在目前的工業(yè)現(xiàn)場總線中,，對實時性的要求越來越高,，實時性指標(biāo)也成為工廠選擇總線時的一個重要因素。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線作為目前國際上的一種通用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),，隨著生產(chǎn)工藝對控制要求的提高,，控制系統(tǒng)的實時性能要求也越來越高。
    為了提高PROFIBUS-DP總線的實時性,，本文在嚴(yán)格按照協(xié)議完成自主設(shè)計的PROFIBUS-DP單主站情況下,，探討使用Linux操作系統(tǒng)提高PROFIBUS-DP總線實時性的方案，以及在單主站情況下提高PROFIBUS-DP總線實時性的可行性,。
1 PROFIBUS-DP實時性分析
    實時性能主要體現(xiàn)在MAC層協(xié)議上,，不同的總線采用不同的MAC子層協(xié)議，PROFIBUS-DP采用的是簡化令牌總線協(xié)議,。同時,，測控周期是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性能的主要指標(biāo)。
1.1 PROFIBUS-DP的MAC層協(xié)議
    PROFIBUS-DP采用簡化總線令牌總線協(xié)議作為MAC層標(biāo)準(zhǔn),，其總線設(shè)備包括主站（1類主站和2類主站）和從站,，系統(tǒng)組成如圖1所示。

    對總線上的每一個站點分配一個地址，主站地址組成一個邏輯環(huán),，持有令牌的主站可以在持有令牌期間輪詢訪問從站,。
    PROFIBUS-DP的介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)包括主站之間通過占有令牌取得總線的占有權(quán)的主主通信和主站與從站之間的主從通信兩部分。本文考慮的是一個單主站系統(tǒng),，所以只探討主從通信部分的實時性,。
1.2 測控周期
    測控周期是指控制系統(tǒng)周期性訪問網(wǎng)絡(luò)上同一節(jié)點的時間間隔，記為Dcycle,，它是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性的一個重要指標(biāo),。它主要由周期性數(shù)據(jù)交換時間Tcycle、主站維護時間TGAP和非周期性數(shù)據(jù)交換時間Tacycle（包括參數(shù)配置,、從站數(shù)據(jù)診斷,、通信接口配置等）三部分組成。
    所以,，當(dāng)主站第一次上電,，第一次與從站進行通信時，單主站的測控周期可表示為：
    
其中N表示系統(tǒng)中的從站個數(shù),。
1.2.1 周期性數(shù)據(jù)交換時間Tcycle
    一次典型的數(shù)據(jù)交換過程如圖2所示。

其中,，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時間,，是其他時間參數(shù)的計量單位。由于PROFIBUS-DP采用UART編碼方式,，每個字符由11位組成,，所以傳輸一個字符需要11Tbit。
    從圖2可知,，一個報文循環(huán)由主動幀（請求或發(fā)送/請求幀）和回答幀組成,。循環(huán)時間由幀傳輸時間、傳輸延遲時間和站延遲時間組成,。所以：

1.2.2 主站維護時間TGAP
    當(dāng)總線上同時存在多個從站時,，主站需要與總線上的每個從站進行數(shù)據(jù)交換。對于單主站系統(tǒng),，該主站將一直持有令牌,。所以，當(dāng)主站處理完與一個從站的周期信息后,，就會發(fā)出Request_FDL_Status去查詢GAP中的一個地址,，更新NS值，查找是否有其他從站已經(jīng)在總線上等待與主站通信,。
    由于PROFIBUS-DP主站是按地址遞增順序查找從站,，并且Request_FDL_Status采用的是以SD1為起始符的報文幀，實際上，從站隨時都監(jiān)聽著總線上的數(shù)據(jù),，所以當(dāng)報文幀中從站地址與自身地址相同后,，從站就會傳遞應(yīng)答幀給主站。
    在實際應(yīng)用中,，總線上的從站地址一般都按順序排列（如從站5,、從站6、從站7）,，很少出現(xiàn)跳躍,，通常為：
 
