第5章 PROFIBUS通信原理

1、电气与自动化工程学院 三江学院 第四章第四章 PROFIBUS通信原理通信原理 现场总线原理及应用 2 2021-8-6 4.1 PROFIBUS的通信模型的通信模型 4.2 PROFIBUS的物理层的物理层 4.3 PROFIBUS的数据链路层的数据链路层 本章的主要内容本章的主要内容 4.5 PROFIBUS FMS的应用层与用户接口的应用层与用户接口 4.4 PROFIBUS DP/PA的用户接口与行规的用户接口与行规 现场总线原理及应用 3 2021-8-6 4.1 PROFIBUS的通信模型的通信模型 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 4.1.2 PROFIBUS 的通信

2、模型概述的通信模型概述 4.1.3 PROFIBUS 的通信方式概述的通信方式概述 现场总线原理及应用 4 2021-8-6 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 2003 2003年公布的现场总线年公布的现场总线IEC61158IEC61158国际标准中，国际标准中， 第三种类型为第三种类型为PROFIBUSPROFIBUS总线。同时它也是德国标总线。同时它也是德国标 准（准（DIN19245DIN19245）和欧洲标准（）和欧洲标准（EN50170EN50170）的现）的现 场总线。在场总线。在20012001年年PROFIBUSPROFIBUS被定为中国的国家被定为中国的国家 标

3、准标准JB/T103010.3-2001JB/T103010.3-2001。 现场总线原理及应用 5 2021-8-6 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA PROFIBUS 现场总线原理及应用 6 2021-8-6 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 用于分散外设与控制设备间的高速数据传输，适用于用于分散外设与控制设备间的高速数据传输，适用于 加工自动化领域，可以取代加工自动化领域，可以取代4 420mA20mA的模拟信号传输。的模拟

4、信号传输。 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP使用了使用了ISO/OSIISO/OSI模型的第模型的第1 1层（物理层）、层（物理层）、 第第2 2层（数据链路层）和用户层，使网络获得较高的传输层（数据链路层）和用户层，使网络获得较高的传输 速率。速率。PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP特别适合于特别适合于PLCPLC与现场级分布式与现场级分布式I/OI/O （如（如SiemensSiemens的的ET200ET200）设备之间的通信。）设备之间的通信。 （1）PROFIBUS-DP Decentralized Periphery，分布式外围设备，分布式外围设备 现场总线原

5、理及应用 7 2021-8-6 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA（Process AutomationProcess Automation）是专为过程）是专为过程 自动化设计的总线类型，使用的是扩展的自动化设计的总线类型，使用的是扩展的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP协协 议，此外还描述了现场设备行为的议，此外还描述了现场设备行为的PAPA行规。行规。 其传输技术使用的是其传输技术使用的是IEC1158-2IEC1158-2，确保了本质安全和系，确保了本质安全和系 统的稳定性，并通过总线对现场设备供电。统的稳定性，并通过总

6、线对现场设备供电。 PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA广泛应用于化工和石油生产等领域。广泛应用于化工和石油生产等领域。 （2）PROFIBUS-PA 现场总线原理及应用 8 2021-8-6 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 适用于纺适用于纺 织、楼宇自动化、可编程序控制器和低压开织、楼宇自动化、可编程序控制器和低压开 关等。除了关等。除了OSIOSI的第的第1 1层和第层和第2 2层，层，PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS还使用了还使用了 第第7 7层，即应用层，因此该协议向用户提供了功能很强的通层，即应用层，因此该协议向用户提供了功能很强的通 信服务。主

7、要用于车间级的不同供应商的自动化之间传输数信服务。主要用于车间级的不同供应商的自动化之间传输数 据。据。 （3）PROFIBUS-FMS Field bus Message Specification 现场总线报文规范现场总线报文规范 现场总线原理及应用 9 2021-8-6 4.1 PROFIBUS的通信模型的通信模型 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 4.1.2 PROFIBUS 的通信模型概述的通信模型概述 4.1.3 PROFIBUS 的通信方式概述的通信方式概述 现场总线原理及应用 10 2021-8-6 4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型通信协议模型 现场总线原

8、理及应用 11 2021-8-6 4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型通信协议模型 PROFIBUS PROFIBUS只使用了只使用了ISO/OSIISO/OSI的第的第1 1层、第层、第2 2层层 和第和第7 7层，第层，第3 3层至第层至第6 6层没有使用，另外在应用层层没有使用，另外在应用层 之上外加了一个用户层，是之上外加了一个用户层，是PROFIBUSPROFIBUS的行规。的行规。 PROFIBUSPROFIBUS的协议模型的结构比较简洁，这样的协议模型的结构比较简洁，这样 做提高了数据传输的效率，也符合工业通信实时做提高了数据传输的效率，也符合工业通信实时 性高、数据量小的

