（检测技术与自动化装置专业论文）现场总线profibusdp与can互连的转换接口设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 多种现场总线标准并存、共同发展，促进7 现场总线网关类产品的开发研究，并成为现场 总线应用技术的一个重要方向。目前，现场总线类的网关主要有不同类型现场总线间的通讯网 关、现场总线与工业以太网的通讯网关，以及其他常用的串行总线，诸如r s - 2 3 2 ，r s 一4 8 5 等与 现场总线的通讯接口等。 论文针对目前工业领域应用较广的现场总线p r o f i b u s - d p 与c a n 的互联问题进行了研究， 分析了其总线的特点、探讨了实现接口转换的多种方案，设计了一种基于总线协议芯片实现 p r o f i b u s - d p 与c a n 的通讯接口电路，采用了双c p u 。接口电路板由两部分组成：d p 从站 - - d p _ t e s t _ b o a r d 电路板和c a n 节点一d v 札t e s t - b o a r d 电路板，通过对双口r a m 操作来进行 数据交换。文中给出了详细的硬件设计说明和软件流程。同时，便于系统调试，设计了部分辅 助模块，诸如液晶显示模块、串口通讯模块等。 通过搭建的试验平台，验证了本设计的可行性，达到了p r o f i b u s d p 现场总线与c a n 节点 的互连和数据交换目的。 该研究工作是以现场总线重点实验室为依托，同时得到了北京市教委面上项目的资助。所 取得的部分研究成果，为其他现场总线转换网关的设计提供了参考解决方案，同时对于现场总 线技术的推广应用有着积极的作用。 关键词：现场总线网关，i ) p 从站设计，c a n 节点设计 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es i t u a t i o no f m u l t i - i n d u s t r i a lf i e l db u ss t a n d a r de x i s t i n ga n dd e v e l o p m e n tt o g e t h e r , p r o m o t e s r e s e a r c ha n de x p l o i t u r eo f f i l e db u sg a t e w a y , w h i c hb e c o m e so n ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi n f n o db u s t h c z ei r es e v e r a lk i n d so ff i l o db u sg a t e w a y , s u c ha sg a t e w a yb e t w e e nd i f f e r e n tb u s e s , g a t e w a yc o n n e c tf i e l db u sa n di n d u s t r i a le t h e m e t , o rg a t e w a yb c t w c e t ls o m eg e n e r a ls e r i a lb u s ( s u c h a sr s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 e t c ) a n df i e l db u s t h ep r o b l e mo f d i f f e r e n tf i e l db u si n t e r c o n n e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yb e 啊o m p r o f i b u s - d pa n dc a nw h i c h 躲a p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r i a l 卸吼t h e s et w of i e l db u s e s f e a t u r e sa r e a n a l y s e d , t e c h n i q u eo f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nd i f f e r e n tf i e l db u s e sa r ed i s c u s s e d o n ef i e l d b u sc o m m n n i c a t i o ni n t e r f a c ef u n c t i o ne l e c t r o n i cc i r c u i tb e t w e e np r o f i b u s - d pa n dc a ni sd e s i g n e d b a s e do nd u a lm c ua n dp r o t o c o la s i c w h i c hc o m p o s e so ft w oi n d e p e n d e n tp a r t s ：o n ea c t 勰d p s l a v e - - - d p t e s