第6章PROFIBU通信技术及DP-v0.ppt

第6章Profibus的通信协技术及DP-V0/V1,PROFIBUS的通信协议模型让我们再回顾一下PROFIBUS的通信协议模型,PROFIBUSDP的基本概念,基本特点PROFIBUSDP有如下基本特点：网络中所有从站具有同样的优先权；网络可以是单主站或多主站结构；可以进行循环和非循环通信。第一类主站和从站间的通信是循环的、不间断的；非循环数据通信可以通过DP-V1来实现；为了安全原因，只能有一个主站对相应的从站进行控制（写入数据）；一类主站和二类主站均可以读取从站的数据；每个从站可以有多达244字节的输入和输出数据；传输速率可以高达12Mbps。,2,6.1数据链路层6.1.1介质访问控制方式,总线存取过程PROFIBUSDP的总线存取过程遵循以下原则：各主站之间采用令牌（Token）交换的规则，按序交换令牌。令牌相当于一种权力，谁握有令牌，谁就有对总线的使用权力，没有令牌的一方只有等待。令牌只有一个，所以同一时间内只能有一个主站拥有令牌，这就避免了多人发布命令而造成的混乱。在拥有令牌的时间内，该主站必须完成它应该完成的任务。从站只能接受主站的请求而产生响应，它不能向主站提出请求。每个主站都有它自己所控制的从站，它不能控制其他主站的从站，但它可以读取其他从站的数据。第二类主站可以对任何从站进行读取操作，但这种操作是非循环的。,5.1PROFIBUSDP的基本概念,总线存取过程,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,1.传输服务数据链路层中包含了对数据传输报文的一般结构描述、安全机制设置以及可能提供的服务。IEC61158中定义的PROFIBUS传输服务包括：1）SDA（SendDatawithAcknowlege）该服务只在FMS中使用。数据传输给主站或从站，然后发送一个确认信息作为响应。2）SRD（SendandRequestDatawithAcknowlege）在一个信息循环内完成数据发送和接收。3）SDN（SendDatawithNoAcknowlege）用于广播传送和多点传送的报文中。,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,2.字符和位组结构1）异步传输数据链路层的数据由一定数量的异步传输特征码（字符）组成。每个PROFIBUS的特征码按UAR/T（UniversalAsynchronousReceive/Transmit）格式编码，每个特征码由11位组成，即1个起始位，8个数据位，1个校验位，1个停止位。,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,3.字符和位组结构1）同步步传输数据链路层数据的每个字节用8位位组，即和原字节相同。,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,3.数据链路层的报文的一般结构1）异步传输时SD（StartDeliniter）:报头LE（NetDataLength）：数据长度DA（DestinationAddress）：目标地址SA（SourceAddress）：源地址FC（FounctionCode）：功能码DU（ProtocalDataUnit）：协议数据单元FCS（FrameCheckSequence）：校验码ED（EndDelimiter）：报尾,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,2.数据链路层的报文的一般结构1）同步传输时CRC：循环冗余校验码和异步相比：同步传输每个字节都是8位位组，异步传输是每个字节都表示成11位的字符；同步传输报文中没有ED；两者的差错检查机制也不一样。其他相同。,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,6.