9、特点和要求。性高、数据量小的特点和要求。 现场总线原理及应用 12 2021-8-6 4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型通信协议模型 FMS FMS和和DPDP的物理层相同，为的物理层相同，为EIA485EIA485或光纤，或光纤， 所以所以FMSFMS和和DPDP可以使用同一根电缆进行各自的通可以使用同一根电缆进行各自的通 信；信； PAPA的物理层使用的物理层使用MBPMBP（IEC61158-2IEC61158-2） （Manchester code Bus PoweredManchester code Bus Powered）技术，需）技术，需 要通过要通过DP/PADP/PA

10、的网络接口集成到的网络接口集成到DPDP网络中。网络中。 现场总线原理及应用 13 2021-8-6 4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型通信协议模型 FMS FMS、DPDP和和PAPA的数据链路层（的数据链路层（FDLFDL）是完全）是完全 相同的，它们的数据通信基本协议是相同的，所相同的，它们的数据通信基本协议是相同的，所 以它们可以存在于同一个网络中。以它们可以存在于同一个网络中。 虽然虽然PAPA的物理层与的物理层与DPDP不同，但由于不同，但由于PAPA也使也使 用用DP-V0DP-V0的基本报文协议，所以的基本报文协议，所以DPDP和和PAPA可以互相可以互相 通信；通信；

11、 现场总线原理及应用 14 2021-8-6 4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型通信协议模型 虽然虽然FMSFMS与与DPDP有相同的物理层和数据链路层，有相同的物理层和数据链路层， 但由于但由于FMSFMS的第的第7 7层规范只适合于层规范只适合于FMSFMS装置，所以装置，所以 FMSFMS不能和不能和DPDP和和PAPA交换数据。有些站点同时作为交换数据。有些站点同时作为 FMSFMS和和DPDP的站点，称为混合主站，混合主站运行的站点，称为混合主站，混合主站运行 两种通信协议两种通信协议 。 现场总线原理及应用 15 2021-8-6 4.1 PROFIBUS的通信模型的通信模

12、型 4.1.1 PROFIBUS协议组成协议组成 4.1.2 PROFIBUS 的通信模型概述的通信模型概述 4.1.3 PROFIBUS 的通信方式概述的通信方式概述 现场总线原理及应用 16 2021-8-6 4.1.3 PROFIBUS 通信方式概述通信方式概述 PROFIBUS PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混支持主从系统、纯主站系统、多主多从混 合系统等几种模式。主站与主站之间采用的是令牌的传输合系统等几种模式。主站与主站之间采用的是令牌的传输 方式，主站在获得令牌后通过轮询的方式与从站通信。方式，主站在获得令牌后通过轮询的方式与从站通信。 若只有一个主站，且有多

13、个从站，则为主从系统；若只有一个主站，且有多个从站，则为主从系统； 若只有多个主站，没有从站，则为纯主站系统；若只有多个主站，没有从站，则为纯主站系统； 有多个主站，每个主站均有隶属于自己的多个从站，则有多个主站，每个主站均有隶属于自己的多个从站，则 为多主多从混合系统，为多主多从混合系统， 多主多从混合系统是多主多从混合系统是PROFIBUSPROFIBUS的一般情况，主站与主的一般情况，主站与主 站之间为令牌方式，主站与从站之间是主从方式。站之间为令牌方式，主站与从站之间是主从方式。 现场总线原理及应用 17 2021-8-6 4.1.3 PROFIBUS 通信方式概述通信方式概述 现场总

14、线原理及应用 18 2021-8-6 4.2 PROFIBUS的物理层的物理层 4.2.1 PROFIBUS FMS/DP 的物理层的物理层 PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS和和PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP物理层相同物理层相同 现场总线原理及应用 19 2021-8-6 使用双绞线的传输速率有使用双绞线的传输速率有9.6kbit/s9.6kbit/s、19.2kbit/s19.2kbit/s、 93.75kbit/s93.75kbit/s、187.5kbit/s187.5kbit/s、500kbit/s500kbit/s、1500kbit/s1500kbit/s

15、、12 12 000kbit/s000kbit/s， 随着通信速率的增加，传输距离也相应地降低为随着通信速率的增加，传输距离也相应地降低为1200m1200m、 1200m1200m、1200m1200m、1000m1000m、400m400m、200m200m、100m100m。这里。这里 的传输距离指不加中继器情况下的距离。的传输距离指不加中继器情况下的距离。 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 一、传输速率与通信距离一、传输速率与通信距离 现场总线原理及应用 20 2021-8-6 由于总线驱动能力的限制，由于总线驱动能力的限制，PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP物理层

