FPGA和ARM的Profibus-DP主站通信平臺設計

摘要：提出一個使用FPGA和ARM微控制器實現(xiàn)Profibus-DP主站(1類)通信平臺的解決方案；解析了Profibus-DP通信協(xié)議，重點是令牌輪轉(zhuǎn)協(xié)議；給出了該主站通信平臺的系統(tǒng)構(gòu)建。該通信平臺可以獨立實現(xiàn)Profibus-DP主站(1類)與其他主站(1類和2類)的令牌傳遞的主主通信功能，以及其與從站的主從通信功能。
關鍵詞：Profibus-DP；主站；令牌傳遞；FPGA；ARM

引言
Profibus-DP是由西門子公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準，用于現(xiàn)場級分布式自動化外設之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus在2007年4月突破2000萬節(jié)點大關。據(jù)PI(世界性的現(xiàn)場總線Profibus用戶組織)稱現(xiàn)在已經(jīng)超過2 500萬個節(jié)點，并希望在2012年突破5 000萬個節(jié)點，年銷售芯片450萬個。
目前國內(nèi)業(yè)界對于Profibus-DP的研究和相關產(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)，而沒有協(xié)議芯片樣機開發(fā)的相關報道。對于主站的開發(fā)，國內(nèi)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(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品僅能實現(xiàn)單主站的功能，對于組成強大的Profibu-DP網(wǎng)絡還望塵莫及。為了打破國外芯片的壟斷，推動國內(nèi)相關芯片及產(chǎn)品的開發(fā)，本文提出了一種FPGA與ARM相結(jié)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(xiàn)了比較完整的主站研制方案。

1 Profibus-DP主站通信機理及技術(shù)特性
1．1 Profibus-DP主站通信協(xié)議
Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)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(tǒng)既可以是一個單主站結(jié)構(gòu)，也可以是一個多主站結(jié)構(gòu)，本文涉及的是多主站結(jié)構(gòu)。多主站結(jié)構(gòu)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(quán)；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(gòu)成邏輯環(huán)。在這個環(huán)中，令牌在規(guī)定的時間內(nèi)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(nèi)得到令牌，之后該主站就可以在規(guī)定的時間內(nèi)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(shù)據(jù)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(xié)議數(shù)據(jù)單元)需要的時間。高優(yōu)先級報文的傳送時間為THMS，報文數(shù)量為M；低優(yōu)先級報文的傳送時間為TLMS，報文數(shù)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?qū)赑rofibus通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層之上的DDLM直接數(shù)據(jù)鏈路映射程序、主站通信狀態(tài)機、應用層數(shù)據(jù)接口及應用層。
本設計對Profibus-DP協(xié)議按層次封裝為函數(shù)，層層調(diào)用。
2．2．1 Slave_Handler狀態(tài)機
Slave_Handler狀態(tài)機功能塊負責實現(xiàn)主從通信功能，根據(jù)從站狀態(tài)做出相應處理，有固定的處理次序，每次調(diào)用Slave_Handler狀態(tài)機產(chǎn)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(zhuǎn)換圖如圖2所示。