PROFIBUS现场总线的VPC3+C

1万 · 2019-5-15 17:04

传统的现场测控装置通过点对点连线、4-20mA或24VDC信号，信息量十分有
限，设备间及设备与外界的信息交换难以实现，严重制约了企业信息集成及综合自
动化的实现。随着网络信息化和自动化技术的发展，现场总线技术取得了很大的进
步，同时也对各设备之间信号的传输提出了更高的要求。Profibus-DP是最重要的开
放式现场总线系统，与其他监控系统相比具有结构简单，抗干扰能力强，通讯速率
快等特点。在工业现场应用当中，每一台机器良好工作与否都关系到整个系统运行
安全，仪器的运转温度是作为评判系统是否正常工作的一个重要部分，所以，将工
业现场设备的温度参数及时准确的传输至温控监测平台是必要的。
本文首先在参阅了Profibus技术相关文献的基础上，研究Profibus-DP现场总
线基本特性及通信协议，给出Profibus技术在生产生活中的优势地位，探讨温度数
据的采集、处理、传输方法以及对测量精度的影响。本文重点研究以单片机
S TM32F 103 VCT6为核心的硬件架构设计，利用MAX31865和MAX31855芯片进
行温度检测模块设计，选择DP专用芯片VPC3+C实现Profibus-DP从站功能协议，
完成了基于Profibus-DP的智能温度变送器的硬件、软件设计。该智能温度变送器
可以把实际生产中离散的点整合采样，将采集到的温度数据传输至主站平台上，达
到实时监控的目的。智能温度变送器采用可适用于多个通道的热电阻或者热电偶传
感器，测量范围广，成本低，具有较大的实用价值。

1万 · 2019-5-15 17:05

近年来，自动化控制技术随着科学技术的迅猛发展己经产生了巨大的变革[fll
工业现场和这些技术的合理深层对接，逐渐成为全球企业、工厂乃至车间、单一仪
表的控制和管理的必要技术手段。工业生产的高集成化、多元化、分布化、复杂化
发展趋势使得传统的4-20mA模拟量信号控制技术己无法满足其需求。数字信号能
解决模拟量信号不能在同一线缆上同时传输不同信号的问题，比如系统运行的当前
参数数据采集信号、设备运行状态信号、故障报警信号等等。工业生产和研究中控
制系统，智能现场设备的充分使用和各应用现场的控制系统能够直接在现场完成人
们想要的控制和二次利用功能都要求信息控制系统的效率性、高精度、实时性，这
些需求都要求人们采取更有效、更准确、集成度更高的总线控制系统。这种信号控
制传输系统使得传统的控制系统结构更简化、设备成本更低廉、维护和安装更简单。
现场总线技术就是在以适用于工业生产现场、企业后台数据解析控制的过程控制而
产生的通讯协议。
多点测量的现场总线技术作为目前自动化技术中的热门[f2l，被大量应用在工业
生产实践中。标准化和模块化的总线设备以及其高度的系统集成性、网络的控制分
散性、准确性和可靠性可以给企业生产带来充分的自治能力和便利性。

1万 · 2019-5-15 17:06

Profibus开发于1987年，在德国联邦科技部赞助下，众多名企及科研机构一起
加入研究开发。美国仪表协会(ISA)在1984年定义和规范化现场总线技术，形成现
场总线标准。1992年，由Siemens, Rosemount, ABB等80家公司联合成立ISP
(Interoperable System  Protocol)组织，在PROFIBUS基础上制定现场总线标准。
1993年，又成立了World FIP  (Factory Instrumentation Protocol)组织。1994年，ISP
和World FIP北美部分合并，成立了现场总线基金会CFF,  Fieldbus Foundation，该
现场总线基金会组织在1996年初发布低速总线H1的标准[[3]，规范了现场总线安装
系统，这一举措给不同的生产厂家的总线设备创造了便捷互联的可能性，自此H1
低速总线迈进实际应用领域。2000年1月中旬，Profibus现场总线正式被确立为
IEC61158国际现场总线标准之一[[4]，此标准的发布并未结束总线系统多标准的现实，
多标准竞争的态势将继续保持。

