监视仪的理论基础。 总线监视仪无论是在总线系统的安装调试或者是在运行期间，都可以大大 提高工作人员的效率，是现场总线广泛应用的需求。 1 2 国内外研究状况和进展 p r o f u s 协议是由德国s i e m e n s ( 西门子) 公司为主的十几家跨国公 2 第1 章绪论 司共同开发的一种现场总线技术，因此西门子首先推出了一种简单的 p r o f i b u s 调试工具软件d p d e m o ，它可以帮我们找出由于以下原因而引起的 故障：不良的优i 接线、组态错误、装置膜块失效以及数据字节分配或次序错 误，但是它不能在系统运行时进行在线动态的诊断，所以对p r o f i b u s - d p 系 统的信息分析和诊断还需要专门的工具。西门子随后研发的a m p r o l y z e r ( a d v a n c e dp r o f i b u s a n a l y z e r ) 就是这样的一款软件工具，a m p r o l y z e r 的系 统调试功能比d p d e m o 强，借助于a m p r o l y z 凹分析诊断软件，我们可以了解 每个站点的参数化、组态、诊断报警和数据交换的详细情况，从而对系统进行 分析。p r o f i b u s 的推广也使得欧洲一些自动化设备和软件供应商如德国 s o i l i n g 公司也开发出分析诊断软件p r o f i b u sa n a l y z e rm o b i l e ，它可以对系 统进行组态，集成有数据存取的行规( v 2 0 5 ) ，可以对w 姗u s _ d 叫0 和 d p - v 1 的变量进行读写操作，可以对p r c i h 7 s 的通信过程进行监测。但是 使用这些软件必须和相应的适配器或者板卡配合使用，并且价格不菲，不能在 国内很好普及。 此外，美国n i 公司推出的一种总线监视仪n i - f b u s 是个3 2 位的基于 w i n d o w s 的应用程序，可以实现在线动态诊断，用户可以使用该监视器监视、 调试和分析总线上的数据包。但是它是针对f f ( 基金会现场会总线) 开发的， 不能对p r o f i b u s 总线进行分析和诊墙和。 目前，在国内还没有推出一款比较好的针对p r o f i b u s 总线的在线动态 分析诊断仪。本设计的出发点就基于此，目标是开发出类似于公司的 n i - f b u s 监视仪，不采用专门的a s i c 协议芯片，以此来推动邢帅u s 相 关配套产品的国产化。 1 3 研究意义和主要工作 p r o f i b u s 家族成员包括f m s 、d p 和p a ，由于f m s 使用较为复杂，成 本较高，市场占有率低，而d p 可以稳定使用的通信速率越来越高，使得 p r o f i b u s - d p 已经完全取代f m s ，d p 已经占到整个p r o f i b u s 应用的9 0 武汉工程大学硕士学位论文 的安装实例，代表了p r o f i b u s 的技术精华和特点，因此本监视仪是针对 h 帅u s - d p 系统设计。p r o f i b u s 使用的是复合通信机制，其由两部分组 成：主主站间的令牌传递t o k e n和主从站间的 。 是_passing 耥- j 3 1p r o f i b u s 目前所有现场总线中最复杂的协议之一，因此，很多厂家都是通过a s i c 协议 芯片如s p c 3 等来开发p r o f i b u s 监视仪。虽然采用a s i c 芯片可以大大减轻 设计的工作量、缩短开发时间，但是通过这种方式开发并不能深入理解 p ro 】即b i7 s 技术的席质，因出席设计采用的方l 、法是通过卟谦容r s 4 8 5 的p i 丑 多串口通信卡把连续的总线数据读到p c 机上，在详细分析并透彻理解 p r o f i 瞰s - d p 协议的基础上开发的一款基于w i n d o w s 的软件，所有的功能都 是用软件实现的，比如数据的分帧、帧的分离、分析、显示、保存等等，本设 计主要工作有3 点：( 1 ) 监视仪技术路线的探讨；( 2 ) p r o f i b u s 协议的理论 分析；( 3 ) 监视仪的概要设计、详细设计、测试等。 通过此款监视仪的开发，能够体会p r o f i b u s 的最本质的内容，并且监 视仪的所有模块都是开放的，对开发其他的p r o f i b u s 产品如p r o f i b u s - d p 智能从站、总线转换的接口等等都有很好的推动作用。 _， 4 第2 章p r o f i b u s d p 监视仪的技术路线 第2 章p r o f i b u s - - o p 监视仪的技术路线 、 基于p c 的p r o h 默，s - d p 的监视仪最基本的功能把d p 总线的数据按照 d p - v 0 报文格式把各个数据帧分离，提取并显示各个数据帧的各个鲴成域，对 各个组成域进行分析并显示它们代表的含义，还要能保存历史数据以供系统控 制人员离线分析系统的运行状态，以便于及时发现d p 系统中各个设备产生的 故障，使p i 啪u s - d p 能更好地为生产服务。 基于p c 的p r 0 啊默飓- d p 的监视仪工作的最基本条件是p c 机能够获取 d p 总线上的数据，但现在的p c 机一般都只提供了i & 3 2 接口，不符合d p 的r s 4 8 5 传输特性，因此p r o f i b u s 监视仪需要通过个兼容r s 4 8 5 的p c i 通信卡才可以读取d p 总线上的数据炉。监视仪与d p 总线的连接示意图如图 2 1 所示： p r o f i b u s d p 总线 现场 设备1 现场 设备n 兼容r s 4 8 5 的 p c i 通信卡 2 1 实现原理 p r o f i b u s 协议是个完全公开的国际现场总线协议标准，不会有知识产 权之类的争议，任何个人和厂商都可以根据这个协议设计出各自的p r o f i b u s 产品，而所有的软硬件实现都可以自由选择，只需要接口符合p r o f i b u s 协 议标舻网。 武汉工程大学硕士学位论文 p r o f i b u s - d p 总线监视仪并不是要实现p r o f 弧珞- d p 协议，而是要把 得到的数据根据d p 的协议进行分帧处理，并进行提取、分析组成域以达到诊 断邢江) f m u s - d p 系统的功能。根据监视仪的功能以及现在微控制器技术的高 速发展，开发p r o f i b u s - d p 总线监视仪的技术路线有如下3 种方案： 使用微控制器m ai 和p c 机，微控制器通过自带的r s 4 8 5 串行通信接口 来获取总线上的数据1 7 ，将数据分帧后通过u s b 或者其他接口传给p c 机，那么p c 机得到的数据就是完整的、分开的数据帧，在p c 机e 直接 对数据帧进行分析即可。 利用微控制器、专用a s i c 芯片和p c 机，a s i c 芯片如s p c 3 集成了 h 帅u s d p 通信协议，微控制器只需要控制a s i c 芯片就可以得到 完整的p r o f i b u s 数据帧，这样可以大大减轻微控制器的处理任务， 对开发人员的要求也较低，只需要理解a s i c 芯片的控制时序即可跚， 但是不能真正理解p r l 0 i h 砹珞的技术细节，没有很好的通用型。 只利用p c 机通过个兼容r 洱8 5 的p c i 多串口通信模块读取d p 总线上 的数据，其他所有的功能都在p c 机e 完成，灵活性最大、成本最低但 是开发的难度也是最大的。 2 1 1 基于微控制器及p c 机的技术路线 这种方法并不是将监视仪所有的功能都用微控制器来实现，微控制器 m c u 主要是保存数据和分帧。通过具有r s 4 8 5 传输功能的通信卡连接系统总 线和微控制器，微控制器m c u 在串口的中断服务子程序中把数据保存到m c u 缓冲区，在应用协议层按照d p 的报文帧的格式对数据进行分帧处理，然后通 过其他接口如u s b 将数据帧发送给上位机( p c ) ，那么上位机接收到的数据 就是完整的数据帧，这样p c 机就可以直接进行帧分析，完成剩余的功能，比 如帧的显示、提取出数据帧中各个组成域再进行分析诊断等等。其技术路线结 构如图2 - 2 所示。 6 第2 章p r o f i b u s - d p 监视仪的技术路线 m c u 对数据进 行分帧 r s - 4 8 5 数 据缓冲区 u s b 数据 缓冲区 u s bu s b 总线fp c 接口r 1 分析显示 这种方案的不仅对软件开发人员的要求高，因为要编写大量的应用协议处 理程序，对硬件的要求也很严格( 微控制器的处理能力和数据存取要求) 。