郝  莉

1  引言
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，导致了自动控制领域的一场革命。它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通讯的系统，在制造业、流程工业、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛应用前景。现场总线有以下特点：(1)开放性。(2)可互操作性与可互换性。(3)全数字化。(4)双向通信。(5)智能化的现场仪表。
自80年代以来，有几种现场总线技术得到发展，逐渐形成其影响。在国际标准中，也出现了协调共存的局面，目前的IEC61158中就已存在8种总线（ControlNet, Foundation Fieldbus H1, Foundation Fieldbus HSE, Interbus, P-Net, PROFIBUS, SwiftNet及WorldFIP）。
2  PROFIBUS-DP基本特性
PROFIBUS现场总线是欧洲首屈一指的开放式现场总线技术，是成熟技术，已被全世界所接受。PROFIBUS-DP是PROFIBUS三个兼容版本之一，它是经过优化的高速、廉价的通信系统，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输。PROFIBUS协议结构以OSI/ISO作为参考模型，DP为了数据传输的快速和有效性，使用了第一、二层外加用户接口。PROFIBUS-DP的主要应用区域在现场层，响应时间从几百微秒到几百毫秒，它具有广阔的数据传输范围（从9.6Kbps到12Mbps），传输的数据容量为每个报文多达244字节，它不需要改变硬件就有低速和高速的传输速率。
3  PROFIBUS-DP的报文结构与从站状态机
3.1  PROFIBUS-DP的报文结构
PROFIBUS-DP采用异步不归零码的编码方式，传输的空载电平“1”，一个空载状态至少33Tbit（同步时间），在每个请求报文发送前必须保证此时间。在单个字符间所有数据传送是无缝的。报文通讯的基本顺序及报文结构如图1所示。
在PROFIBUS-DP通讯中有四种报文格式，以SD标识。SD为起始定界符，用于区分不同种类的报文，SD1为请求数据报文，SD2用于可变数据长度报文，SD3用于固定长度报文，SD4用于令牌帧。DA表示

 
图1  报文通讯的基本顺序

目的站地址，SA表示源站地址，FC为功能控制码，DU表示相应的数据单元，FCS为校验码，ED为终止定界符。在SD2报文的DU中包含服务存取点SAP。PROFIBUS-DP用服务存取点SAP标明不同的数据存取服务，它提供有以下的服务存取点：
SAP54：用于主-主通讯；
SAP55：用于以软件方式设定从站站地址（Set_Salve_Add）；
SAP56：读输入数据（Read_Input）；
SAP57：读输出数据（Read_Output）；
SAP58：广播报文，全局控制（Global_Control）；
SAP59：读组态数据（Get_Cfg）；
SAP60：读诊断信息（Slave_Diag）；
SAP61：传送参数数据（Set_Prm）；
SAP62：检验组态数据（Chk_Cfg）；
缺省SAP：用于数据交换（Data_Exchange）。
4  PROFIBUS-DP从站的状态机
PROFIBUS-DP从站的状态机很好地说明了DP从站是如何工作的，图2表示经过简化了的从站状态机，椭圆表示状态机的状态，垂直箭头表示从一个状态到另一状态的转换。

 
图2  简化的从站状态机

DP主站若要和DP从站建立循环数据通讯，必须经历以下几个状态：
―  请求诊断（Slave_Diag1）；
―  参数化从站(Set_Prm)；
―  检查从站组态(Chk_Cfg)；
―  再次请求诊断(Slave_Diag2)。
即：DP主站若想与DP从站进行循环数据通讯，主站必须检查从站的准备情况，首先DP主站向DP从站请求诊断数据，从站处于Slave_Diag1状态，如果从站用诊断数据响应主站且该从站没有被其他主站占据，DP主站将对该从站设置参数，从站进入Set_Prm状态，以短应答E5H响应主站报文，接着主站传送组态数据，从站进入Chk_Cfg状态，同样以E5H响应主站报文，另一方面，从站对主站传送的参数数据、组态数据分析、比较、判断，注册诊断信息的相应位；然后主站再次向从站请求诊断数据，确认参数化和组态正确与否，若正确且从站已经做好了进入数据交换的准备，则进入循环数据交换阶段，若参数化和组态数据有误，则主站重新请求诊断，从站进入Slave_Diag1状态，若从站数据未准备好，则从站一直处于Slave_Diag2状态接受主站查询，直到准备就绪。这便是DP主从站间的建立通讯的过程。
进入数据交换阶段后，DP主从站间主要进行I/O数据的交换，若从站有诊断信息，会利用数据交换的机会以高优先级报文的形式通知主站，主站会临时使从站进入诊断状态（Slave_Diag2），然后再恢复数据交换（Data_Exch）。
另外，在进入数据交换阶段后，主站也可以发参数化报文，改变从站用户参数的设置；主站也可以请求诊断数据、组态数据、输入输出数据。
5  PROFIBUS-DP从站的软件实现方案
PROFIBUS-DP从站的实现可采用专用协议芯片，称为硬件实现。文中给出的DP从站实现方案采用软件方式，即本软件实现方案采用51系列单片机，集成PROFIBUS-DP从站协议，外加总线接口及驱动装置，实现DP从站，波特率可达500Kbps，满足大多数工业应用领域，实现了PROFIBUS-DP从站智能I/O模块的自主开发。
该软件实现的DP从站，可自动适应网上波特率，站地址由拨码开关设置，不支持软件上对站地址的修改。
采用8051单片机集成DP从站协议，软件的核心部件是从站自动机。从站是被动站，只是响应主站的请求，而不向主站请求数据。从站接收到主站的请求报文后分析报文类型，根据报文类型做相应的数据处理，在相应的自动机上行走，响应主站的请求。按照从站自动机，从站要经历诊断、参数设置、组态检查、再诊断几个阶段，如果上述几步完全正确，从站进入与主站的循环数据交换，否则，重复自动机的前四步，直到初始化完全正确。

图3  数据管理子程序流程图

在主程序中主要完成初始化工作、对网上波特率的适应，也即查找网上波特率、采集处理输入输出数据，通讯状态监测等工作。采集处理输入输出数据是主程序的主要工作，通讯状态监测定期查看通讯状态，在通讯出现故障时，要及时复位单片机。在适应网上波特率后，开串口中断，接收总线数据。在串口中断服务程序中主要的工作是接收总线数据、分析管理数据，维护从站自动机并将相应的数据发送到总线上。其核心部分数据管理子程序流程图见图3所示。
6  结语
文中详细阐述了PROFIBUS-DP的工作方式，介绍了软件实现DP从站所需具备的一些基础知识，并给出了软件主要部件的程序流程图。由于从站的实现只需要PROFIBUS-DP协议的一小部分，因此实施起来特别经济。采用软件方式实现DP从站，是一种简单有效的方法，用它代替专用协议芯片，可降低开发成本，实现自主开发。

参考文献：
[1]  阳宪惠. 现场总线技术及应用[M]. 清华大学出版社, 1999, (6).
[2]  TechnicalBrochure-v99[S]. www.profibus.com 1999-6, (17).
[3]  Manfred Popp. The Rapid Way to PROFIBUS-DP[R]. Germany PROFIBUS Interface Center/Lab. 1997,(23).
[4]  Profibus Specification (En50170)[S]. www.profibus.com 1998-3, (122).