现场总线PROFIBUS-DP网通讯原理与方法研究

朱晓虹

（上海福克斯波罗有限公司 上海 200233）

从二十世纪末期开始，随着电子信息的发展，许多应用控制的仪表都采用不超过20mA的信号，经过一段时间出现了难点，为了解决这一出现的问题，逐渐出现了新技术，叫做现场总线。现场总线是将后台的总线运用电线传送信息，将现场的频率转变、应用数据等传送到现场后执行，然后将现场的信息进行反馈，现场总线可以对现场的信息进行调节。目前的现场总线具有很高的可靠性，便于维护和修整，是现下流行的使用标准，拥有很大的市场。怎么研发现场总线的接口，让现场总线可以与现场的设备进行顺利的连接十分重要。

通过了解现场总线的原理可以对其进行改善，探讨现场总线的连接方法对其硬件结构和软件结构进行了解和分析。虽然目前使用的现场总线仍然存在一些问题，但是在市场中的使用的占比非常大。现场总线拥有很多种类和方法，其中最著名的就是PROFIBUS-DP的嵌入式总线桥，其集中了技术的优势，发挥特长，节省了许多人力物力，开发投入低且周期短，技术升级快，适合多种总线的开发，有技术专门研发、制造，有利于标准化，保证质量，可以形成规模。接下来会对PROFIBUS-DP现场总线进行分析和讨论，充分了解现场总线的连接和应用的实例。

1 PROFIBUS-DP的概念分析

PROFIBUS-DP网络是一个从主站/从站（master/slaver）网络，其中的DP是单主站结构配置。其实一种具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，它与PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS共同组成了PROFIBUS标准，三种通讯结构分别拥有不同的功能，是当前很受欢迎的计算机硬件。PROFIBUS-DP协议中明确规定了用户数据是怎样在总线各站之间传递。PROFIBUS-DP拥有很多的优势，其传输速率为9.6Kbit/s—12Mbit/s，最大的传输距离在是9.6Kbit/s—187.5Kbit/s时为1000米，在500Kbit/s时为400米，1500Kbit/s为200米，3000Kbit/s—12000Kbit/s时为100米，可以利用中继器延长至10Km。其传播介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可以挂127个站点。利用PROFIBUS-DP的优点可以将网络通讯和信息传递完成的更加完整，使现场总线与现场的交流更加顺畅，信息传递更加准确。

2 现场总线的通讯原理和方法

现场总线通讯的方法一般是主从通讯，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和联系。其存取控制机制包括用于主站之间通信的分散的令牌传递机制和用于主站和从站间通讯的集中的主—从机制。现场总线的总线存取控制机制与所使用的传输介质无关，每个DP节点有一个总线上的唯一地址，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。连接到现场总线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点地址并记录在主动表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主持主站工作。根据主从站的关系表给其他的主站或者从站发送帧，直到发完或者规定的时间到，再把令牌按照令牌环规定的顺序传递下去。具有总线的地址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，从站可以发送多个帧，直到以下一种情况的发生：从站没有信息帧可以发送，未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止。典型的现场总线配置是以主—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存在主从机制，也就是说令牌始终在主站，该主站是这个系统中唯一具有总线控制权的站。该方法是数据传递的主要方法，掌握令牌传递的规则即可掌握信息数据的传递过程。

3 现场总线PROFIBUS-DP的使用实例和数据

以PROFIBUS-DP现场总线为例，讨论其使用过程中的数据，以该系统中的主站和频率变速器来看，现场总线的使用就是现场总线与其他的通信设备的相互连接，信息可以双向传递。其支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等传送方式，主站对具有对总线的控制权，可以主动发送消息，对于多主站系统来说，主站之间可以采用令牌传递信息，得到令牌的站点可以在一个事先规定的时间内拥有总控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按照PROFIBUS的通讯规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行的方向进行传递。主站得到控制权时，可以按照主—从方式，向从站发送或者索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播或者有选择地向一组站点广播。

3.1 IM180主站接口模块

IM180可以利用其它的设备，作为主站连接到现场总线上。该模块可以完全独立完成总线控制。其可以接替 PLC、PC、驱动器、人机接口的通讯处理任务，最大的传播速率为12Mbit/s，其主要组成部分是芯片APSC2/80C165微处理器和PLASH-EPROM、RAM组成。APSC2有48MHZ晶振提供脉冲。模块的尺寸是 100×100mm，适合面对面的方式安装。IM180还需要一块母板，这块母板是IM181，是一块ISA短卡，可以用于一般编程设备或者PC机。用于集成电路的ASPC2芯片可以独立处理总线协议，与主系统的通信通过双口RAM完成，数据交由应用程序来完成。

