（轻工技术与工程专业论文）基于80c52单片机实现profibusdp从站接口电路的研究.pdf

基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s - d p 从站接口电路的研究 摘要 现场总线控制系统( f c s ) 用数字信号取代模拟信号，以提高系统的可靠 性、精确度和抗干扰能力，并延长信息传输的距离。它既是一个开放的通 信网络，又是一个全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统。 而p r o f i b u s 现场总线技术则是其中的佼佼者。伴随着p r o f i b u s 的发展， p r o f i b u s 通信协议得到了广泛应用。与此同时，如何自行开发稳定可靠的 国产p r o f i b u s - d p 智能从站通信接口，实现生产厂家的各种设备或不同生 产厂家的同种设备，使之能够同时工作在同一个p r o f i b u s 网上，弥补部分 生产厂家的设备不支持p r o f i b u s 通讯方式，就显的尤为重要。 本论文首先介绍了现场总线技术的概况和常用的现场总线标准及o s i 参考模型，接着详细介绍了p r o f i b u s d p 专用芯片s p c 3 ，包括s p c 3 的引脚 功能、结构、存储器配置及p r o f i b u s - d p 从站开发工具的介绍，然后介绍 p r o f i b u s - d p 现场总线从站通信接口的硬件和软件的实现。在硬件设计中， 首先介绍了8 0 c 5 2s c m ，以自主开发的p r o f i b u s 与r s 4 8 5 通信转换为基础， 给出p r o f i b u s d p 现场总线智能从站通信接口硬件设计。本次设计以 a c s 4 0 0 系列变频器作为开发对象，进行设计和测试，充分考虑了硬件通用 性及其将来的扩展。在软件设计上，详细介绍p r o f i b u s d p 现场总线智能 从站通信接口软件的设计和实现，包括状态机的实现、各种通信报文的实 现、g s d 文件的编写及主站的配置，并对软件进行了编程。 本设计以a c s 4 0 0 系列变频器作为从站的控制对象，用8 0 c 5 2 单片机初 步开发r s 4 8 5 p r o f i b u s d p 通信转换器，完成了p r o f i b u s d p 现场总线从 站通信接口电路的研究，可以实现模拟主站( p c + i m l 8 0 + i m l 8 1 ) 和从站 ( 变频器) 的通信。 关键词：8 0 c 5 2 ，p r o f i b u s d p ，接口电路，r s 4 8 5 r e s e a r c ho np r o f i b u s d p s l a v ei n t e r f a c ec i r c u i tb y8 0 c 5 2s c m a b s t r a c t p r o f i b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) a d o p t sd i g i t a ls i g n a li n s t e a do fs i m u l a t e d s i g n a l i no r d e rt oe n h a n c et h e r e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n dt h ea b i l i t yo f a n t i i n t e r f e r eo ft h es y s t e ma sw e l la st oe x t e n dt h ed i s t a n c eo ft h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n i ti sn o to n l ya l l o p e nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb u ta l s oa w i d e s p r e a dc o n t r o ls y s t e ma n dan e wn e t w o r k - i n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m t h et e c h n o l o g yo fp r o f i b u sf i e l d b u si so u t s t a n d i n g w i t l lt h ed e v e l o p m e n to f t h ep r o f i b u sa n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ep r o f i b u sp r o t o c o l ，i tb e c o m e sm o r e i m p o r t a n tt h a th o wt od e v e l o pt h es t a b l ea n dr e l i a b l ed o m e s t i cp r o f i b u s d p s l a v ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb yw h i c hv a r i o u sk i n d so fe q u i p m e n to r $ a n l e t y p e so f e q u i p m e n tm a d eb yd i f f e r e n tf a c t o r ya u t h o r i t i e sa n da l lc a nw o r ko nt h e i d e n t i c a lp r o f i b u sn e ta tt h es a m et i m e t h u si tc a nc o m p e n s a t ep a r to ff a c t o r y a u t h o r i t i e sw h i c hd o n ts u p p o r tp r o f i b u sc o m m u n i c a t i o nw a y a tf i r s t ，t h e s u m m a r yo ff i e l d b u st e c h n o l o g ya n dp o p u l a rf i e l d b u s s t a n d a r da r ei n t r o d u c e d a n dw i t ht h en e t w o r km o d e l p r o f i b u sf i e l d b u sa n d o t h e rp o p u l a rf i e l d b u sa r ed i s c u s s e d t h e nt h e s p e c i a lc e n t e rs p c 3o f p r o f i b u s d pi si n t r o d u c e di nd e t a i l a l s ot h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ef o rp r o f i b u sf i e l d b u ss a l v ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea r ed i s c u s s e d i nd e t a i l i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h ed e s i g ni sb a s e do nc o m m u n i c a t i o n c o n v e r t e rb e t w e e np r o f