第3章通用串行通信

接口技術(shù)IBM-PC及其兼容機是目前應(yīng)用較廣泛的一種計算機，通常用它作為分布式測控系統(tǒng)的上位機，而單片微處理器和單片微控制器軟硬件資源豐富，價格低，適合于作下位機。上位機與下位機一般采用串行通信技術(shù)，常用的有RS-232C接口及RS-422和RS-485接口，并采用Modbus-RTU通信協(xié)議進行通信。本章首先講述了串行通信基礎(chǔ)，然后講述了RS-232C串行通信接口、RS-485串行通信接口和USB接口，最后講述了Modbus通信協(xié)議以及在PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表中的應(yīng)用。3.1串行通信基礎(chǔ)3.1.1串行異步通信數(shù)據(jù)格式無論是RS-232還是RS-485，均可采用串行異步收發(fā)數(shù)據(jù)格式。在串行端口的異步傳輸中，接收方一般事先并不知道數(shù)據(jù)會在什么時候到達。在它檢測到數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)之前，第一個數(shù)據(jù)位就已經(jīng)過去了。因此每次異步傳輸都應(yīng)該在發(fā)送的數(shù)據(jù)之前設(shè)置至少一個起始位，以通知接收方有數(shù)據(jù)到達，給接收方一個準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)和做出其他響應(yīng)所需要的時間。而在傳輸過程結(jié)束時，則應(yīng)由一個停止位通知接收方本次傳輸過程已終止，以便接收方正常終止本次通信而轉(zhuǎn)入其他工作程序。串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式如圖3-1所示。圖3-1串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式3.1.2連接握手通信幀的起始位可以引起接收方的注意，但發(fā)送方并不知道，也不能確認(rèn)接收方是否已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。利用連接握手可以使收發(fā)雙方確認(rèn)已經(jīng)建立了連接關(guān)系，接收方已經(jīng)做好準(zhǔn)備，可以進入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊之前使用一個特定的握手信號來引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過握手信號回應(yīng)發(fā)送者，說明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。連接握手可以通過軟件，也可以通過硬件來實現(xiàn)。3.1.3確認(rèn)接收者為表明數(shù)據(jù)已經(jīng)收到而向發(fā)送者回復(fù)信息的過程稱為確認(rèn)。有的傳輸過程可能會收到報文而不需要向相關(guān)節(jié)點回復(fù)確認(rèn)信息。但是在許多情況下，需要通過確認(rèn)告知發(fā)送者數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。有的發(fā)送者需要根據(jù)是否收到確認(rèn)信息來采取相應(yīng)的措施，因而確認(rèn)對某些通信過程是必需的和有用的。即便接收者沒有其他信息要告訴發(fā)送者，也要為此單獨發(fā)一個確認(rèn)數(shù)據(jù)已經(jīng)收到的信息。確認(rèn)報文可以是一個特別定義過的字節(jié)，例如一個標(biāo)識接收者的數(shù)值。發(fā)送者收到確認(rèn)報文就可以認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸過程正常結(jié)束。如果發(fā)送者沒有收到所希望回復(fù)的確認(rèn)報文，它就認(rèn)為通信出現(xiàn)了問題，然后將采取重發(fā)或者其他行動。3.1.4中斷中斷是一個信號，它通知CPU有需要立即響應(yīng)的任務(wù)。每個中斷請求對應(yīng)一個連接到中斷源和中斷控制器的信號。通過自動檢測端口事件發(fā)現(xiàn)中斷并轉(zhuǎn)入中斷處理。許多串行端口采用硬件中斷。在串口發(fā)生硬件中斷，或者一個軟件緩存的計數(shù)器到達一個觸發(fā)值時，表明某個事件已經(jīng)發(fā)生，需要執(zhí)行相應(yīng)的中斷響應(yīng)程序，并對該事件做出及時的反應(yīng)。這種過程也稱為事件驅(qū)動。3.1.5輪詢通過周期性地獲取特征或信號來讀取數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生的工作過程稱為輪詢。它需要足夠頻繁地輪詢端口，以便不遺失任何數(shù)據(jù)或者事件。輪詢的頻率取決于對事件快速反應(yīng)的需求以及緩存區(qū)的大小。輪詢通常用于計算機與I/O端口之間較短數(shù)據(jù)或字符組的傳輸。由于輪詢端口不需要硬件中斷，因此可以在一個沒有分配中斷的端口運行此類程序。很多輪詢使用系統(tǒng)計時器來確定周期性讀取端口的操作時間。3.1.6差錯檢驗數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過差錯檢驗來判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗、奇偶校驗、校驗和、循環(huán)冗余校驗等都是串行通信中常用的差錯檢驗方法。1．冗余數(shù)據(jù)校驗發(fā)送冗余數(shù)據(jù)是實行差錯檢驗的一種簡單辦法。發(fā)送者對每條報文都發(fā)送兩次，由接收者根據(jù)這兩次收到的數(shù)據(jù)是否一致來判斷本次通信的有效性。當(dāng)然，采用這種方法意味著每條報文都要花兩倍的時間進行傳輸。在傳送短報文時經(jīng)常會用到它。許多紅外線控制器就使用這種方法進行差錯檢驗。2．奇偶校驗串行通信中經(jīng)常采用奇偶校驗來進行錯誤檢查。校驗位可以按奇數(shù)位校驗，也可以按偶數(shù)位校驗。許多串口支持5~8個數(shù)據(jù)位再加上奇偶校驗位的工作方式。按數(shù)據(jù)位加上校驗位共有偶數(shù)個0的規(guī)則填寫校驗位的方式稱為偶校驗；而按數(shù)據(jù)位加上校驗位共有奇數(shù)個0的規(guī)則填寫校驗位的方式稱為奇校驗。接收方檢驗接收到的數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)違背了事先約定的奇偶校驗的規(guī)則，不是所期望的數(shù)值，說明出現(xiàn)了傳輸錯誤，則向發(fā)送方發(fā)送出錯通知。3.1.6差錯檢驗3．校驗和另一種差錯檢驗的方法是在通信數(shù)據(jù)中加入一個差錯檢驗字節(jié)。對一條報文中的所有字節(jié)進行數(shù)學(xué)或者邏輯運算，計算出校驗和。將校驗和形成的差錯檢驗字節(jié)作為該報文的組成部分。接收端對收到的數(shù)據(jù)重復(fù)這樣的計算，如果得到了一個不同的結(jié)果，就判定通信過程發(fā)生了差錯，說明它接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致。CRC循環(huán)冗余校驗也是串行通信中常用的檢錯方法，它采用比校驗和更為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，其校驗結(jié)果也更加可靠。4．出錯的簡單處理當(dāng)一個節(jié)點檢測到通信中出現(xiàn)的差錯或者接收到一條無法理解的報文時，應(yīng)該盡量通知發(fā)送報文的節(jié)點，要求它重新發(fā)送或者采取別的措施來糾正。經(jīng)過多次重發(fā)，如果發(fā)送者仍不能糾正這個差錯，發(fā)送者應(yīng)該跳過對這個節(jié)點的發(fā)送，發(fā)布一條出錯消息，通過報警或者其他操作來通知操作人員發(fā)生了通信差錯，并盡可能繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。接收者如果發(fā)現(xiàn)一條報文比期望的報文要短，應(yīng)該能最終停止連接，并讓主計算機知道出現(xiàn)了問題，而不能無休止地等待一個報文結(jié)束。主計算機可以決定讓該報文繼續(xù)發(fā)送、重發(fā)或者停發(fā)。不應(yīng)因發(fā)現(xiàn)問題而讓網(wǎng)絡(luò)處于無休止的等待狀態(tài)。3.2RS-232C串行通信接口3.2.1RS-232C端子RS-232C的連接插頭用25針或9針的EIA連接插頭座，其主要端子分配如表3-1所示。端