1万 · 2019-5-15 17:06

总线技术在蓬勃发展，目前有很多总线标准，例如FF, Profibus和HART等。
每种总线呈现自己的特点，各自应用到不同领域，现在仍没有一致标准。因此，选
择何种总线时，既要符合要求，又要与主流技术接轨，一定得切实综合各种要素。
在目前所有的现场总线标准当中，Profibus总线作为当今较普遍的现场总线之一，
受到大家欢迎[6]。Profibus现场总线价格低廉，组态简单，传输可靠，安装和维护
容易且成本也较低。
Profibus不仅仅是作为欧洲标准EN50170的现场总线标准以及德国国家标准
DIN19245，其己经在1999年12月写入了国际标准IEC 61158，成为了总线国际标
准组成部分[}} o Profibus有两个总线:传输率快的Profibus-DP总线和Profibus-PA速
率较低的总线，它们在性能和结构上都很特别。与此同时，Profibus总线的特别突
出的特点在于其具有广泛性，Profibus普遍应用在制造业、工业过程控制以及其它
自动化等领域中[fgl，另外Profibus还能够在同时内完成集中、分散以及混合控制三
种形式。Profibus还具有下列优点:
   (1)特定的时间控制技术，能将物理层和数据链路层时间参数按照定性和定
量反映，而众多总线技术无法实现;
   (2)独特的诊断技术，设备诊断在设计阶段就应考虑，执行方式各有差异，
这些不同的方式却比较少的在进行组态时、产品现场实施时以及设备运行时的各个
的诊断情况中考虑到，它们很少综合考虑设备开发、组态及运行等各个方面，而
Profibus有着优越的设计，维护也非常方便;
   (3)多主站的系统方式，令牌环式的多主站系统，可以实现更多的功能，如
若二类主站接入正常运行系统，能监视并设置、校验现场设备，而通常的系统很难
实现;
   (4)认证的措施非常严格，严格按照Profibus规范测硬件接口和通信协议、
互操作性等方面。

1万 · 2019-5-15 17:07

3 PROFIBUS的分类
Profibus现场总线拥有普遍使用领域的、开放式的数字通信系统，并且在传输
速率要求高、时间控制严格的场合以及复杂的通讯任务中得到应用[},  Profibus总
线的三种形式:
   (1)Profibus-FMS;
   (2)Profibus-PA;
   (3)Profibus-DP。
Profibus-FMS是工厂间普遍使用的中等传输速度互连技术、解决循环与非循环
的通信指令，主要用于楼宇自动化、电气自动化以及开关设备等通用的自动化控制
yob
Profibus-PA是特别适用于工业过程自动化的传输协议，能在安全控制严格和满
足现场总线供电条件下的应用。
Profibus-DP是国际开放式现场总线标准，不依赖设备制造商，能在执行机构和
传感器的数据高速传输应用，中央控制器与分散式现场设备之间的通信可由高速串
行线执行，大部分情况下可以周期性的与这些现场设备进行数据通讯[Ll0
Profibus-DP技术在工业自动化各个领域己获得普遍应用。而Profibus-DP总线技术
的应用占Profibus的80%，体现了Profibus-DP总线技术的价值和特性。国外生产
企业提供大部分仪器和智能设备，他们对价格进行垄断，造成了总线设计费用增加。
另外，也存在一些海外生产商设计的设备无法进行Profibus-DP通信，因此怎样独
立开发性能稳定的Profibus-DP智能通信接口，达到相同的设备同时运行或不同设
备采用相同的总线运行，使该技术的研究显得非常紧迫和重要，也能加速现场总线
技术在国内的应用。

1万 · 2019-5-15 17:07

第一章绪论，首先介绍现场总线的形成及性能，再着重说明Profibus的发展和
近况，并阐明研究的重要性及紧迫感，最后对本文内容和结构进行组织。
第二章主要进行Profibus总线技术说明和分类，重点对Profibus-DP技术、通
讯协议展开详细分析。
第三章主要设计基于Profibus-DP的多通道温度变送器的硬件部分，给出了包
括温度信号检测电路、接口部分、数据处理和控制部分的系统硬件各部分功能的详
细设计。
第四章软件设计部分，也是本文核心部分，软件是基于STM32上的编程来完
成多通道温度变送器的设计和实现。本章主要从系统初始化、数据通讯、采集及处
理功能、显示与按键，以及Profibus-DP通讯接口等完成软件设计工作。
第五章主要对基于Profibus-DP的多通道智能温度变送器进行系统测试，验证
温度变送器设计结果真实性和准确性。
第六章结论与展望，对全文进行总结。