t b o a r d , a n o t h e ra c t s 勰c a nn o d e t h e s et w op a r t se x c h a n g er e f o r m a t i o nd a t at l 0 u g h o n ed u a l - p o r tr a m i n t e r f a c ee l e c t r o n i cc i r c u i t sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a md e s i g na r e i n l z o d u c e di nd e t a i l t h i sd e s i g na l s oi n t e g r a t e ss o m ef u n c t i o n a lm o d u l es u c ha sl c d 口啪d i s p l a y a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i cc i r c u i t , w h i c hm a k ed e b u g e a s i l y o n ef i e l db u sn e t w o r ki sm a d eu pf o rd e b u g g i n gt h i sf i e l db u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h i s i n t e r f a c ep r a c t i c e sw e l lo nt h i st r i a ln e t w o r k , a c c o m p l i s h e si t so r i g i nt a r g e to fc o n n e c t i n gs o m ek i n d f i e l db u se q u i p m e n to f p r o f i b u s - d pa n dc a n itht a k e sf u l la d v a n t a g eo f r e a c h a b l el e s o 黼o f f i e l db u st e c h a n d a u t o m a t i o nk e y a b , a l s o o b t a i n sm u cs u p p o r tf r o me d u c a t i o nc o m m i t t e e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o j e c to f b e i j i n g t h i s r e s e a r c h m e t h o da n d p r o d u c t i o n i s v a l u a b l e f o r o t h e r s i m i l a r h e l d b u s r e s e a r c h k e yw o r d s ：f i e l db u sg a t e w a y , d ps l a v e , c a nn o d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得j i 友王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名秘日期：力产6 月归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 韭友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名乏君；屯 导师签名：石累秀 签字日期2 p6 月i 如 签字日期：哆年月l f 日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址； 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 现场总线技术概况 现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串 行，多节点的通信总线。 其主要特征：( 1 ) 数字式通信方式取代设备级的模拟量( 如4 - 2 0 m a ，o - 5 v 等信号) 和开关量 信号；( 2 ) 在车间级与设备级通信的数字化网络；( 3 ) 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信 的一次数字化革命；( 4 ) 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。 使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。现场总线技术的采用促进了现场仪表的智能 化、控制功能分散化、控制系统开放化【l l 。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际 兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统 ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m , f c s ) 必将成为工业自动化的主流。 