Linux和S3C2410的PROFIBUSDP主站平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUSDP主站在國(guó)內(nèi)研究較少，自主研發(fā)產(chǎn)品的功能有限、智能化不足的現(xiàn)狀，進(jìn)行了基于Linux操作系統(tǒng)的PROFIBUSDP主站的設(shè)計(jì)和研究，實(shí)現(xiàn)了PROFIBUSDP 1類主站的主從通信功能。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，從防錯(cuò)設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)設(shè)計(jì)、故障恢復(fù)設(shè)計(jì)等方面對(duì)設(shè)計(jì)方案中軟硬件可靠性進(jìn)行了詳細(xì)分析。從響應(yīng)時(shí)間的角度闡述了影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵問題，同時(shí)對(duì)本平臺(tái)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了詳細(xì)分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該主站的性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于多從站通信，使用Linux操作系統(tǒng)后，性能更優(yōu)越，運(yùn)行更穩(wěn)定。

引言

PROFIBUS是面向工廠自動(dòng)化、流程自動(dòng)化的一種國(guó)際性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種具有廣泛適用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適用于快速、時(shí)間要求嚴(yán)格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線分3種: PROFIBUSFMS、PROFIBUSDP 和PROFIBUSPA。其中，PROFIBUSDP是一種高速的低成本通信連接，用于設(shè)備級(jí)通信系統(tǒng)與分散式通信。

PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線由主站和從站組成。對(duì)于從節(jié)點(diǎn)的研究，國(guó)內(nèi)科研院所很早就開始研究，現(xiàn)已有多家企業(yè)能夠自主研制從站產(chǎn)品。但是對(duì)于主站，由于其技術(shù)復(fù)雜、開發(fā)難度大，目前國(guó)內(nèi)只有北京和利時(shí)技術(shù)有限公司、浙大中控等少數(shù)幾家公司開展相關(guān)的技術(shù)研究與開發(fā)，并只實(shí)現(xiàn)了部分子集功能。大部分產(chǎn)品主要由國(guó)外幾家大公司壟斷。同時(shí)，隨著PROFIBUS在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的迅速推廣，許多企業(yè)和科研單位開始了對(duì)PROFIBUS協(xié)議的研究，并展開了使用PROFIBUS通信協(xié)議的智能節(jié)點(diǎn)的研究。但是，目前國(guó)內(nèi)業(yè)界對(duì)于PROFIBUSDP的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)都是基于國(guó)外提供的專用協(xié)議芯片（主站多數(shù)采用西門子推出的ASPC2，從站多采用 SPC3等智能通信芯片），即集中在從站設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而沒有主站樣機(jī)開發(fā)的相關(guān)報(bào)道。對(duì)于主站的開發(fā)，國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單主站的試驗(yàn)產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的主站功能，對(duì)于組成強(qiáng)大的PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)還望塵莫及。

本文正是針對(duì)上述的問題，為避免采用協(xié)議芯片、增加主站智能功能和后續(xù)擴(kuò)展性研究的需要，設(shè)計(jì)了基于Linux操作系統(tǒng)的PROFISBUSDP主站。在硬件上采用ARM9內(nèi)核的處理器S3C2410，同時(shí)將Linux操作系統(tǒng)移植到此硬件平臺(tái)上，在此基礎(chǔ)上，完全由軟件編程實(shí)現(xiàn)了整個(gè)PROFIBUSDP的主站功能，能夠與標(biāo)準(zhǔn)PRODIBUSDP從站設(shè)備進(jìn)行通信。

1　PROFIBUSDP主站通信機(jī)制

PROFIBUSDP的主要目的是在功能強(qiáng)大的主站與若干簡(jiǎn)單的從站之間進(jìn)行循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。因此系統(tǒng)主要使用主從類型通信服務(wù)。