i b u sa n dr s 4 8 5w h i c hi sd e v e l o p e db ym y s e l f a tt h e s a m et i m e g e n e r a ld e s i g na n de x t e n s i o n so f h a r d w a r ea r ec a r e f u lc o n s i d e r e d i nt h i st h e s i s ，d e s i g n i n ga n ds u r v e y i n gi sb a s e do nd e v e l o p e do b j e c tt h a ti s a c $ 4 0 0s e r i e so fi n v e r t e r i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e r e a l i z a t i o no fs p c 3s t a t e m a c h i n e ，r e a l i z a t i o no fe a c hc o m m u n i c a t i o nm e s s a g eb y8 0 c 5 2s c m ， c o m p i l i n gg s df i l e sa n dc o n f i g u r a t i o no fp r o f i b u sm a s t e ra r ei n t r o d u c e di n d e t a i l f i n a l l yp r o g r a mi sf i n i s h e d o na c $ 4 0 0s e r i e so fi n v e r t e ra sd e v e l o p e d o b j e c to fs l a v e ，p r o f i b u sf i e l d b u ss l a v ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew a s r e a l i z e d 。t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e r ( p c + i m l 8 0 + 1 m 1 8 0 ) a n ds l a v e i i c a ne x c h a n g em e s s a g e s k e yw o r d s ：8 0 c 5 2s c m p r o f i b u s d p , i n t e r f a c ec i r c u i t ，r s 4 8 5 1 1 1 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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责任由本人承担。 论文作者签名 日 期：至q q z 生! 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名雒岭雌名膨修日期一0 7 年月 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s d p 从站接口电路的研究 1 前言 1 1 现场总线技术概述 1 1 1 现场总线技术的发展与作用 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，计算机功能的不断增强。 价格急剧降低，为工业计算机自动化控制的实现创造了良好的物质基础。而处 于生产过程底层的自动化系统和电力拖动控制系统需要一种能实现多点数字 通信的廉价可靠的底层网络系统。另外，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从 工厂现场设备控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世 界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形 成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线技术( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具 有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表( 设备) 在现场实现彻底 分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些 点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络 系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来原来集散型的d c s 系统现场 控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的 系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是d c s 系统 的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了 系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业p c 机内 总线插槽的p c 接口板与现场总线网段连接。 现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通 信部分的硬、软件是它最有特色的部分。 ( 1 ) 现场总线控制系统 它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、 仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接 口软件m m i 。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进 行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、迸行数据处理、计算。 优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。 ( 2 ) 现场总线的测量系统 其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由 于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还 陕西科技大学硕士学位论文 具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。 ( 3 ) 设备管理系统 可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息( 包 括智能仪表) 、厂商提供的设备制造信息。例如f i s h e r - - r o s e m o u n e 公司，推出 a m s 管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现 场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性 维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式a m s 软件是以现场 服务器为平台的t 型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件 为用户提供一个图形化界面。 ( 4 ) 总线系统计算机服务模式 以客户机服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示 数据源( 提供者) ，应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并 进一步进行处理。客房机运行在pc 机或工作站上。服务器运行在小型机或大 型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。 ( 5 ) 数据库 它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共 享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据 量大，操作与控i t i 0 的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布 关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的o r a d ， s y b a s ，i n f o r m i x ，s q ls e r v e r l 实时数据库中的i n f o p l u s ，p i ，o n s p e c 等。 ( 6 ) 网络系统的硬件与软件 网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器， 用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：n e t w a r c ， l a nm a n g g e r ，v i n e s ，服务器操作软件如l e n i x ，o s 2 ，w i n d o wn t 。应用软 件数据库、通信协议、网络管理协议等。 1 1 2 现场总线技术的特点 ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间 可进行互连并实现信息交换，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。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统 相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统 集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品 2 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f l b u s d p 从站接口电路的研究 组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性，这晕的互可操作性，是指实现互连设备间、系 统i j 的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程 鞋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，奁。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身己可完成自动控制的基本 功能，使得现场总线己构成一种新的全分布式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。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、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，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。 1 1 3 现场总线技术的优越性 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 的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性： ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设 备能盏接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少交送器的数量， 不再需要举独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转 换、隔离技术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 i 酊节省了一大笔硬件投资，山于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费t ；l 。现场总线系统的接线十分简单，由予一对双绞线或一 条1 i _ i 缆上通常可挂接多个设备，因而电缆，端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 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 埔设新的电缆，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。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将帽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 于，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 蚓，同时由于系统结构简化，连线简单面减少了维护工作量。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供 的设备来集成系统。避免冈选择了某一品牌的产品被“榧死”了设备的选择范 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 主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。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准确度，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，由于它的设备标准化和功 能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 1 1 4 常用的现场总线介绍 ( 1 ) p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n1 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n5 0 1 7 0 的现场 总线。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的产品提供 p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 已经广泛应用于电力传动系统、过程控制系统和 楼宇自动化中，是技术成熟的现场总线。 p o r f i b u s 支持主一从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方 式。对多主站系统来说，主站之问采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可 在一个事先规定的时自内拥有总线控制权，事先规定好令牌在各主站中循环一 周的最长时间。按p r o f i b u s 的通信规范，令牌在主站之问按地址编号顺序，沿 上行方向进 亍传递。主站在得到控制权时，可以按主一从方式，向从站发送或 索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播( 不要求应答) ，或有 选择地向一维站点广播。