虽 然硬件设计很简单，但是m 呲片的数据处理速度毕竟有限( 普通m c i ，的晶 振一般小于3 3 m h z ) ，当p r o f i b u s - d p 的传输速率达到1 5 m b p s 以上后，将不 能保证它能达到将数据进行正确、及时分帧，p r o f i b u s 控 j 系统的通信速度 快、数据流量很大，般的m c u 系统难以保存大量的数据；并且分帧完成之 后还要与p c 进行通信以传输数据帧到p c ，因此还要自定义通信协议，以保证 m c i ，和p c 通信的正确性，在p c 机上还是要进行通信协议的处理，虽然会l l d p 协议简单很多，但是进过2 次通信，难以保证监视仪能得到正确的数据，对监 视仪的可靠性是个很大的考验；并目j i c 机要通过ij s b 来读取m a ，传输过来 的数据，因此还要开发w m d o w s 下的u s b 驱动程序，增加了额外的开发难度。 2 1 2 基于微控制器、a s i c 芯片的技术路线 由于a i s i c 协议芯片已经集成了p r o f i b u s - d p 的l t o k e n 协 2 妒，并 且可以执行一些底层任务，比如将参数打包成p i 帅截取 p r o f i b u s 帧、管理总线令牌以及与通信有关的状态机控制等功锹1 0 1 。这样开 发的重点就集中在了用m c u 控制a s i c 芯片上了。组成这样的一个系统只需要 添加很少的设备就可以了，m c u 与a s i c 芯片连接好之后，根据a s i c 的工作时 序就可以编写相应的控制程序来得到p r c 闾b i7 s 数据帧，根据2 块芯片硬件连 接图可以计算a s i c 的地址，对m c i ，的对应的外部ra m 地址进行读写就可以控 带l j a s i d l l 】，然后m a 将得到的数据送至p c 机进行后续的处理：显示、分析及 7 武汉工程大学硕士学位论文 保存等。这种技术路线的结构如图2 - 3 所示。 a s i c 芯片 ( 负责数据的分帧) m c u ( 负责数据的转换) u s bu s b 总缕lp c 接口r _ 1 分析显示 图2 - 3m c u - i - a s i c 芯片原理图 这种方式并不要求编制大量的珊帅u s 协议处理软件，任务的重点在如 何控制a s i l 砘参议芯片，m c u 的负担大大减轻，并且相对于编写大量的协议处 理软件来说，任务减轻了许多。但是这种方法也有一些缺点，同第l 中方案一 样，还是要编写m a 屿p c 艺间的通信协议以及w m d o w s 下的u s b 驱动程序； 另外芯片的增多增加了系统的不稳定性；最主要是没有深入到p r c 啊s 技术 的核心内容，对开笳p r o f h 珞相关的配套产品没有推动作用。 2 1 3p c 枷软件的技术路线 在这个方案中，p c 机通过m o x a 公司的c p - 11 4 ( 兼容r s 4 8 5 传输技术) 通信卡直接读取p r c i f i b i ，s - d p 总线上的数据，在、b 件开发环境中对数据进行 分帧、显示、分析等功能。因为监视仪所有的功能都必须用软件来实现，因此 开发的难度比较大，必须对h o o f u s 的总线存取时序、数据帧中功能码的含 义、报文的结构有深刻的认识，开发量大，比如收到一个只含有6 字节基本诊 断信息的报文的处理过程，如果不对报文进行必要的整理( 将某些位的含义进 行合并) ，将要处理2 1 1 = 2 0 4 8 种情况。 基于此方案能够深入到邢帅u s 技术细节，硬件条件很稳定，并且无论 在国内还是在国外，都还没有类似的产品问世，因此，本设计就采用第三种方 案，在v ( 1 h 集成开发环境下完成d p 总线监视仪的开发。 第2 章p r o f i b u s d p 监视仪的技术路线 2 2p c 机+ 软件的实现方法 通过这种方案来实现监视仪的设计，需要开发者熟, 悉w m d o w s 操作系统运 行原理以及v i 鲫a 】c 抖的开发流程。这种方案的实现方法如图2 4 所示。 一 觚众捌表 洛北潞一。少 7 帅肜州1 l一自r i 蒯一p 0 s i m 麟够l原语解释 p然、氐7 r y 弋俪显示 o 爹、 f总 l 根据p r o f u 如p 数据结构将读取的总 i 线 线数据进行分帧处理 b 利用m s c o 舢控件对串口进行操作 u s操作系统串口驱动程序 弋 7 ：4 8 5 p c i j 匝 p c i 插槽 i 信模块 叫 应用软件层 操作系统层 1 物理层， 图2 4p r o f i b u s 监视仪的实现方法结构图 在物理层，监视仪通过兼容r s 4 8 5 的p c i 通信卡( m o x a 公司的c p - 11 4 多串口卡) 来读取p r o f i b u s 总线上的数据，把c p - 11 4 按照安装说明接到 p c 机上( 本设计中设置为p c 机的c o m l ) ，设置好相应的跳线即可，具体的 设置请参照c p - 11 4 的使用手册。