Linux和S3C2410的PROFIBUS-DP主站平臺設(shè)計

摘要：針對標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS—DP主站在國內(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PROFIBUS—DP主站的設(shè)計和研究，實現(xiàn)了PROFIBUS—DP1類主站的主從通信功能。采用模塊化設(shè)計思想，從防錯設(shè)計、糾錯設(shè)計、故障恢復(fù)設(shè)計等方面對設(shè)計方案中軟硬件可靠性進(jìn)行了詳細(xì)分析。從響應(yīng)時間的角度闡述了影響系統(tǒng)實時性的關(guān)鍵問題，同時對本平臺的實時性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過實驗測試了該主站的性能參數(shù)。實驗結(jié)果表明，對于多從站通信，使用Linux操作系統(tǒng)后，性能更優(yōu)越，運行更穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：主站；實時性；模塊化；Linux操作系統(tǒng)

引言
    PROFIBUS是面向工廠自動化、流程自動化的一種國際性的現(xiàn)場總線標(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)場總線分3種：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP和PROFIBUS—PA。其中，PROF-IBUS—DP是一種高速的低成本通信連接，用于設(shè)備級通信系統(tǒng)與分散式通信。
    PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線由主站和從站組成。對于從節(jié)點的研究，國內(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。但是對于主站，由于其技術(shù)復(fù)雜、開發(fā)難度大，目前國內(nèi)只有北京和利時技術(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)，并只實現(xiàn)了部分子集功能。大部分產(chǎn)品主要由國外幾家大公司壟斷。同時，隨著PROFIBUS在國內(nèi)市場上的迅速推廣，許多企業(yè)和科研單位開始了對PROFIBUS協(xié)議的研究，并展開了使用PROFIBUS通信協(xié)議的智能節(jié)點的研究。但是，目前國內(nèi)業(yè)界對于PROFIBUS—DP的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)都是基于國外提供的專用協(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)計領(lǐng)域，而沒有主站樣機(jī)開發(fā)的相關(guān)報道。對于主站的開發(fā)，國內(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)計出簡單主站的試驗產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品僅能實現(xiàn)簡單的主站功能，對于組成強(qiáng)大的PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)還望塵莫及。
    本文正是針對上述的問題，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)計了基于Linux操作系統(tǒng)的PROFISBUS —DP主站。在硬件上采用ARM9內(nèi)核的處理器S3C2410，同時將Linux操作系統(tǒng)移植到此硬件平臺上，在此基礎(chǔ)上，完全由軟件編程實現(xiàn)了整個PROFIBUS—DP的主站功能，能夠與標(biāo)準(zhǔn)PROD—IBUS—DP從站設(shè)備進(jìn)行通信。

1 PROFIBUS—DP主站通信機(jī)制
    PROFIBUS—DP的主要目的是在功能強(qiáng)大的主站與若干簡單的從站之間進(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)。
    PRIFIBUS—DP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，1類主站還能用一組功能與2類主站進(jìn)行通信。2類主站則是一個編程器或一個管理設(shè)備，可以執(zhí)行一組DP系統(tǒng)的管理與診斷功能。由于2類主站不能單獨作為一個主站對從站進(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)計的是一個1類主站。
    PROFIBUS—DP的1類主站主從通信過程，大致分為以下幾個階段：詢問從站是否在線，主站對從站的第一次診斷，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，PROFIBUS—DP對幀的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的時序關(guān)系做了嚴(yán)格的規(guī)定，且定義了12個參數(shù)以限定及保證幀間隔時間和可允許的最大等待時間等。一次典型的主從站數(shù)據(jù)交換過程在發(fā)出每一個幀前，須有一個同步期TSYN，即在每一報文幀發(fā)出前加入一段總線休息時間，其長度固定為33Tbit時間。
    在TSYN后，通信的發(fā)起方發(fā)出請求幀到響應(yīng)者(從站)。接收方從接到該請求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的間隔時間定義為TSDR，該參數(shù)的大小反映了該響應(yīng)方從站的計算能力大小和資源多少。有些站點沒有采用專用的通信ASIC芯片，或者宿主MPU的計算能力較低都會使響應(yīng)時間較長。  PROFIBUS—DP協(xié)議中規(guī)定了響應(yīng)時間的上、下限值即：min TSDR，max TSDR。其中：min TSDR=11Tbit，maxTSDR=60Tbit～850Tbit。
    在通信的發(fā)起方(主站)一側(cè)，從主站發(fā)出請求幀的最后一位到收到響應(yīng)幀的第一位之間的時間間隔被定義為Slot Time，它從另一個方面反映了一個系統(tǒng)的實時性能的好壞。此設(shè)計中定義了一個重要的參數(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TSL后，還未收到接收方的響應(yīng)，則認(rèn)為系統(tǒng)出錯，或重發(fā)請求幀(重發(fā)請求數(shù)不超過Max Retry Limit參數(shù)限制)，或上交此錯誤給FDL層。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    本PROFIBUS—DP主站硬件平臺由于目標(biāo)是完全采用自主技術(shù)，不依靠國外的產(chǎn)品和技術(shù)，所以本系統(tǒng)選用的是第一種方案(即由處理器運行完整的協(xié)議來實現(xiàn))；同時，基于S3C2410芯片的強(qiáng)大功能，本平臺不但移植了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，這對于平臺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。

