摘 要：以開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型ISO/OSI為參考。彈細(xì)描述了PROFIBUS通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)，包括物理層的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路甚的報(bào)文通信格式以及用戶接口的各種應(yīng)用規(guī)范。研究了PROFIBUS的三種協(xié)議規(guī)范PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS的的總線配置、主從站工作機(jī)制以及開發(fā)相關(guān)接口的方法，并就就從站的軟件流程進(jìn)行了說明。分析和研究PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 PROFIBUS協(xié)議 SPC3 SPC4 Abstract：According to ISO/OSI normative model，the structure of the communication protocol of PROFIBUS is described first， including the data transfer technology of physical layer，the message format of data link layer and various application criterions of user interface. The distribution of fieldbus．Work mechanism of PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA and PROFIBUS-FM S is studied，as well as the methods to develop the corresponding interface．In addition，the workflow of the software is also introduced．Have a research on PROFIBUS protocol will be of great significance． Key words：Fieldbus PROFIBUS-DP protocol SPC3 SPC4 1引言 PROFIBUS是一種開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50l70。PR0FIBUS包括三個(gè)兼容部分，即PROFIBUS-DP、PR0FIBUS-PA和PR0FIBUS-FMS。PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速和廉價(jià)的通信連接，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信；PROFIBUS-PA（ProcesAutomation）適用于工業(yè)生產(chǎn)的過程自動(dòng)化；PROFIBUS-FMS（FieldMessageSpecification）用于面向?qū)ο蟮膱龊?、在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元層與現(xiàn)場層的通用目的的數(shù)據(jù)通信。由于PROFIBUS現(xiàn)場總線開放性能好，具有很強(qiáng)的互可操作性和替換性，只要是支持PROFIBUS協(xié)議的現(xiàn)場總線設(shè)備，均可方便地集成在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中。這些特點(diǎn)使它在短短幾年內(nèi)在化工、冶金、機(jī)械加工以及其它自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了迅速普及和應(yīng)用。研究其通信協(xié)議，有利于我們更好地掌握PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)和開發(fā)現(xiàn)場總線產(chǎn)品。 2 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS協(xié)議是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)ISO/OSI作為參考模型的。其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。 為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，PROFIBUS-DP和PA僅定義了第1、2層和用戶接口，第3～7層未加描述PR0FIBUS-FMS僅定義了第1、2、7層和用戶接口。第3～6層未加描述。這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行нM(jìn)行，直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）使用戶接口易于進(jìn)入第二層。 