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摘要 p r o fib u s 总线的通信分析工具 摘要 随着p r o f i b u s 的应用越来越广泛，p r o f i b u s 控制系统的安装、调试和 查错就变得越来越重要了。因此设计了基于p c 的p r o f i b u s 总线通信监测 仪，它对p r o f i b u s 系统的维护、监视、发现并维修故障具有重要意义，是 一个不可或缺的重要工具。它能对接入到p r o f i b u s 总线的各种设备进行在 线监测、实时分析和处理。 通过分析p r o f i b u s 通信监测仪实际应用中的功能要求，及研究 p r o f i b u s 通信协议，本文详细阐述了研发p r o f i b u s 监测仪的关键技术，包 括报文识别技术、报文数据解析技术、站点扫描技术以及从站测试技术； 根据监测仪应用中的需求，附加实现了报文数据储存及搜索功能、条件触 发启动功能、报文过滤显示功能等；监测仪的硬件电路上采用 a r 9 l s a m 7 s 6 4a r m 7 芯片+ a d m 2 4 8 6 芯片的方法实现了将r s 4 8 5 上的总 线数据转换为u s b 格式的数据；文中详细介绍了软件m o n i t o r 的设计方 法和实现流程，并在总线系统的使用中进行了验证。 课题的主要创新点有：( 1 ) 在报文识别方法上，采用依据总线各类报 文不同特征的方式识别报文，解决了产品不能1 5 滥1 m j 足总线高速传输的问题； ( 2 ) 在报文解析过程中，对报文具体数据部分进行了逐个二进制位的解 析，有利于获得系统各类具体信息；( 3 ) 实现了用p c 机代替主站对从站 进行澳蜥功能+ ，一苁而能够方便解决从站开发过程串的测试问题。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：现场总线，p r o f i b u s ，通信监测仪，报文数据，活动站点 n a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp r o f i b u s c o m m u n i c a t i o nm o n i t o r a b s t r a c t a p p l y w i t ht h em o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o fp r o f i b u s ， i n s t a l l a t i o n ，d e b u g g i n ga n dt r o u b l e s h o o t i n go f p r o f i b u s c o n t r o ls y s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e r e f o r e ，p r o f i b u sc o m m u n i c a t i o n m o n i t o rb a s e do np ci sd e s i g n e d i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rm a i n t e n a n c e ， m o n i t o r i n g ，d e t e c ta n dr e p a i r f a u l t so fp r o f i b u s s y s t e m s o i ti sa n i n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tt 0 0 1 i t c a np r o v i d et h eo n - l i n em o n i t o r i n g f u n c t i o n ，t h er e a l t i m ea n a l y s i sf u n c t i o na n dt h er e a l t i m ep r o c e s s i n gf u n c t i o n f o rav a r i e t yo fd e v i c e sw h i c ha r ea c c e s s e dt op r o f i b u ss y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n g t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s f o rp r o f i b u s c o m m u n i c a t i o n sm o n i t o ri nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dr e s e a r c hp r o f i b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h i s p a p e rd e s c r i b e