（系统工程专业论文）现场总线PROFIBOSDP从站技术研究及产品开发.pdf

一 学位论文数据集 中图分类号 t p 2 0 6 学科分类号 1 2 0 6 0 论文编号 l0 0 10 2 0 0 7 0 4 9 7 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李文娟学号 2 0 0 4 0 0 0 4 9 7 获学位专业名称系统工程获学位专业代码 0 8 l l0 3 课题来源自选项目研究方向现场总线 论文题目现场总线p r o f i b u s d p 从站技术研究与产品开发 关键词现场总线 d pv o v 智能芯片s p c 3 从站接口 论文答辩日期 2 0 0 7 0 6 0 9 论文类型 开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张永德 副教授 北京化工大学过程装置与控制原理 评阅人1 曹柳林教授 北京化工大学 自控原理 评阅人2盲审 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席李晓理副教授北京科技大学控制原理据与系统通信 答辩委员1曹柳林教授北京化工大学白控原理 答辩委员2王晶 副教授 北京化工大学自控原理与控制系统 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注 一 论文类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 三 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b t13 7 4 5 9 学科分类与代码 中 查询 四 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 i 一 1 摘要 现场总线p r o f ib u s d p 从站技术研究及产品开发 摘要 随着现场总线技术在工业领域的发展 越来越多的智能设备带有相应 的总线接口 在对现场总线p r o f i b u s d p 技术的发展 应用以及通信协 议等相关内容进行详细的介绍之后 本文阐述了d pv o n l 从站接口开发 过程中所需的相关知识与问题 在已经成熟的硬件技术基础上 对现场总 线v 0 v 1 状态机制进行了深入的研究 并详细介绍了内部软件的实现方 案及流程 根据我国目前市场现状及产品具体要求 p r o f i b u s d p 总线接口的 应用与开发有着一定的现实意义 经过成本以及可能性的考虑 在现存的 各种实现方案中 本课题d pv 0 v 1 总线接口的开发采用协议芯片s p c 3 加m c u 的技术方案 由于国内总线接口硬件技术的成熟 课题的重点放 于通信状态机制的研究 内部软件的实现以及最终的测试调试过程 本文 对硬件电路只进行了简单介绍 详细阐述了状态机制程序流程及各程序模 块的原理与编写 对一些容易失误的细节亦给出了解决方法 经过多次认 证实验室调试及修改程序 最终产品通过测试达到预期目标 不仅符合 d p 通信状态机制 同时优化了v 0 接口内部程序 并为国内v 1 接口开发 提供了理论方法 本课题的研究 为国内p r o f i b u s d p 产品开发提供了示例与补充 使得相关程序开发更加简洁并理论化 最终成果极具市场潜力 对自动化 i 控制技术和现场总线仪表的研究具有推动作用 关键词 现场总线 d pv o v 1 智能芯片s p c 3 从站接口 丝墨坐竺 一 一 t h ed e v e l o p m e n t o fp r o f i b u s d pp r o d u c t a n dt h er e s e a r c ho f s t a t e m a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g i n go ff i e l d b u st e c h n o l o g y m a n u f a c t u r e r sr e a l i z et h a tt h e i n s t r u m e n t sw i t hp r o f i b u si n t e r f a c es h o wag r e a t e rm a r k e tp o t e n t i a l a f t e r t h ep a r t i c u l a ri n t r o d u c eo ft h ed e v e l o p m e n to f p r o f i b u s d pt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d r e l a t e dk n o w l e d g ea n di s s u e sh a v eb e e ne x p a t i a t e d i nt h i sp a p e r o nt h eb a s i co fh a r d w a r ep l a t f o r m i n t e r n a lp r o g r a mw h i c h i s i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt