Linux和S3C2410的PROFIBUS-DP主站平臺設計

摘要：針對標準PROFIBUS—DP主站在國內研究較少，自主研發(fā)產(chǎn)品的功能有限、智能化不足的現狀，進(jìn)行了基于Linux操作系統的PROFIBUS—DP主站的設計和研究，實(shí)現了PROFIBUS—DP1類(lèi)主站的主從通信功能。采用模塊化設計思想，從防錯設計、糾錯設計、故障恢復設計等方面對設計方案中軟硬件可靠性進(jìn)行了詳細分析。從響應時(shí)間的角度闡述了影響系統實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)對本平臺的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了詳細分析，并通過(guò)實(shí)驗測試了該主站的性能參數。實(shí)驗結果表明，對于多從站通信，使用Linux操作系統后，性能更優(yōu)越，運行更穩定。
關(guān)鍵詞：主站；實(shí)時(shí)性；模塊化；Linux操作系統

引言
PROFIBUS是面向工廠(chǎng)自動(dòng)化、流程自動(dòng)化的一種國際性的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，是一種具有廣泛適用范圍的、開(kāi)放的數字通信系統，適用于快速、時(shí)間要求嚴格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)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，用于設備級通信系統與分散式通信。
PROFIBUS—DP現場(chǎng)總線(xiàn)由主站和從站組成。對于從節點(diǎn)的研究，國內科研院所很早就開(kāi)始研究，現已有多家企業(yè)能夠自主研制從站產(chǎn)品。但是對于主站，由于其技術(shù)復雜、開(kāi)發(fā)難度大，目前國內只有北京和利時(shí)技術(shù)有限公司、浙大中控等少數幾家公司開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，并只實(shí)現了部分子集功能。大部分產(chǎn)品主要由國外幾家大公司壟斷。同時(shí)，隨著(zhù)PROFIBUS在國內市場(chǎng)上的迅速推廣，許多企業(yè)和科研單位開(kāi)始了對PROFIBUS協(xié)議的研究，并展開(kāi)了使用PROFIBUS通信協(xié)議的智能節點(diǎn)的研究。但是，目前國內業(yè)界對于PROFIBUS—DP的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都是基于國外提供的專(zhuān)用協(xié)議芯片(主站多數采用西門(mén)子推出的ASPC2，從站多采用SPC3等智能通信芯片)，即集中在從站設計領(lǐng)域，而沒(méi)有主站樣機開(kāi)發(fā)的相關(guān)報道。對于主站的開(kāi)發(fā)，國內一些科研院所(北航、中科院、浙大等)也曾利用可編程邏輯器件配合MCU設計出簡(jiǎn)單主站的試驗產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品僅能實(shí)現簡(jiǎn)單的主站功能，對于組成強大的PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò )還望塵莫及。
本文正是針對上述的問(wèn)題，為避免采用協(xié)議芯片、增加主站智能功能和后續擴展性研究的需要，設計了基于Linux操作系統的PROFISBUS —DP主站。在硬件上采用ARM9內核的處理器S3C2410，同時(shí)將Linux操作系統移植到此硬件平臺上，在此基礎上，完全由軟件編程實(shí)現了整個(gè)PROFIBUS—DP的主站功能，能夠與標準PROD—IBUS—DP從站設備進(jìn)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(jiǎn)單的從站之間進(jìn)行循環(huán)的數據交換。因此系統主要使用主-從類(lèi)型通信服務(wù)。
PRIFIBUS—DP總線(xiàn)系統設備包括主站和從站，而主站則包括1類(lèi)主站和2類(lèi)主站。1類(lèi)主站能夠對從站設置參數，檢查從站的通信接口配置，讀取從站診斷報文，并根據已經(jīng)定義好的算法與從站進(jìn)行用戶(hù)數據交換，同時(shí)，1類(lèi)主站還能用一組功能與2類(lèi)主站進(jìn)行通信。2類(lèi)主站則是一個(gè)編程器或一個(gè)管理設備，可以執行一組DP系統的管理與診斷功能。由于2類(lèi)主站不能單獨作為一個(gè)主站對從站進(jìn)行管理，加上本系統采用的是單主站結構，所以本系統設計的是一個(gè)1類(lèi)主站。
PROFIBUS—DP的1類(lèi)主站主從通信過(guò)程，大致分為以下幾個(gè)階段：詢(xún)問(wèn)從站是否在線(xiàn)，主站對從站的第一次診斷，參數化從站，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)數據交換。
為了保證幀在總線(xiàn)上的正確傳輸，PROFIBUS—DP對幀的結構及相應的時(shí)序關(guān)系做了嚴格的規定，且定義了12個(gè)參數以限定及保證幀間隔時(shí)間和可允許的最大等待時(shí)間等。一次典型的主從站數據交換過(guò)程在發(fā)出每一個(gè)幀前，須有一個(gè)同步期TSYN，即在每一報文幀發(fā)出前加入一段總線(xiàn)休息時(shí)間，其長(cháng)度固定為33Tbit時(shí)間。
在TSYN后，通信的發(fā)起方發(fā)出請求幀到響應者(從站)。接收方從接到該請求到產(chǎn)生響應數據的間隔時(shí)間定義為T(mén)SDR，該參數的大小反映了該響應方從站的計算能力大小和資源多少。有些站點(diǎn)沒(méi)有采用專(zhuān)用的通信ASIC芯片，或者宿主MPU的計算能力較低都會(huì )使響應時(shí)間較長(cháng)。 PROFIBUS—DP協(xié)議中規定了響應時(shí)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，從主站發(fā)出請求幀的最后一位到收到響應幀的第一位之間的時(shí)間間隔被定義為Slot Time，它從另一個(gè)方面反映了一個(gè)系統的實(shí)時(shí)性能的好壞。此設計中定義了一個(gè)重要的參數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(guò)TSL后，還未收到接收方的響應，則認為系統出錯，或重發(fā)請求幀(重發(fā)請求數不超過(guò)Max Retry Limit參數限制)，或上交此錯誤給FDL層。

2 硬件系統設計
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)，所以本系統選用的是第一種方案(即由處理器運行完整的協(xié)議來(lái)實(shí)現)；同時(shí)，基于S3C2410芯片的強大功能，本平臺不但移植了Linux操作系統，并且還編寫(xiě)了網(wǎng)絡(luò )接口和USB口的驅動(dòng)，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，其總體結構如圖1所示。

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