朱曉虹

（上海福克斯波羅有限公司 上海 200233）

從二十世紀末期開始，隨著電子信息的發(fā)展，許多應(yīng)用控制的儀表都采用不超過20mA的信號，經(jīng)過一段時間出現(xiàn)了難點，為了解決這一出現(xiàn)的問題，逐漸出現(xiàn)了新技術(shù)，叫做現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是將后臺的總線運用電線傳送信息，將現(xiàn)場的頻率轉(zhuǎn)變、應(yīng)用數(shù)據(jù)等傳送到現(xiàn)場后執(zhí)行，然后將現(xiàn)場的信息進行反饋，現(xiàn)場總線可以對現(xiàn)場的信息進行調(diào)節(jié)。目前的現(xiàn)場總線具有很高的可靠性，便于維護和修整，是現(xiàn)下流行的使用標準，擁有很大的市場。怎么研發(fā)現(xiàn)場總線的接口，讓現(xiàn)場總線可以與現(xiàn)場的設(shè)備進行順利的連接十分重要。

通過了解現(xiàn)場總線的原理可以對其進行改善，探討現(xiàn)場總線的連接方法對其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進行了解和分析。雖然目前使用的現(xiàn)場總線仍然存在一些問題，但是在市場中的使用的占比非常大?，F(xiàn)場總線擁有很多種類和方法，其中最著名的就是PROFIBUS-DP的嵌入式總線橋，其集中了技術(shù)的優(yōu)勢，發(fā)揮特長，節(jié)省了許多人力物力，開發(fā)投入低且周期短，技術(shù)升級快，適合多種總線的開發(fā)，有技術(shù)專門研發(fā)、制造，有利于標準化，保證質(zhì)量，可以形成規(guī)模。接下來會對PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進行分析和討論，充分了解現(xiàn)場總線的連接和應(yīng)用的實例。

1 PROFIBUS-DP的概念分析

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是一個從主站/從站（master/slaver）網(wǎng)絡(luò)，其中的DP是單主站結(jié)構(gòu)配置。其實一種具有高速低成本，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，它與PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS共同組成了PROFIBUS標準，三種通訊結(jié)構(gòu)分別擁有不同的功能，是當前很受歡迎的計算機硬件。PROFIBUS-DP協(xié)議中明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)是怎樣在總線各站之間傳遞。PROFIBUS-DP擁有很多的優(yōu)勢，其傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s，最大的傳輸距離在是9.6Kbit/s—187.5Kbit/s時為1000米，在500Kbit/s時為400米，1500Kbit/s為200米，3000Kbit/s—12000Kbit/s時為100米，可以利用中繼器延長至10Km。其傳播介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可以掛127個站點。利用PROFIBUS-DP的優(yōu)點可以將網(wǎng)絡(luò)通訊和信息傳遞完成的更加完整，使現(xiàn)場總線與現(xiàn)場的交流更加順暢，信息傳遞更加準確。

2 現(xiàn)場總線的通訊原理和方法

現(xiàn)場總線通訊的方法一般是主從通訊，在數(shù)據(jù)鏈路層，PROFIBUS-DP使用混合的總線存取控制機制來實現(xiàn)相關(guān)站之間的通信和聯(lián)系。其存取控制機制包括用于主站之間通信的分散的令牌傳遞機制和用于主站和從站間通訊的集中的主—從機制?，F(xiàn)場總線的總線存取控制機制與所使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)，每個DP節(jié)點有一個總線上的唯一地址，報文用節(jié)點編址的方法組織。