o v 0 v1s t a t em a c h i n ei sa d d e di n t o t h es l a v e i n t e r f a c e c o n s i d e r i n gt h eg r e a tm a r k e tr e q u i r e m e n t t h ei n v e s t m e n to nd p i n t e r f a c e h a so p e r a t i o ns i g n i f i c a n c e w i t ht h en e ws o l u t i o n t h ef i e l d b u si n t e r f a c e c o n s i s t i n go fa s i cs p c 3 1a n dt h em c u8 0 c 51h a sb e e na d o p t e d w h i l et h e l o w p o w e rs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri s u s e da sam i c r o c o n t r o l l e r m o s to f t h es t a t em a c h i n ei sh a n d l e db yt h ep r o t o c o lc h i ps p c 3 b e c a u s e t h em a t u r eo f p h y s i c a lc i r c u i to fp r o f i b u sd r i v e r t h ee m p h a s e s w a sf o c u so nt h er e s e a r c h o fc o m m u n i c a t i o ns t a t em a c h i n e i n t e r n a lp r o g r a ma n dt h ef i n a lc e r t i f i c a t i o n t e s t w h i l et h eh a r d w a r et e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r oc i r c u i ta r ej u s ti n t r o d u c e d i naf e ww o r d s ap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no f t h ei m p l e m e n t a t i o no fs t a t em a c h i n e 1 1 1 i s g i v e n w h i c hi s i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n dt h ef i n a lc o d eo fi n t e m a l p r o g r a m w i t ht h et e s t i n gp l a t f o r mf o rt h ec o n n e c t i o ns y s t e ms e tu p b a s e du p o nt h e c o n d i t i o n t h et e s t i n go ft h ei n t e r f a c ew a se v e n t u a l l yc o n d u c t e dw i t ht h e e x p e c t e dr e s u l ta c h i e v e da c c o r d i n g l y t h e i n d e p t hr e s e a r c ho ft h ep a p e rh a ss h o w e da l l e x a m p l eo ft h e d e v e l o p m e n to fp r o f i b u s d pp r o d u c t sa n dp r o v i d e sam o r ea p p r o p f i a t e w a yf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s f i e l db u s d pv o v1 a s i cs p c 3 s l a v e i n t e r i a c e i v 11 可 目录 目录 第一章概论 1 1 1 现场总线p r o f i b u s 概貌 1 1 2 课题来源 2 1 3 课题主要任务 3 1 3 1 硬件物理层实现 3 1 3 2 实现p r o f i b u s 的d p v 0 d p v l 通信功能 4 1 4 课题实现的意义 5 第二章d p v 0 v 1 状态机制 7 2 1v 0 状态机制 7 2 1 1p o w e r o n 状态 8 2 1 2w a i t p r m 状态 8 2 1 3w a i t c f g 状态 8 2 1 4d a t a e x c h 状态 一9 2 1 5 相关报文 9 2 2v 1 状态机制一v 0 的扩展 1 0 2 2 1d p v i 状态机制简介 