2 Linux2.6下PROFIBUS-DP的實時性分析
    由于是自主設(shè)計的PROFIBUS-DP主站(未采用協(xié)議芯片)，所以Tsdr和TID1這兩個參數(shù)完全由程序決定,。如果能縮短這兩個時間參數(shù),，則對PROFIBUS-DP的實時性能的提高有很大的意義。
2.1 Linux2.6的實時性分析
    Linux2.6內(nèi)核相對以前的Linux內(nèi)核在實時性方面有了很大的增強,，包括O(1)調(diào)度器,、可搶占式內(nèi)核、改進的線程模型以及對新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持,。
2.1.1 可搶占式內(nèi)核
    在2.6版的內(nèi)核中,，引入了內(nèi)核的可搶占性，只要調(diào)度是安全的,，內(nèi)核就可以在任何時間搶占正在執(zhí)行的任務(wù),。也就是說，只要沒有持有鎖,，內(nèi)核就可以進行搶占,。鎖是非搶占區(qū)域的標(biāo)志，由于內(nèi)核支持SMP,，所以,，如果沒有持有鎖，則正在執(zhí)行的代碼就是可重入的,，也就可以搶占,。
2.1.2 定時器
    時鐘粒度是否粗糙是制約實時性的一個重要方面。Linux2.6已將終端頻率改為1 000 Hz,，即時鐘粒度為1 ms,。
2.1.3 虛擬內(nèi)存
    Linux2.6內(nèi)核雖然支持虛擬內(nèi)存，但是虛擬內(nèi)存的使用將會帶來系統(tǒng)響應(yīng)時間的不確定性,，所以在移植Linux內(nèi)核時,，應(yīng)盡可能去掉虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存機制，盡量保證應(yīng)用程序直接訪問物理內(nèi)存,。
2.1.4 調(diào)度策略
    Linux2.6中不但支持基于優(yōu)先級的調(diào)度策略,，還支持基于比例共享的調(diào)度策略,。同時，Linux2.6內(nèi)核進程調(diào)度算法的復(fù)雜度為O(1),，這對于進程的切換效率有了很大的提高,。
2.2 Linux2.6下PROFIBUS-DP單主站的軟件設(shè)計
    PROFIBUS-DP單主站的主從通信設(shè)計圖如圖3所示。

    從“從站通信調(diào)度模塊”開始,，該模塊根據(jù)上位機發(fā)送過來的詢問從站在線命令幀對相應(yīng)的從站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行初始化,，然后調(diào)用“從站是否運行模塊”，判斷從站是否在線,；如果在線,，就進入“從站通信管理模塊”。在該模塊中,，由于已經(jīng)將Linux移植到了該硬件平臺上,，所以通過fork()函數(shù)，建立一個進程,，單獨處理與特定從站之間的通信,；如果有多個從站都進入運行狀態(tài)，則建立多個進程,，分享CPU,，按一定的調(diào)度策略處理與主站及從站之間的通信。接著,，按照PROFIBUS-DP協(xié)議的規(guī)范,，調(diào)用相應(yīng)的“請求幀模塊”，發(fā)送命令幀給從站設(shè)備,；從站在接收到請求幀后，會在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)送回應(yīng)幀響應(yīng)主站,，同時,，主站在特定的時間內(nèi)會調(diào)用“接收請求幀模塊”，處理接收到的響應(yīng)幀,。
    在軟件設(shè)計中,，采用了一個單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄PROFIBUS-DP主站的狀態(tài)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
    typedef struct host_info{
        u8 host_addr;
        u8 host_mechanism_flag;
        u16 Cycle_Interval;
        struct host_fc FC;
        u32 baud_rate;
        u8 baud_index;
    }*pHOST;
    另外,，軟件設(shè)計中,，對于從站也設(shè)計了單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護其狀態(tài)。從站的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
    typedef struct slave_info{
        u8 global_status;
        u8 address;
        u8 baud_support;
        u8 configuration_flag;
        ……
        }*pSlave;
    同時,，由于有了特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護,，在主從數(shù)據(jù)的交換過程中，采用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)（即當(dāng)讀取到DP從站的輸入數(shù)據(jù)后,，直接將對應(yīng)數(shù)據(jù)填充到輸出幀對應(yīng)的位置）,，將大大縮短程序查找內(nèi)存的時間,，加快響應(yīng)速度。
    另外,，本軟件設(shè)計還采用了單緩沖技術(shù),。所謂單緩沖區(qū)是指不考慮通信中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)而只保留當(dāng)前最新的一幀。這樣緩沖區(qū)中隨時都只有一幀有效數(shù)據(jù),，從而提高整個系統(tǒng)的實時性,。
2.3 Linux操作系統(tǒng)下PROFIBUS-DP實時性的改善
    與無操作系統(tǒng)、由安全使用協(xié)議完成的PROFIBUS-DP單主站相比,，使用Linux2.6操作系統(tǒng)后,，實時性的改善主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
2.3.1 站延遲時間Tsdr
    站延遲時間是指接收方從接到請求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的時間間隔,。在本設(shè)計中,，由于移植的Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)去掉了對虛擬內(nèi)存的支持，所有數(shù)據(jù)都直接存放到物理內(nèi)存中,，同時使用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù),，因此加快了數(shù)據(jù)交換的速度。
2.3.2 從站之間的相互切換
    在未使用Linux操作系統(tǒng)設(shè)計的PROFIBUS-DP單主站中,，如果總線上存在多個從站,，PROFIBUS0-DP與從站的通信完全由程序的邏輯來保證，這無疑會加大編程人員的難度,，如果稍有不慎,，可能會導(dǎo)致通信出現(xiàn)混亂，從而出現(xiàn)錯誤,。
    使用了Linux操作系統(tǒng)后,，PROFIBUS-DP主站與各個從站的通信分別由對應(yīng)的進程處理，總線中有多少個從站,，程序中就會有多少個進程,。這樣，對各個從站的管理就變成對各個進程的管理,，只要選擇合適的調(diào)度策略,，則對各個從站的管理就不會出現(xiàn)混亂。同時,，Linux2.6內(nèi)核中由于調(diào)度復(fù)雜度為O(1),，所以進程切換時間大大縮短，這對提高系統(tǒng)的實時性也有很大好處,。
2.3.3 從站響應(yīng)時間
    從站響應(yīng)時間是指當(dāng)有新的從站掛到總線上時,，PROFIBUS-DP單主站識別該從站的時間。在一般的系統(tǒng)中,，PROFIBUS-DP主站通過輪詢識別從站,，而在本設(shè)計中,，當(dāng)有新的從站掛到總線上時，會通過一個中斷信號告訴該主站,，從而與該從站優(yōu)先通信,。此設(shè)計是為了使系統(tǒng)更具智能性，這是標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP協(xié)議中沒有的,。
3 主站平臺實時性能測試
    PROFIBUS-DP主站的主從通信的實時性能主要通過測控周期來判斷,。搭建測試平臺由一臺PC機（主要用作上位機，向主站下載GSD文件）,、自己設(shè)計的嵌入式主站平臺(選用的是S3C2410芯片)和3個PROFIBUS-DP從站（ET200S,、mm420和自主設(shè)計的從站）構(gòu)成，如圖4,。