工业控制领域的现场总线标准主要是由国际电工委员会指定的2 个协议簇i e c 6 1 1 5 8 和 i e c 6 2 0 2 6 。 i e c 6 11 5 标准目前包括1 0 种技术类型1 2 1 ：i e c 技术报告，c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、 f fb s e 、s w i f f n e t 、w o r l d f i p 、i n t e r b u s 、f fa p p l i c a t i o nl a y e r 、p r o f i n e t 。另外还有三种 设备级现场总线标准，p r o f i b u s 属于i e c 6 1 1 5 8 的类型3 ，包括d p 、p a 、f m s 三种协议。 i e c 6 2 0 2 6 是由i e c t c l 7 s c l 7 b w g 3 制定的【3 l ，它涉及用于低压开关设备和控制设备的现场 总线，即设备层现场总线，a s i 、d e v i c e n e t 、s d s 和s e r i p l e x ( s e r i a lm u l t i p l i e dc o n t r o lb u s ) 四种总线标准。 p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造 业自动化，流程工业自动化和楼宇，交通电力等其他领域自动化。p r o f i b u s 由三个兼容部分组 成，即p r o f i b d s - - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ，p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ， p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。p r o f i b u s - - d p ：是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式i 0 的通信。使用p r o f i b u s - - d p 可取代2 4 v d c 或4 - - 2 0 m a 信号 传输。p o r f i b u s - - p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本 征安全规范。p r o f i b u s - - f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数 据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电 缆或光导纤维。通信速率可达1 m 3 p s 。c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路 层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判 北方工业大学硕士学位论文 别等项工作。d e v i c e n e t 是美国r o c k w e l l 公司1 9 9 4 年提出的基于控制器局域网( c a n ) 技术的 一种现场总线，用于实现低成本、高性能的设备层的网络互连。d e v i c e n e t 总线是建立在控制 器局域网( c a n ) 总线之上的。 每种总线的优缺点，各自比较适合的应用领域，应用成本等因素导致了多种总线的共同发 展，目前还没有一个总线标准能替代其他所有的总线标准。有时即使在同一车间内的不同生产 线也采用了不同的总线标准，相互的信息共享通过高层的网络来完成，不能直接完成。有些设 备内部多个部件之间采用专用的通讯方式，而要与其他设备相连，就得提供一个标准的通讯接 口。因此，研究不同总线之间的通讯接口，是现实而有意义的课题。 1 2 现场总线网关类产品现状 现场总线的多个标准共存的现状还会持续很长时间，各种总线设备的互相通讯是现实的问 题。在众多的总线产品中，总线网关类产品占据了不小的比重。( 1 ) 现场总线串行类网关，目 的将具有r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的设备接入现场总线和工业以太网；( 2 ) 现场总线和以太网连 接的网关，以太网在工业控制领域的应用日渐成熟，通过这类网关将不同总线的设备组成一个 大的网络； ( 3 ) 不同现场总线标准的设备之间的连接，这类产品主要是h m s 公司的a n y b u s x 产品。a n y b u s - x 现场总线网关是在a n y b u s 技术基础上推出的全新产品线。借助支持1 7 种现场 总线和工业网络的a n y b u s 技术，a n y b u s - x 具有1 5 0 余种不同型号，可实现几乎任意两种工业 网络之间的联接。