1 0 2 3v 0 与v 1 的结合使用 1 5 2 4 总线时间参数 1 7 2 4 1 总线周期 l7 2 4 2 总线循环时间 18 第三章p r o f ib u s d p 从站接口硬件设计 1 9 3 1p r o f i b u s d p 总线接口硬件电路原理 1 9 3 2 总线协议智能芯片s p c 3 结构与性能 2 0 3 2 1s p c 3 的基本特性 2 1 3 2 2s p c 3 内部空间分配 2 1 3 3d p 总线接口外围电路 2 5 舅享疃接口内部软件的设计 2 7 二 v 北京化工大学硕士学位论文 l 一 4 1 数据结构与程序流程简介 2 7 4 2v o 部分程序 2 8 4 2 1 芯片s p c 3 初始化 2 8 4 2 2d p 通信外部中断 3 4 4 2 3d p 通信数据交换 3 6 4 3v 1 部分程序 3 8 4 3 1v 1 相关数据结构 3 8 4 3 2v l 部分初始化 4 0 4 3 3v 1 部分中断 4 2 4 3 4v 1 通信数据传输 4 4 第五章p r o f i b u s d p 总线从站接口的测试 4 7 5 1 测试目的与要求 4 7 5 2p r o f i b u s d p 的从站物理信号测试 4 7 5 3d p v 0 状态机制测试 4 8 5 3 1 测试工具 4 9 5 3 2 基本信息测试 4 9 5 3 3 状态保护测试 4 9 5 3 4s y n c f r e e z e 选择性功能测试 5 1 5 4 时间参数测试 5 l 5 4 1 从站最小回答间隔测试 5 1 5 4 2t s d r 测试 5 2 5 4 3w d 定时相关测试 5 3 5 5 最终测试结论 5 4 莞毒漳结论与体会 5 5 6 1 结论 5 5 6 1 1 取得的成果 5 5 6 1 2 存在问题及改进措施 5 5 6 2 经验和体会 5 6 参考文献 5 7 旦 i 一 一 附录1 硬件原理图 5 9 附录2 内部程序s p c 3 芯片数据结构 6 0 致谢 6 2 研究成果及发表的学术论文 施 作者及导师简介 6 4 v i i j c o n t c n t s c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c f i o n 1 1 1t h ei n t r o d u c t i o no fr o f i b u s 1 1 2t h es o u r c e 2 1 3t h em a i nt a s ko fd e v e l o p m e n t 3 1 3 1i m p l e m e n to fh a r d w a r e 3 1 3 2i m p l e m e n to fp r o f i b u sd p v o n lf u n c t i o n 4 1 4t h em e a n i n go ft h et a s k 5 c h a p t e r2 s t a t em a c h i n e 7 2 1 厂os t a t em a c h i n e 7 2 1 1p o w e r o ns t a t e 8 2 1 2w a i t p r ms t a t e 8 2 1 3 恰n c f gs t a t e 8 2 1 4d d a e x c hs t a t e 9 2 1 5r e l a t e dt e l e 鲈a m 9 2 2v ls t a t em a c h i n e t h ee x t e n do f v o 1 0 2 2 1 b r i e f i n t r o d u c t i o no f d p v ls t a t em a c h i n e 1 0 2 3t h ec o m b i n a t i o nf ov 0a n dv l 15 2 4t h eb u st i i n ep a r a m e t e r s 17 2 4 1t h ec y c l eo f b u s 1 7 2 4 2t h et i m ec o s to fs y s t e m 18 c h a p t e r 3t h eh a r d w a r ed e s i g no fp r o f i b u s d ps l a v e 19 3 1t h e o r yo f p r o f i b u s d pi n t e r f a c ec i r c u i t 1 9 3 2t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fp r o t o c o lc h i ps p c 3 2 0 3 2 1b a s i cf e a t u r e so fs p c 3 21 3 2 2t h el o c a t i o no fi n t e m a lr a m 2 1 3 3t h ep e r i p h e r yc i r c u i t 2 5 c h a p t e r 4t h ei n t e r n a ls o f t w a r e 2 7 4 1b r i e fi n t r o d u c t i o no fd a t as t r u c t