报文种类不同的报头内容反映了报文的类别1）SD1=0 x10请求FDL状态，寻找一个新的活动站点，报文固定长度，没有数据单元2）SD2=0 x68用于SRD服务，报文中有不同的长度3）SD3=0 xA2数据单元长度固定的报文4）SD4=0 xDC托肯报文，用于两主站之间发送总线通道授权,6.1数据链路层6.1.2数据传输服务,5.功能码的含义功能码FC字节用来说明报文的性质、站的类型和状态，以及在请求和相应情况下报文的功能。b7常为零b6:值为1时，请求报文；值为0时，响应报文b4、5：b6=1，b5=FCB，b4=FCVb6=0，b5、b4组合（00，01，10，11）表示站点类型和状态,6.2应用层,6.2.1应用关系：协调AP现场总线应用层（FAL）是一种应用层通信标准，为用户程序提供访问现场总线通信环境的手段。FAL的服务和协议由包含在应用进程中的应用实体（AE）来提供AE由ASE和LME组成ASE：面向对象的一组应用服务元素，提供一组有关的应用进程对象（APO）类别上操作的通信服务LME：管理AE的层管理实体AP：现场总线应用进程。使用应用关系端点（AREP）进行访问通信,6.2应用层,6.2.1应用关系PROFIBUS提供了多种AR类型：1）MS0：一个或多个主站（2类）的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系；可选的一个或多个DP从站的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系；2）MS1：一个主站（1类）的AP与一个有关DP从站的AP之间的应用关系；2）MS2：一个主站（2类）的AP与一个有关DP从站的AP之间的面向连接的应用关系；3）MS3：一个主站的AP与一组有关DP从站的AP之间的无连接的应用关系，用于时间的同步；4）MM1：一台组态设备（2类主站）的AP与一台有关控制设备（1类主站）的AP之间的无连接的应用关系；5）MM2：一台组态设备（2类主站）的AP与一组有关控制设备（1类主站）的AP之间的无连接的应用关系；,6.7PROFIBUS标本的发展,PROFIBUS-DP从DP-V0到DP-V1、DP-V2随着PROFIBUS-DP应用领域的不断扩大，它的版本也在不断地更新改造，不然就不能更好地适合新领域的具体要求。PI保证PROFIBUS的新版本100%地向后兼容，例如DP-V0的从站设备也可以在主站版本是DP-V1的系统中使用，只不过该从站没有DP-V1的功能；DP-V1的从站也可以在主站版本是DP-V0的系统中使用，只不过该从站的DP-V1功能不能使用而已。,14,6.7PROFIBUS标本的发展,15,6.7PROFIBUS标本的发展,PROFIBUS-DP从DP-V0到DP-V1、DP-V2DP-V0DP-V0是PROFIBUS-DP的最基本的版本，它只能完成主站和从站之间的循环数据交换，不能适应过程控制系统中的报警处理和参数设置等功能的要求，也不能适应运动控制系统中的同步、等时控制的要求DP-V1DP-V1是专门针对PROFIBUS在过程控制领域的使用而开发的，PROFIBUS-PA使用的就是DP-V1。和DP-V0相比，最大的区别就是DP-V1增加了非循环数据交换，使其能完成过程控制中的一些非实时性的数据交换。DP-V2DP-V2是为PROFIBUS在运动控制和对实时性、精确性要求更高的场合使用而开发的。PROFIDrive使用的就是DP-V2。它主要增加的功能有：从站之间的通信、等时模式、同步模式、上载和下载和冗余功能。,16,6.7PROFIBUS标本的发展,17,DP-V1通信协议的特点DP-V1通信协议的特点主要有：总线存取主站之间采用托肯传递方式，主站和从站之间采用轮询方式。通信实现功能系统安全保证,6.2PA的通信协议,DP-V1的组成它是DP-V0的扩展版本。DP-V1包括循环数据交换和专为过程控制而设计的非循环数据交换，非循环数据主要指过程参数的上下限和报警范围，以及制造商的一些特殊数据。