16、需要分物理层需要分 段。段。 每个网段最多允许有每个网段最多允许有3232个节点，电缆长度最长为个节点，电缆长度最长为10001000米，米， 如图所示。在应用中，实际允许的电缆长度与波特率有关。如图所示。在应用中，实际允许的电缆长度与波特率有关。 当站点数量或传输距离超过限制时，均需要增加中继器，当站点数量或传输距离超过限制时，均需要增加中继器， 以保证总线的驱动能力。以保证总线的驱动能力。 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 二、通信网段二、通信网段 现场总线原理及应用 21 2021-8-6 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 现场总线原理及应用 22 2021-8-6

17、PROFIBUS PROFIBUS网络的拓扑结构可以采用总线型、环形以及网络的拓扑结构可以采用总线型、环形以及 冗余等结构。使用双绞线作为传输介质时，一般采用总线冗余等结构。使用双绞线作为传输介质时，一般采用总线 型结构。型结构。 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 三、拓扑结构三、拓扑结构 现场总线原理及应用 23 2021-8-6 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 四、终端电阻四、终端电阻 EIA485 EIA485要求必须按其特征阻抗进行终端匹配。所谓终要求必须按其特征阻抗进行终端匹配。所谓终 端匹配就是在信号传输线的两头各串入一个与电缆特征阻端匹配就是在信号传输线的两

18、头各串入一个与电缆特征阻 抗相等的电阻。任何一个网段中，总线上终端匹配电阻数抗相等的电阻。任何一个网段中，总线上终端匹配电阻数 目为目为2 2，配置在总线上两端的位置上。，配置在总线上两端的位置上。 现场总线原理及应用 24 2021-8-6 4.2.1 FMS/DP 的物理层的物理层 在在PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP规范中，其终端匹配电阻为规范中，其终端匹配电阻为220220欧。欧。 PROFIBUSPROFIBUS的网络接口的接头上均配有终端电阻，在使的网络接口的接头上均配有终端电阻，在使 用时，要保证处于两端位置的接头的终端电阻选择开关为用时，要保证处于两端位置的接头的终

19、端电阻选择开关为 “ON”ON”， 而处于中间位置的接头的终端电阻选择开关为而处于中间位置的接头的终端电阻选择开关为 “OFF”OFF”。 为了使两端的站点也连接在网络中，处于两端为了使两端的站点也连接在网络中，处于两端 位置的接头的位置的接头的PROFIBUSPROFIBUS电缆一定要接入电缆一定要接入“IN”IN”组端子，组端子， 而不能接而不能接“OUT”OUT”组端子。组端子。 现场总线原理及应用 25 2021-8-6 4.2.2 PA 的物理层的物理层 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 以以PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP 为基础，覆盖了过程自为基础，覆

20、盖了过程自 动化的整个过程。同时，它的传输技术也符合国际标准规动化的整个过程。同时，它的传输技术也符合国际标准规 定的过程控制的特殊需求。定的过程控制的特殊需求。 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 的物理层通过一根电缆（两根导线）同的物理层通过一根电缆（两根导线）同 时实现传输数据以及对时实现传输数据以及对PA PA 总线上的设备、仪表进行供电。总线上的设备、仪表进行供电。 现场总线原理及应用 26 2021-8-6 4.2.2 PA 的物理层的物理层 过程自动化的应用场合，分为一般场合和危险区域。过程自动化的应用场合，分为一般场合和危险区域。 在一般场合可使用普通型在一般场合可

21、使用普通型PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 总线技术；在危总线技术；在危 险区，需要使用符合险区，需要使用符合IEC61158-2 IEC61158-2 的本安型的本安型PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA 技术。技术。 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA 现场总线通过转换器件可连接和集成到现场总线通过转换器件可连接和集成到 使用使用EIA485 EIA485 或使用光纤传输的或使用光纤传输的PROFIBUS DPPROFIBUS DP系统中。系统中。 现场总线原理及应用 27 2021-8-6 4.2.2 PA 的物理层的物理层 现场总线原理及应用 28 2

22、021-8-6 4.3 PROFIBUS的数据链路层的数据链路层 4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述数据链路层概述 4.3.2 数据链路层提供的数据传输服务数据链路层提供的数据传输服务 4.3.3 数据链路层的令牌管理数据链路层的令牌管理 4.3.4 数据链路层的主从网络原理数据链路层的主从网络原理 4.3.5 帧帧 现场总线原理及应用 29 2021-8-6 4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述数据链路层概述 数据链路层数据链路层是是PROFIBUSPROFIBUS协议的第二层，它介于物理层协议的第二层，它介于物理层 与应用层之间。设立数据链路层的主要目的是将一条原始与应用层之