st h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h e d e v e l o p m e n t o fp r o f i b u s m o n i t o r , i n c l u d i n gt e l e g r a m i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , t e l e g r a md a t aa n a l y s i st e c h n i q u e s ，s t a t i o ns c a n n i n gt e c h n o l o g y , a n dt e s t i n gt e c h n i q u e sf o rs l a v es t a t i o n ；a c c o r d i n gt ot h en e e d si nt h e a p p l i c a t i o no fm o n i t o r , i ta d d i t i o n a la c h i e v e dt e l e g r a md a t as t o r a g ea n ds e a r c h f u n e t i o n ；c - o r i d i t i o nt r i g g e r i n gf u i a - e t i o n ；t e l e g r a mf i l t e f i r i gd i s p l a 3 7 f u n c t i o n ，e t c ； l 北京化工大学硕士学位论文 t h eh a r d w a r ec i r c u i tu s e da t 91s a m 7s 6 4a r m 7c h i p + a d m 2 4 86c h i pt o r e a l i z et h ec o n v e r s i o nf r o mr s 4 8 5b u sd a t at ou s bd a t a ；t h ep a p e rd e s c r i b e s t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hp r o c e s si nd e t a i l ， a n dt h em o n i t o rh a sb e e nv e r i f i e di nt h eu s eo fp r o f i b u ss y s t e m t h e r ew e r et h r e ep o i n t so fi n n o v a t i o n ：( 1 ) i nt h et e l e g r a mi d e n t i f i c a t i o n p r o c e s s ，u s i n gt h em e t h o dt h a td i f f e r e n tt y p et e l e g r a mh a sd i f f e r e n tf e a t u r e st o i d e n t i f i c a t et e l e g r a m ，t h i sm e t h o ds o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ep r e v i o u s p r o d u c t s c a nn o tm e e tt h eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o ni nt h eb u s ；( 2 ) i nt h e t e l e g r a ma n a l y s i sp r o c e s s ，p r o v i d et h ea n a l yb yb i t sf o rt e l e g r a ms p e c i f i cd a t a ， t h i sc a ng e tt h es p e c i f i ci n f o r m a t i o na b o u tt h es y s t e me a s i l y ；( 3 ) i m p l e m e n t a t e t h et e s tf u n c t i o nf o rs l a v et h r o u g hu s i n gp ci n s t e a do fm a s t e r , s ot h i sf u n c t i o n c a ns l o v et h es l a v et e s tp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s se a s i l y k e yw o r d s ：f i e l db u s ，p r o f i b u s ，c o m m u n i c a t i o nm o n i t o r , t e l e g r a m d a t a ，a c t i v es t a t i o n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 作者签名：趣兰日期：兰竺堡垒堇目兰旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名j 一= 叁兰一：= 且期二 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 现场总线概述 第一章绪论 现场总线是过程控制技术、仪表技术以及计算机网络技术等紧密结合的产物，它 解决了数字信号的兼容性问题，因此一出现便显示出了强大的生命力和发展潜能。 