a n y b 峙x 支持所有主流现场总线和工业以太网，例如p r o f i b u s 、d e v i c c n c t 、 c a n o p e m 、c c - l i n k 、c o n t m l n e t 、m o d b u sp l u s 、m o d b u st c p 、e t h e r n c f f i p 、p r o f m e t 等等【4 】。 1 3 课题主要研究内容 课题准备的前期进行了大量调研，研究现场总线网关类产品的实现方案，不同总线转换网 关设计的可行性及实际意义，操作的难易等因素。最终确立了研究现现场总线p r o f i b u s d p 和 c a n 的通讯接口，研究两种总线实现通讯的方法，硬件设计方法等。最终达到应用所设计的通 讯接口连接具有这两种总线功能和接口的几类设备。 本课题主要是研究不同现场总线通讯接口的原理，研究现场总线p r o f i b u s d p 和c a n 的通 讯接口。课题包括： ( 1 ) 方案调研、论证。研究不同现场总线转换接口设计的可行性，难度等。确定了主要研 究方向：p r o f i b u s d p 和c a n 的通讯接口研究与设计。 ( 2 ) 了解现场总线p r o f i b u s - d p 和c a n 的网络模型、协议结构、了解其网络设备的网络拓 扑；对这两种总线的网络控制芯片的使用和接口电路的设计进行了深入地了解、学习。 ( 3 ) 研制了总线转换接口板，可以实现p r o f i b u s - d p 从站与c a n 节点的数据交换。共有两块 电路板组成，分别实现p r o f i b u s d p 从站功能、c a n 节点功能。 北方工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 搭建网络试验平台，构建d p 网络、c a n 网络，通过p l cs 7 3 0 0 及其他c a n 设备验证所 设计的总线转换接口板的工作情况。 1 4 本章小结 本章简介了现场总线的特点及标准，简要介绍了现场总线网关产品的种类，提出了本课题的 主要任务。 北方工业大学硕士学位论文 2 p r o f i b u s d p 从站设计 课题研究的总线转换接口板有两个功能部分组成，分别为p r o f i b u s - d p 从站一 d p j e s t _ b o a r d 电路板与c a n 节点d 眦t e s t b o a r d 电路板。两部分通过双口r a m 进行数据 交换。论文的结构也按照两个功能部分分别介绍。第2 章介绍p r o f i b u s - d p 从站设计，第3 章 介绍c a n 节点设计，第4 章介绍接口板的工作原理 本章主要围绕p r o f i b u s d p 从站的设计进行介绍。包括：p r o f i b u s 现场总线基础理论、d p 从站产品开发以及硬件、软件调试等内容。 设计的d p 从站最主要功能：能够连接到p r o f i b u s d p 总线上，能够与其他d p 设备进行通讯。 2 1p r o f i b u s 现场总线概述 2 1 1p r o f i b u s 的协议结构 p r o f i b u s 协议的结构依据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放系统互联网络0 s i 为参考模型，结构 如图2 - 1 所示。参照i s o 0 s i 参考模型，p r o f i b u s 通信协议按照应用领域进行了优化，它只包 含第l ，2 和7 层【5 1 。 d p 设备行规p a 设备行规f m s 设备行规 基本功能 用户层 扩展功能 d p 用户接口 应用层接口a l i 直接数据链路映像程序d d l m 第7 层应用层未用 现场总线报文规范( f m s ) 第“层 未用 第2 层( 数据链路层)现场总线数据链路f d lc 接口现场总线数据链路f d l 第1 层( 物理层) i 峪_ 4 8 5 光纤正c l1 5 8 - 2r s - 4 8 5 光纤 图2 - 1p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s d p 使用第1 层，第2 层和用户接口，第3 层到第7 层未加以描述，这种精简结构 确保高速数据传输，直接数据链路映像( d d l m ) 提供了对第2 层的用户接口。在用户接口中规 定了p r o f i b u s d p 设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。这种为高速传输 用户数据而优化的p r o f i b u s 协议特别适用于可编程控制器与现场分散i 0 设备之间的通信。 北方工业大学硕士学位论文 2 i 2p r o f i b u s - d p 的通信模型【6 l d p f 峪( r s 一4 8 5 ) 的物理层。对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，p r o f i b u s 的物理层( 第1 层) 实现对称的数据传输，符合e i ar s - 4 8 5 标准。一个总线段内的导线采用屏蔽双绞电缆，段 的两端各有一个总线终端器，防止信号的反射。 传输速率从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s 可选。