23、间。设立数据链路层的主要目的是将一条原始 的、有差别的物理线路变为对应用层无差别的数据链路。的、有差别的物理线路变为对应用层无差别的数据链路。 为了实现这个目的，数据链路层必须执行链路管理、帧传为了实现这个目的，数据链路层必须执行链路管理、帧传 输、流量控制、差错控制等功能。输、流量控制、差错控制等功能。 现场总线原理及应用 30 2021-8-6 4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述数据链路层概述 数据链路数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端 设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是长期的，设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒

24、体是长期的， 连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行 不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信 联络和拆除通信联络的过程。这种建立起来的数据收发关联络和拆除通信联络的过程。这种建立起来的数据收发关 系就叫做数据链路系就叫做数据链路. .。 现场总线原理及应用 31 2021-8-6 4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述数据链路层概述 PROFIBUSPROFIBUS的数据链路层的数据链路层负责生成和管理数据帧，控制负责生成和管理数据帧，控制 和维护各站点对公共的总线的

25、占用。和维护各站点对公共的总线的占用。PROFIBUSPROFIBUS对总线的管对总线的管 理是按照令牌和主从相结合的方式进行的。理是按照令牌和主从相结合的方式进行的。 所有主动站点之间是通过令牌方式控制总线的，主站和所有主动站点之间是通过令牌方式控制总线的，主站和 从站之间是主从方式。从站之间是主从方式。 现场总线原理及应用 32 2021-8-6 4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述数据链路层概述 PROFIBUS PROFIBUS系统采用由混合介质存取方式实现的控制介系统采用由混合介质存取方式实现的控制介 质存取：质存取： 对应于令牌传递原理的分散方式是以对应于主从原理的对应于令牌

26、传递原理的分散方式是以对应于主从原理的 集中方式为基础的。介质存取控制可以被每一个主站（主集中方式为基础的。介质存取控制可以被每一个主站（主 动站）使用。从站（被动站）的作用是随时地听从于介质动站）使用。从站（被动站）的作用是随时地听从于介质 存取，即它们不能独立地发起通信，只是在有请求时才发存取，即它们不能独立地发起通信，只是在有请求时才发 送。送。 现场总线原理及应用 33 2021-8-6 4.3.2 PROFIBUS数据链路层服务数据链路层服务 1.1.发送数据需应答（发送数据需应答（SDASDA） 2.2.发送数据无需应答（发送数据无需应答（SDNSDN） 3.3.发送并请求数据需回

27、答（发送并请求数据需回答（SRDSRD） 4.4.循环地发送并请求数据需回答（循环地发送并请求数据需回答（CSRDCSRD） 现场总线原理及应用 34 2021-8-6 1 1、发送数据需应答（、发送数据需应答（SDASDA） 此服务允许主站中的此服务允许主站中的FDLFDL（第（第2 2层）用户（以下称本地层）用户（以下称本地 用户）发送用户数据（用户）发送用户数据（Link_Service_data_unitLink_Service_data_unit，L-sduL-sdu） 给一个远程站。在远程站，如果接收无误，则给一个远程站。在远程站，如果接收无误，则L-sduL-sdu被被FDLFD

28、L 传送给用户（以下称远程用户）。本地用户接收关于用户传送给用户（以下称远程用户）。本地用户接收关于用户 数据收到或未收到的一个确认。如果在传输期间出现错误，数据收到或未收到的一个确认。如果在传输期间出现错误， 则本地用户的则本地用户的FDLFDL将重复此数据传输。将重复此数据传输。 4.3.2 PROFIBUS数据链路层提供的数据传输服务 现场总线原理及应用 35 2021-8-6 2. 2. 发送数据无需应答（发送数据无需应答（SDNSDN） 此服务允许本地用户传送数据（此服务允许本地用户传送数据（L-sduL-sdu）给一个远程）给一个远程 站，或同时传送给多个远程站（群播）或全部远程站

29、站，或同时传送给多个远程站（群播）或全部远程站 （广播）。本地用户接收一个传输结束的确认信息，不（广播）。本地用户接收一个传输结束的确认信息，不 管数据是否及时接收。在远程站，如果接收无误，则管数据是否及时接收。在远程站，如果接收无误，则L- L- sdusdu被传递给远程用户，无需确认。这样，一次数据传被传递给远程用户，无需确认。这样，一次数据传 输就已经完成。输就已经完成。 4.3.2 PROFIBUS数据链路层提供的数据传输服务 现场总线原理及应用 36 2021-8-6 3. 3. 发送并请求数据需回答（发送并请求数据需回答（SRDSRD） 此服务允许本地用户传输数据（此服务允许本地用