从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出设备、 控制器、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予 确认或当主站发出请求时向主站发送信息。p r o f i b u s 的传输速率为9 6 1 2 k b p s 最大传输距离在1 2 k b p s 时为1 0 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至 l o k m 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 根据应用的特点p r o f i b u s 分为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 三个兼容的版本，目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它 们生产的产品提供p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 已经广泛应用于电力传动系统、 过程控制系统和楼宇自动化中，是技术成熟的现场总线。如图1 1 所示： p r o f i b u s - d p ：用于分散外设间的高速传输，专为自动控制系统和设备 级分散i 0 之间的通信而设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵 4 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s d p 从站接口电路的研究 e n s 。，。：卷与。n 。z 。s 第- 部分 一j 通用自动化工业自动化过程自动化 p r o f l b u s f m s p r o f l b u s - d p p r o f i b u s p a 通用快速面向应用 大范嘲应用即插即用总线供电 多e 通信高效低成奉本征安全，r 图1 1p r o f i b u s 现场总线系列产品 f i gl 一1 s e r i e sp r o d u c t so fp r o f i b u sf i e l d b u s 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，用于楼宇自动化、电气传动、传 感器和执行器、低压开关设备等一般的自动化控制，是一个令牌结构，实时多 主网络。 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 中规定的通信规范，用于对安全性要求高的场合及由总线供电 的站点。 ( 2 ) 基金会现场总线 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 ) 是在过程自动化领域得到广 泛支持和具有良好发展前景的技术。将i s p 协议和w o r l df i p 协议相结合，以 o s i 开放系统互联模型为基础，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 模块集。 、 基金会现场总线分为低速h l 和高速h 2 两种通信速率。主要技术内容包 括：f f 通信协议，用于完成开放互联模型中第2 7 层通信协议的通信栈；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的支持以及构筑集成自动化系统、网络系统的系 统集成化技术。 ( 3 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c e l o n 公司 陕西科技大学硕士学位论文 推出并由它们与摩托罗拉、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，其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到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、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品， 被誉为通用控制网络。 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 的芯片中并 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l 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，进行网络变量处理的寻址、处理、 背景诊断、函数路径选择、软件计量时、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。如m o t o r o l a 公司生产的神经元集成芯片m c l 4 3 1 2 0 e 2 就包含了 2 k r a m 和2 k e e p r o m 。 l o n w o r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本( 每片价格约5 9 美元) ，而芯片的低成本又返过来促进了l o n w o r k s 技术的推广应用，形成了良 好循环，据e c e l o n 公司的有关资料，到1 9 9 6 年7 月，己生产出5 0 0 万片神经 元芯片。 l o n w o r k s 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和神 经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2 6 0 0 多家公司在不同程度上 卷入了l o n w o r k s 技术：1 0 0 0 多家公司已经推出了l o n w o r k s 产品，并进一步组 织起l o n w a r k 互操作协会，开发推广l o n w o r k s 技术与产品。它被广泛应用在 楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等 行业。为了支持l o n w o r k s 与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正 在开发各种网关，以便将l o n w o r k s 与以太网、f f 、m o d b u s 、d e v i c e n e t 、p r o f i b u s 、 s e r p l e x 等互连为系统。 另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w o r k s 神经元芯片也 具有独特的优势。l o n w o r k s 技术已经被美国暖通工程师协会a s r e 定为建筑 自动化协议b a c n e t 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商 协会已经通过决议，以l o n w o r k s 技术为基础制定了e i a 7 0 9 标准。 这样，l o n w o r k s 已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控 制模块开发制造、o e m 控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列 6 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s - d p 从站接口电路的研究 完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作 中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。 ( 4 ) c a n c a n 是控制局域网络的简称，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i s o 国际标准组织制定 为国际标准，广泛的应用在离散的控制领域。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每个帧的有效字节数为8 个，因而传输时 自j 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。由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 的应用范围遍及 从高速网络到低成本的多线路网络。c a n 的位速率可高达i m b p s 。c a n 具有 下列主要特性： 一一多主站依据优先权进行总线访问，c a n 总线为多主方式工作，网络上 任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通 信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份 系统。 一一c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 比p s 以下) ；通信速率最高 可达i m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 一一c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标 识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 一一无破坏性的基于优先权的仲裁。c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当 多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最 高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时 间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可 能) 。c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。高优 先级的数据最多可在1 3 4 p s 内得到传输。采用短帧结构，传输时间短。受干扰 概率低，具有极好的检错效果。 一一借助接收滤波的多地址帧传送。c a n 只需通过报文滤波即可实现点对 点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 一一远程数据请求 一一配置灵活性 一一全系统数据相容性 7 陕西科技大学硕士学位论文 一一错误检测和出错信令。 一一发送期间着丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送。c a n 的 每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 一一暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离，c a n 节 点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不 受影响。 d e v i c e n e t 就是基于c a n 技术的一种现场总线技术。 ( 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 e r e m o t e t r a n s d u e r 的缩写。最早由r o s e m o u t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于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高速通道的开放通信协议，其特点是现有模 拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程 控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了 较好的发展。 h a r t 通信模型由3 层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用 f s k ( f r e q u e n c y s h i f t k e y i n g ) 技术在4 2 0 m a 模拟信号上迭加一个频率信号， 频率信号采用b e l l 2 0 2 国际标准：数据传输速率为1 2 0 0 b p s ，逻辑“0 ”的信号 频率为2 2 0 0 h z ，逻辑“1 ”的信号传输频率为1 2 0 0 h z 。 数据链路层用于按h a r t 通信协议规则建立h a r t 信息格式。其信息构成包 括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数 据、奇偶校验等。其数据字节结构为1 个起始位，8 个数据位，1 个奇偶校验 位，1 个终止位。应用层的作用在于使h a r t 指令付诸实现，即把通信状态转换 成相应的信息。它规定了一系列命令：按命令方式工作。它有3 类命令，第一 类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令：第二类称为一般行为命令， 它所提供的功能可以在许多现场设备( 尽管不是全部) 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。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3 类命令。h a r t 支持点对点 主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2 3 次s ，按广播方式工作时的数据更新速率为3 4 次s ，它还可支持两个通 信主设备。总线上可挂设备数多达1 5 个，每个现场设备可有2 5 6 个变量，每 个信息最大可包含4 个变量。最大传输距离3 0 0 0 m ，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 8 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s d p 从站接口电路的研究 基会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 丁这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口 芯片。 1 1 5o s i 参考模型分析 7 0 年代以后，计算机工业有了迅速的发展。各主要的计算机生产厂家纷纷 开发出自己的计算机产品。他们各自拥有自己的操作系统和其它系统软件，以 保证同一系列内各种计算机的兼容性。随着互连通信要求的不断提出，一些主 要的计算机厂商又开始研究开发各自的计算机通信设备、通信协议和通信系统 体系结构。这些通信系统都能实现本公司生产的计算机系列的互连以完成远程 文件传送等功能，构成计算机网络。但是，由于这些特定厂家的通信系统所使 用的信息格式和控制机制不一致，因此彼此之间不兼容，难以实现不同厂家生 产的计算机之间的互连操作。这种自成体系的计算机通信系统称为封闭系统。 然而，由于计算机种类的日益增多，应用日益普及，计算机用户已不能满足仅 使用一个厂商的计算机设备。用户同时安装多个厂家的计算机并需要连网构成 系统的情况越来越多。由于缺乏一个通用的通信系统体系结构，使得异种计算 机互连成为一个难题。