令牌介質(zhì)存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權(quán)。連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的主站按其總線地址（由總線存取控制MAC程序自動判定總線上所有主動點地址并記錄在主動表LAS中）的升序組成一個邏輯令牌環(huán)。當某個主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時間內(nèi)主持主站工作。根據(jù)主從站的關(guān)系表給其他的主站或者從站發(fā)送幀，直到發(fā)完或者規(guī)定的時間到，再把令牌按照令牌環(huán)規(guī)定的順序傳遞下去。具有總線的地址HAS（最高站地址）的站點例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點，以使邏輯令牌環(huán)閉合。在主—從方式下，由一個主站控制多個從站，構(gòu)成主—從系統(tǒng)。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個主站應(yīng)與相關(guān)的多個從站中的每個從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路，從站可以發(fā)送多個幀，直到以下一種情況的發(fā)生：從站沒有信息幀可以發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達最大值或從站被主站停止。典型的現(xiàn)場總線配置是以主—從總線存取程序為基礎(chǔ)的，一個主動節(jié)點（DP主站）循環(huán)地與被動節(jié)點（DP從站）交換數(shù)據(jù)。在單主方式中不存在令牌的傳遞，故在本文所討論的系統(tǒng)中只存在主從機制，也就是說令牌始終在主站，該主站是這個系統(tǒng)中唯一具有總線控制權(quán)的站。該方法是數(shù)據(jù)傳遞的主要方法，掌握令牌傳遞的規(guī)則即可掌握信息數(shù)據(jù)的傳遞過程。

3 現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的使用實例和數(shù)據(jù)

以PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線為例，討論其使用過程中的數(shù)據(jù)，以該系統(tǒng)中的主站和頻率變速器來看，現(xiàn)場總線的使用就是現(xiàn)場總線與其他的通信設(shè)備的相互連接，信息可以雙向傳遞。其支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等傳送方式，主站對具有對總線的控制權(quán)，可以主動發(fā)送消息，對于多主站系統(tǒng)來說，主站之間可以采用令牌傳遞信息，得到令牌的站點可以在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按照PROFIBUS的通訊規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行的方向進行傳遞。主站得到控制權(quán)時，可以按照主—從方式，向從站發(fā)送或者索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播或者有選擇地向一組站點廣播。

3.1 IM180主站接口模塊

IM180可以利用其它的設(shè)備，作為主站連接到現(xiàn)場總線上。該模塊可以完全獨立完成總線控制。其可以接替 PLC、PC、驅(qū)動器、人機接口的通訊處理任務(wù)，最大的傳播速率為12Mbit/s，其主要組成部分是芯片APSC2/80C165微處理器和PLASH-EPROM、RAM組成。APSC2有48MHZ晶振提供脈沖。模塊的尺寸是 100×100mm，適合面對面的方式安裝。IM180還需要一塊母板，這塊母板是IM181，是一塊ISA短卡，可以用于一般編程設(shè)備或者PC機。用于集成電路的ASPC2芯片可以獨立處理總線協(xié)議，與主系統(tǒng)的通信通過雙口RAM完成，數(shù)據(jù)交由應(yīng)用程序來完成。

3.2 IM182從站接口模塊

IM182是一塊PC卡，可以用作PROFIBUS-DP的從站。IM182接口模塊設(shè)計成ISA總線PC卡，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s。其接口模塊主要由ASIC芯片PSC3和一個用于現(xiàn)場總線的RS-485接口組成，RS-485使用時隔離電源。SPC3由48MHZ晶振提供脈沖源，模塊的尺寸為186×105mm。專用集成電路SPC3芯片可以獨立處理總線協(xié)議，SPC3原有的功能通過集成到 SPC3中的微程序控制軟件來實現(xiàn)，ASICRAM或者固態(tài)程序必須由用戶將其連接到實際應(yīng)用中去。

3.3 現(xiàn)場總線和組態(tài)軟件

現(xiàn)場的組態(tài)軟件一般用來數(shù)據(jù)收集和自動控制，是現(xiàn)場總線的專用軟件系統(tǒng)，常用的現(xiàn)場組態(tài)軟件為 IFIX PROFIBUS。其功能很豐富，可以運用到多個現(xiàn)場總線控制整個通訊網(wǎng)絡(luò)?？梢赃\用主—從或者多主多從的方法進行數(shù)據(jù)信息的讀取，同時可以從從站接受數(shù)據(jù)以及設(shè)置參數(shù)等，最重要的是組態(tài)軟件可以進行測試，也可以自帶通訊工具的設(shè)備。選取的IFIX PROFIBUS組態(tài)軟件擁有很多特點，其對通訊設(shè)備的控制是通過GDS文件進行讀取，通過集成電路將不同的現(xiàn)場總線集合在一起，讀取通訊的數(shù)據(jù)等。并內(nèi)部形成了兼容性的內(nèi)部環(huán)境，增加對現(xiàn)場總線的控制和集成?，F(xiàn)場總線的組態(tài)軟件主要由萬維公司、悉雅特公司、西門子自動化與驅(qū)動集團等制造形成。無論組態(tài)軟件的形式是否一樣，它們均是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)的檢測功能和通用層次的軟件工具。