、h 开发环境下就可以像操作r s 2 3 2 串口 一样操作c p l1 4 通信卡所对应的串口【1 2 。嘲，在上层应用协议层可以利用 9 武汉工程大学硕士学位论文 w m d o w s 下r s 2 3 2 设备的应用程序接口( 删，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，) 函数或串口控件来对p c 内存中的数据分帧。有2 种方法可以进行 分帧处理，一是根据d p 的报文格式进行分帧，二是根据总线上信息的循环时 间进行分帧，分帧完成后将数据帧封装通过消息函数发送给各个功能子窗口， 各个子功能窗口通过各自的消息处理函数对数据帧进行相应的处理，比如站点 列表窗口只需要提取数据帧的地址内容并显示，解释窗口则要进行复杂的拆包 处理。读取数据主要由监视仪的主线程( 即主窗口函数) 、串口中断函数来实 现，分帧及发送数据帧给子窗口由工作者线程完成。 1 0 第3 章p r o f i b u s 总线通信协议分析 第3 章p r o f i b u s 总线通信协议分析 在第2 章中讨论了开发p r o f i b u s 监视仪的3 种技术路线，最终选择了 第3 种方案，本设计的研究和开发的主要步骤有：了解p r o f i b u s 总线的技 术特点、理解p r o f i b u s 的通信协议基础、重点分析了p r o f i b u s 中d p 子 集的通信原理和报文结构，然后进行软件的需求分析和整体架构设计。 3 1p r o fib u s 总线技术基础知识 国际电工委员会( i n t m m 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 ) 在现场总线国 际标准i e c a s l1 5 8 ( a p 用于测量和控制的数字数据通信用于工业控制系 统的现场总线) 中给现在总线下了一个定义，该标准定义描述的是：安装在 制造和过程区域的现场装置与控制室内自动化控制装置之间数字式、串行、多 点通信的数据总线称为现场总线。它是3 c 技术计算机技术( c o m p u t e r ) 、 控制技术( c o n t r 0 1 ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 高度发展并有机融合的结果。 现场总线的出现，标志着自动化技术步入了一个新的时化阍。 p r o i h s 技术是p r o c e s sf i e l db u s ( 过程现场总线) 的缩写。在1 9 8 7 年到1 9 9 0 年期间，p r o f i b u s 的标准规范作为个研究课题得到了德国政府 的大力支持和资助，一共有1 2 家组织( 公司) 和5 家德国研究所共同开发和 研究。1 9 8 9 年发布了第个p r o f i b u s 草案，作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 的第1 部分和第二部分，它被定义为p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。1 9 9 3 年发布了被定义为p r o f i b i 7 s - d p ( d 删让蜘p e r i p h e r y ) 的第3 部分。1 9 9 6 年被欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ，e u r o p e a n c o m m i t t e e f o r 日e c t r o t e c h n i c a ls t a n d a r d i z a t i o n ) 欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年7 月 被纳入现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 t 1 1 7 】。 