劉國耀，沈德明，祖利輝，丁茂實

（1.南京科遠自動化集團股份有限公司，南京 211102；2.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室，南京 211102）

PRFIBUS DP廣泛應(yīng)用于過程自動化和設(shè)備自動化系統(tǒng)的快速數(shù)據(jù)交互，其通信速率范圍從9.6kbps到12Mbps。在實際應(yīng)用中，PROFIBUS DP使用量占到PROFIBUS使用量的90%以上［1-2］。隨著PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)越來越多的應(yīng)用到電廠過程自動化系統(tǒng)中，自主開發(fā)相應(yīng)的PROFIBUS DPV0主站（1類）通信模件并將其集成到DCS系統(tǒng)中，使得DCS系統(tǒng)具備PROFIBUS現(xiàn)場總線功能，成為日益迫切的需求。

本文重點介紹了PROFIBUS DP技術(shù)的實現(xiàn)原理，以及協(xié)議棧在裝有實時操作系統(tǒng)的通用處理器平臺上的實現(xiàn)方法，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了PROFIBUS系統(tǒng)冗余型主站。

1 PROFIBUS主站研究現(xiàn)狀及總體方案

由于PROFIBUS主站技術(shù)復(fù)雜、開發(fā)難度大，目前國內(nèi)只有少數(shù)幾家公司開展了相關(guān)的技術(shù)研究與開發(fā)工作，大部分產(chǎn)品由國外的幾家公司壟斷［1］。

目前國內(nèi)對于PROFIBUS主站的實現(xiàn)主要有4種方案［1-2］。

（1）采用第三方嵌入式模塊（方案1）。該方法技術(shù)難度小，開發(fā)測試周期短、成本低，但程序一般固化，用戶無法修改代碼，而且配置軟件無法自行開發(fā)，必須要另外購買。

（2）采用專用ASIC芯片（方案2）。隨著開發(fā)廠家的增多，目前市場上有ASPC2、NETX等芯片供用戶開發(fā)設(shè)計選用。這種方式開發(fā)成本比方案1低，但有一定技術(shù)難度，需要用戶進行軟硬件開發(fā)工作，并且ASIC和協(xié)議棧價格仍然較高。

（3）采用可編程邏輯器件配合 MCU（方案3）。該方案與方案2類似，采用通用可編程邏輯器件替代專用ASIC、與MCU配合實現(xiàn)主站功能。但軟硬件實現(xiàn)復(fù)雜，開發(fā)難度大。

（4）自行開發(fā)軟件協(xié)議棧（方案4）。隨著技術(shù)的進步，單片機性能和UART速度成倍提升，PROFIBUS主站可以采用軟件實現(xiàn)。該方案具有硬件成本低的優(yōu)點，但是軟件開發(fā)難度大，對開發(fā)人員要求高，需要同步開發(fā)配置軟件，開發(fā)和測試周期長。

目前，對于PROFIBUS DP系統(tǒng)冗余（SR）主站的研究還比較少。文獻［4-6］中的方法實現(xiàn)了主站的設(shè)備級冗余，但是并未實現(xiàn)DP系統(tǒng)冗余規(guī)范所要求的系統(tǒng)冗余要求。

綜合考慮四個方案的優(yōu)缺點，采用方案4?；趯崟r操作系統(tǒng)軟件方式實現(xiàn)DP-V0主站（1類）功能，硬件采用高性能的MCU芯片加上雙路RS485標(biāo)準(zhǔn)外圍電路平臺。通過嵌入式軟件實現(xiàn)PROFIBUS DP主站及系統(tǒng)冗余功能［3-5］。

2 PROFIBUS DP主站設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

軟件協(xié)議棧方案簡化了對硬件的要求，PROFIBUS DP主站硬件設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 PROFIBUS DP主站硬件原理圖

處理器選用工業(yè)級freescale K60系列MCU芯片，該MCU采用Cortex-M4作為核心，主頻高達100MHz，外圍設(shè)備豐富，自帶的UART最高波特率支持6.25Mbps，使用兩路UART和接口電路相連。接口電路采用ISO1176芯片+內(nèi)置終端電阻+磁隔離的方式。接口芯片ISO1176是為PROFIBUS應(yīng)用而設(shè)計的高性能收發(fā)器，最高波特率支持40Mbps。將K60的硬件流控引腳和ISO1176的相應(yīng)引腳相連，實現(xiàn)硬件流控。通過高速總線和DCS系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)和外部PROFIBUS DP系統(tǒng)冗余從站的高速數(shù)據(jù)通道。

