基于PROFIBUS－DP的FCS性能研究及診斷軟件的開(kāi)發(fā)
曹雪華1
（1上海安科瑞電氣有限公司，上海嘉定 201801）
摘 要：分析了PROFIBUS-DP傳輸協(xié)議與報(bào)文結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于串口通信的PROFIBUS-DP總線性能分析與診斷軟件，給出了程序的實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)，在PROFIBUS-DP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。結(jié)果表明，該軟件運(yùn)行良好，可以基本完成對(duì)PROFIBUS－DP報(bào)文采集、分析和存儲(chǔ)等功能。
0 引言
PROFIBUS是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)市場(chǎng)占有率最高的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它包括用于制造業(yè)自動(dòng)化的PROFIBUS－DP和用于流程工業(yè)領(lǐng)域的PROFIBUS－PA，它是目前我國(guó)惟一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。隨著越來(lái)越多工業(yè)控制系統(tǒng)采用了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)這些控制系統(tǒng)進(jìn)行具體的、直觀的和實(shí)時(shí)的在線分析與診斷成為了最基本的要求，要想完成這樣的任務(wù)，就需要有相應(yīng)的工程分析診斷工具。國(guó)內(nèi)外目前所研究的這些總線性能分析診斷工程工具存在著功能不夠全面、界面不夠完善、價(jià)格昂貴、不適合中國(guó)國(guó)情等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)一款能夠?qū)偩�系統(tǒng)進(jìn)行分析和診斷，方便的、性能價(jià)格比高的分析診斷工程工具必將成為急需的產(chǎn)品。
由于在PRIFBUS傳輸報(bào)文可以反映出總線性能的很多參數(shù)，包括各種故障狀態(tài)。比如：從參數(shù)化報(bào)文可以看出主站和從站的關(guān)系，從站的操作方式，包括通道參數(shù)、功能設(shè)定、裝置參數(shù)和ID號(hào)等。從組態(tài)報(bào)文可以看出從站I/0類型及性質(zhì)，以及模塊的I/O性質(zhì)及數(shù)據(jù)類型等。從診斷報(bào)文可以看出從站各種參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，各種組態(tài)錯(cuò)誤，以及裝置模塊錯(cuò)誤類型。所以，本文作者就是在對(duì)PROFIBUS-DP報(bào)文進(jìn)行詳盡分析的基礎(chǔ)上，采用VC++ 6.0開(kāi)發(fā)了一款基于串口通訊的PROFIBUS性能分析診斷軟件。
1 PROFIBUS工作機(jī)理
1.1 PROFIBUS-DP編碼技術(shù)
PROFIBUS－DP交換數(shù)據(jù)使用異步傳輸技術(shù)和NRZ編碼。NRZ編碼的二進(jìn)制信號(hào)“0”或“1”的信號(hào)電平在信號(hào)持續(xù)期間維持不變。圖1所示為NRZ碼信號(hào)圖。
圖1 非歸零碼信號(hào)
每個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元應(yīng)由一定數(shù)量的字符組成，每個(gè)字符都是一個(gè)用于異步傳輸?shù)钠稹Ｗ址?
每個(gè)字符由11個(gè)比特組成，包括1個(gè)總是為二進(jìn)制“0”的起始比特（ST），8個(gè)可以是二進(jìn)制數(shù)“0”亦可以是二進(jìn)制數(shù)“1”的信息比特，1個(gè)可以是二進(jìn)制“1”也可以是二進(jìn)制數(shù)“0”的偶校驗(yàn)比特（P），1個(gè)總是為二進(jìn)制數(shù)“1”的停止比特，如圖2所示。
圖2 單個(gè)字符格式
接收器的比特同步總是從起始比特的下降沿開(kāi)始，也就是說(shuō)，在從二進(jìn)制“1”轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制數(shù)“0”時(shí)開(kāi)始。在比特時(shí)間的中間應(yīng)掃描起始比特和所有后繼的比特。在比特時(shí)間的中間，起始比特應(yīng)是二進(jìn)制數(shù)“0”，否則認(rèn)為同步失敗并停止同步過(guò)程。以二進(jìn)制“1”的停止比特來(lái)結(jié)束字符的同步，如果此時(shí)出現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)“0”來(lái)代替此停止比特，則應(yīng)認(rèn)為并報(bào)告一個(gè)同步差錯(cuò)或字符差錯(cuò)，并應(yīng)等待下一個(gè)起始比特的前導(dǎo)沿。
1.2 報(bào)文格式
如圖3所示，PRFIBUS-DP有以下5種報(bào)文格式。其中，SYN為同步周期，它是一個(gè)最小的時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)，每個(gè)站在它可以接收發(fā)送/請(qǐng)求報(bào)文幀或令牌起始部分之前，應(yīng)從傳輸介質(zhì)接收空閑狀態(tài)（idle state）(idle=二進(jìn)制“1”)。同步周期最小為33個(gè)線空閑比特；SD為起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，F(xiàn)C是控制幀；FCS是幀校驗(yàn)和，ED為結(jié)束定界符，值為16h，L是信息字段長(zhǎng)度，其中SD1= 10h，用于請(qǐng)求FDL狀態(tài)，尋找一個(gè)新的活動(dòng)的站點(diǎn)，報(bào)文長(zhǎng)度固定，沒(méi)有數(shù)據(jù)單元；SD2= 68h，用于SRD服務(wù)，報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變；SD3 = A2h，數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度固定（L總為8字節(jié)）；SD4 = DCh，表示該報(bào)文為令牌報(bào)文；SC =E5h, 短確認(rèn)報(bào)文。
圖3 PROFIBUS—DP鏈路層報(bào)文格式
2 報(bào)文診斷軟件的實(shí)現(xiàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖4為作者組建的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，1類主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機(jī)作為2 類主站，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP5611與DP 總線相連， WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利時(shí)公司的LM3107 PLC等PLC設(shè)備作為從站連接到DP網(wǎng)絡(luò)中。
圖4 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境
軟件開(kāi)發(fā)工具為VC++6.0，通過(guò)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串口通信，將PROFIBUS—DP報(bào)文采集到上位機(jī)進(jìn)行處理。PROFIBUS-DP系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用RS485/RS232通信電纜將其RS485的一端接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC機(jī)的串口。
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