2.1物理層（Layer1） PROFIBUS在物理層規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)傳輸格式。PROFIBUS-DP與FMS采用屏蔽雙絞電纜，1實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)總線段內(nèi)的電纜兩端各有一個(gè)終端器，傳輸速率從9.6kbit/S～12Mbit/S可選，設(shè)定的波特率適用于總線段上的所有設(shè)備。RS-485總線段的兩端必須裝配總線終端器?？偩€終端器內(nèi)含有一個(gè)上拉電阻和一個(gè)下拉電阻，分別與供電正電壓VP和數(shù)據(jù)基準(zhǔn)電位DGND相連。這樣當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)仍能保證有一個(gè)確定的空閑電位。RS一485數(shù)據(jù)傳輸是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎(chǔ)的，數(shù)據(jù)的發(fā)送用不歸零（NRz）編碼，每個(gè)幀字符為11位。在數(shù)據(jù)傳輸期間，RXD/TXD-P線（B導(dǎo)線）上的正電位對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制“1”，RXD/TxD-N線（A導(dǎo)線）上的正電位對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制“0”。幀字符格式與NRZ編碼信號(hào)示意如圖2： PROFIBUS-PA采用符合IEC1158-2的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)確保了現(xiàn)場設(shè)備的本征安全性和通過總線供電，數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbit/s。傳輸介質(zhì)采用屏蔽或非屏蔽雙絞線，總線段的兩端各用一個(gè)無源的RC線終端器來終止。在一個(gè)PA段上最多可連接32個(gè)站，最大的總線段長度在很大程度上取決于供電裝置、導(dǎo)線類型和所連接的站的電流消耗。數(shù)據(jù)傳輸使用非直流傳輸?shù)奈煌?、曼切斯特編碼線協(xié)議（H1）。用曼切斯特傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)幀字符為11位，信號(hào)從0變到1時(shí)發(fā)送二進(jìn)制“0”信號(hào)從1變到0時(shí)發(fā)送二進(jìn)制“1”。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用對(duì)總線系統(tǒng)的基本電流IB調(diào)節(jié)±9mA的方法來實(shí)現(xiàn)。幀字符格式與電流調(diào)節(jié)法編碼示意如圖3： 2.2教據(jù)鏈路層（Layer2） PROFIBUS的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的無差錯(cuò)傳輸。PROFIBUS在該層中應(yīng)用了數(shù)據(jù)文的傳輸方式，在數(shù)據(jù)幀的頭尾分別加上標(biāo)識(shí)不同應(yīng)用功能的報(bào)頭和報(bào)尾以組成不同類型的報(bào)文。在PROFIBU總線段上，主站是主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送控制命令；從站是被動(dòng)節(jié)點(diǎn)，響應(yīng)主站的請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)報(bào)文。規(guī)定的幾種重要的數(shù)據(jù)報(bào)文格式如下： 報(bào)文中CRC用于約束待傳輸?shù)膱?bào)文，CRC通過計(jì)算并附加一個(gè)16位的校驗(yàn)字段來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層的報(bào)文格式提供高等級(jí)的傳輸安全性，所有報(bào)文均具有海明距離HD=4?；谝?guī)定的HD=4描述安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸字符問無間隙，不符合規(guī)定格式的數(shù)據(jù)報(bào)文必須被再次發(fā)送。應(yīng)用HD=4可以檢查以下錯(cuò)誤：字符格式錯(cuò)誤（奇偶校驗(yàn)、幀錯(cuò)誤、超限）、協(xié)議錯(cuò)誤、錯(cuò)誤的起始/終止定界符、錯(cuò)誤的幀校驗(yàn)字節(jié)和錯(cuò)誤的報(bào)文長度。為了能與從站順利進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在啟動(dòng)時(shí)PROFIBUS主站應(yīng)遵守以下報(bào)文順序： 1、請(qǐng)求診斷 2、改變站地址（可選用的服務(wù)，儀對(duì)2類主站） 3、參數(shù)化從站 4、組態(tài)從站 5、在數(shù)據(jù)交換前請(qǐng)求診斷以保證系統(tǒng)在啟動(dòng)狀態(tài) 6、數(shù)據(jù)交換 7、全局控制 在目的地址（DA）和源地址（SA）中如最高位MSB=l，則報(bào)文頭中緊跟的是DSAP和SSAP；如這一位為0，則對(duì)應(yīng)于缺省值SAP，用于數(shù)據(jù)通信，報(bào)文頭中沒有DSAP和SSAP。 