腳方

向符

號功

能25針9針23輸出TXD發(fā)送數(shù)據(jù)32輸入RXD接收數(shù)據(jù)47輸出RTS請求發(fā)送58輸入CTS為發(fā)送清零66輸入DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好75

GND信號地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號檢測204輸出DTR229輸入RI表3-1RS-232C主要端子3.2.1RS-232C端子1．信號含義（1）從計算機到MODEM的信號DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好：告訴MODEM計算機已接通電源，并準(zhǔn)備好。RTS——請求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）從MODEM到計算機的信號DSR——數(shù)據(jù)設(shè)備（DCE）準(zhǔn)備好：告訴計算機MODEM已接通電源，并準(zhǔn)備好了。CTS——為發(fā)送清零：告訴計算機MODEM已作好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。DCD——數(shù)據(jù)信號檢測：告訴計算機MODEM已與對端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計算機對端電話已在振鈴了。（3）數(shù)據(jù)信號TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。3.2.1RS-232C端子2．電氣特性RS-232C的電氣線路連接如圖3-2所示。圖3-2RS-232C的電氣連接接口為非平衡型，每個信號用一根導(dǎo)線，所有信號回路共用一根地線。信號速率限于20kbit/s內(nèi)，電纜長度限于15m之內(nèi)。由于是單線，線間干擾較大。其電性能用±12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖。值得注意的是RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號Space=+5~+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通On=+5~+15V，邏輯“0”電平斷Off=－5~－15V，邏輯“1”電平RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件相連必須進行電平轉(zhuǎn)換。由于RS-232C采用電平傳輸，在通信速率為19.2kbit/s時，其通信距離只有15m。若要延長通信距離，必須以降低通信速率為代價。3.2.2通信接口的連接當(dāng)兩臺計算機經(jīng)RS-232C口直接通信時，兩臺計算機之間的聯(lián)絡(luò)線可用圖3-3和圖3-4表示。雖然不接MODEM，圖中仍連接著有關(guān)的MODEM信號線，這是由于INT14H中斷使用這些信號，假如程序中沒有調(diào)用INT14H，在自編程序中也沒有用到MODEM的有關(guān)信號，兩臺計算機直接通信時，只連接2、3、7（25針EIA）或3、2、5（9針EIA）就可以了。圖3-3使用MODEM信號的RS-232C接口圖3-4不使用MODEM信號的RS-232C接口3.2.3RS-232C電平轉(zhuǎn)換器為了實現(xiàn)采用+5V供電的TTL和CMOS通信接口電路能與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口連接，必須進行串行口的輸入/輸出信號的電平轉(zhuǎn)換。目前常用的電平轉(zhuǎn)換器有MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC1488驅(qū)動器、MC1489接收器，TI公司的SN75188驅(qū)動器、SN75189接收器及美國MAXIM公司生產(chǎn)的單一+5V電源供電、多路RS-232驅(qū)動器/接收器，如MAX232A等。MAX232A內(nèi)部具有雙充電泵電壓變換器，把+5V變換成±10V，作為驅(qū)動器的電源，具有兩路發(fā)送器及兩路接收器，使用相當(dāng)方便。MAX232A引腳如圖3-5所示，典型應(yīng)用如圖3-6所示。單一+5V電源供電的RS-232C電平轉(zhuǎn)換器還有TL232、ICL232等。圖3-5MAX232A引腳圖圖3-6MAX232A典型應(yīng)用3.3RS-485串行通信接口3.3.1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號定義如下。當(dāng)采用+5V電源供電時：若差分電壓信號為－2500~－200mV時，為邏輯“0”；若差分電壓信號為+2500~+200mV時，為邏輯“1”；若差分電壓信號為－200~+200mV時，為高阻狀態(tài)。RS-485的差分平衡電路如圖3-7所示。其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導(dǎo)線電壓的差值。圖3-7差分平衡電路3.3.1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485價格比較便宜，能夠很方便地添加到一個系統(tǒng)中，還支持比RS-232更長的距離、更快的速度以及更多的節(jié)點。RS-485、RS-422、RS-232C之間的主要性能指標(biāo)的比較如表3-2所示。規(guī)