u r ea n dp r o g r a mf l o w 2 7 4 2v op r o g r a m 2 8 4 2 1i n i t i a t i o no fs p c 3 2 8 4 2 2e x t e r n a li n t e r r u p to fd p v 0 3 4 4 2 3d pd a t a e x c h a n g e 3 6 l x 0 北京化工大学硕士学位论文 4 3v lp r o g r a m 3 8 4 3 1v lr e l a t e dd a t as t r u c t u r e 3 8 4 3 2i n i t i a t i o no f v lc o m m u n i c a t i o n 4 0 4 3 3e x t e r n a li n t e r r u p to fd p v 1 4 1 4 3 4v 1d a t at r a n s f e r 4 4 c h a p t e r5t h et e s to fd p s l a v ei n t e r f a c e 4 7 5 1t h ea i ma n dr e q u e s to f t e s t 4 7 5 2p h y s i c a ls i g n a lt e s to fp r o f i b u s d p 4 7 5 3t h e7 r e s to fd p v 0s t a t em a c h i n e 4 8 5 3 1t t x s tt o o l 4 9 5 3 2b a s i ci n f o r m a t i o nt e s t 4 9 5 3 3t i e s to f s t a t ep r o t e c t i o n 4 9 5 3 4s y n c f r e e z ef u n c t i o nt e s t 5 1 5 4t i m ep a r a m e t e r 51 5 4 1m i ns l a v ei n t e r v a l 5l 5 4 2t s d rr e l a t e d 5 2 5 4 3w dt i m e r 5 3 5 5f i n a lc o n c l u s i o n 5 4 c h a p t e r 6e x p e r i e n c ea n dc o n c l u s i o n 5 5 6 1c o n c l u s i o n 5 5 6 1 17 l h eh a r v e s t 5 5 6 1 2t h ep r o b l e ma n da m e l i o r a t e 5 5 6 2e x p e r i e n c e 5 6 r e f e r e n c ed o c u m e n t 5 7 a p p e n d i x1 h a r d w a r e c i r c u i t 5 9 a p p e n d i x2 s p c 3 d t a t as t u r c t u r e 6 0 f i l i lt h et h a n k s 6 2 t h e p a p e ra l r e a d yp u b l i s h e d 6 3 t h ei n t l o d u c eo ft u t o ra n da u t h o r 6 4 x a 第一章概论 第一章概论 p r o f i b u s 是i e c 6 1 1 5 国际标准定义的8 种类型现场总线之一 是一种国际化 开放式 不依赖于设备生产厂商的工业现场总线标准 i j 与其它总线相比 p r o f i b u s 总线技术覆盖了传感器 执行器领域的通信要求 同时也具有车间单元领域的网络通信 功能 p r o f i b u s 现场总线是一种已经成熟的技术 已广泛应用于制造业自动化 流 程工业自动化和交通 楼宇 电力等其他领域自动化 2 1 3 11 4 1 5 其网络协议i s o 以标 准七层参考模型为基础 对其中第三至七层进行了简化 6 有很强的适应性 目前国 内的用户十分希望能有将传统仪器设备连接到p r o f i b u s 总线上的接口 d p 通信接 口的开发与应用成为一个值得研究的课题 1 1 现场总线p r o f i b u s 概貌哪 作为一个开放 全分布式控制的通信网络 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 总线作为 智能设备的联系纽带 可以把挂接在总线上的各个站作为网络节点连接成一个网络系 统 并进一步构成自动化系统 在这些网络节点中 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 时间内得到总线存取权 主站与从站之间采用主从方式 只能被动接收报文的从站接 收由当前处于总线控制状态的主站发送的信息 按照p r o f i b u s 总线通信标准 总线 上可挂接站点最大数值为1 2 7 个 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例 1 p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信网络 用于设备级控制系统与分散式i o 的通信 