上層用戶接口通過數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)存取點(diǎn)（SAP）調(diào)用PROFIBUS的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。PROFIBUS使用的服務(wù)包括SRD（發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)需應(yīng)答）和SDN（發(fā)送數(shù)據(jù)不需應(yīng)答）服務(wù)。每個(gè)SAP部賦有一個(gè)定義明確的功能。PROFIBUS-DP有以下SAP： DefaultSAP（缺省值SAP）：數(shù)據(jù)交換（Write_Read.Data） SAP54：主一主SAP（M-MCommunication） SAP55：改變站地址（Set.SlaveAdd） SAP56：讀輸入（Rd.Inp） SAP57：讀輸出（Rd.Outp） SAP58：到DP從站的控制命令（Global-Contro1） SAP59：讀組態(tài)（Get.Cfg） SAP60：讀診斷信息（Slare.Diagnosts） SAP6l：傳送參數(shù)（Set-Prm） SAP62：校核組態(tài)（Chk_Cfg） 在PROFIBUS的各協(xié)議規(guī)范中，只有FMS協(xié)議定義了應(yīng)用層。PROFIBUS-FMS在應(yīng)用層提供的服務(wù)是ISO9506制造信息規(guī)范MMS（ManufacturingMessageService服務(wù)項(xiàng)目的子集，這些服務(wù)項(xiàng)目在現(xiàn)場總線應(yīng)用巾已被優(yōu)化，而且還增加了通信對(duì)象管理和網(wǎng)絡(luò)管理功能。FMS服務(wù)的執(zhí)行用服務(wù)序列來描述，這些服務(wù)序列包括稱為服務(wù)原語的一些內(nèi)部服務(wù)操作。服務(wù)原語捕述請(qǐng)求者和應(yīng)答者之間的內(nèi)部操作。 PROFlBUS-FMS提供大量的應(yīng)用服務(wù)以滿足不同設(shè)備對(duì)通信所提出的廣泛要求，如確認(rèn)服務(wù)和非確認(rèn)服務(wù)。其中確認(rèn)服務(wù)只用于面向連接的通信關(guān)系中，服務(wù)請(qǐng)求者利用“請(qǐng)求服務(wù)原語”請(qǐng)求，此原語在總線上傳送后，給各接收站的應(yīng)用過程發(fā)送指示服務(wù)原語，而后備接收站利用應(yīng)答服務(wù)原語響應(yīng)；非確認(rèn)服務(wù)則不存在應(yīng)答服務(wù)原語。由應(yīng)用層到數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)的映射由LLI（L0WerLayerInterface）來解決，其任務(wù)包括數(shù)據(jù)流控制和連接監(jiān)視。LLI提供了各種類型的通信關(guān)系，通信關(guān)系具有不同的連接能力，示意如圖5： PROFIBUS用戶接口規(guī)定了PROFIBUS設(shè)備可使用的應(yīng)用功能以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。PROFIBUS-DP有兩種類型的主站，一類主站處理與指定的從站間的用戶數(shù)據(jù)交換，二類主站用于調(diào)試目的，一個(gè)二類主站可簡單地控制一個(gè)從站。根據(jù)總線擴(kuò)展，是否為l2M波特率和ASIC芯片的工作方式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和更新的速度往往比用戶訪問這些數(shù)據(jù)的速度快，類似于PLC的過程映像，用戶存取時(shí)肯定獲得最新的數(shù)據(jù)。PROFIBUS-DP主站與DP從站間的一個(gè)報(bào)文循環(huán)由DP主站發(fā)出請(qǐng)求幀（輪詢報(bào)文）和由DP從站返回的有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)幀組成。DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問，DP主站和DP從站問的用戶數(shù)據(jù)連續(xù)地交換，并不考慮用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)容。在通電（Power-on）狀態(tài)，DP從站只能接收設(shè)站地址報(bào)文（Set-Slave-Add）以改變站地址；內(nèi)部啟動(dòng)后，DP從站期望一參數(shù)化報(bào)文（Set-Prm）并排斥其它類型的報(bào)文；從站參數(shù)化正確完成后，DP從站進(jìn)入等待組態(tài)狀態(tài)，接收組態(tài)報(bào)文（Get-Cfg）并與從站的實(shí)際組態(tài)比較；組態(tài)報(bào)文正確接收并且與檢驗(yàn)從站的組態(tài)結(jié)果相符后，DP從站才能最終進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)通信報(bào)文（Data_Exchange）與DP主站交換數(shù)據(jù)。 