30、户传输数据（L-sduL-sdu）给一个远程）给一个远程 站，并同时请求远程站发来数据（站，并同时请求远程站发来数据（L-sduL-sdu）。在远程站，）。在远程站， 若接收无错误，则所接收的若接收无错误，则所接收的L-sduL-sdu被传送给远程用户。此被传送给远程用户。此 服务还允许本地用户不用发送数据（服务还允许本地用户不用发送数据（L-sduL-sdu=Null=Null）给远）给远 程用户，而向远程用户请求数据。程用户，而向远程用户请求数据。 本地用户接收到数据无效的指示，或未接收到的确认，本地用户接收到数据无效的指示，或未接收到的确认， 本地用户的本地用户的FDLFDL则重复带有数

31、据请求的数据传输。则重复带有数据请求的数据传输。 4.3.2 PROFIBUS数据链路层提供的数据传输服务 现场总线原理及应用 37 2021-8-6 4. 4. 循环地发送并请求数据需回答（循环地发送并请求数据需回答（CSRDCSRD） 此服务允许本地用户循环地传输数据（此服务允许本地用户循环地传输数据（L-sduL-sdu）给远程站，）给远程站， 并同时请求从远程站发来数据。在远程站中，接收到的无误并同时请求从远程站发来数据。在远程站中，接收到的无误 的数据将循环地传送给远程站的用户。此服务还允许本地用的数据将循环地传送给远程站的用户。此服务还允许本地用 户不发送数据给远程用户而循环地请求

32、远程用户的数据。户不发送数据给远程用户而循环地请求远程用户的数据。 本地用户循环地接收所请求的数据，或数据无效的指示，本地用户循环地接收所请求的数据，或数据无效的指示， 或被传输的数据未接收到的确认，前两种情况也确认接收到或被传输的数据未接收到的确认，前两种情况也确认接收到 被传输的数据。如果在传输期间出现错误，则本地用户的被传输的数据。如果在传输期间出现错误，则本地用户的 FDLFDL将重复带数据请求的数据传输。将重复带数据请求的数据传输。 4.3.2 PROFIBUS数据链路层提供的数据传输服务 现场总线原理及应用 38 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据

33、链路层令牌管理 1.1.逻辑令牌链路逻辑令牌链路 2.2.主站列表（主站列表（LASLAS） 3.3.主站的增加与删除主站的增加与删除 4. 4. 逻辑令牌环的初始化逻辑令牌环的初始化 5.5.令牌轮转时间令牌轮转时间 6.6.报文优先权报文优先权 现场总线原理及应用 39 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 1.1.逻辑令牌链路逻辑令牌链路 通信总是由获得介质存取权（即令牌）的主站发起。通信总是由获得介质存取权（即令牌）的主站发起。 在在PROFIBUSPROFIBUS中令牌在一个逻辑环中从一个主站传递给另中令牌在一个逻辑环中从一个主站传递给另

34、 一个主站，如图一个主站，如图4-124-12所示。令牌传递由所有主站共同管所示。令牌传递由所有主站共同管 理，因为每个主站知道它的前者（前面的站，理，因为每个主站知道它的前者（前面的站，PSPS），即），即 令牌是从它那里接收来的，而且知道它的后继者（下一令牌是从它那里接收来的，而且知道它的后继者（下一 个站，个站，NSNS），即令牌将传递给它，还知道它自己的地址），即令牌将传递给它，还知道它自己的地址 （即本站，（即本站，TSTS）。在系统初始化后，每个主站将确定它）。在系统初始化后，每个主站将确定它 的的PSPS和和NSNS地址，然后还会根据运行情况动态地调整。地址，然后还会根据运行情况

35、动态地调整。 现场总线原理及应用 40 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 现场总线原理及应用 41 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 2.2.主站列表（主站列表（LASLAS） 如果一个主站（如果一个主站（TSTS）的主站列表（）的主站列表（LASLAS）的前一个站）的前一个站 （PSPS）已确定，并从）已确定，并从PSPS那里接收到一个令牌帧，则此主那里接收到一个令牌帧，则此主 站就拥有了令牌并可以发起通信。在加电之后，所有主站站就拥有了令牌并可以发起通信。在加电之后，所有主站 通过同步监听生