数据传输方向有半双工、异步、无间隙同步方式。 数据编码采用n r z ( 不归零) 编码。 2 根p r o f i b u s 数据线通常也称为a 线和b 线。a 线对应与r x d t x d - n 信号，b 线对应与 r x d t x d _ p 信号。 国际性的p r o f i b u s 标准e n 5 0 1 7 0 推荐使用9 针d 型连接器用于总线站与总线的相互连接。d 型连接器的插座与总线站相连，而d 型连接器的插头与总线电缆相连。 根据e i ar s - 4 8 5 标准，在数据线a 和b 的两端均加接总线终端器。p r o f i b u s 的总线终端器 包含一个下拉电阻和一个上拉电阻。当总线上没有发送数据时，这两个电阻确保总线上有一个 确定的空闲电位。 p r o f i b u s - f m s 的物理层主要采用光纤技术传输。p r o f i b u s - p a 采用符合i e c1 1 8 5 2 标准的 传输技术，这种技术确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。数据传输使用非直流传输 的位同步、曼彻斯特编码。 现场总线数据链路层。根据o s i 参考模型，数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以 及传输协议和报文的处理。p r o f i b u s 中，数据链路层( 第2 层) 称为f d l 层( 现场总线数据链 路层) 。 第2 层提供了以下的数据传输服务： ( 1 ) s d a ：发送有应答的数据( 仅对于f m s ) 。允许用户给单个远程站发送数据。如果有错， 将重复数据传输。( 2 ) s r d ：发送和请求有应答的数据( 对d p 和f m s ) 。在一个报文循环中发送 和接受数据。( 3 ) s d n ：发送没有应答的数据( 对d p 和f m s ) 。广播和有选择广播报文，即报文 送达有选择的一组从站。( 4 ) c s l i d ：循环发送和请求数据( 仅对于f 惦) 。p r o f i b u s d p 仅限于 s r d 和s o n 服务，在s r d 服务时，主站发送输出数据到从站和接受从站的输入数据，在规定的 时间周期内应答。s o n 服务是发送数据到规定的一组从站，可按照要求触发s d n 服务，对s o n 报文没有应答。 应用层。o s i 将通信任务划分为7 层。第1 、2 层为底层协议，3 层到7 层称为高层协议。这 两项要素用于完成信息的传递称为通信协议。o s i 参考模型的应用层提供用户需要的各种通信 服务。p r o f i b u s 的应用层由f 淞接口( 现场总线报文规范) 和l l i 接口( 数据链路层接口) 组 成。在不同的应用中，具体需要的功能必须与具体应用相适应，这些适应性称为行规，分为f m s 、 d p 、p a 三大类的行规。p r o f i b u s - d p 协议的任务只是定义了数据怎样通过总线从一个站传送到 j e 方工业大学硕士学位论文 另一个站。而行规对所传输的用户数据进行了评价。以使不同制造商生产的d p 部件能容易的交 换使用。 目前的d p 行规主要有：( 1 ) n c r c 行规，就如何通过p r o f i b u s d p 对操作机床和装配机器人 进行控制作了规定；( 2 ) 编码器行规，本行规介绍了回转式、转角式和线性编码器与p r o f i b u s - d p 的连接；( 3 ) 变速传动行规；( 4 ) 操作员控制和过程监视行规咖i 等行规。 p r o f i b u s d i s 行规确保由不同制造商生产的同类设备具有同样的通信功能。目前有：控制器 问的通信行规、楼宇自动化行规、低压开关设备等行规。 p r i b u s p a ，保证不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性。主要用在过程自动化中。 2 1 3p r o f i b u s - d p 的总线设备类型和数据通信 总线设备类型 ( 1 ) 一级d p 主站( d p m l ) ：是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的主设备包括可编程控制器( p l c ) 和个人计算机( p c ) 。 ( 2 ) 二级d p 主站( d p m 2 ) ：是编程器、组态设备或操作面板。它们在d p 系统组态操作时使 用，以达到系统操作和监控的目的。 ( 3 ) d p 从站：是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备( 输入输出设备、驱动器、删i 、 阀门等) ，也有一些只提供输入或输出信息的设备。输入和输出信息量大小取决于设备类型， 目前允许的输入和输出信息，最多不超过2 4 6 字节。 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置提供了高度的灵活性。在同一 条总线上最多可连接1 2 6 个站点( 主站和从站) 。系统配置的描述包括站数、站地址和输入 输出地址的分配、输入输出数据的格式、诊断信息的格式以及所使用的总线参数。 