范RS-232CRS-422RS-485最大傳輸距離15m1200m（速率100kbit/s）1200m（速率100kbit/s）最大傳輸速度20kbit/s10Mbit/s（距離12m）10Mbit/s（距離12m）驅(qū)動器最小輸出/V±5±2±1.5驅(qū)動器最大輸出/V±15±10±6接收器敏感度/V±3±0.2±0.2最大驅(qū)動器數(shù)量1132單位負(fù)載最大接收器數(shù)量11032單位負(fù)載傳輸方式單端差分差分表3-2RS-485、RS-422、RS-232C的主要技術(shù)參數(shù)3.3.2RS-485收發(fā)器RS-485收發(fā)器種類較多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速應(yīng)用場合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線等。下面僅介紹SN75LBC184。SN75LBC184為具有瞬變電壓抑制的差分收發(fā)器，SN75LBC184為商業(yè)級，其工業(yè)級產(chǎn)品為SN65LBC184。引腳如圖3-8所示。引腳介紹如下：R：接收端。：接收使能，低電平有效。DE：發(fā)送使能，高電平有效。D：發(fā)送端A：差分正輸入端。B：差分負(fù)輸入端。VCC：+5V電源。GND：地。SN75LBC184和SN65LBC184具有如下特點。具有瞬變電壓抑制能力，能防雷電和抗靜電放電沖擊；限斜率驅(qū)動器，使電磁干擾減到最小，并能減少傳輸線終端不匹配引起的反射；總線上可掛接64個收發(fā)器；接收器輸入端開路故障保護；具有熱關(guān)斷保護；低禁止電源電流，最大300μA；引腳與SN75176兼容。3.3.3應(yīng)用電路在圖3-9中，RS-485收發(fā)器可為SN75LBC184、SN65LBC184、MAX485等。當(dāng)P10為低電平時，接收數(shù)據(jù)；當(dāng)P10為高電平時，發(fā)送數(shù)據(jù)。如果采用RS-485組成總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式測控系統(tǒng)，在雙絞線終端應(yīng)接120Ω的終端電阻。圖3-9RS-485應(yīng)用電路3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)利用RS-485接口可以使一個或者多個信號發(fā)送器與接收器互聯(lián)，在多臺計算機或帶微控制器的設(shè)備之間實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1．RS-485的半雙工通信方式在大多數(shù)應(yīng)用條件下，RS-485的端口連接都采用半雙工通信方式。有多個驅(qū)動器和接收器共享一條信號通路。圖3-10為RS-485端口半雙工連接的電路圖。其中RS-485差動總線收發(fā)器采用SN75LBC184。圖3-10中的兩個120Ω電阻是作為總線的終端電阻存在的。當(dāng)終端電阻等于電纜的特征阻抗時，可以削弱甚至消除信號的反射。特征阻抗是導(dǎo)線的特征參數(shù)，它的數(shù)值隨著導(dǎo)線的直徑、在電纜中與其他導(dǎo)線的相對距離以及導(dǎo)線的絕緣類型而變化。特征阻抗值與導(dǎo)線的長度無關(guān)，一般雙絞線的特征阻抗為100~150Ω。RS-485的驅(qū)動器必須能驅(qū)動32個單位負(fù)載加上一個60Ω的并聯(lián)終端電阻，總的負(fù)載，包括驅(qū)動器、接收器和終端電阻，不低于54Ω。圖中兩個120Ω電阻的并聯(lián)值為60Ω，32個單位負(fù)載中接收器的輸入阻抗會使得總負(fù)載略微降低；而驅(qū)動器的輸出與導(dǎo)線的串聯(lián)阻抗又會使總負(fù)載增大。最終需要滿足不低于54Ω的要求。還應(yīng)該注意的是，在一個半雙工連接中，在同一時間內(nèi)只能有一個驅(qū)動器工作。如果發(fā)生兩個或多個驅(qū)動器同時啟用，一個企圖使總線上呈現(xiàn)邏輯1，另一個企圖使總線上呈現(xiàn)邏輯0，則會發(fā)生總線競爭，在某些元件上就會產(chǎn)生大電流。因此所有RS-485的接口芯片上都必須包括限流和過熱關(guān)閉功能，以便在發(fā)生總線競爭時保護芯片。3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)1．RS-485的半雙工通信方式圖3-10RS-485端口的半雙工連接3.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)2．RS-485的全雙工連接盡管大多數(shù)RS-485的連接是半雙工的，但是也可以形成全雙工RS-485連接。圖3-11和圖3-12分別表示兩點和多點之間的全雙工RS-485連接。在全雙工連接中信號的發(fā)送和接收方向都有它自己的通路。在全雙工、多節(jié)點連接中，一個節(jié)點可以在一條通路上向所有其他節(jié)點發(fā)送信息，而在另一條通路上接收來自其他節(jié)點的信息。圖3-11兩個RS-485端口的全雙工連接圖3-12多個RS-485端口的全雙工連接兩點之間全雙工連接的通信在發(fā)送和接收上都不會存在問題。但當(dāng)多個節(jié)點共享信號通路時，需要以某種方式對網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)進行管理。這是在全雙工、半雙工連接中都需要解決的問題。RS-232C和RS-485之間的轉(zhuǎn)換可采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊。3.4USB接口3.4.1USB接口的定義USB（UniversalSerialBus）即通用串行總線，是連接計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范。USB總線接口從USB1.0、USB1.1、USB2.0發(fā)展到現(xiàn)在的最新版本USB3.0，在發(fā)展過程中新舊版本都保持著良好的兼容性，這也是USB迅速發(fā)展成為計算機標(biāo)準(zhǔn)擴展接口的重要原因。目前，Windows系統(tǒng)自帶USB驅(qū)動程序以識別USB外部設(shè)備，使用起來非常方便。USB不同版本的主要區(qū)別在最大傳輸速率上，目前最常用的是USB2.0和超高速USB3.0。下面以USB2.0A型插頭為例，介紹其引腳功能。USB2.0A型插座和插頭的示意圖如圖3-13所示。圖3-13USB2.0A型插座和插頭示意圖各引腳功能介紹如下：VBUS：引腳1，為USB接口的+5V電源。D-：引腳2，為USB差分負(fù)信號數(shù)據(jù)線。D+：引腳3，為USB差分正信號數(shù)據(jù)線。GND：引腳4，為USB接口的地線。3.4.2USB接口的特點USB接口具有以下特點：①可熱插拔。用戶可以在計算機正常工作的情況下任意連接或斷開USB設(shè)備。②高速串行數(shù)據(jù)通信。USB總線接口通信采用的是串行通信的方式，具有高速傳輸能力。其中USB2.0采用的是半雙工通信方式，而USB3.0采用的是全雙工通信方式，大大加快了傳輸速度。③數(shù)據(jù)傳輸模式多樣。