现场总线Profibus-DP 主从站数据交换探讨

1 引言
　　现场总线（Fieldbu）是20 世纪80 年代末、90 年代初发展起来的现场智能设备互连通信网络，是计算机网络适应工业现场环境的产物，经过十几年的发展已成为当今世界自动化技术的热点。据不完全统计，目前各类现场总线有40 多种，主要用于解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数据通信及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。
　　目前，较为流行的现场总线有FF 、LonWorks 、Profibus 、WorldFIP 、CAN 、HART （过渡协议）等。现场总线虽然必须设计成开放系统，但其网络结构并不需要保持与OSI 系统完全一致。现场总线采用了3 层网络结构——物理层、数据链路层和应用层。流量控制和差错控制在数据链路层中执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层中执行。

2 Profibus-DP 总线
2.1 Profibus-DP 主从通信
　　Profibus-DP 网络是一个主站/从站．ｍａｓｔｅｒ/ Slaver）网络，典型的DP 配置是单主站结构。DP 主站与DP 从站之间的通信基于主从原理，主站具有总线控制权，周期地读取从站的输人信息并周期地向从站发送输出信息，而总线上的DP 从站仅仅是对主站作有关应答或响应。数据通信由主站和从站进行监控。一个DP 系统也可能是多主系统。
2.2 Profibus-DP 总线拓扑
　　Profibus-DP 系统有2 种总线拓扑结构：一种是RS-485 ，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型，通信速率为9.6kb/s.（12oom ）-1, 12Mb/s.（100 m ）-1，每段最多节点数为32，不支持总线供电；另一种是采用光纤，用于电磁兼容性要求高和长距离要求的场合。
2.3 Profibus-DP主从通信原理
　　在数据链路层，Profibus-DP 使用混合的总线存取控制机制来实现相关站之间的通信。其存取控制机制包括用于主站间通信的分散的令牌传递机制和用于主站与从站间通信的集中的主-从机
制。Profibus-DP的总线存取控制机制与所使用的传输介质无关，每个DP 节点有一个总线上惟一的地址，报文用节点编址的方法组织。
　　令牌介质存取中令牌是一种特殊的电文，它在主站间传递控制权。连接到Profibus 网络的主站按其总线地址（由总线存取控制MAC 程序自动判定总线上所有主动节点地址并记录在主动站表LAS 中）的升序组成一个逻辑令牌环。当某个主站得到令牌后，该主站就被允许在以后的一段时间内执行主站工作。根据主从站关系表给其它的主站或从站发送帧，直到发完或规定的时间到，再把令牌按令牌环规定的顺序传给其它主站。具有总线地址HAS （最高站地址）的站点例外，它只传递令牌给具有最低总线地址的站点，以使逻辑令牌环闭合。在主-从方式下，由一个主站控制着多个从站，构成主-从系统。主站发出命令，从站给出响应，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与相关的多个从站中的每个从站建立一条数据链路，从站可以发送多个侦，直到以下一种情况发生为止：从站没有信息帧可发送，未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止。典型的Profibus-DP 总线配置是以主-从总线存取程序为基础的，一个主动节点（DP 主站）循环地与被动节点（DP 从站）交换数据。在单主方式中不存在令牌的传递，故在本文所讨论的系统中只涉及主从机制，也就是说令牌始终在这个主站，该主站是这个系统中惟一具有总线控制权的站。

3 基于Profibus 一DP 主从通信
3 . 1 硬件部分
　　Profibus 通信的实现主要由带Profibus通信接口的中央处理器或通信模块完成，通信模块有DP 从站、DP 主站、FMS 站及混合DP 和FMS 的通信模块。本文实验是基于奥地利贝加莱（B&R) 公司的相关产品在贝加莱-东华大学工业自动化联合实验室中进行的，以通过Profibus-DP网对下位对象的控制为例介绍Profibus 一DP 网通信的实现。本实验系统网络结构如图1 所示，其中主站为B&R公司的2005 系列，CPU 为CP260 或IF260 ，主站通过网络模块EX450 挂接到Profibus - DP 网上。当用EX450 作为主站模块时，可带具有IF361 、IF661 或其它接口模块的从站127 个，也可带具有Profibus 一DP 口的其它设备，如B&R公司的PROVIT 图文显示操作站、ACOPOS 伺服装置、PANEL WARE 人机界面模块等，或其它公司的一些产品，如Siemens 公司的ET200系列。2 个从站选用2 种不同配置，其中一个为2003 系列，网络接口模块IF361 ；另一个为2005 系列，接口模块为IF661。接口模块IF36l 与IF661 内部采用的都是Siemens 公司ASICs 芯片SPC3 , SPC3 是一种用于从站的智能通信芯片，支持Profibus-DP 协议，可独立完成全部Profibus-DP 通信功能。