PRIFIBUSDP總線系統(tǒng)設(shè)備包括主站和從站，而主站則包括1類主站和2類主站。1類主站能夠?qū)恼驹O(shè)置參數(shù)，檢查從站的通信接口配置，讀取從站診斷報(bào)文，并根據(jù)已經(jīng)定義好的算法與從站進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，1類主站還能用一組功能與2類主站進(jìn)行通信。2類主站則是一個(gè)編程器或一個(gè)管理設(shè)備，可以執(zhí)行一組DP系統(tǒng)的管理與診斷功能。由于2類主站不能單獨(dú)作為一個(gè)主站對(duì)從站進(jìn)行管理，加上本系統(tǒng)采用的是單主站結(jié)構(gòu)，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)1類主站。

PROFIBUSDP的1類主站主從通信過(guò)程，大致分為以下幾個(gè)階段：詢問從站是否在線，主站對(duì)從站的第一次診斷，參數(shù)化從站，通信接口配置從站，主站對(duì)從站的第二次診斷和主站與從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)交換。

為了保證幀在總線上的正確傳輸,PROFIBUSDP對(duì)幀的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的時(shí)序關(guān)系做了嚴(yán)格的規(guī)定,且定義了12個(gè)參數(shù)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(shù)據(jù)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(bào)文幀發(fā)出前加入一段總線休息時(shí)間,其長(zhǎng)度固定為33Tbit時(shí)間。

在TSYN后,通信的發(fā)起方發(fā)出請(qǐng)求幀到響應(yīng)者(從站)。接收方從接到該請(qǐng)求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間定義為TSDR,該參數(shù)的大小反映了該響應(yīng)方從站的計(jì)算能力大小和資源多少。有些站點(diǎn)沒有采用專用的通信ASIC芯片,或者宿主MPU 的計(jì)算能力較低都會(huì)使響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。PROFIBUSDP協(xié)議中規(guī)定了響應(yīng)時(shí)間的上、下限值即:min TSDR，max TSDR。其中:min TSDR=11Tbit,max TSDR=60Tbit～850Tbit。

在通信的發(fā)起方(主站) 一側(cè),從主站發(fā)出請(qǐng)求幀的最后一位到收到響應(yīng)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(tǒng)的實(shí)時(shí)性能的好壞。此設(shè)計(jì)中定義了一個(gè)重要的參數(shù)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(yīng),則認(rèn)為系統(tǒng)出錯(cuò),或重發(fā)請(qǐng)求幀(重發(fā)請(qǐng)求數(shù)不超過(guò)Max Retry Limit 參數(shù)限制)，或上交此錯(cuò)誤給FDL層。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本PROFIBUSDP主站硬件平臺(tái)由于目標(biāo)是完全采用自主技術(shù)，不依靠國(guó)外的產(chǎn)品和技術(shù)，所以本系統(tǒng)選用的是第一種方案（即由處理器運(yùn)行完整的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)）；同時(shí)，基于S3C2410芯片的強(qiáng)大功能，本平臺(tái)不但移植了Linux操作系統(tǒng)，并且還編寫了網(wǎng)絡(luò)接口和USB口的驅(qū)動(dòng)，這對(duì)于平臺(tái)的多功能性和以后性能的擴(kuò)展都有一定的意義，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　主站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

此硬件平臺(tái)以S3C2410處理器為核心，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)DP協(xié)議棧的功能，完成與上位機(jī)和DP從站設(shè)備的通信功能。同時(shí)，針對(duì)S3C2410處理器的功能，使用外圍芯片DM9000實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信功能，并根據(jù)USB的特點(diǎn)，以特定的I/O口實(shí)現(xiàn)USB的從設(shè)備功能。由于需要移植Linux操作系統(tǒng)，所以需要用外圍芯片擴(kuò)展內(nèi)存。在本試驗(yàn)平臺(tái)中，通過(guò)串口1實(shí)現(xiàn)了DP通信，通過(guò)串口2實(shí)現(xiàn)了該硬件平臺(tái)與上位機(jī)的通信。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了提高該試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性，軟件設(shè)計(jì)方面將本系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，另一個(gè)子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)PROFIBUSDP的通信。其中，與上位機(jī)通信的程序流程如圖2所示。DP網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如圖3所示。

