摘要：針對標準PROFIBUS—DP主站在國內(nèi)研究較少，自主研發(fā)產(chǎn)品的功能有限、智能化不足的現(xiàn)狀，進行了基于Linux操作系統(tǒng)的PROFIBUS—DP主站的設(shè)計和研究，實現(xiàn)了PROFIBUS—DP1類主站的主從通信功能。采用模塊化設(shè)計思想，從防錯設(shè)計、糾錯設(shè)計、故障恢復設(shè)計等方面對設(shè)計方案中軟硬件可靠性進行了詳細分析。從響應(yīng)時間的角度闡述了影響系統(tǒng)實時性的關(guān)鍵問題，同時對本平臺的實時性進行了詳細分析，并通過實驗測試了該主站的性能參數(shù)。實驗結(jié)果表明，對于多從站通信，使用Linux操作系統(tǒng)后，性能更優(yōu)越，運行更穩(wěn)定。

　　關(guān)鍵詞：主站;實時性;模塊化;Linux操作系統(tǒng)

　　引言

　　PROFIBUS是面向工廠自動化、流程自動化的一種國際性的現(xiàn)場總線標準，是一種具有廣泛適用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適用于快速、時間要求嚴格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。PROFIBUS現(xiàn)場總線分3種：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP和PROFIBUS—PA。其中，PROF-IBUS—DP是一種高速的低成本通信連接，用于設(shè)備級通信系統(tǒng)與分散式通信。

　　PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線由主站和從站組成。對于從節(jié)點的研究，國內(nèi)科研院所很早就開始研究，現(xiàn)已有多家企業(yè)能夠自主研制從站產(chǎn)品。目前國內(nèi)業(yè)界對于PROFIBUS—DP的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)都是基于國外提供的專用協(xié)議芯片，即集中在從站設(shè)計領(lǐng)域，而沒有主站樣機開發(fā)的相關(guān)報道。

　　本文正是針對上述的問題，為避免采用協(xié)議芯片、增加主站智能功能和后續(xù)擴展性研究的需要，設(shè)計了基于Linux操作系統(tǒng)的PROFISBUS —DP主站。在硬件上采用ARM9內(nèi)核的處理器S3C2410，同時將Linux操作系統(tǒng)移植到此硬件平臺上，在此基礎(chǔ)上，完全由軟件編程實現(xiàn)了整個PROFIBUS—DP的主站功能，能夠與標準PROD—IBUS—DP從站設(shè)備進行通信。

　　1 PROFIBUS—DP主站通信機制

　　PROFIBUS—DP的主要目的是在功能強大的主站與若干簡單的從站之間進行循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。因此系統(tǒng)主要使用主-從類型通信服務(wù)。

　　PRIFIBUS—DP總線系統(tǒng)設(shè)備包括主站和從站，而主站則包括1類主站和2類主站。1類主站能夠?qū)恼驹O(shè)置參數(shù)，檢查從站的通信接口配置，讀取從站診斷報文，并根據(jù)已經(jīng)定義好的算法與從站進行用戶數(shù)據(jù)交換，同時，1類主站還能用一組功能與2類主站進行通信。2類主站則是一個編程器或一個管理設(shè)備，可以執(zhí)行一組DP系統(tǒng)的管理與診斷功能。由于2類主站不能單獨作為一個主站對從站進行管理，加上本系統(tǒng)采用的是單主站結(jié)構(gòu)，所以本系統(tǒng)設(shè)計的是一個1類主站。

　　PROFIBUS—DP的1類主站主從通信過程，大致分為以下幾個階段：詢問從站是否在線，主站對從站的第一次診斷，參數(shù)化從站，通信接口配置從站，主站對從站的第二次診斷和主站與從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)交換。

　　為了保證幀在總線上的正確傳輸，PROFIBUS—DP對幀的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的時序關(guān)系做了嚴格的規(guī)定，且定義了12個參數(shù)以限定及保證幀間隔時間和可允許的最大等待時間等。一次典型的主從站數(shù)據(jù)交換過程在發(fā)出每一個幀前，須有一個同步期TSYN，即在每一報文幀發(fā)出前加入一段總線休息時間，其長度固定為33Tbit時間。

　　在TSYN后，通信的發(fā)起方發(fā)出請求幀到響應(yīng)者(從站)。接收方從接到該請求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的間隔時間定義為TSDR，該參數(shù)的大小反映了該響應(yīng)方從站的計算能力大小和資源多少。有些站點沒有采用專用的通信ASIC芯片，或者宿主MPU的計算能力較低都會使響應(yīng)時間較長。 PROFIBUS—DP協(xié)議中規(guī)定了響應(yīng)時間的上、下限值即：min TSDR，max TSDR。其中：min TSDR=11Tbit，maxTSDR=60Tbit～850Tbit。

　　在通信的發(fā)起方(主站)一側(cè)，從主站發(fā)出請求幀的最后一位到收到響應(yīng)幀的第一位之間的時間間隔被定義為Slot Time，它從另一個方面反映了一個系統(tǒng)的實時性能的好壞。此設(shè)計中定義了一個重要的參數(shù)TSL，即為允許的最大的Slot Time，如果通信的發(fā)起方主站在超過TSL后，還未收到接收方的響應(yīng)，則認為系統(tǒng)出錯，或重發(fā)請求幀(重發(fā)請求數(shù)不超過Max Retry Limit參數(shù)限制)，或上交此錯誤給FDL層。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　本PROFIBUS—DP主站硬件平臺由于目標是完全采用自主技術(shù)，不依靠國外的產(chǎn)品和技術(shù)，所以本系統(tǒng)選用的是第一種方案(即由處理器運行完整的協(xié)議來實現(xiàn));同時，基于S3C2410芯片的強大功能，本平臺不但移植了Linux操作系統(tǒng)，并且還編寫了網(wǎng)絡(luò)接口和USB口的驅(qū)動，這對于平臺的多功能性和以后性能的擴展都有一定的意義，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　此硬件平臺以S3C2410處理器為核心，通過編程實現(xiàn)DP協(xié)議棧的功能，完成與上位機和DP從站設(shè)備的通信功能。同時，針對S3C2410處理器的功能，使用外圍芯片DM9000實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信功能，并根據(jù)USB的特點，以特定的I/O口實現(xiàn)USB的從設(shè)備功能。由于需要移植Linux操作系統(tǒng)，所以需要用外圍芯片擴展內(nèi)存。在本試驗平臺中，通過串口1實現(xiàn)了DP通信，通過串口2實現(xiàn)了該硬件平臺與上位機的通信。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　為了提高該試驗平臺的可靠性，軟件設(shè)計方面將本系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)負責與上位機進行通信，另一個子系統(tǒng)則負責PROFIBUS—DP的通信。其中，與上位機通信的程序流程如圖2所示。DP網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如圖3所示。

　DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上位機通信接口模塊是兩個獨立的模塊，他們共享硬件相關(guān)的函數(shù)庫和從站相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這兩個模塊還互為生產(chǎn)者和消費者的關(guān)系，上位機通信模塊為DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊提供從站相關(guān)的組態(tài)(GSD文件相關(guān))信息和從站輸出數(shù)據(jù);DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊為用戶通信模塊提供從站輸入數(shù)據(jù)及從站運行狀態(tài)相關(guān)信息。