甄麗平 司紹偉

1石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程系，河北 石家莊 050031

2武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，河北 石家莊 050006

PROFIBUS總線系統(tǒng)TTR的計(jì)算

甄麗平1司紹偉2

1石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程系，河北 石家莊 050031

2武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，河北 石家莊 050006

從分析PROFIBUS-DP的各種數(shù)據(jù)通信入手，分別詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)交換和令牌傳的時(shí)間行為，給出了滿足每個(gè)主站持有足夠的令牌時(shí)間時(shí)，TTR的選取方法。

PROFIBUS；數(shù)據(jù)交換；令牌傳遞

PROFIBUS; data exchange; token passing

緒論

PROFIBUS是一種面向工廠自動(dòng)化、流程自動(dòng)化的國(guó)際性現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它被廣泛地應(yīng)用在快速、時(shí)間要求嚴(yán)格和可靠性要求高的通信任務(wù)中。在PROFIBUS里，TTR (Target Token Rotation Time)是一個(gè)重要的概念，它體現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的指標(biāo)，與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能有很大的關(guān)系。

在PROFIBUS總線系統(tǒng)里，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的一個(gè)重要的參數(shù)是TTR。本文從分析PROFIBUS-DP的各種數(shù)據(jù)通信行為入手，分別詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)交換和令牌傳的時(shí)間行為，給出了滿足每個(gè)主站持有足夠的令牌時(shí)間時(shí)，T T R的選取方法。

1 PROFIBUS總線時(shí)間開(kāi)銷分析

在PROFIBUS里，數(shù)據(jù)通信按照是否是周期性的可以分為：周期性數(shù)據(jù)通信MS0和非周期型數(shù)據(jù)通信MS1/MS2。MS0是主從站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，主要是定時(shí)采樣信號(hào)和控制器的定時(shí)控制信號(hào)等過(guò)程數(shù)據(jù)。由于過(guò)程數(shù)據(jù)直接影響受控對(duì)象，MS0的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，實(shí)時(shí)性要求高。MS1中的報(bào)文幀長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，用于對(duì)各種報(bào)警信息、復(fù)雜模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1是一個(gè)典型的單主站的令牌周期的時(shí)間開(kāi)銷的時(shí)間分布。由圖可知：

（1）一次總線周期中，周期性用戶數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信和令牌傳遞是必發(fā)生的兩種通信行為；而FDL狀態(tài)查詢是有GAP因子決定的，發(fā)生的時(shí)間不具備周期性，MS1通信同F(xiàn)DL類似，也不具備周期性，但是它發(fā)生的幾率很小。

（2）在一次總線周期里，數(shù)據(jù)交換的通信時(shí)間是主要的成分。

（3）數(shù)據(jù)交換的通信時(shí)間有負(fù)載的大小決定，而FDL狀態(tài)查詢和令牌傳遞花費(fèi)的時(shí)間是固定的，每一個(gè)總線周期的取值都是一樣的。

2 數(shù)據(jù)交換通信時(shí)間

數(shù)據(jù)交換和令牌傳遞是一次系統(tǒng)周期一定發(fā)生的兩種通信行為，我們首先討論系統(tǒng)周期只有這兩類行為的情況。數(shù)據(jù)交換的時(shí)序圖如圖2所示：

圖1 單主站的總線的時(shí)序圖

MS0通信中的數(shù)據(jù)交換使用的是SDR2幀格式，通信的時(shí)間有3部分：數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間，主站的Tid1時(shí)間和從站的TSDR時(shí)間。假設(shè)某主站有N個(gè)從站，第i個(gè)從站的輸入字節(jié)和輸出字節(jié)分別記Nreq(i)和Nres(i)，周期性數(shù)據(jù)通信用的時(shí)間Tframe表示如下：

圖2 數(shù)據(jù)交換的時(shí)序圖

用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析該公式，圖3是得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出的結(jié)論如下：

（1）主站和從站的request通信，其中Nreq為10字節(jié)。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)交換的時(shí)間分兩部分：具有穩(wěn)定時(shí)間的數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間(10+9)*11=209 Tbits和具有波動(dòng)的空閑時(shí)間，是由TSDR引起的，TSDR通常取之11Tbits。

（2）主站和從站的response通信，其中Nres為18字節(jié)。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)交換的時(shí)間分為兩部分：具有穩(wěn)定時(shí)間的數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間(18+9)*11=297 Tbits和具有波動(dòng)的空閑時(shí)間，主要是由Tid1引起，Tid1通常取42Tbits。

圖3數(shù)據(jù)交換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 令牌傳遞通信時(shí)間

令牌傳遞采用SD4格式，有固定的3字節(jié)數(shù)據(jù)和主站的空閑時(shí)間Tid1，

同MS0通信一樣，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了公式2，圖4是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們得到的結(jié)論如下：

（1）令牌傳遞時(shí)間有兩部分組成：數(shù)據(jù)幀的傳輸和主站的空閑時(shí)間，數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間是固定的，而空間時(shí)間有波動(dòng)。

（2）穩(wěn)定時(shí)間為33Tbits，空閑時(shí)間通常取值42Tbits

圖4 令牌傳遞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由TRR的定義可以知道：TRR的大小有各主站占用令牌的時(shí)間決定。這樣我們就可以得到TRR的大?。篢 R R=T M 1+T M 2+…+T M m+m TToken；

上式中TMi 指每一主站在某次令牌周期里通信的時(shí)間,m代表主站的個(gè)數(shù)，TToken代表令牌傳遞的時(shí)間。

假設(shè)系統(tǒng)周期里只考慮這兩種通信，保證每一主站都有令牌持有時(shí)間，我們給出TRR,TTR,TTH的最小值分別如下：

4 結(jié)論

本文從分析PROFIBUS-DP的各種數(shù)據(jù)通信行為入手，分別詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)交換和令牌傳的時(shí)間行為，給出了滿足每個(gè)主站持有足夠的令牌時(shí)間時(shí)，TTR的選取方法。

[1] Tovar, E., Vasques, F.: "Guaranteeing Real-Time Message Deadlines in Profibus Networks", Proceedings of the 10th Euromicro Workshop on Real-time Systems, Berlin,Germany, IEEE Press, 1998, pp. 79-86

[2]Tovar E., Vasques, F.: "Cycle Time Properties of the PROFIBUS Timed Token Protocol", September 1998, to appear in Computer Communications, Elsevier Science

From the various data communication of PROFIBUSDP, detailed analyze the data exchange and token transmission time behavior. And give the TTR selection method while each master station holding the token of time sufficient.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.052