圖2　上位機(jī)通信程序流程

圖3　DP網(wǎng)絡(luò)通信程序流程

DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上位機(jī)通信接口模塊是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，他們共享硬件相關(guān)的函數(shù)庫(kù)和從站相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)模塊還互為生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系，上位機(jī)通信模塊為DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊提供從站相關(guān)的組態(tài)(GSD文件相關(guān))信息和從站輸出數(shù)據(jù)；DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊為用戶通信模塊提供從站輸入數(shù)據(jù)及從站運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)信息。

4　系統(tǒng)可靠性分析

軟件的穩(wěn)定性和抗干擾性是衡量系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本主站在軟件實(shí)現(xiàn)中所采取的保證可靠性措施主要有防錯(cuò)設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)設(shè)計(jì)、故障恢復(fù)設(shè)計(jì)等。

防錯(cuò)設(shè)計(jì)：主要體現(xiàn)在系統(tǒng)程序自檢技術(shù)［8］及數(shù)據(jù)封裝方面。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用分層結(jié)構(gòu)，與硬件操作相關(guān)的層的通信采用單獨(dú)通信模塊完成，這些層次之間通過(guò)層間接口進(jìn)行通信，層間接口在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)輸入的參數(shù)全部進(jìn)行有效性檢查(指針有效性、數(shù)值有效性、邏輯有效性檢查等)。在數(shù)據(jù)封裝方面，對(duì)與上位機(jī)通信和DP網(wǎng)絡(luò)通信兩個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行編程，分別提供各個(gè)子系統(tǒng)的私有數(shù)據(jù)，私有數(shù)據(jù)供模塊內(nèi)部調(diào)用，并提供模塊間訪問接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的共享，這樣便可以防止出現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)重名以及編程過(guò)程中誤修改產(chǎn)生的問題。

糾錯(cuò)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)通信過(guò)程中不管是和上位機(jī)的通信還是DP網(wǎng)絡(luò)的通信，采用的都是半雙工的RS485通信。相關(guān)通信能否順利進(jìn)行，取決于數(shù)據(jù)的正確性和時(shí)間兩個(gè)方面。無(wú)論是與上位機(jī)通信，還是DP網(wǎng)絡(luò)的通信，每次對(duì)于傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)都有專門的數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行校驗(yàn)，這就避免了在數(shù)據(jù)有誤的情況下仍然進(jìn)行通信。同時(shí)，針對(duì)接收超時(shí)等問題，也有專門的模塊進(jìn)行處理。

故障恢復(fù)設(shè)計(jì)：采用看門狗技術(shù)。系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過(guò)程中開啟硬件看門狗，軟件必須在一定的時(shí)間內(nèi)“喂狗”，否則就會(huì)導(dǎo)致看門狗對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。這樣防止了因程序跑飛而導(dǎo)致無(wú)法恢復(fù)的錯(cuò)誤。

5　系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線作為應(yīng)用在設(shè)備的公共總線，必須解決各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)競(jìng)爭(zhēng)問題，同時(shí)保證通信的實(shí)時(shí)性。PORFIBUSDP系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間依賴于max TSDR、采用的傳輸速率、要交換的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)量、min_slave_Interval(某一個(gè)從站前后2次被主站輪詢的最小間隔時(shí)間)4個(gè)參數(shù)。系統(tǒng)的測(cè)控周期(又稱訪問周期)是指控制系統(tǒng)周期性訪問網(wǎng)絡(luò)上同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔，是衡量PORFIBUSDP實(shí)時(shí)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

一次典型的主從數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖4所示。

圖4　主從數(shù)據(jù)交換圖

其中，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時(shí)間，是其他時(shí)間參數(shù)的計(jì)量單位。由于PROFIBUSDP采用UART編碼方式，每個(gè)字符由11位組成，所以傳輸一個(gè)字符需要11Tbit。