USB接口支持4種傳輸模式：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸。不同的USB設(shè)備可根據(jù)自身特點選擇不同的傳輸模式。④連接靈活。一個USB控制器理論上可以連接多達127個外設(shè)。3.4.3USB接口的應(yīng)用隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，新的計算機外設(shè)大量涌現(xiàn)，USB接口以其顯著的優(yōu)勢迅速在計算機接口領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。目前USB接口已成為臺式機、筆記本電腦、平板電腦的標(biāo)準(zhǔn)接口，并且越來越多的外部設(shè)備采用了USB接口，例如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機、數(shù)字電視、U盤、移動硬盤、手機、數(shù)據(jù)采集卡等。3.5Modbus通信協(xié)議3.5.1概述Modbus協(xié)議是應(yīng)用于PLC或其他控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以實現(xiàn)串行通信。該協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能識別使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何響應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格式和內(nèi)容的公共格式。3.5.1概述標(biāo)準(zhǔn)的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接器的引腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或通過調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)。控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅某一設(shè)備（主設(shè)備）能主動傳輸（查詢），其他設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。典型的主設(shè)備有：主機和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息作為響應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何響應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一個錯誤檢測域。從設(shè)備響應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要動作的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和一個錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為響應(yīng)發(fā)送出去。1．Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸3.5.1概述在其他網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用“對等”技術(shù)通信，任何控制器都能初始化和其他控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。在消息級，Modbus協(xié)議仍提供了主-從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”的。如果一個控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到響應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備響應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。2．其他類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸3．查詢-響應(yīng)周期（1）查詢查詢消息中的功能代碼告知被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告知從設(shè)備的信息：從何種寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。（2）響應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的響應(yīng)，在響應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出響應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。3.5.2兩種傳輸方式控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII模式如圖3-14所示，RTU模式如圖3-15所示。圖3-14ASCII模式圖3-15RTU模式所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃唬约皼Q定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其他網(wǎng)絡(luò)上（如MAP和ModbusPlus），Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。3.5.3Modbus消息幀兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設(shè)備可以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時信息已完成。部分的消息也能偵測到并且能將錯誤設(shè)置為返回結(jié)果。使用ASCII模式，消息以冒號“：”字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符（ASCII碼0DH，0AH）結(jié)束。其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測“：”字符，當(dāng)有一個冒號接收到時，每個設(shè)備都解碼下個域（地址域）來判斷是否是發(fā)給自己的。消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1s，否則接收的設(shè)備將認(rèn)為傳輸錯誤。一個典型消息幀如圖3-16所示。1．ASCII幀圖3-16ASCII消息幀3.5.3Modbus消息幀使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下設(shè)置多個字符時間（比如圖3-15中的T1-T2-T3-T4），這是最容易實現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址，可以使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間。