36、成通过同步监听生成LASLAS，此后根据令牌帧的接收情况，实，此后根据令牌帧的接收情况，实 时修正时修正LASLAS。 如果令牌的发送者未被登记为如果令牌的发送者未被登记为PSPS，则接收者将认为这，则接收者将认为这 是一个错误的信号且不接收此令牌。但此是一个错误的信号且不接收此令牌。但此PSPS若重试，则接若重试，则接 收该令牌。令牌的接收者将认为现在的逻辑环已更新，在收该令牌。令牌的接收者将认为现在的逻辑环已更新，在 它的它的LASLAS中用一个新的中用一个新的PSPS站代替了原先登记的站代替了原先登记的PSPS。 现场总线原理及应用 42 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数

37、据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 3.3.主站的增加与删除主站的增加与删除 在任何时刻可以在传输介质上增加或撤除主站和从站。在逻辑令在任何时刻可以在传输介质上增加或撤除主站和从站。在逻辑令 牌环中的每一个主站负责检查从本站地址（牌环中的每一个主站负责检查从本站地址（TSTS）到下一站（）到下一站（NSNS）之间）之间 的主站的变化。这个地址范围称作的主站的变化。这个地址范围称作GAPGAP。 HSAHSA和地址和地址0 0不能用作主站的地址。按此情形，在发现不能用作主站的地址。按此情形，在发现HSAHSA（最高（最高 地址）之后，则检查过程在地址地址）之后，则检查过程在地址0 0处继续。如果

38、一个站的肯定应答是处继续。如果一个站的肯定应答是 “未准备好未准备好”或或“从站从站”状态，则它相应地在状态，则它相应地在GAPGAP中作标记并检查下中作标记并检查下 一个地址。一个地址。 如果一个站的回答是如果一个站的回答是“准备进入逻辑令牌环准备进入逻辑令牌环”状态，则令牌持有状态，则令牌持有 者更改它的者更改它的GAPGAP，并传递令牌给此新的，并传递令牌给此新的NSNS。现在已被纳入逻辑令牌环。现在已被纳入逻辑令牌环 的这个站就建立了它的的这个站就建立了它的LASLAS（主站列表）。（主站列表）。 现场总线原理及应用 43 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管

39、理数据链路层令牌管理 4. 4. 逻辑令牌环的初始化逻辑令牌环的初始化 初始化是更新初始化是更新LASLAS和和GAPLGAPL的最初的特殊情形。如果一个处在的最初的特殊情形。如果一个处在 “Listen_TokenListen_Token”状态下的主站加电（状态下的主站加电（PONPON）后，遇到超时时间）后，遇到超时时间 （Time_OutTime_Out），即在），即在TTOTTO时间内无总线活动，它将申请令牌时间内无总线活动，它将申请令牌 （“Claim_TikenClaim_Tiken”状态），获得令牌（状态），获得令牌（“Take It”Take It”）并开始初始化。）并开始初始

40、化。 当休眠的当休眠的PROFIBUSPROFIBUS系统被启动时，则具有最低站地址的主站开系统被启动时，则具有最低站地址的主站开 始初始化。用传递两个对它自己寻址的令牌帧（始初始化。用传递两个对它自己寻址的令牌帧（DA=SA=TSDA=SA=TS），它通），它通 告任何其他主站（正登记一个告任何其他主站（正登记一个NSNS进入进入LASLAS）现在在逻辑令牌环中只有）现在在逻辑令牌环中只有 它一个站。然后，为了登记其他的站，它按地址增加序列对每个站传它一个站。然后，为了登记其他的站，它按地址增加序列对每个站传 递一个递一个“Request FDL Status”Request FDL Sta

41、tus”帧。帧。 现场总线原理及应用 44 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 5.5.令牌轮转时间令牌轮转时间 一个主站接收到令牌后，就开始令牌轮转时间一个主站接收到令牌后，就开始令牌轮转时间 （Token Rotation TimeToken Rotation Time）的测量。整个时间测量周期）的测量。整个时间测量周期 终止于下一次令牌接收时，并形成实际令牌轮转时间终止于下一次令牌接收时，并形成实际令牌轮转时间 TRRTRR（Real Rotation Time)Real Rotation Time)。同时，一个新的下一个轮。同时，一个新的

42、下一个轮 转时间的测量开始。转时间的测量开始。TRRTRR对执行低优先权报文循环是很对执行低优先权报文循环是很 重要的。重要的。 为了保证应用现场所需要的系统响应时间，应该确定为了保证应用现场所需要的系统响应时间，应该确定 在逻辑令牌环中令牌的目标轮转时间在逻辑令牌环中令牌的目标轮转时间TTRTTR。 现场总线原理及应用 45 2021-8-6 4.3.3 PROFIBUS数据链路层令牌管理数据链路层令牌管理 6.6.报文优先权报文优先权 在报文循环的服务类型中，在报文循环的服务类型中，FDLFDL接口（应用层）的用户接口（应用层）的用户 可以有两种优先权选择：可以有两种优先权选择：“低低”和

