PROFIBUS总线系统TTR的计算

甄丽平 司绍伟

1石家庄经济学院信息工程系，河北 石家庄 050031

2武警石家庄指挥学院通信基础教研室，河北 石家庄 050006

PROFIBUS总线系统TTR的计算

甄丽平1司绍伟2

1石家庄经济学院信息工程系，河北 石家庄 050031

2武警石家庄指挥学院通信基础教研室，河北 石家庄 050006

从分析PROFIBUS-DP的各种数据通信入手，分别详细分析了数据交换和令牌传的时间行为，给出了满足每个主站持有足够的令牌时间时，TTR的选取方法。

PROFIBUS；数据交换；令牌传递

PROFIBUS; data exchange; token passing

绪论

PROFIBUS是一种面向工厂自动化、流程自动化的国际性现场总线标准，它被广泛地应用在快速、时间要求严格和可靠性要求高的通信任务中。在PROFIBUS里，TTR (Target Token Rotation Time)是一个重要的概念，它体现了系统实时性的指标，与系统的实时性能有很大的关系。

在PROFIBUS总线系统里，影响系统实时性能的一个重要的参数是TTR。本文从分析PROFIBUS-DP的各种数据通信行为入手，分别详细分析了数据交换和令牌传的时间行为，给出了满足每个主站持有足够的令牌时间时，T T R的选取方法。

1 PROFIBUS总线时间开销分析

在PROFIBUS里，数据通信按照是否是周期性的可以分为：周期性数据通信MS0和非周期型数据通信MS1/MS2。MS0是主从站点间的数据交换，主要是定时采样信号和控制器的定时控制信号等过程数据。由于过程数据直接影响受控对象，MS0的数据长度有限，实时性要求高。MS1中的报文帧长度一般较长，用于对各种报警信息、复杂模块的数据传输。

图1是一个典型的单主站的令牌周期的时间开销的时间分布。由图可知：

（1）一次总线周期中，周期性用户数据数据通信和令牌传递是必发生的两种通信行为；而FDL状态查询是有GAP因子决定的，发生的时间不具备周期性，MS1通信同FDL类似，也不具备周期性，但是它发生的几率很小。

（2）在一次总线周期里，数据交换的通信时间是主要的成分。

（3）数据交换的通信时间有负载的大小决定，而FDL状态查询和令牌传递花费的时间是固定的，每一个总线周期的取值都是一样的。

2 数据交换通信时间

数据交换和令牌传递是一次系统周期一定发生的两种通信行为，我们首先讨论系统周期只有这两类行为的情况。数据交换的时序图如图2所示：

图1 单主站的总线的时序图

MS0通信中的数据交换使用的是SDR2帧格式，通信的时间有3部分：数据帧传输时间，主站的Tid1时间和从站的TSDR时间。假设某主站有N个从站，第i个从站的输入字节和输出字节分别记Nreq(i)和Nres(i)，周期性数据通信用的时间Tframe表示如下：

图2 数据交换的时序图

用实验数据分析该公式，图3是得出的实验数据，分析得出的结论如下：

（1）主站和从站的request通信，其中Nreq为10字节。从图中可以看出，数据交换的时间分两部分：具有稳定时间的数据帧传输时间(10+9)*11=209 Tbits和具有波动的空闲时间，是由TSDR引起的，TSDR通常取之11Tbits。

（2）主站和从站的response通信，其中Nres为18字节。从图中可以看出，数据交换的时间分为两部分：具有稳定时间的数据帧传输时间(18+9)*11=297 Tbits和具有波动的空闲时间，主要是由Tid1引起，Tid1通常取42Tbits。

图3数据交换实验数据

3 令牌传递通信时间

令牌传递采用SD4格式，有固定的3字节数据和主站的空闲时间Tid1，

同MS0通信一样，利用实验数据分析了公式2，图4是实验数据，我们得到的结论如下：

（1）令牌传递时间有两部分组成：数据帧的传输和主站的空闲时间，数据帧传输时间是固定的，而空间时间有波动。

（2）稳定时间为33Tbits，空闲时间通常取值42Tbits

图4 令牌传递实验数据

由TRR的定义可以知道：TRR的大小有各主站占用令牌的时间决定。这样我们就可以得到TRR的大小：T R R=T M 1+T M 2+…+T M m+m TToken；

上式中TMi 指每一主站在某次令牌周期里通信的时间,m代表主站的个数，TToken代表令牌传递的时间。

假设系统周期里只考虑这两种通信，保证每一主站都有令牌持有时间，我们给出TRR,TTR,TTH的最小值分别如下：

4 结论

本文从分析PROFIBUS-DP的各种数据通信行为入手，分别详细分析了数据交换和令牌传的时间行为，给出了满足每个主站持有足够的令牌时间时，TTR的选取方法。

[1] Tovar, E., Vasques, F.: "Guaranteeing Real-Time Message Deadlines in Profibus Networks", Proceedings of the 10th Euromicro Workshop on Real-time Systems, Berlin,Germany, IEEE Press, 1998, pp. 79-86

[2]Tovar E., Vasques, F.: "Cycle Time Properties of the PROFIBUS Timed Token Protocol", September 1998, to appear in Computer Communications, Elsevier Science

From the various data communication of PROFIBUSDP, detailed analyze the data exchange and token transmission time behavior. And give the TTR selection method while each master station holding the token of time sufficient.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.052