FPGA和ARM的Profibus-DP主站通信平台设计
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2020-10-26
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FPGA和和ARM的的Profibus-DP主站通信平台设计主站通信平台设计
提出一个使用FPGA和ARM微控制器实现Profibus-DP主站(1类)通信平台的解决方案；解析了Profibus-DP通信
协议，重点是令牌轮转协议；给出了该主站通信平台的系统构建。该通信平台可以独立实现Profibus-DP主站(1
类)与其他主站(1类和2类)的令牌传递的主主通信功能，以及其与从站的主从通信功能。
摘要：提出一个使用Profibus-DP主站(1类)通信平台的解决方案；解析了
Profibus-DP是由
目前国内业界对于Profibus-DP的研究和相关产品的开发都是基于国外提供的专用协议芯片(主站多数采用西门子推出的
ASPC2，从站多采用SPC3等智能通信芯片)，而没有协议芯片样机开发的相关报道。对于主站的开发，国内一些科研院所(北
航706教研室、中科院、浙大等)也曾利用可编程逻辑器件配合MCU设计出简单主站的试验产品，但是这些产品仅能实现单主
站的功能，对于组成强大的Profibu-DP网络还望尘莫及。为了打破国外芯片的垄断，推动国内相关芯片及产品的开发，本文提
出了一种
1 Profibus-DP主站通信机理及技术特性主站通信机理及技术特性
1．．1 Profibus-DP主站通信协议主站通信协议
Profibus协议的结构以OSI为参考模型，DP使用第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述。一个DP系统既可
以是一个单主站结构，也可以是一个多主站结构，本文涉及的是多主站结构。多主站结构使用混合的总线访问控制机制，主站
之间采取令牌控制方式；令牌在主站之间传递，拥有令牌的主站拥有总线访问控制权；主站与从站之间采取主从的控制方式。
令牌是一种特殊的报文，如下所示：
SD DA SA
SD为开始分界符，DA为目的地址，SA为源地址。令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环。在这个环
中，令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站间依次传递，用户通过编写令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时
问内得到令牌，之后该主站就可以在规定的时间内与所属从站通信，也可与所有主站通信。其中主站与所属从站间的数据通信
由主站按已确定的循环顺序自动地进行处理。
1．．2 令牌循环时间分析令牌循环时间分析
最坏情况下令牌循环时间为：
其中，TTH为站点令牌保持时间，TTS为令牌的整体传输延迟，TMA为令牌维护时间。在不考虑出错重发的前提下，N个
主站令牌的整体传输延迟TTS=N·TTK，TTk是发送令牌PDU(协议数据单元)需要的时间。高优先级报文的传送时间为THMS，
报文数量为M；低优先级报文的传送时间为TLMS，报文数量为L。假设所有站点的报文服务均含有应答，则
代入上述公式可得：
2．．2 ARM控制器部分程序设计控制器部分程序设计
ARM控制器程序对应于Profibus通信协议数据链路层之上的DDLM直接数据链路映射程序、主站通信状态机、应用层数据
接口及应用层。
本设计对Profibus-DP协议按层次封装为函数，层层调用。
2．．2．．1 Slave_Handler状态机状态机
Slave_Handler状态机功能块负责实现主从通信功能，根据从站状态做出相应处理，有固定的处理次序，每次调用
Slave_Handler状态机产生一个DDLM请求，从而控制从站进入相应的通信状态。Slave_Handler状态转换图如图2所示。
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