i e c 6 1 1 5 8 中给现场总线下的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式的、双向、多点通信的数据总线称为现场总线uj 。上述定 义中，第一指出了它的主要使用场合，即制造业自动化、批量流程控制、过程控制、 楼宇自动化等领域；第二指出了总线系统中的主要角色是现场的自动装置、控制室内 的自动控制装置，当然现场设备或装置是智能化的；第三指出了它是一种数据总线技 术，即一种通信协议。 在现场总线技术出现以后，将基于现场总线的全数字式的控制系统称为现场总线 控制系统( f c s ，f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 是指工业自动控制领域中的一种计算 机局域网，以具有高度智能化的现场仪表和设备为基础，在现场使用中实现彻底的分 散，并将现场中分散的测量点、控制设备点作为网络节点，以总线的形式把这些点连 接起来，形成现场总线网络【2 l 。简单来说，f c s 包括控制部分( 主站) 、测量部分( 从 站) 、软件( 组态、管理等) 、网络的连接及集成设备。现场总线的结构特点主要有： 基础性、灵活性、分散性；技术特点有：开放性、交互性、自治性p j 。 1 2p r o f i b u s 技术发展现状 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。p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、多主多从三种通信方式，可方便地构成集中式、集散式和 分布式控制系统【4 】。在p r o f i b u s 系统中，主站对总线具有控制权，主站间通过传递令 牌来传递对总线的控制权，令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到 总线控制权。主站与从站之间采用主从方式，从站只能被动接收报文，获得当前处于 总线控制状态的主站发送的信息【5 j 。 1 2 1p r o fib u s 的分类 根据e n 5 0 1 7 0 标准，p r o f i b u s 有几种改进型，分别用于不同的领域。 北京化工大学硕士学位论文 ( 1 ) p r o f i b u s d p 用于数据链路层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输 入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还 提供了智能化设备所需的非周期性通信功能，即组态、诊断和报警处理等。 p r o f i b u s d p 是在目前在全球应用最为广泛的总线系统。p r o f i b u s d p 是一种由 主站、从站( m a s t e r s l a v e ) 构成的总线系统，主站功能由控制系统中的主控制器来实现。 主站在完成自身功能的同时，通过循环的以及非循环的报文与控制系统中的各个从站 进行通讯。它的实时性远高于其它类型局域网，因此非常适用于工业现场，一般所说 的p r o f i b u s 泛指p r o f i b u s d p 。d p 内部通信中可分为循环通信v 0 、非循环通信 v 1 、运动控制相关v 2 通信扩展三个部分。与主要应用范围在运动精密控制的v 2 通 信相比，v o v i 相关产品在当前市场上要广泛的多 6 1 。 ( 2 ) p r o f i b u s p a 是专为过程自动化设计的，它通过段耦合器或链接器接入d p 网络，p a 、d p 的区别在：物理层使用了不同的数据传输速率和编码方式，而f d l 层 的协议是一样的【7 j 。也就是说，p a 是d p 的一种演变，它的出现使得p r o f i b u s 总 线也可用于本安领域，同时又与d p 总线系统保持着通用性。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，提供大量的通信服务，完成中等速度 的循环和非循环通讯任务，采用令牌结构、实时多主类型的网络【8 l 。由于已经和市场 需求逐渐脱离，这种通信协议基本上已经处于无人问津的状态。 近年来，在市场需求的推动下，p r o f i b u s 总线技术的应用得到了迅速的推广。 p r o f i b u s 总线在全球有1 3 0 多万个应用实例，安装节点超过了l3 0 0 万个，这充分 表明了p r o f i b u s 技术的成熟性、实用性和可靠性。 