PROFIBUS-PA的數(shù)據(jù)傳輸使用了PROFIBUS-DP的基本功能DPV0和擴(kuò)展功能DPVl，DPVl奠定了PROFIBUS-PA的基礎(chǔ)。DPV0用于在循環(huán)連接（MSCY1）的基礎(chǔ)上應(yīng)用Data-Exchange服務(wù)的條件下，實(shí)現(xiàn)一個(gè)主站和一系列從站間集中的數(shù)據(jù)交換。DPVl與DPV0相比，在以下兩個(gè)方面進(jìn)行了擴(kuò)展： （1）對(duì)MCSYl的連接補(bǔ)充了非循環(huán)服務(wù)（MSAC-Cl通道）； （2）產(chǎn)生了對(duì)2類主站（監(jiān)控站）的新連接（MSAC-C2一連接）。非數(shù)據(jù)循環(huán)連接將已有的MSCY-Cl連接進(jìn)行擴(kuò)充，利用新的服務(wù)DDLM-Read和DDLM-Write實(shí)現(xiàn)對(duì)所有從站數(shù)據(jù)的讀寫，并將其映像到第二層的SRD服務(wù)上（利用SAP50和SAP51），示意如圖6： 此外，PROFIBUS-PA還對(duì)所有通用的測量變送器和一些常用的現(xiàn)場設(shè)備定義了設(shè)備行規(guī)，涵蓋的范圍包括：測量變送器（壓力、液位、溫度和流量）、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、閥門、定位器等，此外還定義了符合國際標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊模型。 PROFIBUS-FMS的用戶接口也即FMS行規(guī)（Profile），行規(guī)提供了設(shè)備的互換性以保證不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能。目前PROFIBUS-FMS已經(jīng)定義了以下行規(guī) （1）控制器間的通信 此通信行規(guī)定義了用于可編程控制器PLC之間的FMS服務(wù)，根據(jù)控制器的類型，對(duì)每臺(tái)控制器所支持的服務(wù)、參數(shù)和數(shù)據(jù)類型作了具體的規(guī)定； （2）樓宇自動(dòng)化行規(guī) 此行規(guī)提供了一個(gè)特定的分支和服務(wù)，作為樓宇自動(dòng)化中的公共基礎(chǔ)。該行規(guī)對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中使用FMS進(jìn)行監(jiān)視、閉環(huán)和開環(huán)控制、操作控制、報(bào)警處理及系統(tǒng)檔案管理作了描述； （3）低壓開關(guān)設(shè)備 此行規(guī)是面向行業(yè)的FMS應(yīng)用行規(guī)，具體說明了通過FMS在通信過程中低壓開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用行為。由于PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP均使用統(tǒng)一的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，因此FMS設(shè)備和DP設(shè)備能夠在同一總線段上進(jìn)行混合操作，兩個(gè)協(xié)議也可以同時(shí)在一臺(tái)設(shè)備上執(zhí)行，這使得組建PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)更加容易。 3 PROFIBUS通信接口的實(shí)現(xiàn) PROFIBUS協(xié)議的開放性保證了其在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)，但使用微處理器的串行通信接1：3實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通信速率將受到很大的限制。使用協(xié)議芯片不僅能夠加速協(xié)議的執(zhí)行，而且能夠提高總線模塊的穩(wěn)定性、減少用戶自主開發(fā)時(shí)間，因此采用協(xié)議芯片開發(fā)PROFIBUS接口是明智的選擇。 3.1PROFIBUS-DP接口的實(shí)現(xiàn) 西門子公司提供SPC3協(xié)議芯片為優(yōu)化的PROFIBUS-DP智能從站使用。SPC3芯片用戶開發(fā)包中以源碼方式提供了固態(tài)程序，該固態(tài)程序可實(shí)現(xiàn)在SPC3內(nèi)部寄存器與應(yīng)用接口之間的連接。固態(tài)程序的運(yùn)行基于現(xiàn)場設(shè)備中的微處理器，為應(yīng)用提供了簡單集成化的接口。使用SPC3并不一定要使用固態(tài)程序，但由于SPC3中的寄存器是完全格式化的，使用固態(tài)程序可使用戶節(jié)省自主開發(fā)的時(shí)間。 