使用p r o f i b u s d p 可取代2 4 v d c 或4 2 0 m a 信号传输 并具有响应时间 短和抗干扰性高的特点 p r o f i b u s d p 是在欧洲乃至全球应用最为广泛的现场总线 系统 p r o f i b u s d p 是一个主站 从站 m a s t e r s l a v e 总线系统 主站功能由控制系统 中的主控制器来完成 主站在完成自动化功能的同时 通过循环的和非循环的报文对 现场仪表进行全面的访问 其实时性远高于其它局域网 因而特别适用于工业现场 在d p 通信内部 又可分为循环通信v 0 非循环通信v 1 以及运动控制相关v 2 通信 扩展三个部分 相较与主要应用范围在运动精密控制的v 2 通信 当前市场上v 0 v 1 相关产品的市场要广泛的多 同时也是本课题的研究重点 2 p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计 通过段耦合器或链接器接入d p 网络 p r o f i b u s p a 是p r o f i b u s d p 在保持其通信协议的基础上 增加了优化的传输技 术 也就是说 p r o f i b u s p a 定义了p r o f i b u s d p 的一种演变 它使p r o f i b u s 也可用于本安领域 同时保证d p 总线系统的通用性 北京化工大学硕士学位论文 图1 1 典型的p r o f i b u s 网络结构 f i g 1 1t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fp r o f i b u ss y s t e m 如图1 1 为典型的p r o f i b u s 网络 其中段耦合器 n k 的作用是将数据格式从 异步 1l 位 字符 转为 8 位 字符 为此将传输速率从4 5 4 5k b i t s 转换为31 2 5k b i t s 段耦合器在设计 组态时可认为是透明的 同时段耦合器又可作为现场仪表的电源 通过势垒 用于防爆 限制馈电电压 3 p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络 是一个令牌结构 实时多主网络 由 于已经和当今市场需求逐渐脱离 这种通信协议基本上已经处于无人问津的状态 1 2 课题来源 本课题来自中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中一i 二 c p c c 与北京鼎实创新科技 有限公司 中国现场总线p r o f i b u s 产品测试实验室c p p t l 是技术资格认证中心下 属的负责中国地区p r o f i b u s 产品测试认证技术工作的国际性实验室 为中国地区自 动化产品制造商自主开发p r o f i b u s 产品提供解决方案及技术支持 北京鼎实创新科 技有限公司作为工业自动化领域的高科技技术公司 多年来从事于现场总线产品的研 究与生产工作 对d p 产品的开发已经有了相关可观的经验及成果 现阶段鼎实公司 为了继续开拓市场 希望加深对d p 通信机制的研究并大力投资对新的从站产品的开 发 因此有了本课题的由来 由于d p 通信系统相对于其它现场总线网络以及传统d c s 通信系统的优势 d p 从站产品的开发已经成为当今研究的主要课题之一 当前国内p r o f i b u s d p 产品开 发技术已经逐渐步入成熟 单片机 嵌入式系统与智能芯片的应用在从站接口开发中 已经成为广为使用的方案 但是 根据资格认证实验室的测试 许多新开发产品较难 顺利通过p r o f i b u s d p 状态机制的测试 即使应用了市场上提供的集成了状态机制 的智能芯片 由于内部程序的差错或芯片配置的不完整 从站接口很难做到完全符合 2 第一章概论 用户所需的状态机制 北京鼎实科技创新有限公司已经发挥自身技术上的优势开发出了嵌入式 p r o f i b u s d p 协议接口产品及可进行协议转换的总线桥产品 其通信接口的部分应 用了现今市场较为流行的西门子s p c 3 智能芯片 并已经顺利的通过了严格的测试认 证过程 在d p v 0 循环通信状态机制的实现方面有较为丰富的经验与理论支持 而支 持v 1 非循环通信机制的从站亦是当前国内市场急切需求的产品之一 鉴于以上情况 进一步深入研究v 0 通信机制的实现 探索更简易的开发途径 并对v 1 通信状态机 制的实现进行初步的实验已经成为势在必行的任务 1 3 课题主要任务 随着d p 产品在工业领域越来越广泛的应用 被广大用户熟悉的d p v 0 循环通信 接口开发也成为当今热门的技术 由于p r o f i b u s 协议复杂 国内只有少数几家公司 采用西门子协议芯片s p c 3 及d p 从站开发包p a c k a g e 4 9 io 开发出p r o f i b u s d p v 0 产品 对于符合d p v 1 的非循环从站产品 虽然有数家实力雄厚的公司研究开发 但在国内并未形成已经完善成熟的技术 但是非循环通信在现场总线网络中可以轻松 解决循环通信v 0 不能实现的功能 因此在深入理解v 0 状态机制及内部程序实现方 法的基础上 对v l 非循环状态机制的研究也十分重要 本课题主要研究内容就是熟悉现有的p r o f