當(dāng)?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否是發(fā)給自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)注了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前一個消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。一個典型的消息幀如圖3-17所示。2．RTU幀圖3-17RTU消息幀3.5.3Modbus消息幀消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8bit（RTU）。允許的從設(shè)備地址是0~247（十進制）。單個從設(shè)備的地址范圍是1~247。主設(shè)備通過將從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送響應(yīng)消息時，它把自己的地址放入響應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個設(shè)備作出的響應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能識別。當(dāng)Modubs協(xié)議用于更高級的網(wǎng)絡(luò)時，廣播可能不允許或以其他方式代替。3．地址域4．功能域消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8bit（RTU）。允許的代碼范圍是十進制的1~255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器的，有些只適用于某種控制器，還有些保留以備后用。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時，功能代碼域?qū)⒏嬷獜脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些動作。例如去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時，它使用功能代碼域來指示是正常響應(yīng)（無誤）還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異常響應(yīng)）。對正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對異常響應(yīng)，從設(shè)備返回一個在正常功能代碼的最高位置1的代碼。3.5.3Modbus消息幀數(shù)據(jù)域是由兩位十六進制數(shù)構(gòu)成的，范圍為00H~FFH。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一RTU字符組成。主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須采用該信息執(zhí)行由功能代碼所定義的動作。這包括了像不連續(xù)的寄存器地址，要處理項目的數(shù)量，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。5．?dāng)?shù)據(jù)域6．錯誤檢測域標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)有兩種錯誤檢測方法，錯誤檢測域的內(nèi)容與所選的傳輸模式有關(guān)。（1）ASCII當(dāng)選用ASCII模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗余檢測）方法對消息內(nèi)容計算得出的，不包括開始的冒號符及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。（2）RTU當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16bit值（用兩個8位的字符來實現(xiàn)）。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗余檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。3.5.3Modbus消息幀當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)上傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位…最高有效位使用ASCII字符幀時，位順序如圖3-18所示。7．字符的連續(xù)傳輸有奇偶校驗無奇偶校驗使用RTU字符幀時，位順序如圖3-19所示。有奇偶校驗無奇偶校驗3.5.4錯誤檢測方法標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或CRC）應(yīng)用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的，從設(shè)備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。退出傳輸前用戶要給主設(shè)備配置一預(yù)先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設(shè)備都能作為正常響應(yīng)。如果從設(shè)備檢測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，也不會向主設(shè)備作出響應(yīng)。這樣超時事件將觸發(fā)主設(shè)備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的消息也會產(chǎn)生超時。1．奇偶校驗用戶可以配置控制器是奇校驗還是偶校驗，或無校驗。這將決定每個字符中的奇偶校驗位是如何設(shè)置的。2．LRC檢測使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的錯誤檢測域。LRC域檢測消息域中除開始的冒號及結(jié)束的回車換行符以外的內(nèi)容。LRC域包含一個8位二進制數(shù)的字節(jié)。LRC值由傳輸設(shè)備來計算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不相等，說明有錯誤。LRC方法是將消息中的8bit的字節(jié)連續(xù)累加，不考慮進位。3.5.4錯誤檢測方法3．CRC檢測使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的錯誤檢測域。CRC域檢測整個消息的內(nèi)容。CRC域是兩個字節(jié)，包含一個16位的二進制數(shù)。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有錯誤。