d p 主站与从站的数据通信 按p r o f i b u s - d p 协议，通信作业的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应方。所有 1 类d p 主站的请求报文以第2 层中的“高优先权”报文服务级别处理。与此相反，由d p 从站 发出的响应报文使用第2 层中的“低优先权”报文服务处理。d p 从站可将当前出现的诊断中断 或状态事件通知给d p 主站，仅在此刻，可通过将d a t a _ e x c h a n g e 的响应报文服务级别从“低优 先权”改变为高优先权来实现。数据的传输是非连接的l 对1 或1 对多连接( 仅控制命令和交 叉通信) 【”。 图2 _ 2 ，2 - 3 ，2 - 4 说明了d p 主站与从站的数据通信的过程。 d p 从站初始化阶段的主要顺序如图2 2 所示 北方工业大学硕士学位论文 图2 - 2d p 从站初始化阶段的主要顺序 d p 主站与d p 从站循环交换用户数据如图2 - 3 所示。 图2 - 3d p 主站与d p 从站循环交换用户数据 d p 从站报告当前的诊断中断如图2 - 6 所示。 d p 主站发送输出 数据给d p 从站 d p 从站用其输入 数据应答并通过 高优先权响应呼 叫诊断 d p 主站从d p 从 站取得诊断数据 图2 - 4d p 从站报告当前的诊断中断 - 7 北方工业大学硕士学位论文 通讯数据类型 ( 1 ) 参数数据( s e t p r m ) 。参数集包括预定给d p 从站的重要的本地和全局参数、特征和功 能。为了规定和组态从站参数，通常使用装有组态工具的d p 主站来进行。使用直接组态方法， 则需填写由组态软件的图形用户接口提供的对话框。使用问接组态方法，则要用组态工具存取 当前的参数和有关d p 从站的g s d 文件。参数报文的结构包括e n 5 0 1 7 0 标准规定的部分，必要时 还包括d p 从站和制造商特指的部分。参数报文的长度不能超过2 4 4 个字节。以下列出了最重要 的参数报文的内容s t a t i o ns t a t u s ：包括与从站有关的功能与设定w a t c h d o g ：检查d p 主 站的故障i d e n t _ n u m b e r ：d p 从站的标识号是由p n o 在认证时规定的，在调试时也可自行指定 一个不重复的即可( 劲r o u pi d e n t ：g r o u p _ i d e n t 可将d p 从站分组组合，以便使用s y n c 和f r e e z e 控制命令。最多可允许组成8 组u s e r p r m d a t a ：d p 从站参数数据为d p 从站规定了有关应用 数据。 ( 2 ) 组态数据( c h i ( - c f 曲。在组态数据报文中，d p 主站发送标识符格式给d p 从站，这些标 识符格式告知d p 从站要被交换的输入输出区域的范围和结构。这些区域( 也称“模块”) 是 按d p 主站和d p 从站约定的字节或字结构( 标识符格式) 形式定义的。标识符格式允许指定输 入或输出区域，或各模块的输入和输出区域。 ( 3 ) 诊断数据( s l a v e d i a g ) 在启动阶段，d p 主站使用请求诊断数据来检查d p 从站是否存 在和是否准备就绪接收参数信息。由d p 从站提交的诊断数据包括符合脒5 0 1 7 0 标准的诊断部 分。如果有的话，还包括此d p 从站专用的诊断信息。d p 从站发送诊断信息告知d p 主站它的运 行状态以及发生出错事件时出错的原因。d p 从站可以使用第2 层中“h i g h _ p r i o r i t y ”的 d a t a _ e x c h a n g e 响应报文发送一个本地诊断中断给d p 主站的第2 层，在响应时d p 主站请求评 估此诊断数据。如果不存在当前的诊断中断，则d a t ae x c h a n g e 响应报文具有“l o w _ p r i o r i t y ” 标识符。然而，即使没有诊断中断的特殊报告存在时，d p 主站也随时可以请求d p 从站的诊断 数据。 ( 4 ) 用户数据( d a t a _ e x c h a n g e ) d p 从站检查从d p 主站接收到的参数和组态信息，如果 没有错误而且允许由d p 主站请求的设定，则d p 从站发送诊断数据报告它已为循环地交换用户 数据准备就绪。从此时起，d p 主站与d p 从站交换所组态的用户数据。在交换用户数据期间， d p 从站只对由定义它的参数并组态它的1 类d p 主站发来的d a t a _ e x c h a n g e 请求帧报文做出反 应。其他的用户数据报文均被此d p 从站拒绝。 2 1 4p r o f i 即s 传输技术 p r o f i b u s 有一套完整的可使用的传输技术。 ( 1 ) r s 4 8 5 是最常用的传输技术。它使用屏蔽双绞电缆，传输速率可达到1 2m b i t s e c 。新 规定的版本r s 4 8 5 - i s 现在已被指定为4 - 线介质，保护类型e e x - i ，用于有爆炸可能的区域。规 北方工业大学硕士学位论文 定的电压和电流参考相关安全的最大值，在系统中的每个设备或连接期间不得超过此最大值。 它仅有一个本征安全源，在此情况下，所有站都代表活动的源。 ( 2 ) m b p 传输技术( m a n c h e s t e rc o d e d ，b u sp o w e r e d ，以前的名称是“i e c 1 5 8 - 2 p h y s i c s ”) ，用于设备由总线供电、有本征安全要求的过程自动化。能满足石油、化 工、冶金等行业的要求。 ( 3 ) 光纤传输技术( f i b e r - o p t i c ) 适合用于有高电磁干扰的应用环境，也可以增加高速传输 的距离i s 。 2 2p r o f i b u s - d p 从站产品开发的解决方案 9 1 d p 从站产品开发的途径有很多，方法也各异，但是核心部分：d p 通讯接口功能的实现可有 以下几个方案供参考。 方案( 1 ) 单片机+ 软件实t r 搬r o f i b u s 协议： 使用单片机+ u a r t ，用户层是由软件实现，而链路层协议也是由软件实现，必须了解协 议的相关内容细节，开发周期长。 方案( 2 ) 使用p r o p i b u s 通信芯片a s i c 、开发包： 有大量的通信芯片可以使用，常用的是西门子公司的s p m 2l s p m 2s p c 3s p c 4d p c 3 1a s p c 2 通信芯片。掌握p r o f i b u s 协议相关内容特别是基本概念、技术术语，但不必了解细节，开发者 是协议的应用者。 方案( 3 ) o e m 方式： 使用嵌入式p r o f i b u s 接口模板或者外置式p r o f i b u s 接口模板，这些接口模板具有通讯功 能，与用户板相配合可以实珊j ) p a e 站等功能设备。 方案( 4 ) 使用 n l s 公司的a n y b u si c 接口芯片【1 0 i ： a n y b u s i c 为内嵌式混合电路技术，包括了实现一个网络接口所必须的所有模拟和数字元 器件。在仅仅9 平方厘米的空间内，集成了一个1 6 3 2 位带有闪存和r 枷的微控制器、个网 络协议芯片、包括光电耦合器在内的所有必要的模拟器件、一个d c d c 变换器以及总线驱动器。 a n y b u s i cp r o f i b u sd p 从站接口芯片，具有完全的p r o f i b u sd p 从站接口，为3 2 针 双列式封装。可嵌入在主产品上，仅需要提供5 v3 5 0 m a 的电源，以及p r o f i b u sd p 按插件 就可实现p r o f i b u sd p 从站的功能。 方案( 1 ) 用软件实现d p 协议，硬件成本比较低，但对d p 协议细节要有深入的了解，而 且要实现1 2 m 的通讯速率要求非常高的单片机时钟。实现起来难度比较大，周期长。方案 ( 3 ) ，方案( 4 ) 实现起来比方案( 1 ) 简单，几乎不需要了解太多的协议细节，但是接口模板或 a n y b u si c 的价格比较高。因此，本课题采用了折中的方案( 2 ) 。需要对协议的基础理论有 一定的了解，但不涉及到过多的细节，d p 数据链路层协议由协议控制芯片来完成，用户的 北方工业大学硕士学位论文 工作量主要是对通讯数据的处理。其实，o b v l 接口板和a n y b u si c 也使用或集成了d p 协议 控制芯片。 2 3 器件选型 d p 从站产品开发集中在d p 通讯功能的实现，使开发的产品成为可以挂在总线上的一个f 闷络 设备，与网络上的其他设备进行通讯。实现这个p r o f i b u s 现场总线网络功能的核心器件：现场 总线协议控制芯片。2 1 i 节介绍的不同方案就是围绕这个通讯功能实现来说明的。表2 - i 给 出了目前在p r o f i b u s 产品开发中主要的协议a s i c 芯片。 表2 - 1 常用的p r o f i b u s 协议a s c 芯片 厂商芯片类型 特色f m s d pp a i a mp b s从可依赖微处理器的i o 芯片，3 m b p s 完成第2 层实现 i m p 叫 主可依赖微处理嚣的i o 芯片，3 m b p s 完成第2 层实现 带p r o f i b i b 核心功能的1 6 位微控制器，5 0 0 k b p s ， m o t o r o l a 6 8 3 0 2 主一从 ， 第2 层部分实现 带p r o f i b u s 核心功能的3 2 位微控制器，1 5 m b p s ， m o t o r o l a6 8 3 6 0主一从 第2 层部分实现 可依赖微处理器的i 0 芯片，1 2 m b p s ，第2 层和d p s i e m e n ss p c 4从 实现 可依赖微处理器的i o 芯片，1 2 m b p s ，第2 层和d p s i e m e n ss p c 3从 0 实现 s i e m e n s s p l l 2 从单芯片。d p 全实现6 4 i 0 位直接与芯片连接 可依赖微处理器的i 0 芯片，1 2 m b p s ，第2 层完全实 s i e m e n s s p c 2 主 ， 现 s i e m e n s u 唱舷 从低成本芯片，d p 全实现，3 2 i 0 位直接与芯片连接 单芯片或可依赖微处理器的i o 芯片，1 5 m b p s ，可 d e l t a - ti x l主一从 j 、， 加载坍议 开发的d p 从站采用r s - 4 8 5 传输技术，采用差分驱动，抗干扰能力强，适合长距离的数据传输。 