i b u s d p 从站接口开发技术 充分了 解其v 0 通信状态机制 并在此基础上进一步了解非循环v l 状态机制的工作原理 在掌握理论知识之后 用单片机m c u 智能芯片s p c 3 并自行附加内部软件的方案 开发出符合p r o f i b u s d p 通信协议的f o 从站接口 接入p r o f i b u s 总线系统能进 行正常通信 1 3 1 硬件物理层实现 按照本课题选用的实现方案的要求 在从站接口开发过程中选用了8 0 c 5 1 系列单 片机与s p c 3 智能芯片 并应用了现场总线标准协议推荐的r s 4 8 5 驱动电路 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 u 其应用领域包括需要高速传 输和简单而廉价安装的所有领域 r s 4 8 5 传输采用的电缆是屏蔽双绞铜线 在总线段 的两站各附有一个终端电阻 如图1 2 所示 为了确保操作无误 这两个总线终端必 须总是处于供电状态 这种线性的总线结构允许随时增加 撤除站而不影响总线上其 它站 后继的扩展不影响已经在运行中的所有设备 3 北京化工大学硕士学位论文 磋褫虢 刺j 携 穗珐i 锄 缘 g n d 鹗 i 琵 3 9 0o h m 搿 i 2 2 0 0 h m4 1 强 3 9 0 0 h m 繁 i i o 势删 g 沪 图1 2 总线终端电阻示意图 f i g 1 2t h e s k e t c hm a po fb u st e r m i n a lr e s i s t a n c e r s 4 8 5 传输技术基本特性如下所示 网络拓扑 r s 4 8 5 传输采用线性总线 总线段两端带有有源终端电阻 传输速率 从9 6 k b i t s 至1 2 m b i t s 波特率可选 介质 屏蔽双绞电缆 也可以根据e m c 环境条件取消屏蔽 站点数 每个总线段最多可挂接3 2 个站 如果利用中继器连接则可挂接1 2 6 个站点 插头连接 使用9 针d 型插头 d p 通信的物理层信号传输以半双工 异步 无间隙同步为基础 数据信号使用 n r z 不归零编码进行发送 报文中每个字符为1 1 位 由于物理层信号的标准化也是 从站接口开发过程中要求的指标之一 为了更好的理解物理层信号传输 现以波形的 方式显示总线a b 线上的n r z 编码 具体如图1 3 所示 b 导线 二进制信号 a 导线 i0 110 l 图1 3n r z 不归零编码传输时信号波形 f i g 1 31 1 坞s i g n a lw s v eo f n r zc o d e 1 3 2 实现p r o f i b u s 的d p v o d p v l 通信功能 4 第一章概论 为了保证所开发从站接口与总线上其它站的兼容性与互操作性 需要以内部软件 的形式在从站接口数据链路层及应用层实现完整的d p v o n l 状态机制 d p v 0 是d p 基本功能 包括循环数据交换及站诊断 模块诊断和特定的通道诊 断 首先需要实现d p v 0 通信协议的基本功能 与一类主站循环的数据通信 这包括 一些固定的服务存取点 s a p 在p r o f i b u s 数据链路层与应用层之间的接口处 s a p 被用来交互作用 从而决定了d p 的不同功能 1 2 s a p 5 5 3 7 h 设置从站地址 s a p 5 6 3 8 h 读输入数据 s a p 5 7 3 9 h 读输出数据 s a p 5 8 3 a h 全局控制 s a p 5 9 3 b h 获取配置数据 s a p 6 0 3 c h 从站参数化 s a p 6 1 3 d h 从站诊断 s a p 6 2 3 e h 校验配置数据 d p v l 是依据过程自动化需求而增加的功能 特别是用于参数赋值 操作 智能 现场设备的可视化和报警处理 类似于循环用户数据通信 等非循环的数据通信 d p v l 设备由所谓的可非循环存取数据的槽组成 这些槽不必是物理对象 它们 可能代表虚拟的或物理的数据块 槽包含索弓l i n d e x 可寻址的信息 索引数据由r e a d 或w r i t e 服务存取 并用单个报文发送 想要使从站接口可以与d p 总线网络上其它站正常通信 开发人员在内部程序中 需要严格按照通信标准以及协议规定 为d p 通信搭建完整的s a p 结构框架 合理应 用智能协议芯片 确保报文格式的正确和状态机制合理的转移 1 4 课题实现的意义 d p 从站是p r o f i b u s 现场总线系统中最常用的设备 可以用于许多工程 有着 广泛的市场需求 对d p v 0 v 1 状态机制进入深入全面的研究 并在现有技术的基础 上寻求更为简洁的内部程序开发方案是一项有着较重要的现实意义 1 深入研究了d p 通信网络 对现场总线通信标准协议有全面的了解 为从站 接口的开发以及扩展技术的学习与发展打下了坚实的基础 2 在内部程序方面有了新的创新 使用单片机m c u 智能协议芯片的方案开发 从站接口 通常开发人员会采用相应芯片供应公司提供的开发包 相比功能强大但内 容繁杂的开发包固件 根据用户需求自行编写的内部软件不仅能达到同样的目标 其 程序结构也更加优化简洁 3 对状态机制的深入了解 优化的程序结构 使得最终的调试过程更加方便 5 北京化工大学硕士学位论文 更易分辨错误原因 4 