CRC是先調(diào)入一數(shù)值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8bit字節(jié)和當(dāng)前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產(chǎn)生過程中，每個8bit字符都單獨和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預(yù)置的值相或，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8bit字節(jié)又單獨和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后加入高字節(jié)。3.5.5Modbus的編程方法由RTU模式消息幀格式可以看出，在完整的一幀消息開始傳輸時，必須和上一幀消息之間至少有3.5個字符時間的間隔，這樣接收方在接收時才能將該幀作為一個新的數(shù)據(jù)幀接收。另外，在本數(shù)據(jù)幀進行傳輸時，幀中傳輸?shù)拿總€字符之間必須不能超過1.5個字符時間的間隔，否則，本幀將被視為無效幀，但接收方將繼續(xù)等待和判斷下一次3.5個字符的時間間隔之后出現(xiàn)的新一幀并進行相應(yīng)的處理。因此，在編程時首先要考慮1.5個字符時間和3.5個字符時間的設(shè)定和判斷。3.5.5Modbus的編程方法在RTU模式中，1個字符時間是指按照用戶設(shè)定的波特率傳輸一個字節(jié)所需要的時間。例如，當(dāng)傳輸波特率為2400bit/s時，1個字符時間為：11×1/2400=4583μs同樣，可得出1.5個字符時間和3.5個字符時間分別為：11×1.5/2400=6875μs11×3.5/2400=16041μs為了節(jié)省定時器，在設(shè)定這兩個時間段時可以使用同一個定時器，定時時間取為1.5個字符時間和3.5個字符時間的最大公約數(shù)即0.5個字符時間，同時設(shè)定兩個計數(shù)器變量為m和n，用戶可以在需要開始啟動時間判斷時將m和n清零。而在定時器的中斷服務(wù)程序中，只需要對m和n分別做加一運算，并判斷是否累加到3和7。當(dāng)m=3時，說明1.5個字符時間已到，此時可以將1.5個字符時間已到標(biāo)志T15FLG置成01H，并將m重新清零；當(dāng)n=7時，說明3.5個字符時間已到，此時將3.5個字符時間已到標(biāo)志T35FLG置成01H，并將n重新清零。波特率從1200bit/s至19200bit/s，定時器定時時間均采用此方法計算而得。當(dāng)波特率為38400bit/s時，Modbus通信協(xié)議推薦此時1個字符時間為500μs，即定時器定時時間為250μs。1．字符時間的設(shè)定3.5.5Modbus的編程方法在實現(xiàn)Modbus通信時，設(shè)每個字節(jié)的一幀信息需要11位，其中1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、2位停止位、無校驗位。通過串行口的中斷接收數(shù)據(jù)，中斷服務(wù)程序每次只接收并處理一字節(jié)數(shù)據(jù)，并啟動定時器實現(xiàn)時序判斷。在接收新一幀數(shù)據(jù)時，接收完第一個字節(jié)之后，置一幀標(biāo)志FLAG為0AAH，表明當(dāng)前存在一有效幀正在接收，在接收該幀的過程中，一旦出現(xiàn)時序不對，則將幀標(biāo)志FLAG置成55H，表明當(dāng)前存在的幀為無效幀。其后，接收到本幀的剩余字節(jié)仍然放入接收緩沖區(qū)，但標(biāo)志FLAG不再改變，直至接收到3.5字符時間間隔后的新一幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)，主程序即可根據(jù)FLAG標(biāo)志判斷當(dāng)前是否有有效幀需要處理。Modbus數(shù)據(jù)串行口接收中斷服務(wù)程序如圖3-20所示。2．?dāng)?shù)據(jù)幀接收的編程方法3.5.5Modbus的編程方法2．?dāng)?shù)據(jù)幀接收的編程方法圖3-20Modbus數(shù)據(jù)串行口接收中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)框圖3.6PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表及其應(yīng)用3.6.1PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議詳細(xì)介紹如下。1.串口初始化參數(shù)串行通信方式：2位停止位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗位，RS-485ModbusRTU。波特率支持：1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s，9600bit/s，19200bit/s， 38400bit/s。默認(rèn)地址：0x06。波特率：9600bit/s。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議2．開關(guān)量輸入功能號：0x02（1）發(fā)送數(shù)據(jù)開關(guān)量輸入0X02命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表3-3所示。表3-3開關(guān)量輸入0X02命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式（2）正常響應(yīng)數(shù)據(jù)開關(guān)量輸入0X02命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表3-4所示。表3-4開關(guān)量輸入0X02命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式注：如果N/8余數(shù)為0，則N*=N/8，否則N*=N/8+1。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議2．開關(guān)量輸入例子：○1讀取當(dāng)前開關(guān)量輸入狀態(tài)（DI1~DI4）共四路，其中DI1=“1”，DI4=“1”（閉合）；DI2，DI3=“0”（斷開）。（讀到的數(shù)據(jù)應(yīng)為09H，即“00001001”）主機發(fā)送數(shù)據(jù)：060200000004CRCCRC從機正常響應(yīng)數(shù)據(jù)：06020109CRCCRC上傳數(shù)據(jù)中：09H為DI1~DI4狀態(tài)；Bit0~Bite3對應(yīng)DI1~DI4。○2讀取當(dāng)前開關(guān)量輸入狀態(tài)（DI1~DI16）共十六路，其中DI1=“1”，DI4=“1”（閉合）；DI8=“1”（閉合）；DI9=“1”，DI11=“1”（閉合），其余斷開。（讀到的數(shù)據(jù)應(yīng)為05H89H，即“0000010110001001”）主機發(fā)送數(shù)據(jù)：06020000000CCRCCRC從機正常響應(yīng)數(shù)據(jù)：0602020589CRCCRC上傳數(shù)據(jù)中：89H為DI1~DI8狀態(tài)；Bit0~Bite7對應(yīng)DI1~DI8；