p r o f i b u s 技术凭借其在中国广泛的应用以及相关配套测试技术的本土 化，p r o f i b u s 协议标准分别在2 0 0 1 年和2 0 0 6 年l o 月被批准为国内首个机 武汉工程大学硕士学位论文 械行业标准( j b 厂r1 0 3 0 8 3 - - 2 0 0 1 ) 和中华人民共和国国家标准g i 豺t 2 0 5 4 0 2 0 0 6 ，目前它是中国惟一的现场总线国家标准；1 羽。 p r o f i b u s 以其标准的完整i 生、开发性、透明性，正在引领着工业自动化 的前进方向。 按照传统的说法，邢帅u ，s 的家族成员包括f m s 、d p 和p a ，但由于 f m s 自身的缺点，如成本高、使用起来很复杂，使得p r o f i b u s - d p 已经能 完全取代f m s ，所以p i 已经不再支持f m s 的发展，也没有被列入i e c 6 11 5 8 中【蝴。图3 1 所示为p r o f i b u s 各个成员应用范围的比铰关系。 图”l 吣、d p 和p a 的应用范围的比较 ( 1 ) 瑚姗u s 羽m s 协议标准应用于一般的自动化控制系统中，如低压 开关系统和纺织控制系统，它是最初的p r 0 帆珞协议版本，主要应用在各 个车间中各个主站间的通信及有庞大数据传输场合，可进行面向对象和点对点 的数据通信，但是使用起来比较复杂，而且成本很高，已经基本被 p r o f i b u s - d p 协议标准所取代刚。 ( 2 ) r o f i b u s - d p 技术用于电气控制系统和化工控制系统中，它具有设 计方便、结构简单、功能强大等特点，已经基本取代了f m s 。d p 的3 个协议 版本d p - v 0 、d p - v 1 和d p - v 2 ，分别用于第一类主站和从站之间循环数据交 换、过程控制场合、高速和高精度的运动控制系统，其中d p - v 0 是基本版本， 另外2 个都是在其基础上的扩展版本【2 1 1 ，本监视仪就是用来监控基于d p - v 0 版本的控制系统的。 1 2 第3 章p r o f i b u s 总线通信协议分析 ( 3 ) 瑚义) f m i s p a 协议标准是专门为大型的工业过程控制场合而设计 的，通俗地理解就是它取代了工业过程控制中传统的4 2 0 m a 标准信号。它以 d p - v 1 协议为基础，在基于p r o 】b ly s - p a 技术的控制系统中，总线既充当了 设备间的数据传输通道又充当了电源角色，符合现场总线本质安全( f i s c o ) ， 因此p r o i m iy s - p a 控制系统可以方便地应用于存有爆炸危险的场合和化学工 业过程控制系统中，如污水处理、石化、电力等行立口捌。 3 2p r o fib u s 的通信协议结构分析 p r o f i b u s 的协议结构以i s o 0 s i 为参考模型，其协议结构模型如图3 2 所示。 用户屠 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 l ：= ：三j l= ： ji ：= j f m s 行规d p 行规p a 行规 现场总线信思规范d p ( f m s ) 基于d p v o d p 扩, 展d p - v1 。d p v 2 现场总线数据链路层( f d l ) m b p 接口 r s 4 8 5 光纤m b p ( i e c 6 l1 5 8 - 2 ) 图3 - 2i p r o f i b u s 的协议模型 从图3 吃中可以看出，虽然所有的p r o f i b u s 协议标准都规定了完整的0 s i 通信协议栈的全部功能，但并不包含0 s i 的3 6 层，这4 个协议层的必备的 通信功能全部被包含在了p r o f i b u s 协议标准模型的数据链路层和应用层中 了。p r o f i b u s 协议标准只使用了i s o o s i 的第l 层、第2 层和第7 层，另外 加上一个用户层( p r o f i l e ，即行规) ，这样做大大简化了协议结构，提高了数据 的传输速率网。 f m s 、d p 和p a 的数据链路层是完全相同的，即它们三者的数据通信基 本协议是相同的，所以它们可以存在于同一个网络中；d p 和f m s 的物理层均 1 3 武汉工程大学硕士学位论文 使用r s 4 8 5 f o ( f i b e ro p t i c ) ，所以它们可以使用同一根电缆进行各自的通信； 虽然p a 的物理层m b p ( m a n c h e s t e rc o d eb u sp o w e r ) 技术，但