v l 状态机制的实现以及相关软件的编写为国内v 1 非循环通信领域设备的开 发提供了宝贵的开发经验 并对尚未完善的非循环v l 通信认证测试技术的成熟有较 大的帮助 如今 现场总线p r o f i b u s d p 的应用越来越令人关注 d p 设备的开发技术也 日益成熟 对现场总线d p 循环与非循环状态机制的研究以及相关产品的开发 不仅 是对国内d p 从站产品开发的完善与优化 也暂时填充了非循环状态机制方面研究的 空白 对我国总线仪表的发展将会有大的推进作用 简洁易懂的用于实现状态机制的 内部程序使得开发工作更加方便 并大大减轻了最终的产品调试时测试人员的工作 量 6 第二章d p v 0 v 1 状态机制 第二章d p v 0 v 1 状态机制 由于现场总线技术的飞速发展 越来越多的制造商从事于p r o f i b u s 产品的 生产 为了保证现场的安全与效率 出于不同商的总线产品需要相互兼容并实现 互操作性 这要求所有的总线产品接口都遵循同样的通信机制 身为p r o f i b u s 接口相关产品的开发人员 需要对相应的总线通信协议及从站状态机制有较深入 的了解 为了开发d p 从站接口 对v 0 v 1 的从站状态机制的探讨是必须的 2 1v 0 状态机制 v 0 状态机制 如图2 1 所示 是p r o f i b u s d p 主站与从站间循环通信的依 据 d p 从站在任何情况下的行为都应与之保证一致性 具体规范可参阅e n s 0 1 7 0 由于在开发过程中使用了智能a s i c 芯片 制造商已在芯片中集成了大部分的v 0 状态机制 开发人员相应的工作量已经大大减轻 但仍需要对v 0 机制有一定的了 解才不会出现的无谓的失误 从站地址设置 配置报文错误 参数化报文错误 从站诊断 从站配置 从站诊断 从站参数化 从站配置 图2 1d p v 0 从站状态机制 f i g 2 1s t a t em a c h i n e o fd p v 0s l a v e 在上图中简略表明了d p 主从之间的v 0 状态转换 以及从一个状态转向另一 状态时发生的事件 为了更好的解释在从站接口内部软件中应完成的任务 以下 将对v o 状态机制中各个状态进行较为详细的介绍 1 3 7 北京化工大学硕士学位论文 2 1 1p o w e r o h 状态 p o w e r o n 状态为从站的上电状态 从站在此状态下完成内部程序的初始化 部分 在此状态下 从站接口内部已经完成了对智能协议芯片的配置 包括产品 基本信息的存储 数据缓冲区的划分以及缓冲区首地址指针的确定 在以上工作 完成之后 智能芯片s p c 3 将从站当前状态标记于等待参数化状态 仅在此从站上电状态 支持站地址改变的从站可以接收主站发送的站地址改 变报文 s e ts l a v ea d d r e s s 并在存储器内部为其分配用于储存新地址的空间 2 1 2 默i 卜p r n 状态 在从站完成初始化上电之后 将进入等待参数化状态 在此状态下 从站将 由服务存取点s a p3 d 接收来自主站的参数化报文 并暂时拒绝其它不相关报文 除去s d 2 类型报文的报文头与报文尾 从站需要判断从报文中获得的标准7 字节 参数化数据 从中获得要求的相关信息 如 i d 号 s y n c f r e e z e 功能 配置 主站地址等等 有些从站在标准7 字节参数化数据之外同时附加了用户定义的参 数数据 这些数据同样也需要相应的处理 但无法由智能芯片自动完成 如果从站发现主站发送的参数化报文有误 v 0 状态机制将停止在此状态并在 诊断数据中对相应标志位进行设置 向用户指示错误的原因 2 1 3 卧i 卜c f g 状态 等待配置状态只有从站在接收到正确的参数化报文之后才能够进入 在此状 态接收的配置报文中 主站告知从站输入输出字节的长度 配置报文由服务存取 点s a p3 e 接收 对配置数据中的信息进行分析后 从站放弃不合理的配置报文 对于符合要求的配置信息 从站按照配置要求对内部各个缓冲区进行分配 为数 据交换做好准备 如果一个模块化从站希望有调整组态配置的功能 可以在接收到新的配置报 文后 按照配置数据各个字节重新计算新的用户数据长度 并更新各个数据缓冲 区的首地址指针 在此需要注意的是 开发过程中由于所用芯片的内部r a m 空间 大小不同以及程序数据结构的差异 从站支持的最大输入输出长度是不同的 对 于从站接口允许的不同最大输入输出长度 开发人员应为其配置不同的组态数据 此外 可应用服务存取点s a p3 b 获取本从站的组态配置 但是此功能并不仅 限于从站配置主站 同时也可以在从站任何状态下发送 8 第二章d p v o n i 状态机制 2 1 4d a t a e x c h 状态 在经过了无误的参数化与配置之后 从站进入数据交换状态 在此状态下 从站可以通过周期性的循环通信与主站交换用户数据 此时 从站可能接的报文有 数据交换报文 由默认服务存取点发送接收 输入 输出数据读取报文 服务存取点s a p 3 8 3 9 诊断报文 服务存取点s a p 3 c 以及配置读取报文 其中诊断报文可以向主站告知从站当前状态 在6 个字 节的标准诊断信息之外 用户还可以加上与过程应用有关的信息 即所说的用户 诊断 如短路 通常在进入数据交换状态后 从站不会无故退出此状态 而是一直保持与主 站的通信 会引起从站退出数据交换的状况通常为以下两种 