1 2 2p r o f i b u s 的协议结构 p r o f i b u s 利用了现有国际标准，它的协议结构以国际标准o s i 系统互连模型为 基础，如图1 2 所示，因此符合了开放性和标准化的要求【8 1 。 2 第一章绪论 0 s i 模型 图1 1p r o f i b u s 的协议结构 f i g 1 - 1 t h ep r o t o c o ls t r u c t u r eo fp r o f i b u s 从图中可以看出，p r o f i b u s 遵循了o s i 通信栈完整地由顶至底的功能，但 p r o f i b u s 的通信栈中并没有出现o s i 的3 - 6 层，而是将这些中间层的必要功能简化 后，放到了p r o f i b u s 的数据链路层和应用层中，因此p r o f i b u s 只使用了i s o o s i 协议结构中的第一层、第二层、第七层，另外再加上一个用户层( p r o f i l e ，即行规) 。 这样做的优点是大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业领域中高实时 性、小数据量的特点要求。 f m s 、d p 、p a 的数据链路层是完全一样的。它们的数据通信基本协议相同，因 此可以存在于同一网络中；所不同的是，d p 、f m s 的物理层均使用的是r s 4 8 5 ，它 们可使用同一根电缆进行相互间的通信，但是p a 的物理层使用的是m b p ( m a n c h e s t e r c o d eb u sp o w e r e d ) 传输技术，因此当d p 和p a 通信时需加接网关p j 。 1 3 课题来源 本课题来自中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中，c , ( c p c c ) 与北京鼎实创新科技 有限公司。该公司多年来一直从事现场总线产品的研究与生产工作，在p r o f i b u s 总线 领域的研究水平一直处于国内领先地位，除了自主开发出大量p r o f i b u s 总线产品，还 致力于p r o f i b u s 技术在国内的推广。在开发、应用以及现场调试p r o f i b u s 总线产品的 过程中，深切体会到了总线监听工具的巨大作用，鉴于目前这一领域的市场均由外商 控制，作为中国p r o f i b u s 总线领域的领头企业，没有自己的监听工具是不现实不经济 的。因此公司决定自主研发p r o f i b u s 总线监测仪，以满足国内巨大的市场需求，同时 也能推动p r o f i b u s 技术在中国的应用。 一就冒内现今p r o f t b u s 的应用情况而言，p r o f i b u s 产品已经在工业领域占领了很 大的份额，并且已经有不少国内企业可以自行生产p r o 舫u s 产品。因此，p r o f i b u s 总 侣 0 佑佑q 0 q n 层 层 层层层层层层 户 用 示话输络路理 用 应 表会传网键物 据 一 数 一 l 北京化工大学硕士学位论文 线监听工具的开发便是迫在眉睫的事了。对于监测仪这方面的技术，国内尚处于起步 阶段，没有多少资料可供参考，从而给此次课题带来了较大的开发难度。 1 4 课题主要任务 课题的主要任务是研发p r o f i b u s 通信监测仪。包括： 一、分析研究并掌握p r o f i b u s 通信协议以及报文具体格式； 二、确定监测仪的硬件解决方案，采用芯片a t m e l a t 9 1 s a m 7 s 6 4 内核，其内置u s b 控制器，芯片内部集成了u s b 2 0 设备端口，以及丰富的片内外设资源，解决了总线 上r s 4 8 5 接口与p c 上u s b 接口之间的转换问题； 三、在v c 6 0 开发环境下，编写监测仪的软件程序，软件上实现u s b 通讯、报文识 别、报文解析、站点轮询以及从站测试等主功能，并根据使用需求实现报文触发、过 滤、保存、搜索等附加功能； 四、构建小型p r o f i b u s 设备测试系统，测试监测仪的各项功能，验证开发的成功： 五、进一步探索p r o f i b u s 监测仪的可改进性，增强监测仪的实用性和可靠性。 1 5 课题实现的意义 随着p r o f i b u s 的应用越来越广泛，p r o f i b u s 系统的调试、监测、维护等在工业系 统中也变得越来越重要。基于这样的市场需求，本次课题选择开发p r o f i b u s 监测仪。 p r o f i b u s 监测仪实际上是一个网络协议分析器，同产品开发工具一样，它是一种重要 的维护、试车、发现故障的工具。可以说，只要在工业系统中使用了p r o f i b u s 总线， 那这一工具就必不可少。 在这一领域，一直都是由国外厂商把持着市场，国内厂家一方面缺少核心的技术， 另一方面也缺少自己研发产品的实力，因此在使用p m f i b u s 总线时，为了保障生产效 率和安全，常常耗费大量资金去购买国外的监听工具，并需花费大量人力、财力去培 训员工，使得厂家自己的产品成本大大增加。这不但会使许多中小厂商在竞争中失去 优势，同时也大大阻碍了p r o f i b u s 总线技术的推广应用。 