在r s - 4 8 5 差分驱动器件的选型上需考虑：是否满足4 8 5 标准、驱动能力、数据处理速度、功耗等。 本课题中选用t t i 公司的s n 7 5 a l s l 7 6 串行差分总线驱动器件。其他类似器件有m a ) ( 4 8 5 、a d m l 4 8 5 等。以下给出t s n 7 5 1 7 6 的一些参数【1 1 1 。 设计为满足总线上有多个设备的双向数据传送 满足t i a e i a - 4 2 2 一b 、t 【a e i a - 4 8 5 - a 标准以及i t u 推荐标准v 1 l 和x 2 7 数据处理速度可达3 5 f f o a u d 北方工业大学硕士学位论文 幅度较大的正、负输入输出总线电压 三态电路保护 为了防止总线电压波动对电路板上器件s p c 3 造成损坏，可以在r s 一4 8 5 驱动器件和s p c 3 之 间加上光电隔离器件。主要考虑可隔离的最大电压、数据转换速率因素。本课题选用了6 n 1 3 7 器件m 1 ，最大直流隔离电压为2 5 0 0 v ，最大数据转换速率为l o m b a u d 。如果要达到d p 总线的最 大传输速率1 2 m b i t s ，则需要选用更高速的光电隔离器件，例如h c p l 7 7 2 0 7 7 2 1 等，最大数据 转换速率可达2 5 m b i t s 。 2 4p r o f i b u s d p 从站硬件设计 设计的d p j 。e s t _ b o a r dd p 从站具备d p 总线网络通讯、地址设置等基本功能。同时还具备 其他一些辅助功能，如液晶显示、r s - 2 3 2 串口通讯电路等，方便了系统调试。其结构图如图2 _ 5 所示。 图2 5d p 从站硬件结构框图 各个模块的功能： ( 1 )通讯及接口电路：由d p 协议芯片s p c 3 、r s - 4 8 5 驱动器件s n 7 5 1 7 6 、光电隔离器件6 n 1 3 7 以及总线连接器d b 9 组成； ( 2 ) 地址设置及显示电路：由按键及液晶显示模块d m l 6 0 2 c 组成，3 个l e d 用来显示通讯状 态： ( 3 )数据存储电路：双口r a m i d t 7 0 0 6 具有1 6 k 的存储容量，作为两块电路板的共同数据存 储器件，同时也是数据交换的途径； ( 4 )串口通讯电路：由m a x 2 3 2 电平转换器和电容组成； ( 5 )系统供电：完成2 4 v 总线电压到两路5 v 电压的处理，为了电路板调试方便直接使用了 5 v d c ，而不是2 4 v d c 。两者的主要区别在于电源转换芯片的使用上； 北方工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 看门狗及复位电路：监视程序的运行及系统供电电压值。 2 4 1 通讯及d p 接口电路 由d p 协议芯片s p c 3 、r s - 4 8 5 驱动器件s n 7 5 1 7 6 、光电隔离器件6 n 1 3 7 以及总线连接器d b 9 组成。是从站硬件的一个重要构成部分。图2 - 6 是s p c 3 的原理结构图。 控制总线_数据总线t- 地址总线 总线接口单元 兰产型 微顺序控制器l _ 一r a m 控制器 异步串行口h 时间计数器ll 波特率发生器 1 5 k r a m i 缓冲区 t x d i r x d c l k o u t 2 4 ic i k 图2 - 6s p c 3 的原理结构图 根据传输数据量的大小和智能化的程度，s i m e n s 公司提供了s p c 2 、s p c 3 、l s p m 2 等不同种类 的芯片。其中选用的s p c 3 ( s i m e n sp r o f i b u sc o n t r o l e r ) 集成了完整的d p 协议，基于寄存器模 式，包含方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、各种缓冲器指针和缓冲区等，内部含有1 5 kr a m 。 带有1 1 位地址线的并行8 位接口，8 位数据线在接i n t e l 8 位处理器时与低8 位地址线复用，内部 有地址锁存器，无需外接。支持i n t e l ：8 0 c 3 1 ，8 0 x 8 6 ，s i e m e n s ：8 0 c 1 6 6 1 6 5 1 6 7 和m o t o r o l a ： h c ll 一，h c l 6 一，h c 9 1 6 等处理器类型。全部存储器分为1 9 2 段，每段8 个字节，用户可以立即寻址，。 s p c 3 还可以自动完成“字节转换”，从而使摩托罗拉处理器可以直接正确读1 6 位值。s p c 3 中还 集成有一个保护监视定时器( w a t c 胁0 g ) ，如果应用处理器有故障则禁止p r o f i b u s - - d p 通信，因 此不会危及外围设备。微处理器控制s p c 3 的整个过程，在u a r t 中完成并行数据流和串行数据流 的互换。s p c 3 在第一个字符发送前会产生r t s ( r e o u e s t 2 t 0 2 s e n d ) 信号，也就是请求发送信号。 另外，s p c 3 还具有自动辨识波特率( 9 1 6 k 1 2 m ) 的功能【1 3 , 1 4 。 s p c 3 与i c u 的硬件电路连接比较简