w d 看门狗定时器到 时 在数据交换过程中接收错误或不合理报文 2 1 5 相关报文 p r o f i b u s 总线上所能传输的最大报文长度为2 5 5 个字节 报文由标识符 源及目的地址 数据长度 数据 命令字和循环校验码等构成 有效数据最长2 4 6 字节 具体值在组态时由选定的配置数据确定 p r o f i b u s d p 用户数据传输原理 如图2 2 所示 1 4 1 请求帧 应 j医 巫变圈 响应帧 图2 2p r o f i b u s d p 用户数据传输原理图 f i g 2 2p r i n c i p l eo ft h ed pu s e rd a t at r a n s f e r p r o f i b u s 链路层提供的服务有 s d a 发送数据并要求回答 s d n 发送数据 不要求回答 s r d 发送数据并要求回送数据 c s r d 循环发送数据并要求回送数据 以上四种不同的服务可由报文头部的s d 字节区分 作为引起状态转换的条 9 北京化工大学硕士学位论文 件 v 0 通信所涉及的主要报文有 诊断报文 参数化报文和配置报文 以上报文 都为s d 2 可变数据长度的报文 用于s r d 服务 其具体报文格式如下表所示 表2 1 报文结构 t a b l e 2 1t h ef o r m a to ft e l e g r a m s dl el e rs dd as af cd s a ps s a pd uf c se d 6 8 hxx6 8 hxxx3 x h3 e hxx1 6 h 服务存取点s a p 用在p r o f i b u s 数据链路层与应用层之间的交互作用 主站 发送的服务存取点叫做源服务存取点 s s a p 从站做出响应时的服务存取点叫做 目的服务存取点 d s a p 在d p 通信中 服务存取点被用于选择不同的功能 其 中的诊断 参数化和配置报文分别由主站s a p 服务访问存取点3 e 向从站s a p 存 取点3 c 3 d 3 e 发出 这三种报文结构一致 只在d u 部分有不同 分别为从 站状态诊断信息 参数化数据以及相应的配置组态报文 2 2v 1 状态机制 v 0 的扩展 随着工业要求的提高 p r o f i b u s 技术一直在不断地发展与完善 在d p v 0 循环通信协议的基础上 依据各种应用领域的特殊需求 对d p 通信进行了扩展 l d p v 0 提供d p 基本功能 包括循环的数据交换 以及站诊断 模块诊断和特 定通道的诊断 d p v 1 作为扩展的d p 功能 允许主站与从站之间传输非循环的读和写功能以 及报警 而且可以实现与循环的用户通信无关的操作 v l 是依据过程自动化 的需求而增加的功能 可用于参数赋值 操作 设备报警处理等非循环的数据 通信 这使得用第二个主站非周期性的与在线从站通信并进行数据交换成为可 能 d p v 2 主要包括根据驱动技术的需求而增加的其它功能 由于增加的功能 如同步从站模式 s y n c h r o n o u ss l a v em o d e 和从站对从站通信 d a t ae x c h a n g e b r o a d c a s t 等 d p v 2 也可以作为驱动总线 用于控制驱动轴快速运动的时序 扩展的d p 功能是可选的 它们与d p v 0 基本功能兼容 由于扩展的功能仅 仅对现有的循环基本通信做出补充 因此如果不想使用或不必使用这些扩展功能 时 现有的v 0 通信不会被影响 设备依然可以正常运行 由于在本课题从站开发中 要求从站接口具有与v l 主站通信的功能 因此对 v l 通信协议的研究也是开发过程中很重要的一部分 在从站接口的开发选用了单 片机微处理器 协议芯片s p c 3 的方案 在第一章中已经对此协议智能芯片进行了 详细的介绍 s p c 3 中只集成了d p v 0 状态机制 而无法对v i 状态机制进行自动 1 0 一 一 第二章d p v o v i 状态机制 转换处理 所有的状态机制都需要开发人员在单片机微处理器中由内部软件实现 因此 对非循环部分通信协议有深入的了解 不仅仅在开发过程中有很大的帮助 同时在最终的测试调试过程中也可以给开发人员带来很大的方便 2 2 1d p v l 状态机制简介 与v o 略显单一性的通信状态机制不同 v l 非周期服务分为两类 m s l 通信 从站与1 类主站的连接 内含c 1 读写 m s a c lr e a d w r i t e 通信与a l m s a c la l a r m 报警功能 m s 2 通信 从站与2 类主站的连接 需要从站有r m 资源管理功能 m s a c 2l w 并可以进行c 2 读写 m s a c 2r e a d w r i t e 以及数据传 输通信 m s a c 2d a t a t r a n s 在d p v 0 通信中 主站占用s a p3 e 从站使用3 c 3 d 3 e 来发送诊断 参 数化以及配置报文 为了实现d p v l 的非周期性服务报文与d p v 0 报文相互不干 扰的发送与接收 在v l 通信协议中定义了新的服务存取访问点 具体可见表2 1 表2 2 新增服务存取访问点 s a p s t a b l e 2 2n e wa d d e ds a p s 服务 主站s a p 从站s a p通信功