本次设计的p r o f i b u s 监测仪在实现了监听工具的基本功能后，从方便使用者的角 度增添了许多实用的附加功能，设计目标是让一个基本不懂p r o f i b u s 协议的使用者也 能够准确了解总线上的工作情况。p r o f i b u s 总线监测仪的研发，是我国对国际先进技 术的研究与消化，可以大大推进p r o f i b u s 总线在我国工业领域的应用，提高工业领域 的控制水平。一 4 第一章绪论 1 6 小结 本章概括介绍了p r o f i b u s 现场总线的基本知识。阐述了课题的来源、行业发展、 具体任务、研究意义等。 第二章p r o f i b u s 通信协议介绍 第二章p r o f ib u s 通信协议介绍 2 1 数据链路层协议 由o s i 参考模型的功能划分可知，一个网络互联系统的第二层数据链路层的 任务是建立、维持、拆除链路的连接，实现无差错传输。它应该在点到点、点到 多点的链路上保证报文的可靠传递，同时负责差错控制，把可能出现错误的实际 传输链路变成一个让上层觉得无差错的链路。数据链路层的功能是评价一个网络 通信系统性能的重要方面f l2 1 。 对p r o f i b u s 总线来说，只使用了物理层、数据链路层和应用层，因此数据链路 层的性能变得尤为重要。数据链路层在总线中被称为f d l ( f i e l dd a t al 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 。两者共同完成承接上 层应用层任务，下达给物理层；承接下层物理层的数据，上传给应用层。 p r o f i b u s 的m a c 子层控制了物理传输层，其协议控制效率的高低，直接决定 了p r o f i b u s 系统的实时性能，这是评价一个工业系统性能的决定性指标，下文中将 详细介绍p r o f i b u s 的m a c 层协议。 2 1 1t o k e n p a s s in g 原理 p r o f i b u s 的m a c 层使用的是基于t o k e np a s s i n g 的主从轮询协议。 p r o f i b u s 中令牌类总线协议的最大特点是总线上的各站站点地位不等，分为主、 从站点( m a s t e r - s l a v e ) 两种。主站统一管理着各个从站分时接入总线的权利，而 从站不能自由接入总线中，通过这种方式可使总线上传输冲突得以避免。这是不 同于普通以太网的地方，在以太网中各站点接入总线的权利是平等、自治的，属 于p e e r - t o p e e r 的方式，即系统中没有一个协调者或管理者来分配、管理各站的接 入权利【1 3 】。 基于t o k e n 的主从轮询协议保证每个从站都可以在一个事先规定的最_passing 大时间间隔内获得接入总线进行通信的权利，这一特征对于工业控制中的通信系 统至关重要。 在总线网络中的各设备，其物理地位相等，都被赋予了统一的逻辑地址( f d l 地址) ，但它们按照功能、本身智能化程度的特征可分为主站( m a s t e r ) 、从站( s l a v e ) 两种类型。 - ( 1 ) m a s t e r ：由p c 、p l c 担任，负责网络的管理和数据的收集处理、反馈，以 及与上层进行数据联系等。d p 中定义了两类主站：一类主站负责与从站间的用户 7 北京化工大学硕士学位论文 数据交换任务；二类主站负责对系统的管理、监控、初始化参数等，也可在短时 间内承担控制从站的任务。在早期的p r o f i b u s 系统中，两类主站位于不同的机器上， 而今年已将两者合在一个机器上，有不同的软件完成两者的任务。 ( 2 ) s l a v e ：由前端的传感器、执行器担任，负责上传采集到的数据和执行主站 的命令。 把由总线上的主站形成的集合定义为逻辑环，定义一个特别的数据帧令牌， 用来在逻辑环上周期地轮转。在总线系统中，令牌帧是唯一的，因此任意时刻只 会有一个主站拥有令牌帧，拿到令牌的主站就具有了控制总线的分配权，可以向 属于它的从站发送通信命令。即轮询事先定义好的属于它的从站，逐一完成与各 个从站的数据交换。 这种数据通信的发起方是主站，响应方是从站，即主站是c l i e n t ，从站为s e r v e r ， 故称为c l i e n t s e r v e r 方式。这种传输方式包括了两个环节：主站间的令牌传递和主 站与所属从站间的分时轮询传输。这样可保证总线上不会有多于两个点同时使用 总线，可避免冲突的发生。相对于以太网的c s m a 协议各点可随机占有总线，这 种时间上的预先确定性对工业控制网络非常重型1 4 】。 这种协议的缺点是逻辑环的管理比较复杂，如对令牌丢失、某一主站进入或退 出等情况都需要进行处理，会消耗一定的资源。同时在网络负载较低时，因等待 令牌而产生的附加延迟，会降低通信效率。 但总体来说，这种复合机制综合考虑了系统负载、响应时间、可靠性等几方面 的综合要求，还是非常适合工业自动化设备网络和现场总线通信系统的要求。因 此，p r o f i b u s 的m a c 层协议在主站间使用t o k e n p a s s i n g 机制，主从站间使用 c l i e n t s e r v e r 方式的轮询进制【l 副。 