現場總線PROFIBUS-DP網通訊原理與方法研究

朱曉虹

（上海福克斯波羅有限公司 上海 200233）

從二十世紀末期開始，隨著電子信息的發展，許多應用控制的儀表都采用不超過20mA的信號，經過一段時間出現了難點，為了解決這一出現的問題，逐漸出現了新技術，叫做現場總線。現場總線是將后臺的總線運用電線傳送信息，將現場的頻率轉變、應用數據等傳送到現場后執行，然后將現場的信息進行反饋，現場總線可以對現場的信息進行調節。目前的現場總線具有很高的可靠性，便于維護和修整，是現下流行的使用標準，擁有很大的市場。怎么研發現場總線的接口，讓現場總線可以與現場的設備進行順利的連接十分重要。

通過了解現場總線的原理可以對其進行改善，探討現場總線的連接方法對其硬件結構和軟件結構進行了解和分析。雖然目前使用的現場總線仍然存在一些問題，但是在市場中的使用的占比非常大。現場總線擁有很多種類和方法，其中最著名的就是PROFIBUS-DP的嵌入式總線橋，其集中了技術的優勢，發揮特長，節省了許多人力物力，開發投入低且周期短，技術升級快，適合多種總線的開發，有技術專門研發、制造，有利于標準化，保證質量，可以形成規模。接下來會對PROFIBUS-DP現場總線進行分析和討論，充分了解現場總線的連接和應用的實例。

1 PROFIBUS-DP的概念分析

PROFIBUS-DP網絡是一個從主站/從站（master/slaver）網絡，其中的DP是單主站結構配置。其實一種具有高速低成本，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，它與PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS共同組成了PROFIBUS標準，三種通訊結構分別擁有不同的功能，是當前很受歡迎的計算機硬件。PROFIBUS-DP協議中明確規定了用戶數據是怎樣在總線各站之間傳遞。PROFIBUS-DP擁有很多的優勢，其傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s，最大的傳輸距離在是9.6Kbit/s—187.5Kbit/s時為1000米，在500Kbit/s時為400米，1500Kbit/s為200米，3000Kbit/s—12000Kbit/s時為100米，可以利用中繼器延長至10Km。其傳播介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可以掛127個站點。利用PROFIBUS-DP的優點可以將網絡通訊和信息傳遞完成的更加完整，使現場總線與現場的交流更加順暢，信息傳遞更加準確。

2 現場總線的通訊原理和方法

現場總線通訊的方法一般是主從通訊，在數據鏈路層，PROFIBUS-DP使用混合的總線存取控制機制來實現相關站之間的通信和聯系。其存取控制機制包括用于主站之間通信的分散的令牌傳遞機制和用于主站和從站間通訊的集中的主—從機制。現場總線的總線存取控制機制與所使用的傳輸介質無關，每個DP節點有一個總線上的唯一地址，報文用節點編址的方法組織。

令牌介質存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權。連接到現場總線網絡的主站按其總線地址（由總線存取控制MAC程序自動判定總線上所有主動點地址并記錄在主動表LAS中）的升序組成一個邏輯令牌環。當某個主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時間內主持主站工作。根據主從站的關系表給其他的主站或者從站發送幀，直到發完或者規定的時間到，再把令牌按照令牌環規定的順序傳遞下去。具有總線的地址HAS（最高站地址）的站點例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點，以使邏輯令牌環閉合。在主—從方式下，由一個主站控制多個從站，構成主—從系統。主站發出命令，從站給出響應，配合主站完成對數據鏈路的控制，一個主站應與相關的多個從站中的每個從站建立一條數據鏈路，從站可以發送多個幀，直到以下一種情況的發生：從站沒有信息幀可以發送，未完成幀的數目已達最大值或從站被主站停止。典型的現場總線配置是以主—從總線存取程序為基礎的，一個主動節點（DP主站）循環地與被動節點（DP從站）交換數據。在單主方式中不存在令牌的傳遞，故在本文所討論的系統中只存在主從機制，也就是說令牌始終在主站，該主站是這個系統中唯一具有總線控制權的站。該方法是數據傳遞的主要方法，掌握令牌傳遞的規則即可掌握信息數據的傳遞過程。

3 現場總線PROFIBUS-DP的使用實例和數據

以PROFIBUS-DP現場總線為例，討論其使用過程中的數據，以該系統中的主站和頻率變速器來看，現場總線的使用就是現場總線與其他的通信設備的相互連接，信息可以雙向傳遞。其支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等傳送方式，主站對具有對總線的控制權，可以主動發送消息，對于多主站系統來說，主站之間可以采用令牌傳遞信息，得到令牌的站點可以在一個事先規定的時間內擁有總控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按照PROFIBUS的通訊規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行的方向進行傳遞。主站得到控制權時，可以按照主—從方式，向從站發送或者索取信息，實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播或者有選擇地向一組站點廣播。