4 PROFIBUS-DP與硬件軟件連接的方法

4.1 現(xiàn)場總線與硬件的連接方法

現(xiàn)場總線 PROFIBUS-DP通訊的實現(xiàn)主要是由 PROFIBUS通信接口的中央處理器或通訊模塊來完成，通訊模塊有DP從站、DP主站、FMS站以及混合DP和FMS的通訊模塊。接下來對奧地利貝加萊公司的相關(guān)產(chǎn)品的分析，以現(xiàn)場總線的對下位對象的控制為例，其主站為貝加萊公司的2005系列，CPU為CP260或者IF260，主站通過網(wǎng)絡(luò)模塊EX450掛接到現(xiàn)場總線的網(wǎng)上。2個從站選擇2種不同的配置，其中一個為2003系列，另一個接口模塊為IF361，或者一個為2005系列，另一個接口模塊為IF661。接口模塊IF361、IF661內(nèi)部采用的均是SPC3芯片，SPC3芯片是一種用于從站的智能通訊芯片，支持現(xiàn)場總線的協(xié)議，可以獨立完成全部的現(xiàn)場總線的通訊功能。

4.2 現(xiàn)場總線與軟件的連接方法

與軟件部分的連接，主要是與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的連接，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)部分實際上就是形成整個現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)配置，包括網(wǎng)絡(luò)波特率，主從站地址及主從關(guān)系表等參數(shù)。上位機中裝有貝加萊公司的PCC通訊程序開發(fā)平臺AS軟件及FC網(wǎng)絡(luò)配置軟件，分別用于對PCC編程和對現(xiàn)場總線進行組態(tài)、通訊設(shè)置及監(jiān)控。現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)配置十分靈活，網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置，既可以單主—從網(wǎng)絡(luò)，又可多主—從網(wǎng)絡(luò)。通過貝加萊公司軟件FC可以對整個網(wǎng)絡(luò)進行配置，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。通過軟件不僅可配置PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，對InterBus、CANopen、DeviceNet、ControINet、SDS、As-Interface都可以進行相關(guān)配置。組建現(xiàn)場總線的設(shè)備通過讀取相應(yīng)的 GSD文件而加入到同一總線系統(tǒng)中。GSD文件時電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。

為了將不同廠家的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。GSD文件應(yīng)該包括以下三個部分，總體的規(guī)范，其中包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特串等。與DP相關(guān)的使用規(guī)則，其中最重要的就是各項的參數(shù)。與DP有關(guān)的規(guī)范，其中包括輸入輸出的通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。從站與主站之間的通訊是通過使用設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件 GSD實現(xiàn)的。另外貝加萊公司還可以對于整個網(wǎng)絡(luò)進行診斷，并可對網(wǎng)絡(luò)通訊的信息進行監(jiān)控。通過內(nèi)部的通信編程，主站與從站之間進行數(shù)據(jù)交換，但實際并不參與數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào)過程，整個數(shù)據(jù)的交換完全由主站程序掌控。

5 總結(jié)

目前使用最多的現(xiàn)場總線是PROFIBUS-DP，該網(wǎng)絡(luò)是主站與從站之間進行數(shù)據(jù)信息交換，擁有很多的優(yōu)勢，最明顯的就是高速，傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s。其的通訊傳輸原理是使用混合的總線存取控制機制來實現(xiàn)相關(guān)站之間的通信和聯(lián)系，使用令牌來進行通訊，它在主站之間傳遞控制權(quán)，令牌到的主站擁有傳遞信息的功能?，F(xiàn)場總線的使用是由主站、從站、組態(tài)軟件等主要部件共同完成，除此之外不能離開軟件和硬件的共同作用，而軟件和硬件的制作公司不同，會有一些差距。但是整體不影響現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的使用。通過不斷的調(diào)整和修改將現(xiàn)場總線的連接、與現(xiàn)場的信息傳遞更加準確快速。