43、和“高高”。优先权用服务。优先权用服务 请求传送给请求传送给FDLFDL。 当一个主站接收令牌时，它总是首先执行所有有效的当一个主站接收令牌时，它总是首先执行所有有效的 高优先权报文循环，然后执行低高优先权报文循环，然后执行低 优先权报文循环。如果在优先权报文循环。如果在 令牌接收时实际令牌轮转时间令牌接收时实际令牌轮转时间TRRTRR等于或大于目标令牌轮等于或大于目标令牌轮 转时间转时间TTRTTR，则仅执行一个高优先权报文循环，包括在错误，则仅执行一个高优先权报文循环，包括在错误 情况下的重试，然后立刻将令牌传递给情况下的重试，然后立刻将令牌传递给NSNS。 现场总线原理及应用 46 20

44、21-8-6 4.3.4 数据链路层的主从网络原理数据链路层的主从网络原理 1. 1. 非循环请求或发送请求方式非循环请求或发送请求方式 2. 2. 循环发送请求方式循环发送请求方式 3.3.累计记录表累计记录表 现场总线原理及应用 47 2021-8-6 1. 1. 非循环请求或发送非循环请求或发送/ /请求方式请求方式 在非循环请求或发送在非循环请求或发送/ /请求方式下，单个报文根据服务的请求方式下，单个报文根据服务的 要求执行。在令牌接收时应本地用户的请求，主站要求执行。在令牌接收时应本地用户的请求，主站FDLFDL控制控制 器启动这种方式。如果有若干个请求，则此运行方式可以继器启动这

45、种方式。如果有若干个请求，则此运行方式可以继 续，直到最大允许的令牌轮转时间期满为止。续，直到最大允许的令牌轮转时间期满为止。 该方式对应的数据传输服务有该方式对应的数据传输服务有“发送数据需应答发送数据需应答 （SDASDA）”、“发送数据无需应答（发送数据无需应答（SDNSDN）”和和“发送并请发送并请 求数据需回答（求数据需回答（SRDSRD）”。“循环地发送并请求数据需回答循环地发送并请求数据需回答 （CSRDCSRD）”的服务则由下文中的的服务则由下文中的“循环发送循环发送/ /请求方式请求方式”完完 成。成。 4.3.5 数据链路层的主从网络原理 现场总线原理及应用 48 2021

46、-8-6 2. 2. 循环发送循环发送/ /请求方式请求方式 在轮询（在轮询（PollingPolling）时，主站按照预先确定的顺序即轮）时，主站按照预先确定的顺序即轮 询表（询表（Poll ListPoll List）循环地寻址有）循环地寻址有“Send and Request Send and Request Data Low”Data Low”请求的各站。轮询表由本地请求的各站。轮询表由本地FDLFDL用户传送给用户传送给 FDLFDL控制器。所有被轮询的从站都登记在轮询表中，如图控制器。所有被轮询的从站都登记在轮询表中，如图 4-134-13所示。在轮询期间对于经过重试也不应答的那些

47、站将所示。在轮询期间对于经过重试也不应答的那些站将 被标记为被标记为“不运行不运行”（Non_OperationalNon_Operational）。在此后的请）。在此后的请 求循环中对这些站只作试探性的请求而不重试，在这个过求循环中对这些站只作试探性的请求而不重试，在这个过 程中，如果一些站作出回答，则它们被标记为程中，如果一些站作出回答，则它们被标记为“运行运行” （OperationalOperational）。）。 4.3.5 数据链路层的主从网络原理 现场总线原理及应用 49 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 1. 1. 帧字符的格式帧字符的格式 PROFI

48、BUS PROFIBUS现场总线协议设计中，数据链路层的协议均现场总线协议设计中，数据链路层的协议均 是面向字符的。每一帧均由一些字符组成，这些字符称为是面向字符的。每一帧均由一些字符组成，这些字符称为 UARTUART字符字符 线路上的数据线路上的数据 流流 1234567891011 二进制位的权二进制位的权 重重 2021222324252627 帧字符的位帧字符的位0b1b2b3b4b5b6b7b8P1 帧字符的位的帧字符的位的 意义意义 起始起始8位字符位字符校校 验验 停止停止 现场总线原理及应用 50 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 2.2.帧的格式帧