    此硬件平臺以S3C2410處理器為核心，通過編程實現(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，針對S3C2410處理器的功能，使用外圍芯片DM9000實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信功能，并根據(jù)USB的特點，以特定的I／O口實現(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。在本試驗平臺中，通過串口1實現(xiàn)了DP通信，通過串口2實現(xiàn)了該硬件平臺與上位機(jī)的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    為了提高該試驗平臺的可靠性，軟件設(shè)計方面將本系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，另一個子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)PROFIBUS—DP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。

    DP網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上位機(jī)通信接口模塊是兩個獨立的模塊，他們共享硬件相關(guān)的函數(shù)庫和從站相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這兩個模塊還互為生產(chǎn)者和消費者的關(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)。本主站在軟件實現(xiàn)中所采取的保證可靠性措施主要有防錯設(shè)計、糾錯設(shè)計、故障恢復(fù)設(shè)計等。
    防錯設(shè)計：主要體現(xiàn)在系統(tǒng)程序自檢技術(shù)及數(shù)據(jù)封裝方面。系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中采用分層結(jié)構(gòu)，與硬件操作相關(guān)的層的通信采用單獨通信模塊完成，這些層次之間通過層間接口進(jìn)行通信，層間接口在設(shè)計過程中對輸入的參數(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，對與上位機(jī)通信和DP網(wǎng)絡(luò)通信兩個子系統(tǒng)分別進(jìn)行編程，分別提供各個子系統(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)重名以及編程過程中誤修改產(chǎn)生的問題。
    糾錯設(shè)計：網(wǎng)關(guān)通信過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)的正確性和時間兩個方面。無論是與上位機(jī)通信，還是DP網(wǎng)絡(luò)的通信，每次對于傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)都有專門的數(shù)據(jù)校驗?zāi)K進(jìn)行校驗，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，針對接收超時等問題，也有專門的模塊進(jìn)行處理。
    故障恢復(fù)設(shè)計：采用看門狗技術(shù)。系統(tǒng)軟件在運行過程中開啟硬件看門狗，軟件必須在一定的時間內(nèi)“喂狗”，否則就會導(dǎo)致看門狗對系統(tǒng)的復(fù)位。這樣防止了因程序跑飛而導(dǎo)致無法恢復(fù)的錯誤。

5 系統(tǒng)實時性
    PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線作為應(yīng)用在設(shè)備的公共總線，必須解決各節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)競爭問題，同時保證通信的實時性。PORFIBUS—DP系統(tǒng)的實時響應(yīng)時間依賴于max TSDR、采用的傳輸速率、要交換的數(shù)據(jù)長度和數(shù)量、min_slave_Interval(某一個從站前后2次被主站輪詢的最小間隔時間)4個參數(shù)。系統(tǒng)的測控周期(又稱訪問周期)是指控制系統(tǒng)周期性訪問網(wǎng)絡(luò)上同一個節(jié)點的時間間隔，是衡量PORFIBUS—DP實時性能的一個重要指標(biāo)。
    一次典型的主從數(shù)據(jù)交換過程如圖4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。
    TID1定義了一個發(fā)送節(jié)點在獲得相應(yīng)信號后的再次發(fā)送下一個信息幀所需的最短時間。
    從圖4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。
   
    其中：TReq=a×11Tbit，a為請求／發(fā)送幀中的字符個數(shù)；TRes=b×11Tbit，b為應(yīng)答幀中的字符個數(shù)；TAsk=1×11Tbit，短應(yīng)答幀；TS-DR為站延遲時間，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；TTD為傳輸間隔時間，指一個幀在傳輸時在發(fā)送器和接收器之間的傳輸介質(zhì)上經(jīng)過的最大時間。
    本硬件平臺中PROFIBUS—DP總線傳輸速率設(shè)置為9．6 kbps，由于是近距離傳輸，所以TTD=OTbit，Tsdr=11Tbit，TID1=37Tbit，和主站通信的從站最多有244個數(shù)據(jù)(根據(jù)：PROFIBUS—DP協(xié)議規(guī)定)輸入／輸出，請求幀中有11個字符數(shù)據(jù)，則報文循環(huán)時間最長為：
   
    可見，在傳輸速率為9．6 kbps的情況下，一次報文循環(huán)的最長時間為297．3ms；從上面這些參數(shù)中可以發(fā)現(xiàn)，只有TID1能夠由主站平臺的性能決定，普通的MPU調(diào)度所需時間為24．66μs。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0(1)的調(diào)度算法，大大提高了進(jìn)程調(diào)度能力，同時對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)了主站平臺的功能。

5 主站平臺性能分析及調(diào)試
    PROFIBUS—DP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。由于本實驗室的從站數(shù)目有限，搭建的測試平臺目前只有3個PROFIBUS—DP從站(ET200S、MM420和自主設(shè)計的從站)，如圖5所示。

    本次測試的傳輸速率選定為9．6 kbps，同時對3個從站進(jìn)行組態(tài)，分別測試移植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)出之間的時間ttop，到移植Linux操作系統(tǒng)后主站的響應(yīng)時間tend；通過實驗，從示波器上的測試的圖形可以看出ttop的寬度是大于tend的寬度的，具體測量后可知無操作系統(tǒng)下ttop≈4 015．4μs，Linux操作系統(tǒng)tend≈70μs?？梢娨浦睱inux操作系統(tǒng)后能使主站的響應(yīng)時間大大縮短，提高對從站的管理效率。