STM32与PROFIBUS协议

1万 · 2019-5-16 13:50

基于STM32F 103实现Profibus-DP从站软核的研发
由于我之前共享了一篇资料，没想到一位好心的网友告诉我，竟然可以直接使用STM32开发DP协议！

顿时感觉走了不少弯路！

现在共享一下资料，也希望大家一起探讨！

再次感谢这位网友！

1万 · 2019-5-16 13:51

Profibus-DP具有很高的市场占有率，主要用于设备级控制系统
与分散式I/O的通信中，安装简单，即插即用，且通信实时可靠，功
能比较完善等特点，是目前国际上应用最广泛的一种现场总线。当前，
国内对Profibus-DP的应用与研究主要以国外的一些成套设备为主，
而自主研究开发通信接口却比较少[m。在国内大多数采用德国西门子
公司提供的ASIC专用Profibus协议芯片SPC3开发Profibus-DP从站，
但由于SPC3芯片价格昂贵，再之外围器件的成本和软件开发的成本，
给生产厂家带来了巨大的成本压力，导致国内只有少量产品带有
Profibus-DP通信接口，无法被广泛应用。本文就针对该方案的缺点，
提出了采用廉价的高性能的普通ARM7芯片STM32F 103软核开发
Profibus-DP从站，代替了Profibus-DP专用芯片。通过有效地分配
STM32F 103的资源，采用硬件与软件相结合，开发智能DP从站，具
有硬件成本低、通信速率高、易修改及扩展、灵活性高等优点。

1万 · 2019-5-16 13:52

(1)介绍现场总线技术的发展概况、应用前景以及Profibus-DP协
议在国内外的应用情况，论述了国内开发Profibus-DP从站所采取的
方案及其存在的局限性，指出了本课题的研究方案、研究内容及待解
决的关键技术。
(2)比较目前国内开发Profibus-DP从站所采取的方案，指出各自
存在的优缺点，提出一种基于aRM}芯片STM32F 103软件实现
Profibus-DP智能从站的方案，并针对预期的指标进行可行性分析。

1万 · 2019-5-16 13:54

(3)重点介绍Profibus-DP从站的硬件和软件设计。从硬件原理图
的设计、PCB版的制作、电路的焊接及调试到软件编程进行详细介绍。
硬件电路主要包含微处理器接口、电源电路、RS485通信接口。软件
主要完成MAC层及LLC层的功能，如高速数据收发、帧间隔识别、
帧解析、处理及封装等。
(4)采用CP5611+PC机作为Profibus-DP主站，搭建Profibus-DP
从站的测试平台，对本方案实现的Profibus-DP从站进行测试，是否
达到预期的指标。
(5)最后，采用自制的丢包率测试站对己完成的DP从站进行丢包
率测试，给出测试的实验结果，并对实验数据进行详细地分析。
本文实现的Profibus-DP从站在降低成本的同时，确保了高速通
信的功能，可以广泛地应用于高速通信的工业现场网络中，实现一个
智能化的网络，便于用户的管理。

1万 · 2019-5-16 13:54

这个资料很好。感谢！

1万 · 2019-5-16 13:55

目前，国际上常用的现场总线标准有Profibus} Modbus} DevideNet} CANopen
等，其中，Profibus总线标准应用最为广泛，它具有开放性、互操作性、环境适
应性较强等优点。在国际上，已有300多家大型厂商(包括西门子、施奈德、ABB ,
欧姆龙、三菱等)都支持与推广Profibus标准。国内也有少量的产品带有Profibus
接口，国内这些产品所带的Profibus接口采用了DP从站的形式，而且大多数都采
用了德国西门子公司提供的ASIC专用Profibus协议芯片SPC3开发智能从站。由于
SPC3芯片的价格昂贵，再加之外围器件的成本和软件开发的成本，给低压电器
产品生产厂家带来了很大的成本压力，这就是国内很少产品带有Profibus-DP接口
的原因。

1万 · 2019-5-16 13:55

本课题就针对上述问题提出了相应解决方案，利用廉价的高性能普通ARM
芯片S TM32F 103开发Profibus-DP从站，代替了Profibus-DP专用协议芯片。通过有
效地分配STM32F 103的资源，采用硬件与软件相结合，开发智能DP从站，完全
代替ASIC专用芯片，大大地降低了成本，解决了上述出现的难题。

1万 · 2019-5-16 13:56

国外几大电器巨头企业如德国西门子、ABB等公司都在力推带Profibus-DP
接口的产品，且因为Profibus协议具有开放性和互操作性，使得越来越多地厂商
都使用Profibus-DP接口，使其得到了迅速的发展。而在国内，有少量的产品带有
该接口，具体实现方法一般采用德国西门子公司提供的Profibus-DP专用协议芯片
SPC3开发DP从站，文献3,4,5和6中都采用了专用协议芯片开发DP从站，但由于
ASIC芯片价格昂贵，给电器生产厂商带来了巨大的成本压力。而且与该芯片进
行数据通信时需要通过并行总线接口，这就占用了微控制器的大量端口，限制了
微控制器的选择，不利于成本的降低和体积的减小。国内的大部分产品带有
RS485或RS232通讯口，其通讯标准和协议由各个企业自己制定，很难将各个不
同厂商的产品进行组网通信，导致这些电器的通讯接口闲置着没有被使用。

