基于PROFIBUS－DP的FCS性能研究及診斷軟件的開發(fā)

　　接收器的比特同步總是從起始比特的下降沿開始，也就是說，在從二進制“1”轉(zhuǎn)換到二進制數(shù)“0”時開始。在比特時間的中間應(yīng)掃描起始比特和所有后繼的比特。在比特時間的中間，起始比特應(yīng)是二進制數(shù)“0”，否則認為同步失敗并停止同步過程。以二進制“1”的停止比特來結(jié)束字符的同步，如果此時出現(xiàn)二進制數(shù)“0”來代替此停止比特，則應(yīng)認為并報告一個同步差錯或字符差錯，并應(yīng)等待下一個起始比特的前導(dǎo)沿。
1.2  報文格式
如圖3所示，PRFIBUS-DP有以下5種報文格式。其中，SYN為同步周期，它是一個最小的時間間隔，在此時間間隔內(nèi)，每個站在它可以接收發(fā)送/請求報文幀或令牌起始部分之前，應(yīng)從傳輸介質(zhì)接收空閑狀態(tài)（idle state）(idle=二進制“1”)。同步周期最小為33個線空閑比特；SD為起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，F(xiàn)C是控制幀；FCS是幀校驗和，ED為結(jié)束定界符，值為16h，L是信息字段長度，其中SD1= 10h，用于請求FDL狀態(tài)，尋找一個新的活動的站點，報文長度固定，沒有數(shù)據(jù)單元；SD2= 68h，用于SRD服務(wù)，報文的數(shù)據(jù)長度可變；SD3 = A2h，數(shù)據(jù)單元長度固定（L總為8字節(jié)）；SD4 = DCh，表示該報文為令牌報文；SC =E5h, 短確認報文。

圖3　PROFIBUS—DP鏈路層報文格式

2　 報文診斷軟件的實現(xiàn)
2.1  實驗平臺
圖4為作者組建的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，1類主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機作為2 類主站，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611與DP 總線相連， WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利時公司的LM3107 PLC等PLC設(shè)備作為從站連接到DP網(wǎng)絡(luò)中。

圖4　PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2  軟件開發(fā)環(huán)境
軟件開發(fā)工具為VC++6.0，通過計算機標準串口通信，將PROFIBUS—DP報文采集到上位機進行處理。PROFIBUS-DP系統(tǒng)作為實驗平臺，采用RS485/RS232通信電纜將其RS485的一端接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC機的串口。
2.3  軟件系統(tǒng)基本程序框圖
軟件系統(tǒng)的程序基本架構(gòu)流程圖如圖5所示。

