PROFIBUS-DP规范及其系统浅析

PROFIBUS-DP规范及其系统浅析

来源：作者：时间：2008-03-20 点击：87

0 引言

现场总线是2O世纪80年代中期发展起来的，到目前为止已有几十种现场总线标准。2000

年年初，国际电工委员会以投票形式选出了12种国际

现场总线标准，其中就有PROFIBUS。PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生

产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化，它是以德国西门子公司为主的十几家德国公司和科研机构共同开发设计的一种基于过程控制的现场总线技术。PROFIBUS根据应用特点

分为以下3个兼容版本，即Profibus，FMS、Profibus．DP和Profibus PA。Profibus-DP

是一种经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I／O之间通信

而设计，可取代24V或0—20 mA并行信号线，也可用于分布式控制系统的高速数据传输，

其传输速率可达12 Mbit／s，一般构成单主站系统?。

1 PROFIBUS-DP规范

1996年7月2 日，PROFIBUS被欧洲CENELECTC65 CX批准为欧洲标准EN50170V．2。因此，PROFIBUS-DP规范已经不作修改地被包含在EN50170中，并以PROFIBUS用户组织制定的行

规和导则作为补充 j。PROF1BUS-DP规范包括物理层、数据链路层和用户层。PROFIBUS-DP

的协议结构是根据ISO7498国际标准化开放式互联网络(OSI)作为参考模型，它使用了第1、2层和用户层，隐去了第3—7层，这样确保了数据传输快速

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和有效地进行，直接数据链路映像(DDLM)适用于外设间的高速数据传输，使用户接口易于进入第2层。具体结构如表1所示

1．1 物理层

DP物理层规范主要描述介质和信号特征，论及“第0层”和第1层(即ISO／OSI层次模型

中的物理介质和物理层PHY)。

1．1．1 PHY协议规范

PHY协议规范定义串行现场总线的功能、电气和机械特性，其中串行现场总线是为自动化系统现场的应用而设计的。此规范的目的是花最小的成

本使多家制造商生产的现场设备互连，并将它们集成为一个分散的控制系统，且确保实现通信。通常，这称之为“开放系统互连(OSI)”。DP物理层

属于类型1，是根据EIA标准RS-485制定的，采用NRZ位编码与EIA RS-485信号相结合的技术，它不包含本质安全的要求。类型1规范描述平衡的

总线传输。DP物理层定义传输介质以适应不同的应用，它包括长度、拓扑、总线接口、站点数和从9．6 1 500 kbi~s可变的数据传输速率等。DP还

规定了不同的物理层，以适应各种应用的需要。

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1．1．2 PHY服务定义

PHY服务定义包括PHY数据服务的简要描述，这些服务由PHY层提供给FDE层。它支持接收和传输位(FDL符号)，这些位是UART字符的元素，每个FDL符号持续1个位时间tⅢT。PHY 数据服务包括2个服务原语，其中：请求原语(PHY—DATA．request)是由FDL控制器用于请求1个服务；指示原语(PHY—DATA．indication)是用来向FDL控制器指示1个接收。

1．2 数据链路层

这一层主要描述FDL的数据传输协议规范和管理(FMA)服务。

1．2．1 FDL协议规范

PROFIBUS—DP系统采用由混合介质存取方式实现的控制介质存取：对应于令牌传递原理的分散方式是以对应于主从原理的集中方式为基础的。在

令牌传递原理中，接站地址的升序用令牌帧将令牌从一个主站传送到另一个主站(只有一个主站的DP系统例外)，为了封闭逻辑令牌环，具有最高地址

的站要传送令牌给具有最低地址的站。在主从原理中，只有获得令牌的主站有权主动向其他站申请操作，其他站只有响应权，从站只能被动地听从主站的安排和支配。另外，报文的交换以循环方式进行。用户数据可以在主动帧(发送)中和回答帧(回答)中传输。应答帧不包含任何用户数据。传输运

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行方式规定报文循环的时间顺序，分四种类型：令牌处理；非循环的请求或发送／请求操作；循环的发送／请求操作，轮询；站的登记。