2.2 PROFIBUS DP主站協(xié)議棧設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 總體功能

PROFIBUS DP主站協(xié)議棧實現(xiàn)1類主站與從站周期性數(shù)據(jù)交互的功能，總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 協(xié)議棧總體功能

FDL層又可分為FDL層及設(shè)備驅(qū)動層。設(shè)備驅(qū)動層負責(zé)硬件相關(guān)的操作，實現(xiàn)對硬件的配置和基本操作，產(chǎn)生驅(qū)動事件。通過驅(qū)動事件觸發(fā)FDL層狀態(tài)機的運行。FDL層負責(zé)實現(xiàn)協(xié)議規(guī)定的11個狀態(tài)機，實現(xiàn)報文校驗，令牌輪轉(zhuǎn)等功能。FDL層通過其接口函數(shù)接受DDLM層的請求報文，接口函數(shù)通過鏈表的方式在FDL層和DDLM層之間傳遞數(shù)據(jù)。

DDLM層實現(xiàn)協(xié)議對規(guī)定強制性數(shù)據(jù)傳輸功能：從站診斷、參數(shù)、配置、數(shù)據(jù)交互、全局控制等。

用戶調(diào)度層主要負責(zé)從站的管理，周期性地訪問從站結(jié)構(gòu)體，刷新從站狀態(tài)，實現(xiàn)從站幾個狀態(tài)的輪轉(zhuǎn)。

API層負責(zé)對從站的配置和緩存區(qū)管理，提供的功能有：配置、IO緩存區(qū)讀寫、診斷緩存區(qū)讀取。用戶可以通過API層函數(shù)提供的配置接口對從站進行配置。

2.2.2 軟件實現(xiàn)方法

根據(jù)總體功能將主站協(xié)議棧分為兩個模塊：FDL模塊和應(yīng)用模塊。FDL模塊負責(zé)FDL層的實現(xiàn)，其余部分由應(yīng)用模塊負責(zé)。兩個模塊之間通過信號量和緩存區(qū)交互數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動層功能簡單，只負責(zé)發(fā)送和接收原始報文操作。在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化任務(wù)首先初始化硬件，然后發(fā)起其他任務(wù)。為了提高響應(yīng)速度，實時操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，任務(wù)切換時間小于10μs。

（1）FDL模塊采用一個高優(yōu)先級任務(wù)實現(xiàn)，根據(jù)協(xié)議規(guī)范進行狀態(tài)輪轉(zhuǎn)。上層軟件通過收發(fā)接口對其進行調(diào)用。執(zhí)行流程如圖3所示。任務(wù)中狀態(tài)機的執(zhí)行流程與協(xié)議一致，在Use＿Token狀態(tài)中讀取高優(yōu)先級報文緩存區(qū)，如果為空，則讀取低優(yōu)先級報文緩存區(qū)，讀成功后進行發(fā)送，然后再按照協(xié)議進入相應(yīng)的狀態(tài)。Await＿Data＿Renponse狀態(tài)中收到報文后將報文寫入應(yīng)答緩存區(qū)并發(fā)送相應(yīng)的信號量。

圖3 FDL任務(wù)流程圖

（2）應(yīng)用模塊主要通過appreq（請求）、appcon（應(yīng)答）兩個任務(wù)和配置，IO刷新函數(shù)等實現(xiàn)，為保證FDL任務(wù)發(fā)送報文的實時性，其優(yōu)先級低于FDL任務(wù)。流程圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)用任務(wù)流程圖

按照請求和應(yīng)答的類型將DDLM層中功能分成請求和應(yīng)答兩組類型分別實現(xiàn)。對DDLM層接口進行封裝，實現(xiàn)從站診斷、參數(shù)化、配置、二次診斷、數(shù)據(jù)交互等狀態(tài)函數(shù)，并將這幾個函數(shù)地址賦值給指向函數(shù)的指針數(shù)組slave＿handler＿req和slave＿handler＿con；再通過從站結(jié)構(gòu)體中從站狀態(tài)和相應(yīng)的函數(shù)指針配合使用，實現(xiàn)狀態(tài)輪轉(zhuǎn)。

先由Appreq任務(wù)等待con完成信號量（初始化時由初始化任務(wù)釋放），收到信號量后檢查配置狀態(tài)，如果當(dāng)前需要配置或正在配置則進入臨界狀態(tài)等待配置完成。如果當(dāng)前scheduler狀態(tài)為operate，則依次調(diào)用每個從站的函數(shù)結(jié)構(gòu)體及相應(yīng)的slave＿handler＿req函數(shù)指針，所有從站處理完成后等待應(yīng)答任務(wù)完成對周期報文的處理，然后開始下一輪循環(huán)。