    本次測試的比特率選定為9.6 K,，同時對三個從站進行組態(tài)，分別測試移植Linux操作系統(tǒng)該主站平臺的測控周期Dtop和移植Linux操作系統(tǒng)后主站的測控周期Dend,。
    通過試驗,，從示波器上的測試圖形可以看出ttop的寬度大于tend的寬度，具體測量后可知：
    無操作系統(tǒng)下：Dtop≈297.3 ms
    Linux操作系統(tǒng)下：Dend≈10.7 ms
    可見,，移植Linux操作系統(tǒng)后,能使響應(yīng)時間大大降低,，提高對從站的管理效率。
    本文對影響PROFIBUS-DP實時性的因素進行了充分分析,，同時,，在自主設(shè)計的PROFIBUS-DP單主站平臺的基礎(chǔ)上，討論了無操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下對PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性的影響,，提出了提高自主設(shè)計的PROFIBUS-DP實時性的方法,。最后，通過實際測試,，根據(jù)測控周期這個指標(biāo)比較了兩個實時性之間的差異,。
參考文獻
[1] 楊瑞霞．運用狀態(tài)機提高嵌入式軟件效率[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(5)：69-71.
[2] 夏繼強,，梁超眾,，邢春香.工業(yè)通信用網(wǎng)關(guān)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2010,，36(2)：118-125.
[3] 劉強，甘勇梅,，王兆安.PROFIBUS2DP現(xiàn)場總線通訊接口的開發(fā)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2006，27(9)：39-41.
[4] 卜志翔,，胥軍.PROFIBUS現(xiàn)場總線通信協(xié)議研究[J].現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，2005(8).
[5] 曲輝,，葛麗娟.提高嵌入式系統(tǒng)可靠性軟件抗干擾措施[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009,，30(1)：229-232.
[6] LEE K C,，LEE S，LEE H H.Implementation and PID tuning of network-based control systems via Profibus polling network[J].Computer Standards and Interfaces,2004,，26(3)：229-240．
[7] SUK L,，KYOUNG N H．NDIS-based virtual polling algorithm for IEEE 802.11b for guaranteeing the real-time requirements．Computer Standards & Interfaces，2007,，29：316-324．