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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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€(xiàn)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(xiàn)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(lèi)型及性質(zhì)，以及模塊的I/O性質(zhì)及數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi)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。

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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?br />
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。

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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(xiàn)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。

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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(lèi)主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機(jī)作為2 類(lèi)主站，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5611與DP 總線(xiàn)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。

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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。

2.3 軟件系統(tǒng)基本程序框圖

軟件系統(tǒng)的程序基本架構(gòu)流程圖如圖5所示。

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圖5基本程序框架流程圖

整個(gè)系統(tǒng)軟件包括如下幾個(gè)模塊：

1）程序主控模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)程序邏輯與主界面，調(diào)用串口通信模塊和接收顯示模塊。

2）串口通信模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)串口通信任務(wù)，PROFIBUS-DP報(bào)文數(shù)據(jù)采集及串口參數(shù)設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)PROFIBUS-DP協(xié)議報(bào)文格式，將采集上來(lái)的數(shù)據(jù)按報(bào)文格式進(jìn)行處理，并存入臨時(shí)緩沖區(qū)。

4）接收顯示模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的處理與顯示。

5）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊及數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到報(bào)文的歷史數(shù)據(jù)的分析和查詢(xún)。[!--empirenews.page--]

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

該軟件主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)PROFIBUS報(bào)文進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)采集PROFIBUS-DP報(bào)文數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)鏈路層角度對(duì)各種報(bào)文進(jìn)行分析，完成各種類(lèi)型報(bào)文的顯示，完成對(duì)報(bào)文種類(lèi)、服務(wù)類(lèi)型、地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)單元等信息的提取顯示，并對(duì)診斷報(bào)文、參數(shù)化報(bào)文及組態(tài)報(bào)文等的數(shù)據(jù)單元進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出總線(xiàn)性能的各種參數(shù)及故障原因，將分析過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，存入臨時(shí)緩沖區(qū)，根據(jù)需要將分析過(guò)的報(bào)文信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)歷史查詢(xún)。

如何實(shí)現(xiàn)報(bào)文幀的提取是本軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于PROFIBUS報(bào)文格式有很多種，而且包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定的可變報(bào)文。雖然各種報(bào)文都具有固定的報(bào)頭、報(bào)尾，但是存在的問(wèn)題是報(bào)頭報(bào)尾并不是特定的字符，有可能和報(bào)文中數(shù)據(jù)單元內(nèi)容一樣，所以這里利用報(bào)頭報(bào)尾進(jìn)行報(bào)文的提取是不可行的。作者在這里利用各種報(bào)文幀前的同步字符進(jìn)行報(bào)文提取，也就是說(shuō)，在每個(gè)完整報(bào)文幀傳輸之前，其前面都有一個(gè)不小于33bit的同步時(shí)間，在報(bào)文幀中間是沒(méi)有任何間隔的，利用這一同步時(shí)間，在VC++中利用超時(shí)函數(shù)，對(duì)報(bào)文幀進(jìn)行了完整地提取。

另外，由于通信數(shù)據(jù)量很大，速度較快，這里采用了WINDOWS多線(xiàn)程技術(shù)。一個(gè)線(xiàn)程為監(jiān)視線(xiàn)程，監(jiān)視串口通訊，一個(gè)為數(shù)據(jù)處理主線(xiàn)程，另外一個(gè)為定時(shí)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)線(xiàn)程。當(dāng)監(jiān)視線(xiàn)程監(jiān)視到串口中有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，就觸發(fā)一個(gè)消息通知數(shù)據(jù)處理主線(xiàn)程，數(shù)據(jù)處理主線(xiàn)程就去串口緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。定時(shí)器線(xiàn)程定時(shí)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示功能。

作者在程序編寫(xiě)的過(guò)程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)不能實(shí)時(shí)刷新的情況，后來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在WINDOWS的WM_TIMER定時(shí)器上，由于該定時(shí)器消息優(yōu)先級(jí)較低，可能造成WM_TIMER消息的丟失，所以不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)刷新。解決的方法是采用WINDOWS的多媒體定時(shí)器。在使用多媒體定時(shí)器的過(guò)程中，定時(shí)間隔的選取又是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，定時(shí)間隔選取太小，將會(huì)耗費(fèi)大量的CPU內(nèi)存，造成系統(tǒng)“死機(jī)”, 定時(shí)間隔選取太大，又不能完成“實(shí)時(shí)”顯示功能。這里又涉及到PROFIBUS總線(xiàn)信息循環(huán)時(shí)間的問(wèn)題，總線(xiàn)信息循環(huán)時(shí)間與總線(xiàn)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、從站的?shù)量、I/O數(shù)據(jù)的數(shù)量、從站需要的延遲時(shí)間以及主站的空閑時(shí)間等有關(guān)。作者通過(guò)了大量的計(jì)算和多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，尋找到一個(gè)合適的定時(shí)器間隔。

2.5 顯示界面

該P(yáng)ROFIBUS-DP報(bào)文分析軟件的程序界面包括主界面、串口配置界面、報(bào)文過(guò)濾界面、報(bào)文查詢(xún)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)界面以及歷史查詢(xún)界面等。

PROFIBUS-DP分析診斷軟件的運(yùn)行主界面如圖6，窗口左上部分“當(dāng)前profibus報(bào)文”組框內(nèi)存放最近采集到的PROFIBUS-DP報(bào)文信息，并可通過(guò)工具欄上的記錄移動(dòng)按鈕滾動(dòng)察看記錄；右上方“信息面板”是用來(lái)顯示所有查看報(bào)文的詳細(xì)信息。窗口下半部分以網(wǎng)格形式顯示PROFIBUS-DP歷史信息。

若需要打開(kāi)串口，開(kāi)始接收PROFIBUS報(bào)文信息，則可選擇“命令”菜單下的“開(kāi)始接收”項(xiàng)；若需停止接收PROFIBUS報(bào)文信息，則可選擇“命令”菜單下的“停止接收”項(xiàng)；若需要配置串口參數(shù)，則可選擇“命令”菜單下的“串口配置”項(xiàng)，此時(shí)將彈出“串口配置對(duì)話(huà)框”，若需清除當(dāng)前所有記錄，可選擇“記錄”菜單下的“清除所有記錄項(xiàng)”命令，如果需要分類(lèi)查看各種報(bào)文，可以選擇“查看”命令菜單下的“報(bào)文查詢(xún)”，此時(shí)將彈出“報(bào)文查詢(xún)對(duì)話(huà)框”，可根據(jù)需要進(jìn)行報(bào)文分類(lèi)查看。



圖6 軟件運(yùn)行主界面

3 結(jié)束語(yǔ)

該軟件經(jīng)過(guò)作者在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的反復(fù)運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)幾種PROFIBUS報(bào)文進(jìn)行分析，能夠完成采集、顯示、分析、存儲(chǔ)和查詢(xún)等功能，為以后的研究開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)具有一定的實(shí)用價(jià)值。