典型的DP-V1的总线循环周期如下图所示,6.2PA的通信协议,DP-V1的组成在非循环数据交换中，1类主站和从站之间的通信称为MS1通信；2类主站和从站之间的通信称为MS2通讯。所以DP-V1的通信由循环通信MS0和非循环通信MS1、MS2组成。,6.7PROFIBUS标本的发展,DP-V2从站之间的通信DXB（DataeXchangeBroadcast）该功能可以使从站之间使用广播方式而不需要绕道通过主站来进行直接而省时的通信，该通信方式也称为“旁路通信”方式。使用该功能时，这些从站扮演为“生产者”（publisher）的角色，使从站响应不通过协调的主站而直接到包含在此序列中的被称为“消费者”（subscriber）的其他从站。这样，从站就可以从其他从站直接读取数据，并将这些数据作为自己的输入，使响应时间减少了90左右，所以它适合于实时性要求非常高的场合。,20,6.7PROFIBUS标本的发展,DP-V2从站之间的通信DXB（DataeXchangeBroadcast）举例：需要光栅位置传感器数据的驱动器可以直接从光栅从站读取数据，以完成分布式的多轴驱动控制。,21,6.7PROFIBUS标本的发展,DP-V2等时同步模式（IsochronousMode）此功能可实现主站和从站中的时钟同步控制，循环周期时间的长短与总线负载无关，从而实现高精度定位控制。等时同步模式中的时钟误差可以达到小于1s。该模式是使用“全局控制”（GC，GlobalControl）来使所有参加的设备循环与总线主循环同步的。,22,6.7PROFIBUS标本的发展,DP-V2等时同步模式（IsochronousMode）举例：3个驱动器从站和主站组成的高精度位置控制系统。,23,6.7PROFIBUS标本的发展,DP-V2时钟控制该功能中，主站通过一种新的无连接的服务MS3实时地向所有从站发送时间标签（timestamp），使所有的从站与系统时间同步（其时钟误差小于1ms）。这个功能允许系统精确地跟踪事件，在对故障诊断结果即事件的顺序编制方面非常有用。上载和下载此功能允许用少许命令在现场设备中装载任意大小的数据区，这使得更新程序和更换设备变得容易和简单。从站冗余在一些应用中需要具备冗余通信功能的现场总线设备，为此，PROFIBUS制定了从站冗余机制的规范。从站的冗余提高了系统的可靠性和容错能力。,24,5.4DP主站和从站的工作过程,主站工作过程当主站从组态工程工具（2类主站）接收到它的参数配置后，它就开始同属于它的从站进行通信了。主站的参数配置包括参数化/组态数据，以及它所控制和联系的从站地址。主站正是通过参数化和组态这两个报文认识属于它的从站的，主站只和它自己的从站进行联系。上电时，主站先和从站联系检查它们的时基（波特率），主站通过组态报文把波特率送给从站，ASICs使从站自动适应主站所设置的波特率。从站监控它所接收到的每一个报文，一旦发现任何不正确的通信结果或现象，主站立即通过诊断报文得到消息，从站会自动将它的输出设置到安全状态。随后主站会重新对从站进行参数化和组态。上电或复位后，主站和它的从站的通信顺序按地址号从小到大进行，主站之间的令牌传递也是按地址号从小到大进行的。,主站的工作模式：4种,离线模式：无通信；停止模式：主站在总线上，但是不调用从站；清除模式：从站处理器被激活，但输出处于安全状态；操作模式：读输入，写输出。,5.4DP主站和从站的工作过程,从站工作过程从站的状态机构集成在ASICs的硬件中，用户不能对它进行干预。,从站工作过程,5.4DP主站和从站的工作过程,从站工作过程Power_On在上电时，从站可以从2类主站接收“设置从站地址”（Set-Slave-Address）报文，改变从站地址。也只有在上电时从站才能改变地址。Wait_Parameterization在最初的内部起动后，进入等待参数化（Wait_Prm）阶段，这时从站可以接收诊断请求报文或参数化报文，但不能接收其他任何报文。参数化报文中包含许多标准化的信息，如是否支持同步/锁定（Sync/Freeze）方式、主站地址以及其他用户定义的功能。