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Profibus-DP(Decentralized Periphery)是用于实现现场级控制模块与分散式输入
输出模块间的高速实时数据交换。Profibus-DP在工业现场可以取代传统的模拟信号
传输方式，DP定义了OSI参考模型中的物理层，数据链路层以及用户层，其它层
未加描述。在发展过程中，Profibus-DP共有三个版本，分别是DP-V0, DP-V 1, DP-V2 0
DP-VO定义了DP通讯的基本功能，包含周期数据交换，主要用于主站与从站间进
行正常数据交互;以及对于从站模块的站点诊断、输入输出从站个别特定通道的诊
断。DP-V 1版本中加入了非周期数据交换，主要实现对于智能从站的参数赋值、操
作以及报警处理。DP-V2版本中加入了同步从站模式以及从站与从站通信等内容【15]0
Profibus遵循ISO/OSI模型，而Profibus总线只使用部分层，确定使用物理层
和数据链路层，详见如下:
   (1)  Profibus-DP阐明了物理层、数据链路层和用户层。其他层没有描述，
使得层层间操作和转换更容易，节约设计时间。用户层表述的是用户、系统和各设
备间相互调用的功能，并对各类Profibus-DP现场设备规范给出具体阐释;
   C 2 )  Profibus-FMS:对物理层、数据链路层和应用层做了说明。其中，应用
层包括:现场总线信息规范((FMS)与低层接口(LLI)两个方面的内容。现场总线信息
规范包含了应用协议并且可以向用户提供具有普遍的强大的通信服务，底层接口可
以调和各种通信之间的关系而且还可以提供不依靠设备的第二层访问接口【16}.
   C 3 )  Profibus-PA:  Profibus-PA的数据的传输协议选用的是Profibus-DP的扩
展协议。同时，Profibus-PA也规定了具有现场设备行为的行规。依据IEC 115 8-2标
准，PA的数据传输技术不仅保证自身特性的安全，也能够由总线给现场设备供电。
另外使用连接器可以基于DP扩展PA网络。因为Profibus-FMS只提供主站与主站
间的通信协议，不支持主从间的通信协议，主要适合在工厂级主站之间通用的以及
面向对象的通讯，但因为通信数量大，成本高，Profibus-DP正逐步将其取代。
Profibus-PA是专门应用于数据安全极高的场合，波特率不可以改变，然而
Profibus-DP支持主从通信，波特率可以根据需要在9. 6Kbit/s到12Mbit/s直接选择，
成本较低、设计简单，因此DP成为比较受喜爱的一种通信协议。Profibus-DP协议
还详细描述了用户的数据是怎样在总线各个站间进行传输信息的，然而用户数据的
具体意义在Profibus行规中进行了详细描述。此外，行规也详细的描述了Profibus-DP
总线是怎样在应用领域使用的。应用行规能够让不同厂商所生产的不同设备相互交
换使用，由于与应用相关的具体含义己在行规中均进行准确的规定说明，使得工厂
操作人员也不必关心不同设备之间存在的不同[}1}}。 Profibus0行规的制定为遵循
Profibus协议的设备进行之间的互操作奠定了基础。
由于Profibus-DP通信模型只选用OSI模型中的三层:第一层、第二层和用户
层，而没选用其它层，因而重点关注这三层。