05H為DI9~DI12狀態(tài)；Bit0~Bite3對應(yīng)DI9~DI12。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議3．繼電器控制繼電器地址從0x0000開始。功能號：0x05輸出值：“FF00”為控制繼電器“合”；

“0000”為控制繼電器“分”。（1）發(fā)送數(shù)據(jù)繼電器輸出0X05命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表3-5所示。表3-5繼電器輸出0X05命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式3.6.1PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議3．繼電器控制（2）正常響應(yīng)數(shù)據(jù)繼電器輸出0X05命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表3-6所示。表3-6繼電器輸出0X05命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式例子：繼電器2當(dāng)前狀態(tài)為“開”狀態(tài)，控制繼電器2輸出“合”狀態(tài)。主機發(fā)送數(shù)據(jù)：06050001FF00CRCCRC如果控制繼電器成功，則返回數(shù)據(jù)同發(fā)送數(shù)據(jù)。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議4．錯誤處理錯誤響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表3-7所示。表3-7錯誤響應(yīng)數(shù)據(jù)格式01：無效的功能碼。02：無效的數(shù)據(jù)地址。03：無效的數(shù)據(jù)值。04：執(zhí)行功能碼失敗。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議5．讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)表3-8讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式功能號：0x04（1）發(fā)送數(shù)據(jù)讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表3-8所示。（2）正常響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表3-9所示。表3-9讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式注：N為讀取寄存器個數(shù)例子：所有參數(shù)全部上傳（三相四線）上位機發(fā)送數(shù)據(jù)：060400000036CRCCRC從機正常響應(yīng)數(shù)據(jù)：06046C……………CRCCRC3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表Modbus-RTU通信協(xié)議5．讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)（2）正常響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表3-9所示。表3-9讀取標(biāo)準(zhǔn)電力參數(shù)0x04命令正常響應(yīng)數(shù)據(jù)格式注：N為讀取寄存器個數(shù)例子：所有參數(shù)全部上傳（三相四線）上位機發(fā)送數(shù)據(jù)：060400000036CRCCRC從機正常響應(yīng)數(shù)據(jù)：06046C……………CRCCRC3.6.2PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用1．應(yīng)用領(lǐng)域PMM2000系列數(shù)字式多功能電力網(wǎng)絡(luò)儀表主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：變電站綜合自動化系統(tǒng)低壓智能配電系統(tǒng)智能小區(qū)配電監(jiān)控系統(tǒng)智能型箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)電信動力電源監(jiān)控系統(tǒng)無人值班變電站系統(tǒng)市政工程泵站監(jiān)控系統(tǒng)智能樓宇配電監(jiān)控系統(tǒng)遠程抄表系統(tǒng)工礦企業(yè)綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)鐵路信號電源監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)電機組/電動機遠程監(jiān)控系統(tǒng)3.6.2PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用2．iMeaCon數(shù)字化變電站后臺計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)場的變電站根據(jù)分布情況分成不同的組，組內(nèi)的現(xiàn)場I/O設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集器連接到變電站后臺計算機監(jiān)控系統(tǒng)。若有多個變電站后臺計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，總控室需要采集現(xiàn)場I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場的變電站后臺計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被定義為“服務(wù)器”，總控室后臺計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過訪問服務(wù)器即可。iMeaCon計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件基本組成如下：①系統(tǒng)圖能顯示配電回路的位置及電氣聯(lián)接。②實時信息根據(jù)系統(tǒng)圖可查看具體回路的測量參數(shù)。③報表配出回路有功電能報表（日報表、月報表和配出回路萬能報表）。④趨勢圖形顯示配出回路的電流和電壓。⑤通信設(shè)備診斷現(xiàn)場設(shè)備故障在系統(tǒng)圖上提示。3.6.2PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用2．iMeaCon數(shù)字化變電站后臺計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)⑥報警信息查詢報警信息可查詢，報警發(fā)生時間、報警恢復(fù)時間、報警確認(rèn)時間、報警信息打印、報警信息刪除等。⑦打印能夠打印所有的報表。⑧數(shù)據(jù)庫有實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫。⑨自動運行計算機開機后自動運行軟件。⑽系統(tǒng)管理和遠程接口有密碼登錄、注銷、退出系統(tǒng)等管理權(quán)限，防止非法操作。通過局域網(wǎng)TCP/IP，以O(shè)PCServer的方式訪問。iMeaCon計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-22所示。3.6.2PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用圖3-22iMeaCon計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第4章PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線PROFIBUS（ProcessFieldbus的縮寫）是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領(lǐng)域。本章首先對PROFIBUS進行了概述然后講述了PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)、PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程、PROFIBUS-DP的通信模型、PROFIBUS-DP的總線設(shè)備類型和數(shù)據(jù)通信和PROFIBUS通信用ASICs。對應(yīng)用非常廣泛的PROFIBUS-DP從站通信控制器SPC3進行了詳細(xì)講述，同時介紹了主站通信網(wǎng)絡(luò)接口卡CP5611。以PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表為例，詳細(xì)講述了采用SPC3進行PROFIBUS-DP從站的開發(fā)設(shè)計過程，最后介紹了PMM2000電力網(wǎng)絡(luò)儀表在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用和PROFIBUS-DP從站的測試方法。PROFIBUS（ProcessFieldbus的縮寫）是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：1987年由德國SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；1989年成為德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245；1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170V.2（PROFIBUS-FMS-DP）；1998年P(guān)ROFIBUS-PA被納入EN50170V.2；1999年P(guān)ROFIBUS成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分（TYPEIII）；2001年成為中國的機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001。4.1PROFIBUS概述PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS三個兼容部分組成。PROFIBUS-DP：用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達到的目標(biāo)對通信功能加以擴充，DP的傳輸速率可達12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作。