3.1 IM180主站接口模塊

IM180可以利用其它的設備，作為主站連接到現場總線上。該模塊可以完全獨立完成總線控制。其可以接替 PLC、PC、驅動器、人機接口的通訊處理任務，最大的傳播速率為12Mbit/s，其主要組成部分是芯片APSC2/80C165微處理器和PLASH-EPROM、RAM組成。APSC2有48MHZ晶振提供脈沖。模塊的尺寸是 100×100mm，適合面對面的方式安裝。IM180還需要一塊母板，這塊母板是IM181，是一塊ISA短卡，可以用于一般編程設備或者PC機。用于集成電路的ASPC2芯片可以獨立處理總線協議，與主系統的通信通過雙口RAM完成，數據交由應用程序來完成。

3.2 IM182從站接口模塊

IM182是一塊PC卡，可以用作PROFIBUS-DP的從站。IM182接口模塊設計成ISA總線PC卡，最大的數據傳輸速率12Mbit/s。其接口模塊主要由ASIC芯片PSC3和一個用于現場總線的RS-485接口組成，RS-485使用時隔離電源。SPC3由48MHZ晶振提供脈沖源，模塊的尺寸為186×105mm。專用集成電路SPC3芯片可以獨立處理總線協議，SPC3原有的功能通過集成到 SPC3中的微程序控制軟件來實現，ASICRAM或者固態程序必須由用戶將其連接到實際應用中去。

3.3 現場總線和組態軟件

現場的組態軟件一般用來數據收集和自動控制，是現場總線的專用軟件系統，常用的現場組態軟件為 IFIX PROFIBUS。其功能很豐富，可以運用到多個現場總線控制整個通訊網絡。可以運用主—從或者多主多從的方法進行數據信息的讀取，同時可以從從站接受數據以及設置參數等，最重要的是組態軟件可以進行測試，也可以自帶通訊工具的設備。選取的IFIX PROFIBUS組態軟件擁有很多特點，其對通訊設備的控制是通過GDS文件進行讀取，通過集成電路將不同的現場總線集合在一起，讀取通訊的數據等。并內部形成了兼容性的內部環境，增加對現場總線的控制和集成。現場總線的組態軟件主要由萬維公司、悉雅特公司、西門子自動化與驅動集團等制造形成。無論組態軟件的形式是否一樣，它們均是自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統的檢測功能和通用層次的軟件工具。

4 PROFIBUS-DP與硬件軟件連接的方法

4.1 現場總線與硬件的連接方法

現場總線 PROFIBUS-DP通訊的實現主要是由 PROFIBUS通信接口的中央處理器或通訊模塊來完成，通訊模塊有DP從站、DP主站、FMS站以及混合DP和FMS的通訊模塊。接下來對奧地利貝加萊公司的相關產品的分析，以現場總線的對下位對象的控制為例，其主站為貝加萊公司的2005系列，CPU為CP260或者IF260，主站通過網絡模塊EX450掛接到現場總線的網上。2個從站選擇2種不同的配置，其中一個為2003系列，另一個接口模塊為IF361，或者一個為2005系列，另一個接口模塊為IF661。接口模塊IF361、IF661內部采用的均是SPC3芯片，SPC3芯片是一種用于從站的智能通訊芯片，支持現場總線的協議，可以獨立完成全部的現場總線的通訊功能。

4.2 現場總線與軟件的連接方法

與軟件部分的連接，主要是與網絡組態的連接，網絡組態部分實際上就是形成整個現場總線的網絡配置，包括網絡波特率，主從站地址及主從關系表等參數。上位機中裝有貝加萊公司的PCC通訊程序開發平臺AS軟件及FC網絡配置軟件，分別用于對PCC編程和對現場總線進行組態、通訊設置及監控。現場總線的網絡配置十分靈活，網絡允許單子網或多子網配置，既可以單主—從網絡，又可多主—從網絡。通過貝加萊公司軟件FC可以對整個網絡進行配置，設置相關參數。通過軟件不僅可配置PROFIBUS-DP網絡，對InterBus、CANopen、DeviceNet、ControINet、SDS、As-Interface都可以進行相關配置。組建現場總線的設備通過讀取相應的 GSD文件而加入到同一總線系統中。GSD文件時電子設備數據文件。

為了將不同廠家的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件方式提供這些產品的功能參數。GSD文件應該包括以下三個部分，總體的規范，其中包括生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特串等。與DP相關的使用規則，其中最重要的就是各項的參數。與DP有關的規范，其中包括輸入輸出的通道數、類型、診斷數據等。從站與主站之間的通訊是通過使用設備數據庫文件 GSD實現的。另外貝加萊公司還可以對于整個網絡進行診斷，并可對網絡通訊的信息進行監控。通過內部的通信編程，主站與從站之間進行數據交換，但實際并不參與數據交換的協調過程，整個數據的交換完全由主站程序掌控。

5 總結

目前使用最多的現場總線是PROFIBUS-DP，該網絡是主站與從站之間進行數據信息交換，擁有很多的優勢，最明顯的就是高速，傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s。其的通訊傳輸原理是使用混合的總線存取控制機制來實現相關站之間的通信和聯系，使用令牌來進行通訊，它在主站之間傳遞控制權，令牌到的主站擁有傳遞信息的功能。現場總線的使用是由主站、從站、組態軟件等主要部件共同完成，除此之外不能離開軟件和硬件的共同作用，而軟件和硬件的制作公司不同，會有一些差距。但是整體不影響現場總線PROFIBUS-DP的使用。通過不斷的調整和修改將現場總線的連接、與現場的信息傳遞更加準確快速。