2 1 2p r o f ib u s 的主站 由上述介绍可知，总线上主站在系统运行中担任着两个角色：数据的交换中心 和网络的运行管理两方面的工作。 p r o f i b u s 的主站能主动送出输出数据，即输出数据给从站且由从站得到输 入系统的数据，这种主从站间的数据交换通信占据了网络流量的绝大部分，其中 又可分为周期性轮询和非周期性数据交换。 在p r o f i b u s d p 中定义了两类主站：c l a s s l 和c l a s s 2 。c l a s s l 主站负责与从 站间的用户数据交换任务。c l a s s 2 主站负责对系统的管理、监控、初始化总线参数 等，也可在短时间内承担控制从站的任务。在早期的p r o f i b u s 系统中，两类主 站位于不同的机器上，而近年的发展趋势是两者位于同一机器上，由软件完成两 者的任务l l 训。 第二章p r o f i b u s 通信协议介绍 两类主站间除了令牌的通信外，还有一些控制信息的交换。如首先将存在 c l a s s l 主站上的初始化数据送给c l a s s 2 主站，或将主站l 上系统运行状态数据送 给主站2 ，从而由在主站2 上运行的监控软件将其实时地显示出来。主站c l a s s l 、 c l a s s 2 间的数据通信都是由主站2 发起请求，其服务节点s a p 固定为0 x 3 6 ，且数 据前要求加上功能编号和标识符。 2 1 3 报文帧的格式和定义 数据链路层上传输的常见报文帧结构只有四种类型，s d l 、s d 2 、s d 3 ( 基本 已不再使用) 、s d 4 、s c ，分别如下所述： s d l ：无数据域，报文长度为6 个字节，主站查询在线从站时使用。 s d ld as af cf c s e d o x l 0x xx xx xx x0 x 1 6 s d 2 ：数据长度可变，参数域的配置多且功能强大，是p r o f i b u s 应用最多的一 种帧结构，也是结构最复杂的。 s d 2l el e rs dd as a f cd uf c se d 0 x 6 8x xx x0 x 6 8x xx x x xxx x0 x 1 6 s d 4 ：t o k e n 令牌帧，报文长度为3 个字节。 s d 4 d as a 0 x d c x xx x s c ：仅用于对请求服务的简短回复。如从站在数据没有准备好时，告知请求 方自己无数据上传。 以上帧结构中的各个域中负号定义如表2 1 所示： 表2 1 报文帧结构中的符号定义 符号 定义 s d起始符。 l e 包括d a 、s a 、f c 、d s a p 、s s a p 、d u 在内的所有数据的长度。 l e r l e 的重复。 d a目的地址，报文帧的接受方地址。 s a 源地址，报文帧的发起者地址。 f c 功能码，用于标识本报文帧的类型。 d u数据域，用于放置传输的用户数据。 f c s对帧中各域数据的代数和，由a s i c 自动计算给出。 e d 结束符，标志着本报文帧的结束。固定为0 x 1 6 。 9 北京化工大学硕士学位论文 下面分别对各数据域的具体定义逐一介绍。 1 l e ( l e r ) l e 仅出现在s d 2 报文帧中，标示d a 、s a 、f c 及d u 四个数据域的长度， 代表着一个变长帧中数据信息的长度。因为p r o f i b u s 规定了最长报文帧的长度是 2 5 5 b ，所以l e 的最大值应为最长报文帧长度减去六个控制域的长度，即 2 5 5 b 6 b = 2 4 9 b ，最小为l b 。因此4 0 ) f r e a d s t a t = r e a d f i l e ( r e a d h a n d l e ，i p b u f f e r ，d w l e n g t h ，& d w b y t e s r e a d ，& r e a do s ( n p t t y l n f o ) ) ； 读数据： i f ( ! f r e a d s t a t ) i f ( o e t l a s t e r r o r 0 一e r r o r i op e n d i n g ) w h i l e ( ! g e t o v e r l a p p e d r e s u l t ( h c o m ，& r e a d _ o s ( n p t t y l n f o ) ，d w b y t e s r e a d ，t r u e ) ) d w e r r o r = g e t l a s t e r r o r 0 ； i f ( d w e r r o r = = e r r o ri o _ i n c o m p l e t e ) c o n t i n u e ；缓冲区数据没有读完，继续； ：p o s t m e s s a g c ( ( h w n d ) h s e n d w n d ，w m _ n o t i f y p r o c e s s ，0 ，0 ) ；通知主线程，串1 2 1 收到数据； ) 使用异步通信时，需要在调用函数c r e a r e f i l e ( ) 时选择参数 f i l e f l a g o v e r l a p p e d ，在调用函数r e a d f i l e ( ) 时也必须使用 l p o v e r l a p p e d 结构。