1万 · 2019-5-16 13:56

基于软核实现DP从站具有成本低和灵活性高的优点，但由于Profibus协议复
杂，对实时性的要求很高，给DP从站的开发带来了很大的困难。另外，之前高
性能MCU的价格一直很贵，也给DP从站的开发带来了一定的阻碍。此前有人提
出了采用单片机开发DP软核从站}9, io, m]的方案，此方案降低了硬件成本，但由于
受到单片机自身工作时钟的限制，最高只能达到SOOKbps的通信速率，无法完成
高速的数据通信，限制了应用的场合。
国家“十二五”规划中提出的智能电网将对国内低压电器产品提出了可通讯
的要求，Profibus总线依靠现有的优势，将会在现场总线推广中占优势。因此提
供一种具有可靠性高和成本低的DP从站接口的解决方案刻不容缓。

1万 · 2019-5-16 14:11

1万 · 2019-5-16 14:11

1)高速数据传输与缓存技术
采用USART接收不但占用CPU的资源，而且接收的效率很低，在高速通信
的场合中并不适用，就针对高速场合中数据的接收与缓存可以采用STM32F 103
芯片中有USART与DMA功能，通过硬件DMA请求或软件设置方式触发DMA通
道，提高设备到存储器和存储器到设备的数据传输速度。合理规划STM32F 103
的16级可优先级嵌套的向量中断，满足实现物理层传输的基本要求，通信速率可
以达到1. SMbps以上。合理分配MCU资源，解决高速波特率的接收缓存问题。
2)高精度单稳态逻辑辨识报文的帧间隔技术
S TM32F 103芯片中内置了多达4个可同步运行的标准定时器(TIM2 , TM ,
TIM4和TIMS)。采用定时器的复位从模式与计数器的外部触发功能，设计高精度
的单稳态逻辑辨识报文的帧间隔。

1万 · 2019-5-16 14:12

本章介绍了Profibus的发展前景，对目前国内外开发的Profibus-DP从站的现
状进行分析，由于ASIC专用芯片的价格昂贵及其他因素的影响，在国内只有少
量的电器产品带有Profibus接口，不能被广泛地应用，为了解决该难题提出了采
用STM32F 103软核实现Profibus-DP从站的方案，该方案在成本及灵活性上都有了
很大的提高。另外，简要地介绍了本课题所要研究的内容、预期达到的指标及几
个关键技术问题。

1万 · 2019-5-16 14:12

Profibus是一种面向自动化的国际性现场总线标准，具有应用范围广、协议
公开的特点，适用于对时间和可靠性要求高的场合中，如制造业、楼宇、电力、
交通自动化等场合。Profibus协议参考OSI模型，定义了物理层、数据链路层和应
用层，不同场合中的应用层使用不同的应用规约，按照应用规约的不同将Profibus
划分为以下几个重要的子集:Profibus-FMS , Profibus-DP及Profibus-PA o
最早的 Profibus仅定义了现场总线报文规范，这就是Profibus-FMS，它只定义
了主站与主站之间的通信协议，不支持主站与从站之间的通信，主要应用于车间
级的智能主站之间对等的、面向对象的通信，其通信数据量大，使用起来比较复
杂，成本高，市场占有率低，逐渐被Profibus-DP所取代。
Profibus-DP是用于能通过简单的组态控制快速地使现场设备间进行高速通
信，面向现场层的应用。它保留了FMS中主站与主站之间的通信，在此基础上增
加了主站与从站之间的通信，具有设置简单、功能强大、价格低廉等特点。最基
本的版本为DP-VO，用于主站与主站令牌传递及主站与从站循环数据交换。另外
还有两版扩展版本:DP-V 1和DP-V2 0
为了解决在自动化控制过程中进行安全地数据传输，在DP之后提出了
Profibus-PA，它的物理层采用了总线供电的方式，且其通信速率与其他两种不同，
是不可以改变的，固定为31.25Kbps，适用于对安全要求高，通信速度低的场合
中。
三种Profibus子集中，FMS不支持主站与从站之间的通信，只支持主站与主
站间，不适用于通信量及成本低的场合中，而PA专门应用于对数据安全极高的
场合，不能更改波特率，因此，综上所述，这三个子集中Profibus-DP应用最广泛，
下面就针对Profibus-DP协议做详细地介绍。