圖5　基本程序框架流程圖

　　整個系統(tǒng)軟件包括如下幾個模塊：
1）程序主控模塊：負責實現(xiàn)程序邏輯與主界面，調(diào)用串口通信模塊和接收顯示模塊。
2）串口通信模塊：負責實現(xiàn)串口通信任務(wù)，PROFIBUS-DP報文數(shù)據(jù)采集及串口參數(shù)設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)PROFIBUS-DP協(xié)議報文格式，將采集上來的數(shù)據(jù)按報文格式進行處理，并存入臨時緩沖區(qū)。
4）接收顯示模塊：負責實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的處理與顯示。
5）數(shù)據(jù)庫模塊及數(shù)據(jù)查詢模塊，用來實現(xiàn)對采集到報文的歷史數(shù)據(jù)的分析和查詢。
2.4  關(guān)鍵技術(shù)
該軟件主要是實現(xiàn)對PROFIBUS報文進行提取，實現(xiàn)在線采集PROFIBUS-DP報文數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)鏈路層角度對各種報文進行分析，完成各種類型報文的顯示，完成對報文種類、服務(wù)類型、地址、數(shù)據(jù)長度及數(shù)據(jù)單元等信息的提取顯示，并對診斷報文、參數(shù)化報文及組態(tài)報文等的數(shù)據(jù)單元進行詳細的分析，得出總線性能的各種參數(shù)及故障原因，將分析過的數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫，存入臨時緩沖區(qū)，根據(jù)需要將分析過的報文信息存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)歷史查詢。
如何實現(xiàn)報文幀的提取是本軟件設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。由于PROFIBUS報文格式有很多種，而且包括數(shù)據(jù)長度不固定的可變報文。雖然各種報文都具有固定的報頭、報尾，但是存在的問題是報頭報尾并不是特定的字符，有可能和報文中數(shù)據(jù)單元內(nèi)容一樣，所以這里利用報頭報尾進行報文的提取是不可行的。作者在這里利用各種報文幀前的同步字符進行報文提取，也就是說，在每個完整報文幀傳輸之前，其前面都有一個不小于33bit的同步時間，在報文幀中間是沒有任何間隔的，利用這一同步時間，在VC++中利用超時函數(shù)，對報文幀進行了完整地提取。
另外，由于通信數(shù)據(jù)量很大，速度較快，這里采用了WINDOWS多線程技術(shù)。一個線程為監(jiān)視線程，監(jiān)視串口通訊，一個為數(shù)據(jù)處理主線程，另外一個為定時刷新數(shù)據(jù)庫線程。當監(jiān)視線程監(jiān)視到串口中有數(shù)據(jù)到達時，就觸發(fā)一個消息通知數(shù)據(jù)處理主線程，數(shù)據(jù)處理主線程就去串口緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理。定時器線程定時刷新數(shù)據(jù)庫顯示，以實現(xiàn)實時顯示功能。
作者在程序編寫的過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫不能實時刷新的情況，后來發(fā)現(xiàn)問題出在WINDOWS的WM_TIMER定時器上，由于該定時器消息優(yōu)先級較低，可能造成WM_TIMER消息的丟失，所以不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實時刷新。解決的方法是采用WINDOWS的多媒體定時器。在使用多媒體定時器的過程中，定時間隔的選取又是一個關(guān)鍵的問題，定時間隔選取太小，將會耗費大量的CPU內(nèi)存，造成系統(tǒng)“死機”, 定時間隔選取太大，又不能完成“實時”顯示功能。這里又涉及到PROFIBUS總線信息循環(huán)時間的問題，總線信息循環(huán)時間與總線傳輸?shù)牟ㄌ芈?、從站的?shù)量、I/O數(shù)據(jù)的數(shù)量、從站需要的延遲時間以及主站的空閑時間等有關(guān)。作者通過了大量的計算和多次實驗調(diào)試，尋找到一個合適的定時器間隔。
2.5  顯示界面
該PROFIBUS-DP報文分析軟件的程序界面包括主界面、串口配置界面、報文過濾界面、報文查詢界面、數(shù)據(jù)庫存儲界面以及歷史查詢界面等。
PROFIBUS-DP分析診斷軟件的運行主界面如圖6，窗口左上部分“當前profibus報文”組框內(nèi)存放最近采集到的PROFIBUS-DP報文信息，并可通過工具欄上的記錄移動按鈕滾動察看記錄；右上方“信息面板”是用來顯示所有查看報文的詳細信息。窗口下半部分以網(wǎng)格形式顯示PROFIBUS-DP歷史信息。
若需要打開串口，開始接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“開始接收”項；若需停止接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“停止接收”項；若需要配置串口參數(shù)，則可選擇“命令”菜單下的“串口配置”項，此時將彈出“串口配置對話框”，若需清除當前所有記錄，可選擇“記錄”菜單下的“清除所有記錄項”命令，如果需要分類查看各種報文，可以選擇“查看”命令菜單下的“報文查詢”，此時將彈出“報文查詢對話框”，可根據(jù)需要進行報文分類查看。

圖6　軟件運行主界面

3　  結(jié)束語
該軟件經(jīng)過作者在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)上的反復(fù)運行調(diào)試，結(jié)果表明該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對幾種PROFIBUS報文進行分析，能夠完成采集、顯示、分析、存儲和查詢等功能，為以后的研究開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時具有一定的實用價值。

　　文章來源于：《電氣時代》2009年11期。

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