PROFIBUS-CDP 主从站数据通信

　　现场总线( Fieldbus) 是80 年代末, 90 年代初国际上发展起来的现场智能设备互连通讯网络, 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以及这些现场控制设备和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LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART( 过渡协议) 等。现场总线虽然必须设计成为开放系统, 但其网络结构并不需要保持与OSI 系统完全一致。现场总线采用了三层网络结构---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。
　　1   PROFIBUS-DP 总线
　　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从站之间的通讯基于主从原理, 主站具有总线控制权, 周期的读取从站的输入信息并周期的向

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。数据通讯由主站和从站进行监控。一个DP系统也可能是多主系统。
　　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讯。其存取控制机制包括用于主站间通讯的分散的令牌传递机制和用于主站与从站间通讯的集中的主-
　　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节点有一个总线上唯一的地址, 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 网络的主站按它的总线地址( 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他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他主站。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一个从站建立一条数据链路, 从站可以发送多个帧, 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, 因此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唯一具有总线控制权的站。
　　下面给出了本文实验系统的硬件及软件设计部分, 以说明Profibus- Dp 总线主从网络构成方法及通讯流程。
        2 基于PROFIBUS-DP 主从通讯的软, 硬件配置
　　2.1 硬件部分
　　PROFIBUS 通讯的实现主要由带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PROFIBUS-DP 网对下位对象的控制为例介绍PROFIBUS-DP网通讯的实现。本实验系统网络结构如图一所
　　示, 其中主站为B&R 公司的2005 系列, CPU为CP260 或IF260,主站通过网络模块模EX450 挂接到Profibus - Dp 网上。当用EX450 作为主站模块时, 可带具有IF361、IF661 或其他接口模块
　　的从站127 个, 也可带具有Profibus- Dp 口的其他设备, 如B&R公司的PROVIT 图文显示操作站、ACOPOS 伺服装置、PANEL  WARE 人机界面模块等等, 或其他公司的一些产品, 如Siemens 公司的ET200 系列。两个从站选用两种不同配置, 其中一个为2003系列, 网络接口模块为IF361； 另一个为2005 系列, 接口模块为IF661。接口模块IF361 与IF661 内部采用的都是西门子公司ASICs芯片SPC3, SPC3 是一种用于从站的智能通信芯片, 支持Prof ibus- 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

　　2.2 软件部分
　　软件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 通讯程序开发平台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、通讯设置及其监控。
　　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。通过这个软件, 不仅可以配置PROFIBUS-DP 网络,对InterBus, CANopen, DeviceNet, ControlNet, SDS, AS- Interface 都可以进行相关配置。组建Pro

fibus- Dp 网络的设备通过读取相应GSD 文件而加入到同一总线系统中。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 文件应该包括三个部分: 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( 输入输出通道数、类型、诊断数据等) 。从站与主站之间的通讯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, 并可对网络的通讯信息进行监控。本系统由B&R 公司软件FieldBus Configurator组成的网络配置如图2。

　　图2 网络硬件配置图

　　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) 将两从站由AS 编写的通讯程序通过模块上的RS232 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讯程序所需要的网络配置数据模块。
　　(5)在主站程序中加入主站的PROFIBUS- DP 库, 并加入上面生成的数据模块, 编写主站通讯程序, 下载至主站CPU 中。
　　2.3 通讯编程
　　在这个网络配置完成后, 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讯。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config 是否为1) 。如果标志变量config 与run 都为1, 直接调用I/O 函数进入循环数据交换阶段。如果标志变量config 为0, 调用CONFIG 命令将配置模块传送到通讯模块中。如果标志变量run 为0, 说明当前未在数据交换阶段, 那么调用START 函数开始数据交换, 进入循环数据交换阶段。在循环数据交换阶段, 通过IO 函数复制需传送的数据到相应缓冲区中, 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, 如果一切正常的话, 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。系统框图如图3 所示。

　　图3 系统流程框图

　　2.4 通讯监控
　　通过B&R FieldBus Configurator 软件本身带有的监控程序I/OWATCH, 我们可以实时的看到主从站数据缓冲区中数据的变化。在此实验系统中我们在主站程序设置一两元素的数组, 数组元素自加, 通过SYSCON 的I/Owatch 监控功能我们可以得到图4。output001 与outpot002 为主站的输出缓冲区 , 其值为主站数组中设定的两个变化元素, input001 与input002 为个模块的输入缓
　　冲单元, 我们可以发现随着主站站缓冲区output001 与outpot002 数据变化, 从站模块的映射缓冲区input001 与input002 中的数据发生相应的变化, 实时性非常好。

　　图4 数据交换图

　　3 总结
　　本文从研究的角度讨论了PROFIBUS- DP 网络的基本特性、拓扑形式、通讯原理等, 结合了以贝加莱公司产品为基础的具体的总线系统, 介绍了实现该网络主从通讯的具体方法, 并取得了良
　　好的效果。在本文所论述方法的基础上, 通过修改应用程序可以很好的满足实际工程中主站对从站的配置监控、主从站数据通讯等要求, 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, 必将在未来一段时间内得到广泛的应用。
　　参考文献:
　　[1]阳宪惠,魏庆福,徐用娥.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
　　[2]齐蓉,肖维荣.可编程计算机控制器高级技术[M].西

北工业大学出版社,2002.
　　[3]B&R 公司,B&R FieldBus Configurator 用户手册.
　　[4]张浩,谭克勤,朱守云.现场总线与工业以太网络应用技术手册[M].上海科学技术出版社,2002.
　　作者简介:
　　张义红( 1977- ) , 男, 湖北随州人, 东华大学信息学院实验师, 研究方向: 现场总线, 嵌入式
　　系统。
　　石秀金( 1975-) ,男, 湖北随州人, 东华大学计算机学院讲师, 研究方向: 对象建模, 数据库应用。