1万 · 2019-5-16 14:13

文献15详细地介绍了Profibus-DP通信协议，下面就简单地介绍Profibus-DP
协议的核心思想。Profibus-DP协议采用混合访问方式，既保留FMS的主站与主站
之间令牌环传递方式，还增加了主站与从站的时间轮询方式。它遵从IEEE 802
标准，IEEE 802标准模型参照OSI模型，将OSI模型中的数据链路层细分为媒体
访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC两层，包括物理层、MAC层、LLC
层、网络层和应用层，详图如图2-1。而Profibus-DP协议则省略了IEEE 802模型
中的网络层，由物理层、MAC层、LLC层和应用层四部分组成。以下将分别对
这四部分进行详细介绍。

1万 · 2019-5-16 14:27

1万 · 2019-5-16 14:28

工业现场通信对可靠性要求很高，相比较RS232接口而言，RS485接口可靠
性高，传输距离长。通常DP协议的物理层采用RS485标准接口，以双绞线或光缆
作为传输介质，传输速率从低速的9.6Kbps一直到高速的12Mbps。每一个DP总线
段中可以最大连接32个设备，当多于32个设备时使用中继器得以扩展。另外，在
DP网络中，信号的传输距离受到通信波特率的影响，不同的通信波特率，信号
的有效传输距离不同，详见表2-l o
DP主站与从站通信时往往会因为总线阻抗不均匀发生信号反射现象，影响
总线上信号的波形，导致主站(从站)无法正确地识别编码值，且随着通信的波
特率提高，位传输时间缩短，信号的反射对总线上信号质量的影响变大。为消除
这种干扰，通常在总线两端接入终端电阻，进行阻抗匹配，吸收到达终端的能量，
避免信号反射现象的形成【m,is,i9}，连接具体见下图2-2 0

1万 · 2019-5-16 14:29

Profibus-DP支持主站与主站间和主站与从站间的通信，其中主站分为1类主
站和2类主站，1类主站负责完成对DP从站参数化、组态及诊断处理，与DP从站
进行循环数据交换和完成2类主站的参数化、组态及诊断请求的处理等工作。2
类主站主要管理组态数据，收集1类主站的诊断参数，也可以像1类主站一样，与
从站进行数据通信。Profibus-DP协议支持多主多从通信机制，为避免通信冲突以
确保高可靠性的通信，规定了一套可靠的通信机制。以下将对其进行详细介绍。

1万 · 2019-5-16 14:29

Profibus-DP网络中支持多个主站和多个从站的通信，每个站点都能发送和接
收消息，若不采取一定的通信机制，各个站点任何时候都发送消息，这样会导致
总线上消息的混乱，无法进行正常的数据交换。因此，Profibus-DP采用了两种通
信机制[[12,13,14]，一是主站与主站间通信采用令牌环传递的通信机制。在整个DP
总线上只有一个令牌环，只有持令牌的主站才能与其所属的从站通信，其他主站
处于等待令牌状态，当该主站超过持有令牌的时间时，就将令牌传给下一个主站，
此时下一个主站就会被激活，与所属的从站通信，有效地避免了通信的冲突。二
是主站与多个从站通信采用了分时轮询的机制。主站预先设定轮询表，当该主站
持有令牌时间时，按照轮询表与从站逐一循环通信，直到该主站持有的令牌时间
结束，若在持有令牌的时间内还未能与所有其所属的从站通信，只有等下一次持
有令牌时，继续之前的动作，与未来得及通信的从站进行通信。该机制与类似的
CDMA机制的不同点为:主站与某个从站通信的时间是确定的，这一点对工业控
制网络来说十分重要。详见图2-3。这两个机制中，避免冲突最重要的一点是从
站一直是个哑终端，只是被动地等待主站发送的请求，只有当主站发送请求帧给
该从站时，从站才会回应响应帧给主站，其他时间只处于侦听总线的状态。

1万 · 2019-5-16 14:30

Profibus-DP网络与普通通信网络不同，它主要应用于工业现场中，对通信的
可靠性和实时性要求苛刻，确保通信的高可靠性Profibus-DP协议对通信时序做了
严格的规定。通信时序见图2-4。每一个主站与从站通信之前必须等待一定时间，
确保总线上已没有数据流，该时间称为同步时间TSYN，典型值为33Tbit ( Tbit
表示总线上传输一位所需要的时间)。同步完后，主站开始向从站发送请求帧，
待从站接收完主站的请求帧，等待TSDR的时间再发送请求响应帧，该时间称为
从站反应时间，也称为从站延迟时间，典型值为11 Tbit。主站发送请求帧直到接
收完从站的响应帧这段时间内一直处于空闲状态，即为主站的空闲时间，被定义
为Slot Time。如果主站在TSL时间内未接收到从站的响应帧，就被认为出现了一
次丢包，此时主站会选择重发请求帧。

1万 · 2019-5-16 14:30