3 系統(tǒng)冗余（SR）模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計

國際PI組織并未提供DP主站冗余功能的相關(guān)規(guī)范，但是對于冗余從站是有相關(guān)冗余規(guī)范的［1］。冗余規(guī)范中提到系統(tǒng)冗余（System Redundancy，SR）和飛躍型冗余（Flying Redundancy，F(xiàn)R）兩種冗余方式。系統(tǒng)冗余（SR）是目前主流的從站冗余方式，因此也是本主站支持的冗余方式。

根據(jù)規(guī)約可知，主站通過參數(shù)化（PrmCommand）命令通知從站，從站在發(fā)現(xiàn)滿足切換條件時，自己決定是否進行主備端口的切換，從站每次冗余狀態(tài)的改變均通過冗余狀態(tài)（Red＿state）診斷來通知主站。主站通過TMTO時間監(jiān)視從站數(shù)據(jù)的有效性，從站通過TOH時間監(jiān)視主站活動。根據(jù)規(guī)約中描述設(shè)計主站系統(tǒng)冗余模塊如圖5所示。

圖5 主站系統(tǒng)冗余模塊

3.2 軟件流程

在正常建立連接后，冗余模塊首先通過兩個DP協(xié)議棧掃描冗余從站主用端口和備用端口的通信狀態(tài)。如果從站主用端口通信失敗并且備用端口通信正常，此時冗余模塊調(diào)用接口函數(shù)切換備用端口狀態(tài)到參數(shù)化，并向備用端口發(fā)送參數(shù)化（PrmCommand）命令。之后冗余模塊等待參數(shù)命令應(yīng)答報文（PrmCommandAck），如果在TMTO時間內(nèi)收到并且報文指示從站端口已經(jīng)成功切換到主用狀態(tài)，則將備用端口標(biāo)記為主用，并將其該端口IO數(shù)據(jù)標(biāo)志置為有效，本次切換完成。

如果TMTO時間內(nèi)沒有收到或從站回復(fù)報文指示該端口仍然是備用狀態(tài)，則檢查切換前主用端口的狀態(tài)，如果該端口重新建立正常連接則將其數(shù)據(jù)標(biāo)記為有效并退出處理過程；如果之前的主用端口仍然故障則等待TOH時間后再次切換備用端口狀態(tài)到參數(shù)化，并向備用端口發(fā)送參數(shù)化命令，如果等待TOH的過程中收到從站狀態(tài)切換為主用的診斷（Red＿State）則標(biāo)記備用端口為主用，數(shù)據(jù)區(qū)位有效，此次處理完成。

4 結(jié)束

本文在研究PROFIBUS DPV0協(xié)議和PROFIBUS從站冗余協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用高性能K60芯片和實時操作系統(tǒng)，提出了冗余主站設(shè)計方案并進行了相應(yīng)實現(xiàn)。測試結(jié)果表明其能夠在9.6 kbps～6Mbps波特率下穩(wěn)定工作，滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用要求。

［1］ 滿慶豐，陳宇翔，夏繼強.Linux和S3C2410的PROFIBUS-DP主站平臺設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（5）：14-17.MAN Qing-feng，CHEN Yu-xiang，XIA Ju-qiang.PROFIBUS-DP host station based on Linux and S3C2410［J］.Microcontrollers ＆ Embedded Systems，2011（5）：14-17.

［2］ 許英杰.PROFIBUS-DP主站開發(fā)與應(yīng)用研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010.

［3］ 李哲毓，崔逸群.冗余Profibus-DP通信協(xié)議主站卡的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀表，2011（3）：34-37.LI Zhe-yu，CUI Yi-qun.Design and implementation of redundant Profibus-DP communication master card［J］.Automation ＆Instrumentation，2011（3）：34-37.

［4］ 胡明華，蔣濟友，夏繼強，等.基于VxWorks+ARM9的PROFIBUS-DP冗余主站的設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2012（4）：44-45，48.HU Ming-hua，JIANG Ji-you，XIA Ju-qiang，et al.Design of PROFIBUS-DP redundant master station based on VxWorks+ARM9［J］.Automation ＆Instrumentation，2012（4）：44-45，48.

［5］ 李樂義，史洪源，杜軍釗.基于CPLD的Profibus-DP冗余雙網(wǎng)切換邏輯的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2011（2）：83-85.LI Yue-yi，SHI Hong-yuan，DU Jun-zhao.Design of Profibus-DP Dual redundant network switch based on CPLD［J］.Measurement ＆ Control Technology，2011（2）：83-85.