目前國內業(yè)界對于Profibus-DP的研究和相關產品的開發(fā)都是基于國外提供的專用協議芯片(主站多數采用西門子推出的ASPC2,，從站多采用SPC3等智能通信芯片)，而沒有協議芯片樣機開發(fā)的相關報道,。對于主站的開發(fā),，國內一些科研院所(北航706教研室,、中科院、浙大等)也曾利用可編程邏輯器件配合MCU設計出簡單主站的試驗產品,，但是這些產品僅能實現單主站的功能,，對于組成強大的Profibu-DP網絡還望塵莫及。為了打破國外芯片的壟斷,，推動國內相關芯片及產品的開發(fā),，本文提出了一種FPGA與ARM相結合的方式解決Profibu-DP 1類主站的主主通信及主從通信問題，實現了比較完整的主站研制方案,。

　　1 Profibus-DP主站通信機理及技術特性

　　1．1 Profibus-DP主站通信協議

　　Profibus協議的結構以OSI為參考模型,，DP使用第1層、第2層和用戶接口,，第3層到第7層未加以描述,。一個DP系統既可以是一個單主站結構，也可以是一個多主站結構,，本文涉及的是多主站結構,。多主站結構使用混合的總線訪問控制機制，主站之間采取令牌控制方式,；令牌在主站之間傳遞,，擁有令牌的主站擁有總線訪問控制權；主站與從站之間采取主從的控制方式,。

　　令牌是一種特殊的報文,，如下所示：

SD    DA     SA

　　SD為開始分界符，DA為目的地址,，SA為源地址,。令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照主站的地址構成邏輯環(huán),。在這個環(huán)中，令牌在規(guī)定的時間內按照地址的升序在各主站間依次傳遞,，用戶通過編寫令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時問內得到令牌,，之后該主站就可以在規(guī)定的時間內與所屬從站通信，也可與所有主站通信,。其中主站與所屬從站間的數據通信由主站按已確定的循環(huán)順序自動地進行處理,。

　　1．2 令牌循環(huán)時間分析

　　最壞情況下令牌循環(huán)時間為：

　　其中，TTH為站點令牌保持時間,，TTS為令牌的整體傳輸延遲,，TMA為令牌維護時間。在不考慮出錯重發(fā)的前提下,，N個主站令牌的整體傳輸延遲TTS=N·TTK,，TTk是發(fā)送令牌PDU(協議數據單元)需要的時間。高優(yōu)先級報文的傳送時間為THMS，報文數量為M,；低優(yōu)先級報文的傳送時間為TLMS,，報文數量為L。假設所有站點的報文服務均含有應答,，則代入上述公式可得：

　　2．2 ARM控制器部分程序設計

　　ARM控制器程序對應于Profibus通信協議數據鏈路層之上的DDLM直接數據鏈路映射程序,、主站通信狀態(tài)機、應用層數據接口及應用層,。

　　本設計對Profibus-DP協議按層次封裝為函數,，層層調用。

　　2．2．1 Slave_Handler狀態(tài)機

　　Slave_Handler狀態(tài)機功能塊負責實現主從通信功能,，根據從站狀態(tài)做出相應處理,，有固定的處理次序，每次調用Slave_Handler狀態(tài)機產生一個DDLM請求,，從而控制從站進入相應的通信狀態(tài),。Slave_Handler狀態(tài)轉換圖如圖2所示。

　　2．2．2 Scheduler和FDL_Controller狀態(tài)機

　　Scheduler狀態(tài)機功能塊負責實現對Slave_Handler狀態(tài)機的控制,。它向Slave_Handler狀態(tài)機發(fā)送從站輪詢控制信號,，控制其逐步與從站建立數據交換關系。

　　FDL_Controller狀態(tài)機由10個FDL狀態(tài)組成并在這些狀態(tài)間轉換,，如圖3所示,。

　　邏輯令牌環(huán)的建立主要工作是對LAS和GAPL的初始化。LAS和GAPL的具體初始化流程如圖4所示,。

　　LAS的形成標志著邏輯令牌環(huán)初始化的完成,。接下來就是邏輯令牌環(huán)運轉的維護階段，令牌將按照LAS進行循環(huán)傳遞,，得到令牌的主站有權進行對其所屬從站的輪詢,。傳遞過程中主站將以固定的時間間隔，通過Request FDLStatus主動幀來詢問自己GAP范圍內的所有地址,，并根據詢問結果修改LAS和GAPL,。在主站活動表生成之后，前驅站詢問ReqtJest FDL Starus,，主站回復準備進入邏輯令牌環(huán),，并從Listen_Token狀態(tài)進入Active_Idle狀態(tài)(主站的前驅站會修改自己的GAP和LAS，并把該主站作為自己的后繼站),。主站在Active_Idle狀態(tài)*總線,，能夠對尋址自己的主動幀作應答，但沒有發(fā)起總線活動的權力,，直到前驅站傳送令牌給它,，它保留令牌并進入Use_Token狀態(tài),，在此狀態(tài)下驅動Scheduler狀態(tài)機工作。主站持有令牌后,，首先計算上次令牌獲得時刻到本次令牌獲得時刻經過的時間(即實際輪轉時間tRR),，并與用戶設定的目標輪轉時間tTR比較，如果tRR小于tTR,，則主站開始處理傳輸任務,。首先處理高優(yōu)先級傳輸服務，所有高優(yōu)先級服務處理完畢后處理低優(yōu)先級服務,。在這個過程中,，每一個完整的報文循環(huán)之后，主站就重新計算tTR—tTH,。若結果小于0,，主站進入PassToken狀態(tài)，將令牌傳遞給后繼站,，未完成的任務留到下一次令牌持有的時候再執(zhí)行,。所有傳輸服務都完成后，不管是否有時間剩余,，主站都交出令牌,。如果主站接到令牌時發(fā)現tTR—tTH<O，則只發(fā)送一個高優(yōu)先級報文,，完成后交出令牌,。主站在令牌傳遞成功后，進入Active_Idle狀態(tài),，直到再次獲得令牌,。

　　3 系統工作過程

　　系統工作過程主要是ARM控制器和FPGA的通信交互過程，如圖5所示,。從系統安全性上考慮,，FPGA和ARM建立通信必須有雙方的確認信號，雖然Altera Cyclone系列FPGA從上電到穩(wěn)定之前引腳沒有輸出,，從系統安全性角度考慮還是不夠的,。

　　這里FPGA_READY信號的設計是考慮到FPGA內部鎖相環(huán)模塊PLL穩(wěn)定工作之前需要建立時間，而其未穩(wěn)定時是不能對其進行操作的,。通信的狀態(tài)通過ARM控制器上的狀態(tài)機(FDL控制狀態(tài)機,、調度狀態(tài)機和主從通信狀態(tài)機)進行轉換,，根據定時要求,、從站響應幀給出的信息，以及錯誤檢查等信息,，狀態(tài)機能夠應付一般的異常并自行恢復到正常的通信之中,。

　　4 結論

　　Profibus-DP協議用任何微處理器都能實現,，只要微處理器配有內部或外部的異步串行接口(UART)，但當數據傳輸速率較快(超過500 kb／s)時,，用ASIC芯片來實現更安全可靠,。本文充分利用了FPGA實時性好和ARM核微控制器便于開發(fā)的優(yōu)點，實現了Profibus-DP 1類主站,，經過搭建簡單測試環(huán)境進行測試,，能和市場上的成品主從站建立通信連接并進行基本的主主、主從通信,。