3.2 IM182从站接口模块

IM182是一块PC卡，可以用作PROFIBUS-DP的从站。IM182接口模块设计成ISA总线PC卡，最大的数据传输速率12Mbit/s。其接口模块主要由ASIC芯片PSC3和一个用于现场总线的RS-485接口组成，RS-485使用时隔离电源。SPC3由48MHZ晶振提供脉冲源，模块的尺寸为186×105mm。专用集成电路SPC3芯片可以独立处理总线协议，SPC3原有的功能通过集成到 SPC3中的微程序控制软件来实现，ASICRAM或者固态程序必须由用户将其连接到实际应用中去。

3.3 现场总线和组态软件

现场的组态软件一般用来数据收集和自动控制，是现场总线的专用软件系统，常用的现场组态软件为 IFIX PROFIBUS。其功能很丰富，可以运用到多个现场总线控制整个通讯网络。可以运用主—从或者多主多从的方法进行数据信息的读取，同时可以从从站接受数据以及设置参数等，最重要的是组态软件可以进行测试，也可以自带通讯工具的设备。选取的IFIX PROFIBUS组态软件拥有很多特点，其对通讯设备的控制是通过GDS文件进行读取，通过集成电路将不同的现场总线集合在一起，读取通讯的数据等。并内部形成了兼容性的内部环境，增加对现场总线的控制和集成。现场总线的组态软件主要由万维公司、悉雅特公司、西门子自动化与驱动集团等制造形成。无论组态软件的形式是否一样，它们均是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统的检测功能和通用层次的软件工具。

4 PROFIBUS-DP与硬件软件连接的方法

4.1 现场总线与硬件的连接方法

现场总线 PROFIBUS-DP通讯的实现主要是由 PROFIBUS通信接口的中央处理器或通讯模块来完成，通讯模块有DP从站、DP主站、FMS站以及混合DP和FMS的通讯模块。接下来对奥地利贝加莱公司的相关产品的分析，以现场总线的对下位对象的控制为例，其主站为贝加莱公司的2005系列，CPU为CP260或者IF260，主站通过网络模块EX450挂接到现场总线的网上。2个从站选择2种不同的配置，其中一个为2003系列，另一个接口模块为IF361，或者一个为2005系列，另一个接口模块为IF661。接口模块IF361、IF661内部采用的均是SPC3芯片，SPC3芯片是一种用于从站的智能通讯芯片，支持现场总线的协议，可以独立完成全部的现场总线的通讯功能。

4.2 现场总线与软件的连接方法

与软件部分的连接，主要是与网络组态的连接，网络组态部分实际上就是形成整个现场总线的网络配置，包括网络波特率，主从站地址及主从关系表等参数。上位机中装有贝加莱公司的PCC通讯程序开发平台AS软件及FC网络配置软件，分别用于对PCC编程和对现场总线进行组态、通讯设置及监控。现场总线的网络配置十分灵活，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。通过贝加莱公司软件FC可以对整个网络进行配置，设置相关参数。通过软件不仅可配置PROFIBUS-DP网络，对InterBus、CANopen、DeviceNet、ControINet、SDS、As-Interface都可以进行相关配置。组建现场总线的设备通过读取相应的 GSD文件而加入到同一总线系统中。GSD文件时电子设备数据文件。

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文件应该包括以下三个部分，总体的规范，其中包括生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特串等。与DP相关的使用规则，其中最重要的就是各项的参数。与DP有关的规范，其中包括输入输出的通道数、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。另外贝加莱公司还可以对于整个网络进行诊断，并可对网络通讯的信息进行监控。通过内部的通信编程，主站与从站之间进行数据交换，但实际并不参与数据交换的协调过程，整个数据的交换完全由主站程序掌控。

5 总结

目前使用最多的现场总线是PROFIBUS-DP，该网络是主站与从站之间进行数据信息交换，拥有很多的优势，最明显的就是高速，传输速率为9.6Kbit/s—12Mbit/s。其的通讯传输原理是使用混合的总线存取控制机制来实现相关站之间的通信和联系，使用令牌来进行通讯，它在主站之间传递控制权，令牌到的主站拥有传递信息的功能。现场总线的使用是由主站、从站、组态软件等主要部件共同完成，除此之外不能离开软件和硬件的共同作用，而软件和硬件的制作公司不同，会有一些差距。但是整体不影响现场总线PROFIBUS-DP的使用。通过不断的调整和修改将现场总线的连接、与现场的信息传递更加准确快速。