否则，函数会不正确地报告读操作是否已完成【4 2 1 。 读入的数据储存在接收缓冲区，定时取出后进行数据处理，取出数据的同时 清空缓冲区，为后续进入的数据提供存储空间。 u s b 设备读取数据部分的程序流程图如图4 2 所示： 图4 - 2u s b 读取数据流程图 f i g 4 - 1h o wo f r e a dd a t au s i n gu s b 3 7 北京化工大学硕士学位论文 4 3 报文识别 将总线上的数据读取到p c 机后，需要对收到的数据进行分帧，也就是说需对 收到的大量报文数据进行报文识别，此前的报文识别方法是根据总线的时序关系 来切分数据识别报文。为了保证报文在总线上的正确传输，p r o f i b u s 对报文帧的时 序关系做了严格的规定，定义了1 2 个参数以限定及保证帧间隔时间、延迟时间、 可允许的最大等待时间等。总线上在发出每一个报文帧前，须有一个同步期t s y n ， 即在发送完一条完整的报文后会间隔一段时间再发送下一条报文，其长度固定为 3 3 t b i t 时间( t b i t 表示传输一个b i t 所用时间，当系统的传输率为1 5 m b p s 时， l t b i t = 1 1 5 m b p s = 0 6 6 7 m s ) 3 4 1 。此前的报文识别方法一般是通过计时器计时找出 这个3 3 t b i t 的时间间隔，从而将数据切分为一条条的报文。这一做法的缺点在于 一旦总线上的数据传输速度加快，每两条报文间的时间间隔会变得很小，而v c 中 的定时器根本无法精确测算这段时间，因此这一方法只能适用于总线传输速度较 低的情况。对于现在总线的高速传输速度，这一报文识别方法并不适用。 此次设计的报文识别方法可解决这一问题，它是根据总线不同报文的不同特征 对读取的数据进行切分，进而形成一条条的报文。在第二章中曾介绍过目前 p r o f i b u s 总线上传输的报文帧结构仅有四种类型，即s d l 报文、s d 2 报文、s d 4 报文、s c 报文，而这四种报文都有着固定的首字节和末字节，因此可以通过对收 到的报文数据依次进行首字节、末字节以及中间特定字节确认，从而将一条条报 文切分出来。 具体做法为：从u s b 口读出的数据取第一字节，判断是否为s d l ( 或s d 2 、 s d 4 、s c ) 报文的报头部分，如果是则继续判断后续字节是否符合这一类型报文 特征，完全符合时即为一条完整报文，否则继续取下一字节重复上一过程。 举例来说，如取出一字节为1 0 h ，对照四种报文类型的报头部分，应是s d l 类报文的报头，根据这类报文的特征，应判断在此字节后的第5 个字节数据( 即 报尾) 是否为1 6 h ，如果是则可初步判断这是一条s d l 类报文：接下来开始判断 此条报文的内部结构数据是否符合p r o f i b u s 协议，具体来说，即报头后的第一个字 节( d a ) 、第二个字节( s a ) 数据是否都小于8 0 h ，第四个字节( f c s ) 是否等 于d a + s a + f c ( 报头后的第三个字节) ，如果这两点都符合，则这条报文就是一条 完整正确的s d l 报文。s d 2 、s d 4 、s c 类型报文的识别过程类似，识别报文的软 第四章p r o f i b u s 通信监测仪的软件设计 件流程图如下图4 - 3 所示： 图4 3 报文识别的程序流程图 f i g 4 - 3f l o wo ft e l e g r a mi d e n t i f i c a t i o np r o g r a m 四种主要报文类型的特征如下： s d ld as af cf c se d s d 2l el e rs d 2d as a f cd uf c se d s d 4d as a s c ( e 5 h ) 其中：s d i = i o h ，s d 2 = 6 8 h ，s d 3 = a 2 h ，s d 4 = d c h ，e d = 1 6 h ，d a 目标地址， s a 源地址，f c 功能码，f c s 校验码，f c s = d a + s a + f c ，l e = l e r = ( d a + s a + f c + d u ) 的字段长度。 3 9 北京化工大学硕士学位论文 识别结果如图4 4 所示： 縻 匿 6 8 3 3 3 3 6 8 0 0 6 8 3 3 3 3 6 8 01 6 8 0 5 0 5 6 8 8 3 d c 0 1 0 1 1 0 0 2 0 1 4 9 4 c 6 8 3 3 3 3 6 8 0 0 6 8 3 3 3 3 6 8 01 6 8 0 s 0 5 6 8 8 3 d c 0 1 0 1 1 0 0 3 0 1 4 9 4 d 6 8 3 3 3 3 6 8 0 0 6 8 3 3 3 3 6 8 0l 6 8 0 5 0 5 6 8 8 3 4 4 报文解析 015 d 0 0