所以，人们迫切希望建立一系列的国际标准或国家标准， 让各制造厂商都执行这些标准化的体系结构和标准，这一方面可使他们的产品 有广阔的销路，另一方面也可使用户从不同的制造厂商获得兼容的设备来集成 应用系统。 可以认为，人们盼望的这种开放系统应该是一种厂家中立的理想系统，即 它的应用发展不应受任何厂家的控制与限制。要实现对这样一个开放系统的有 效配置、操作和部件替换，就必须满足一整套对接口、服务、协议的规范要求。 要实现开放系统，首先就要有公开统一的规范描述及其实现方法。在开放系统 的环境下，可以用不同厂家的产品作为组成部件来构成系统，也可以在不同厂 家生产的相同功能的产品之问实现互换。这样就为用户采用多家产品集成系统 以及系统的维护带来很大方便。同时有利于打破市场垄断，促进技术与产品的 发展。 j 下是由于以上需求动力的驱动，促成了o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e e t i o n ) 参考模型的出现。1 9 7 8 年，国际标准化组织i s o 建立了一个“开放系统互连” 技术委员会，起草了“开放系统互联参考模型”的建议草案。1 9 8 3 年成为正式 国际标准( i s 0 7 4 9 8 ) 。1 9 8 6 年又对该标准进行了进一步的完善和补充。 9 陕西科技大学硕士学位论文 为实现开放系统互连所建立的分层模型，简称o s i 参考模型。其目的是为 了异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致 性和兼容性提供共同的参考。这里的所谓开放，是强调对o s i 标准的遵守。开 放并不是指特定的系统实现具体的互连技术或手段，而是对可使用的标准的共 同认识。一个系统是开放的，是指它可以与世界上任何地方的遵守标准的其他 任何系统通信。 ( 1 ) o s l 参考模型的结构 o s i 参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互连技术的产物。它不仅 促进了数据通信的发展，而且还导致了整个计算机网络的发展。o s i 参考模型 提供了概念性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分为七个层次。 各层协议细节的研究是各自独立进行的。这样一旦导入新技术或提出新的业务 要求时，就可以把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在有关的层内，而 不必改动全部协议。 o s i 参考模型是计算机网络体系结构发展的产物，它的基本内容是开放系 统通信功能的分层结构。这个模型把开放系统的通信功能划分为七个层次。从 邻接物理媒体的层次开始，分别赋予l ，2 ，7 层的顺序编号，相应地称之 为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。o s i 参 考模型如图1 2 所示。 系统a 中继节点 系统b 图1 - 20 s i 参考模型 f i g l 2t h er e f e r e n c em o d e lo fo s i ( 2 ) o s i 参考模型的功能划分 o s i 参考模型每一层的功能是独立的，它利用其下一层提供的服务并为其 i o 基于8 0 c 5 2 单片机实现p r o f i b u s d p 从站接e l 电路的研究 上一层提供服务，而与其他层的具体实现无关。这里所谓的“服务”就是一层 向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定，一般用通信服务原语实现。两 个开放系统中的同等层之间的通信规则和约定称之为协议。通常，第1 - 3 层功 能称为低层功能( l l f ) ，即通信传送功能，这是网络与终端均需具备的功能。 第4 7 层功能称为高层功能( h l f ) ，即通信处理功能，通常需由终端来提供。 物理层( 第1 层) 物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理连 接的功能描述和执行连接的规程。物理层提供用于建立、保持和断开物理连接 的机械的、电气的、功能的和过程的条件。简而言之，物理层提供有关同步和 比特流在物理媒体上的传输手段，其典型的协议有e i a 2 3 2 d 等。 数据链路层( 第2 层) 数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能。在 点到点或点到多点的链路上，保证信息的可靠传递。该层对连接相邻的通路进 行差错控制、数据成帧、同步等控制。检测差错一般采用循环冗余校验( c r c ) ， 纠f 差错采用计时器恢复和自动请求重发( a r q ) 等技术。其典型的协议有 o s i 标准协议集中的高级数据链路控制协议h d l c 。 网络层( 第3 层) 网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。它的主要功能是利用 数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择和中继 功能，实现两个系统之间的连接。在计算机网络中，网络层还具有多路复用的 功能。 传输层( 第4 层) 传输层完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放系统之问数据 的收发确认。同时，还用于弥补各种通信网络的质量差异，对经过下三层之后 仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。另外，还通过复用、分段 和组合、连接和分离、分流和合流等技术措施，提高吞吐量和服务质量。 会话层( 第5 层) 会话层依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统问有效地 进行。其主要功能是按照在应用进程之间的约定，按照正确的顺序收发数据， 进行各种形式的对话。控制方式可以归纳为以下两类：一是为了在会话应用中 易于实现接收处理和发送处理的逐次交替变换，设置某一时刻只有一端发送数 据。因此需要有交替改变发信端的传送控制。二是在类似文件传送等单方向传 送大量数据的情况下，为了防备应用处理中出现意外，在传送数据的过程中需 陕西科技大学硕士学位论文 要给数据打上标记。当出现意外时，可以由打标记处重发。例如可以将长文件 分页发送，当收到上页的接收确认后，再发下页的内容。 表示层( 第6 层) 表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提 供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。表示层仅对应用 层信息内容的形式进行变换，而不改变其内容本身。 应用层( 第7 层) 应用层是o s i 参考模型的最高层。其功能是实现应用进程( 如用户程序、 终端操作员等) 之间的信息交换。同时，还具有一系列业务处理所需要的服务 功能。 1 1 6 现场总线通信模型的分析 在通信网络中，具有七层结构的o s i 参考模型可支持的通信功能是相当强 大的。作为一个通用参考模型，需要解决各方面可能遇到的问题，需要具备丰 富的功能。作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放互连系统，应 该如何选择通信模型? 是采用完全型还是简化型? 是否需要实现o s i 的全部 功能? 是否要采用那样复杂的协议? 具有七层o s i 参考模型是否适应工业现 场的通信环境? 这是现场总线技术形成的过程中必须考虑的重要问题。 工业生产现场存在大量传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散地 分布在一个较大范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面 向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要 求较高。如果