49、的格式 不带数据的定长帧、不带数据的定长帧、 带数据的定长帧、带数据的定长帧、 带数据的可变长度帧带数据的可变长度帧 令牌帧令牌帧 PROFIBUS的帧在形式上有的帧在形式上有4种种 以上以上4种帧的起始符也不同，分别为种帧的起始符也不同，分别为SD1、 SD3、SD2和和SD4，经常用起始符来区别不同形，经常用起始符来区别不同形 式的帧式的帧 现场总线原理及应用 51 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 不带数据的定长帧不带数据的定长帧 现场总线原理及应用 52 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 SYN SYN是同步位，至少要有是同步位，至少

50、要有3333位空闲；位空闲； SD1SD1是起始定界符，编码为是起始定界符，编码为10H10H； DADA是目的地址；是目的地址； SASA是源地址；是源地址； FCFC是控制信息段，是需要传送的控制信息；是控制信息段，是需要传送的控制信息； FCSFCS是帧校验序列；是帧校验序列； EDED是终止定界符，编码为是终止定界符，编码为16H16H； L L为信息字段的长度，固定为为信息字段的长度，固定为3 3个字节；个字节； SCSC为短应答帧，编码为为短应答帧，编码为E5H E5H 现场总线原理及应用 53 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 带数据的定长帧带数据的定长

51、帧 现场总线原理及应用 54 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 带数据的可变长度帧带数据的可变长度帧 令牌帧令牌帧 现场总线原理及应用 55 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 3 3、地址字节与服务接入点（、地址字节与服务接入点（SAPSAP） 帧中的帧中的SASA和和DADA分别为源站点地址和目的站点地址，分别为源站点地址和目的站点地址， SASA的地址范围为的地址范围为01260126，DADA的地址范围为的地址范围为01270127。127127是是 个特殊的地址，用于广播或多信道消息的全局地址，因此个特殊的地址，用于广播或多信道消息的

52、全局地址，因此 一般的主动站点和被动站点共有一般的主动站点和被动站点共有127127个地址可供选择个地址可供选择 （01260126）。虽然站点的地址可以从）。虽然站点的地址可以从01260126中选择，在实中选择，在实 际网络中，主动站点一般不超过际网络中，主动站点一般不超过3232个。由于至少需要一个个。由于至少需要一个 主动站点，被动站点最多为主动站点，被动站点最多为126126个，主动站点与被动站点个，主动站点与被动站点 的总数最多为的总数最多为127127个。个。 现场总线原理及应用 56 2021-8-6 4.3.5 数据链路层的帧数据链路层的帧 SA SA和和DADA的地址字节的

53、格式如图的地址字节的格式如图4-224-22所示。地址字所示。地址字 节中，低节中，低7 7位为地址数据，取值从位为地址数据，取值从01260126（SASA）或）或01270127 （DADA）。最高位为地址扩展标志位，若）。最高位为地址扩展标志位，若EXTEXT为为0 0，则表，则表 示后续的数据单元中没有地址扩展字节；若示后续的数据单元中没有地址扩展字节；若EXTEXT为为1 1，则，则 表示后续的数据单元中有地址扩展字节。表示后续的数据单元中有地址扩展字节。 现场总线原理及应用 57 2021-8-6 4.4 PROFIBUS DP/PA行规行规 4. 4. 帧控制字节帧控制字节FCF

54、C 在帧头部的控制字节指出帧的类型，如主动帧（请求帧，在帧头部的控制字节指出帧的类型，如主动帧（请求帧， 发送发送/ /请求帧），应答帧或回答帧。请求帧），应答帧或回答帧。 ResRes为保留位；为保留位； FrameFrame为帧类型：为帧类型：1 1表示发送表示发送/ /请求帧，请求帧，0 0表示应答帧；当表示应答帧；当 b7=1b7=1时，时，FCBFCB为帧计数位：为帧计数位：0/10/1，交替；，交替；FCVFCV为帧计数位有为帧计数位有 效：效：0 0无效，无效，1 1有效。当有效。当b7=0b7=0时，时，StnStn-Type-Type表示站类型和表示站类型和 FDLFDL状态

55、：状态：0000表示从站，表示从站，0101表示未准备进入逻辑令牌环的主表示未准备进入逻辑令牌环的主 站，站，0000表示准备进入逻辑令牌环的主站，表示准备进入逻辑令牌环的主站，0101表示已在逻辑表示已在逻辑 令牌环中的主站。令牌环中的主站。 现场总线原理及应用 58 2021-8-6 4.4 PROFIBUS DP/PA行规行规 现场总线原理及应用 59 2021-8-6 4.4 PROFIBUS DP/PA行规行规 1. 1. 电子设备数据文件（电子设备数据文件（GSDGSD） 为了将不同厂家生产的为了将不同厂家生产的ProfibusProfibus产品集成在一起，生产产品集成在一起，生产 厂家必须以厂家必须以GSDGSD文件（电