Wait_Configuration接下来进入等待组态（Wait_Cfg）阶段，组态报文主要定义数据交换中输入/输出字节的数量，从站会核查该组态是否适合自己，并把结果报告给主站。对每个主站来说，它可以在从站的任何状态下得到“获取组态”（Get_Cfg）报文。Data_Exchange如果参数化报文和组态报文都被从站接受的话，说明对该从站成功完成了组态。接下来主站和从站就可以自动进入数据交换阶段了。,6.5DP主站和从站的工作过程,从站工作过程Diagnosis诊断报文有高的优先级，从站状态机构的状态、参数化/组态的正确与否，以及用户所设定的诊断内容都包含在诊断报文中，从站在任何状态下都可以响应主站诊断报文的请求。在从站初始化时，从站可能会发送回一个错误信息或状态信息。Watchdog看门狗是每个计算机控制系统中的一项重要功能，它能监控系统工作过程的正常与否，防止死机或死循环的出现。PROFIBUS中，从站利用看门狗功能监控总线的通信情况，保证主站处于激活状态，保证通信及过程数据一直处于更新状态。看门狗的时间是在参数配置报文中确定的。在每一次正常的通信回合后，它都能被复位。如果有意外发生，看门狗时间溢出，则从站状态机构自动返回到Wait_Prm状态，并把输出设置到安全状态（根据是否设置安全状态而定）。,6.6DP各站的功能及通信,功能主站（主要指1类主站）把输出数据送往从站，如果需要的话也可以得到从站的输入数据。它的主要功能（基本功能包含在DP-V0版本中，扩展基本功能包含在DP-V1/V2版本中）有：控制托肯（令牌）的传递；负责把新的站点放入总线中；和组态好的从站进行数据交换；检测失败的从站；监测定义好的总线时间；监测组态从站的响应时间（包括重复传送报文）；建立托肯传递站点之间的联系。2类主站：负责系统组态，收集用于或来自于1类主站的诊断数据从站：基本功能包含在DP-V0版本中，扩展基本功能包含在DP-V1/V2版本中,6.6DP各站的功能及通信,PROFIBUSDP的通信形式PROFIBUSDP系统的通信形式主要有：1类主站和从站之间；2类主站和从站之间；1类主站和2类主站之间。,5.2DP各站的功能及通信,PROFIBUSDP的通信形式主/从通信时实现的功能,5.2DP各站的功能及通信,PROFIBUSDP的通信形式主/主通信时实现的功能,各设备相互作用关系和使用的报文种类示意图,主站1,从站,主站2,5.3DP报文格式,DP报文格式标准的DP报文格式SAP的作用因为同时使用FROFIBUS数据链路层FDL的可能不只有DP（可能还有FMS），为了保证DP的报文区别于其他报文，所以DP的报文加上了2个特殊字节：一个是目标服务存取点DSAP（DestinationServiceAccessPoint），另一个是SSAP（SourceServiceAccessPoint）。DSAP和SSAP指明了具体的服务类型，它们能告诉别人这个本文的具体含义。但有一个特殊情况，即“数据交换”的报文中采用“Default-SAP”（缺省SAP，或不使用SAP）格式，因为规定FMS不能使用这种方式，所以仍能保证正确区分各自的报文。总之ASICs通过SAP保证了报文的准确接收。,5.3DP报文格式,服务点服务类型主站和从站之间,5.3DP报文格式,服务点服务类型主站主站之间通信的服务点比较特殊：DSAP和SSAP均为36（54）。只有当从站支持该项功能时，从站37h（55）才有效。在DP报文中的目标地址和源地址，即DA和SA，它们分别为一个字节，其中低7位（2620）表示设备地址，而27位是非常重要的位，当该位为0时，表示在该报文中，没有使用DSAP/SSAP；当该位为1时，表示在该报文中，有DSAP/SSAP来指定相应的服务，这时的DA/SA在报文为1。但在使用分析软件时，一般还显示正常的地址，对这一点，大家一定要注意！,5.3DP报文格式,举例1类主站和从站之间（主站地址为1，从站地址为10）,5.3DP报文格式,举例2类主站和从站之间（主站地址为0，从站地址为10）,6.8DP-V0报文详解,概述PROFIBUSDP-V0指的是1类主站和从站之间的循环数据通