1万 · 2019-5-15 17:08

(1>物理层
物理层采用EIARS-232, EIARS-422/RS-485等协议，描述了传输介质、物理
连接和接口电气特性。定义了Profibus-DP的传输介质，网络拓扑结构，通讯总线
的接口规范，主站与从站的站点数等。DP信号采用RS-485差分电压的方式进行传
输，短距离传输时，可以使用双绞线作为传输介质。若应用现场有较强的电磁干扰
或者DP信号需要进行远距离传输，可以利用光纤进行信号传输[ys}。传输速率可以
在9. 6} 12K饰s之间选择，每个Profibus-DP从站输入输出数据的最大字节数是244B,
在传输速率为12Kbps时，传输距离能够达到100m，并且能够用中继器延长到l Okm,
可以连接多达127个从站。选择九针D型连接器为电缆接口，D型连接器插座和设
备连接，插头和总线连接，电缆的最大长度与传输速率有关系，在不同的介质、不
同的波长的情况下，传输信号的距离也会不同【1}} o Profibus-DP传输速率因电缆型号
和距离不同而有所差异，Profibus-DP在常规线缆传输速率如表2.1所示。

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(2)数据链路层
按照OSI模型，该层规定了总线存取协议，使用相同的总线存取协议。Profibus
总线存取协议包括数据报文处理、数据安全性、总线存取控制以及传输协议[}ao}。本
层以令牌传输实现总线访问，重点于创建、保持和取消数据链路的连接，达到正确
数据传输的功能。Profibus-DP有两种通信机制:直接令牌传递通信机制(适用于主
站间);分时轮询机制(适用与主站和从站间)。介质存取控制(MAC, Medium Access
Control)在控制数据传输时首先要保证任意时间点只可以有一站点发出数据。
Profibus总线通讯协议分为令牌传递方式(主站之间)和主从方式(主站和从
站间)，如图2.2所示。

1万 · 2019-5-15 17:11

每一个主站依靠令牌传递程序确保在一个确定时间里会得到总线存取权(即令
牌)}21} o Profibus规定了令牌传递只能在各主站之间相互传递。每个主站在得到令牌
指令后都可以向从读取或输出信息，所以从站只是主站的一个底层，从站对总线是
没有控制权的。该层用四种报文完成本站与远程站交换数据。
SDA:发送需要确认的数据，用于主站间通讯。
SDN:发送无需确认的数据，一个主站向多个从站发送数据，以及给全部从站
广播，不需从站回复。
SRD:发送且要求回复的数据。SRD服务允许主站给单个远程从站发送数据时，
会向从站立即应答数据请求[f221。用于主站与从站的轮询通讯。
CSRD:发送并要求回复的循环数据。主站循环地向从站发送报文请求，循环
采集数据，因为产生很大的通讯数据，现己较少使用。
Profibus-DP有SD1, SD2, SD3, SD4和SC五种报文帧结构。
SD1:不含数据域，在对通讯中位于活动状态的站点进行访问时使用该报文。
格式详见表2.2:

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SD2:数据域长度允许变化。功能强，配置多，应用最普遍，多用于SRD服务。
格式详见表2.3

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SD3:带固定8字节长度数据域。格式详见表2.4:

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SD4: Token令牌帧，实现令牌帧在多主系统中主站间的传递。格式详见表2.5:

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SC为短应答帧，仅用于请求服务的简单回复。格式详见表2.6:

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Profibus-DP各类报文帧参数域意义如表2.7所示:

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Profibus-DP协议行规具体规定了Profibus-DP如何用于应用领域[[24]。借助于该
行规，不同的生产厂家可以不用担心设备的不同而无法进行通讯。Profibus-DP行规
如下:
(1) NC/RC行规。适合控制加工和装配设备，采用流程图描述自动化装置的
动作和程序控制。
   (2)编码器行规。适合旋转编码器、角度编码器和线性编码器等。测控装置
归为两种，行规定义了基本和附加功能。
   (3)变速传动行规。该行规规定了怎样定义驱动参数、怎样传送设定值和实
际值，这样不同制造商生产的驱动设备就可实现互换[[25]。变速传动行规还确定了包
含运行状态“定位”和“速度控制”所需标准。此行规不仅定义了基本的驱动功能，
而且为后续应用的开发和拓展留出了空间。
   C4)操作员控制和过程监视行规(HMI。介绍HMI设备和上层自动化装置
连接。
   (5)防止出错数据传输行规。规范故障安全设备通信的附加数据安全机制，
包含紧急停止机制等。