基于FPGA的PROFIBUS-DP集線(xiàn)器設計

SD3的數據域長(cháng)度可變，常用于SRD(發(fā)送數據，且要求回復數據)服務(wù)，格式為：

SD4是令牌幀，格式如下：

SC為短應答，格式為：

在PROFIBUS―DP協(xié)議中，RS485和光纖通常使用UART編碼格式，而在UART編碼中，每個(gè)字符由一個(gè)UART結構的11位構成，具體如下：

其中，Start=0；Parity=偶校驗位；Stop=1
為了保證數據的準確傳輸，必須知道起始位和結束位。判斷起始和結束的條件是要知道DP的傳輸速率。

3 DP數據轉發(fā)方式比較
DP HUB的數據轉換方式大體可分為兩種，即不檢驗幀結束轉發(fā)和檢驗幀結束轉發(fā)。
3．1 不檢驗幀結束轉發(fā)
不檢驗幀結束轉發(fā)是當一路485檢測到信號線(xiàn)上有低電平信號時(shí)(DP協(xié)議定義信號線(xiàn)上閑時(shí)為高電平)，由FPGA將其余七路485設置成發(fā)送狀態(tài)，而把一路進(jìn)來(lái)的低電平脈沖信號轉發(fā)給其余七路。低電平脈沖結束后，FPGA再將其余七路恢復成接收狀態(tài)，以等待下一個(gè)低脈沖的到來(lái)。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當HUB的主站給從站發(fā)送數據時(shí)，其余路端如果進(jìn)來(lái)低電平干擾且恰好遇到主站485接收的是高電平信號，則系統就會(huì )誤認為主站發(fā)送數據結束而將其變?yōu)閺恼?。然后將有低電平干擾的從站變?yōu)橹髡?，將低電平干擾當作正常數據向其他從站轉發(fā)。
3．2 檢驗幀結束轉發(fā)
檢驗幀結束式轉發(fā)即一路485檢測到信號到來(lái)時(shí)，由FPGA將其余七路485設置成發(fā)送狀態(tài)，并按位將其轉發(fā)。它采用一定方法判斷幀的結束位，并當判斷這個(gè)幀結束時(shí)，由FPGA將七路485重新設置成接收狀態(tài)，以等待下一個(gè)幀的到來(lái)。
該方式的優(yōu)點(diǎn)是數據傳輸準確率高，但是也存在著(zhù)系統資源占用較多的缺點(diǎn)。事實(shí)上，考慮到DP通信的安全性和可靠性，還是先檢測波特率后按位傳輸較好。下文將介紹DP―HUB是如何基于判斷幀結束這種方法來(lái)實(shí)現數據轉發(fā)的。

4 幀結束檢測
幀結束的檢測理論上可以分為碼元寬度檢測法和窮舉法判斷波特率兩種方法。
4．1 碼元寬度檢測法
本方法檢測的基本思想是找出13個(gè)脈沖中長(cháng)度最小的位寬，該位寬即為碼元寬度，因為UART編碼和傳輸的方式使得在一個(gè)字節包括11
個(gè)編碼位加上其前后2位共13個(gè)位，其中一定有1位碼元存在。這個(gè)碼元的寬度可用nT表示，其中T為時(shí)鐘周期，n為時(shí)鐘周期的個(gè)數。然后可以檢驗數據的高電平持續長(cháng)度，如果這個(gè)數據有一段高電平的長(cháng)度大于16nT，則認為該幀結束。這樣設計的依據是：一個(gè)幀的最短長(cháng)度為一個(gè)字節，一個(gè)字節是由11個(gè)碼元組成。通常為了保證結束判斷準確而需要多取幾位，這里將其定為16個(gè)碼元。同時(shí)由于DP協(xié)議中規定報文幀中間的各個(gè)字符沒(méi)有空閑靜止狀態(tài)，而且數據通信上要有33個(gè)碼元的空閑時(shí)間來(lái)做為同步表示(SYN)。這樣，取16個(gè)碼元長(cháng)度既能判斷出幀的結束，而又不會(huì )把下一次通信中的高電平信號誤認為是上一個(gè)幀的結束。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，不需要解析幀的結構。缺點(diǎn)是檢測碼元的時(shí)鐘頻率要求較高(為了準確的測量碼元的寬度)，因而功耗較大。