图1 系统网络结构图

3．2 软件部分
( l ）网络组态。网络组态部分实际上就是形成整个Profibus-DP 网络的网络配置，包括网络波特率、主从站地址及主从关系表等参数；上位机中装有B&R PCC 通信程序开发平台Automation Studio (AS）软件及B&R Fieldbus Configurator（Sycon）网络配置软件，分别用于对PCC 编程和对Profibus-DP 网进行组态、通信设置及监控。
　　Profibus-DP 网络的配置相当灵活，网络允许单子网或多子网配置，既可以单主-从网络，又可多主-从网络。通过B&R 公司软件B&R Fieldbus Configurator可对整个网络进行配置，设置相关的参数。通过该软件，不仅可配置Profibus-DP网络，对InterBus , CANopen , DeviceNet , ControlNet , SDS , As-Interface 都可以进行相关配置。组建Profibus-DP 网络的设备通过读取相应GSD 文件而加人到同一总线系统中。GSD文件是电子设备数据文件。为了将不同厂家的Profibus 产品集成在一起，生产厂家必须以GSD 文件方式提供这些产品的功能参数。GSD 文件应该包括3 个部分：总体规范（生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特串等）、与DP 有关的规范（主站的各项参数）、与DP 从站有关的规范（输人输出通道数、 类型、诊断数据等）。从站与主站之间的通信是通过使用设备数据库文件（GSD ）实现的。另外，B&R 公司软件FieldBus Configurator 还可以用于对整个网络进行诊断，并可对网络的通信信息进行监控。
    系统具体配置过程如下：
    ① 通过GSD 文件组态网络，设置网络波特率、主从站地址，给从站模块在主站内存区分配映射缓冲区，确定映射区起始地址及大小（从站在主站缓冲区中分配的映射区是连续的），将配置文件下载至EX450 。
    ② 从站IF361是在程序中设置从站地址及波特率的，而从站IF661从站地址是通过硬件拨码设置的，此拨码设定须与主站配置软件中的设置一致。
    ③ 将两从站AS编写的通信程序通过模块上的RS-232 口下载至对应模块。
    ④ 在B&R  Fieldbus Configurator软件诊断模式下测试整个网络，查看从站激活情况，然后由软件生成主站通信程序所需要的网络配置数据模块。
    ⑤ 在主站程序中加人主站Profibus-DP 库，并加人上面生成的数据模块，编写主站通信程序，下载至主站CPU 中。
    ( 2 ）通信编程。在该网络配置完成后，物理架构上的主从网络已实现，下面就是要实现主从站之间的通信。从站程序主要设置从站缓冲区大小及实现主站相应缓冲区与从站缓冲区的数据交换。它并不参与数据交换的协调过程，整个数据交换过程完全由主站程序控制。主站程序中，首先在初始化程序段通过Init 函数初始化模块，并检查网络配置模块是否存在（标志变量与Config是否为1 ）。若标志变量Config 与run 都为1 ，直接调用I/O函数进人循环数据交换阶段；若标志变量Config为0 ，调用Config命令将配置模块传送到通信模块中；若标志变量run为0 ，说明当前未在数据交换阶段，则调用Start 函数开始数据交换，进人循环数据交换阶段。在循环数据交换阶段，通过I/O函数复制需传送的数据到相应的缓冲区中，由Command 函数检查总线状态，判断总线是否忙，并进行同步处理。由SlaveState 函数来诊断当前网络从站是否存在并处于激活状态，并由slaveExtStat 函数给出详细的从站状态信息。若一切正常，则配合从站程序，实现从站程序缓冲区与主站缓冲区中的数据交换，最后由Stop终止数据交换。主站通信控制程序流程如图2 所示。

图2 主站程序流程

( 3 ）通信监控。通过B&R Fieldbus configurator软件本身带有的监控程序I/O Watch ，可以实时看到主从站数据缓冲区中数据的变化。在此实验系统中，在主站程序设置一个两元素的数组，数组元素自加，通过SYSCON 的I/O Watch 监控功能可以得到数据交换。

4 结语
   
　　本文从研究的角度讨论了Profibus -DP网络的基本特性、拓扑形式、通信原理等，结合具体的实验系统介绍了实现该网络主从通信的具体方法并取得了良好的实验效果。在本文所论述方法的基础上，通过修改应用程序可很好地满足实际工程中主站对从站的配置监控、主从站数据通信等要求，具有很广泛的通用性。由于Profibus -DP的开放性、实时性好，数据传输速度快，系统实现简单，可靠性高，符合现代工业网络发展的趋势，将在未来一段时间内得到广泛的应用。