設(shè)計(jì)PROFIBUS-DP從站程序主要用于DP協(xié)議的執(zhí)行和通過I/O宏接口實(shí)現(xiàn)DP主、從站間的數(shù)據(jù)交換，此外還用于從站診斷和系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。DP從站的程序流程如下圖： 在SPC3正常工作之前，需要進(jìn)行初始化，以配置需要的寄存器，包括設(shè)置協(xié)議芯片的中斷允許，寫入從站識(shí)別號(hào)和地址，設(shè)置SPC3方式寄存器，設(shè)置診斷緩沖區(qū)，參數(shù)緩沖區(qū)，配置緩沖區(qū)，地址緩沖區(qū)，初始長度，并根據(jù)以上初始值得出各個(gè)緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指針。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸出緩沖區(qū)，輸入緩沖區(qū)及指針。SPC3初始化完成后，主站與從站才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主站首先發(fā)送請(qǐng)求診斷報(bào)文，檢查從站的運(yùn)行準(zhǔn)備情況。當(dāng)取得需要的請(qǐng)求反應(yīng)后，檢查是否有其他主站占用此從站。如果沒有，則進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和配置檢查，然后再進(jìn)行診斷報(bào)文請(qǐng)求。當(dāng)參數(shù)化或配置錯(cuò)誤或有其它主站占用時(shí)，主站將返回初始態(tài)，重新檢查從站的準(zhǔn)備情況。當(dāng)發(fā)生靜態(tài)用戶診斷或從站沒有準(zhǔn)備好，主站將不斷進(jìn)行報(bào)文請(qǐng)求，直到?jīng)]有此種診斷信息為止。無錯(cuò)誤信息時(shí)則進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。 3.2PROFIBUS-PA接口的實(shí)現(xiàn) 西門子公司提供協(xié)議芯片SPC4和SIMlModem芯片為PROFIBUS-PA接口使用。在SPC4芯片內(nèi)集成有完整的PA/DP協(xié)議，片內(nèi)含1.5kbyte的信息報(bào)文存儲(chǔ)器，采用44管腳的PQFP封裝，最大數(shù)據(jù)傳輸速率31.25kbit/s，SPC4還提供了連接SIMl的同步接口；SIMl芯片支持所有發(fā)送與接收功能，吸收總線上附加電源電流并具有高阻特性，向整個(gè)設(shè)備及設(shè)備的其它部件供電，數(shù)據(jù)傳輸符合IECll58-2的曼切斯特編碼技術(shù)。協(xié)議芯片SPC4通過請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)（RTS）、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)（TXD）、接收數(shù)據(jù)信號(hào)（RXD）與電流隔離接口驅(qū)動(dòng)器連接。發(fā)送器將并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流；接收器將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它在完整地讀出一個(gè)字符后產(chǎn)生一個(gè)RB-FULL信號(hào)，并判斷有無報(bào)文錯(cuò)誤。利用SPC4和SIMl芯片實(shí)現(xiàn)的PROFIBUS-PA接口電路結(jié)構(gòu)如下： PROFIBUS-PA接口的軟件流程與DP從站類似，不再贅述。 3.3PROFIBUS-FMS接口的實(shí)現(xiàn) PROFIBUS-FMS接口的實(shí)現(xiàn)方法與DP從站類似，不同的是需要采用協(xié)議芯片SPC4。FMS接口實(shí)現(xiàn)以后，相關(guān)設(shè)備可以提供以下服務(wù)，如圖9所示。 4結(jié)束語 PROFIBUS作為一種流行的過程控制現(xiàn)場總線正以其無可比擬的優(yōu)勢迅速發(fā)展，市場份額迅速擴(kuò)大。研究PROFIBUS通信協(xié)議、掌握PROFIBUS通信技術(shù)，對(duì)于開發(fā)PROFIBUS總線相關(guān)產(chǎn)品、推動(dòng)我國自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 參考文獻(xiàn) [1]PROFIBUS Technical Guideline，PROFIBUS-DP Extensions to EN50 l 70（DPV 1）Version 2．0，April l998． [2]PROFIBUS Protocol manua1．Hilscher． [3] 陽憲惠等．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，1999． [4] 現(xiàn)場總線 PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)（中文版）．現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)（CPO）．