TID1定義了一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在獲得相應(yīng)信號(hào)后的再次發(fā)送下一個(gè)信息幀所需的最短時(shí)間。

從圖4可知，一個(gè)報(bào)文循環(huán)由主動(dòng)幀（請(qǐng)求或發(fā)送/請(qǐng)求幀）和回答幀組成。循環(huán)時(shí)間由幀傳輸時(shí)間、傳輸延遲時(shí)間和站延遲時(shí)間組成。

設(shè)一次報(bào)文循環(huán)時(shí)間為Tcycle，如果回答幀不為短應(yīng)答幀：

如果回答幀為短應(yīng)答幀：

其中：TReq=a×11Tbit，a為請(qǐng)求/發(fā)送幀中的字符個(gè)數(shù)；TRes=b×11Tbit，b為應(yīng)答幀中的字符個(gè)數(shù)；TAsk=1×11Tbit，短應(yīng)答幀；TSDR為站延遲時(shí)間，指接收方從接到請(qǐng)求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；TTD為傳輸間隔時(shí)間，指一個(gè)幀在傳輸時(shí)在發(fā)送器和接收器之間的傳輸介質(zhì)上經(jīng)過(guò)的最大時(shí)間。

本硬件平臺(tái)中PROFIBUSDP總線傳輸速率設(shè)置為9.6 kbps，由于是近距離傳輸，所以TTD=0Tbit，Tsdr=11Tbit，TID1=37Tbit，和主站通信的從站最多有244個(gè)數(shù)據(jù)（根據(jù)PROFIBUSDP協(xié)議規(guī)定）輸入/輸出，請(qǐng)求幀中有11個(gè)字符數(shù)據(jù)，則報(bào)文循環(huán)時(shí)間最長(zhǎng)為：

可見，在傳輸速率為9.6 kbps的情況下，一次報(bào)文循環(huán)的最長(zhǎng)時(shí)間為297.3 ms；從上面這些參數(shù)中可以發(fā)現(xiàn)，只有TID1能夠由主站平臺(tái)的性能決定，普通的MPU調(diào)度所需時(shí)間為24.66 μs。而在移植Linux操作系統(tǒng)后，由于采用的2.6版本的Linux操作系統(tǒng)使用了新的O(1)的調(diào)度算法，大大提高了進(jìn)程調(diào)度能力，同時(shí)對(duì)于多從站的通信的任務(wù)能進(jìn)行很好的管理和調(diào)度，大大增強(qiáng)了主站平臺(tái)的功能。

5　主站平臺(tái)性能分析及調(diào)試

PROFIBUSDP主站的主從通信性能主要體現(xiàn)在主從通信速度的快慢和支持的從站數(shù)目上。由于本實(shí)驗(yàn)室的從站數(shù)目有限，搭建的測(cè)試平臺(tái)目前只有3個(gè)PROFIBUSDP從站（ET200S、MM420和自主設(shè)計(jì)的從站），如圖5所示。

圖5　PROFIBUSDP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本次測(cè)試的傳輸速率選定為9.6 kbps, 同時(shí)對(duì)3個(gè)從站進(jìn)行組態(tài)，分別測(cè)試移植Linux操作系統(tǒng)前主站從接收到數(shù)據(jù)到有數(shù)據(jù)發(fā)出之間的時(shí)間ttop，到移植Linux操作系統(tǒng)后主站的響應(yīng)時(shí)間tend；通過(guò)實(shí)驗(yàn)，從示波器上的測(cè)試的圖形可以看出ttop的寬度是大于tend的寬度的，具體測(cè)量后可知無(wú)操作系統(tǒng)下ttop≈4015.4 μs，Linux操作系統(tǒng)tend≈70 μs?？梢娨浦睱inux操作系統(tǒng)后能使主站的響應(yīng)時(shí)間大大縮短，提高對(duì)從站的管理效率。

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