1．2．2 FDL服务定义

FDL服务通过第2层向用户提供。FMA1／2服务通过与第1层和第2层有关的管理(FMA1／2)实现，无论对控制器的实现，还是对硬件、固件或软

件接口的实现均未作规定。FDL服务与物理层类似，数据链路层的服务原语也分为请求原语(FDL—DATA．request)和指示原语(FDL—DATA．indica．tion)。数据链路层在交互作用过程中，使用服务原语来实现数据传输服务。为了请求一个服务，用户使用一个请求原语；在一个服务完成时，或在有循环重复服务的情况下每一个发送／请求循环之后，将一个确认原语返回给用户。如果在远程站发生意外的事件，则用一个指示原语告知远程用户。

1．3 管理(FMA1／2)

第1层和第2层管理(FMA1／2)组织FMA1／2用户与PHY和FDL中的逻辑功能之间的错误处理，并且完成第2层MAC子层特定的总线参数的设定和第1层PHY的设定，激活或撤消FLC子层和LLI子层之间的服务访问点的管理。FMA1／2功能分为本地功能和远程功能。本地功能是：第1、层复位；参数的读取和设定；链路服务存取点(LSAP)的激活，组态

和解除激活；事件和错误报文；版本标识；确定LSAP组态。远程功能是：版本识别；请求LSAP组态；确定活动表。FMA1／2的作用好像本地FMA1／2用户和第1、第2层之间的协调者。字串2

从以上协议结构可以看出，每层内部和层与层之间都存在着相互作用的接口，每个数据就是通过各个接口在各层各部分之间的作用进行传输的。

PHY用户与PHY的接口就是“第0层”传输介质与第1层物理层的接口，该接口描述不限制或不约束在现场总线实体中的实现。FDL用户与FDL的

接口描述了提供给FDL用户的数据传输服务，这些服务是可选的，用它们的服务原语和相关参数实现。现场总线管理层FMA1／2用户与其接口描述了

提供给FMA1／2用户的管理服务(FMA1／2=现场总线层1和层2的管理)以及相关的服务原语和参数。PHY层和FDL层之间接口的物理特性没有特殊规

定。经验表明，至少下列3个信号是必须的：传输数据(TXD)，接收数据(RXD)和发送器启用(请求发送，RTS)。PHY与FMA1／2的接口描述PHY层对FMA1／2提供的服务：PHY 复位、设定值、读值、事件(可选)。FDL与FMA1／2的接口描述了在FDL对FMA1／2提供的服务中，只有FDL故障与FMA1／2对其用户的FMA1／2事件不同，其余类似。1．4 用户层

在OSI模型基础上增加的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。DP

规范的用户层包括功能和行规，主要是针对DP用户而专门设计的。字串6

随着DP技术的不断完善，用户所要求的DP应用领域也在不断扩展。原有的DP规范中所定义的DP基本功能已经不能满足各种应用领域的特殊需求，所以也带动了DP功能的扩展。原有的DP基本功能包括：循环的数据交换、站诊断、模块诊断和特点通道的诊断；扩展的功能包括：依据过程自动化的需求而增加的功能、非循环数据通信(用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等)，还有根据驱动技术的需求而增加的同步从站通信和从站对从站通信等功能。

DP行规定义：DP行规等于DP子集(协议规范EN50170中的DP规范)加DP应用专用的定义(设备要求、应用需求)，内容包括：．对操作和装配机器的行规；对编码器的行规；各种速度驱动器的行规；操作员控制和过程监视行规

2 PROFIBUS-DP控制系统

PROFIBUS-DP系统采取混合总线访问协议：主站间的逻辑令牌环；主从站间的主从协议。前者一般用于DP多主站系统中，而后者既可用于多主

系统，也可用于单主系统。多主系统是由若干个单主系统组成的，其系统结构如图1所示，图中每个主站都可以和下面的若干个从站构成单主系统。

3 结束语．

研究现场总线协议规范是为了更深入地了解现场总线技术的本质，从而更好地开发总线产品。虽然DP是PROFIBUS现场总线中发展最早、最快的

技术，而且国内外相关的主从站产品开发的较多，但大都只应用于局部场合，很多产品还没有通过技术认证和测试，DP网络也没有完全应用到控制系统中。只有从本质上把握DP规范，在实践中不断总结经验、完善规范，才能开发出具有DP功能的智能型DP产品。希望本文能给大家带来一点启发

和帮助，为PR0FIBus-DP协议研究和产品开发做出贡献。