它的設(shè)計旨在用于設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這一級，中央控制器（如PLC/PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O、驅(qū)動器、閥門等）進行通信，同這些分散的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的。PROFIBUS-PA：對于安全性要求較高的場合，制定了PROFIBUS-PA協(xié)議，這由DIN19245的第四部分描述。PA具有本質(zhì)安全特性，它實現(xiàn)了IEC1158-2規(guī)定的通信規(guī)程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案，PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了4~20mA模擬信號傳輸技術(shù)，在現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)劃、敷設(shè)電纜、調(diào)試、投入運行和維修等方面可節(jié)約成本40%之多，并大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性，因此PA尤其適用于石油、化工、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng)。PROFIBUS-FMS：它的設(shè)計是旨在解決車間一級通用性通信任務(wù)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速率進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。

為了滿足苛刻的實時要求，PROFIBUS協(xié)議具有如下特點：

（1）不支持長信息段>235B（實際最大長度為255B，數(shù)據(jù)最大長度244B，典型長度120B）；

（2）不支持短信息組塊功能；

（3）本規(guī)范不提供由網(wǎng)絡(luò)層支持運行的功能；

（4）除規(guī)定的最小組態(tài)外，根據(jù)應(yīng)用需求可以建立任意的服務(wù)子集；

（5）其他功能是可選的，如口令保護方法等；

（6）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫强偩€形，兩端帶終端器或不帶終端器；

（7）介質(zhì)、距離、站點數(shù)取決于信號特性，如對屏蔽雙絞線，單段長度小于或等于1.2km，不帶中繼器，每段32個站點；

（8）傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂偩€長度，從9.6kbit/s到12Mbit/s不等；

（9）可選第二種介質(zhì)（冗余）；

（10）在傳輸時，使用半雙工，異步，滑差（Slipe）保護同步（無位填充）；

（11）報文數(shù)據(jù)的完整性，用海明距離HD=4，同步滑差檢查和特殊序列，以避免數(shù)據(jù)的丟失和增加；

（12）地址定義范圍為：0~127（對廣播和群播而言，127是全局地址），對區(qū)域地址、段地址的服務(wù)存取地址（服務(wù)存取點LSAP）的地址擴展，每個6bit；

（13）使用兩類站：主站（主動站，具有總線存取控制權(quán)）和從站（被動站，沒有總線存取控制權(quán)）。如果對實時性要求不苛刻，最多可用32個主站，總站數(shù)可達127個；

（14）總線存取基于混合、分散、集中三種方式；

（15）數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)有兩類：

非循環(huán)的：

有/無應(yīng)答要求的發(fā)送數(shù)據(jù)；

有應(yīng)答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)。

循環(huán)的（輪詢）：

有應(yīng)答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)。PROFIBUS廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其它自動化領(lǐng)域，PROFIBUS的典型應(yīng)用如圖4-1所示。圖4-1PROFIBUS的典型應(yīng)用4.2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-DP使用第1層、第2層和用戶接口層，第3到第7層未用，這種精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。物理層采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了傳輸介質(zhì)、物理連接和電氣等特性。PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)鏈路層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL，F(xiàn)ieldbusDataLinklayer），包括與PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的總線介質(zhì)訪問控制MAC以及現(xiàn)場總線鏈路控制（FLC，F(xiàn)ieldbusLinkControl）。FLC向上層提供服務(wù)存取點的管理和數(shù)據(jù)的緩存。4.2.1PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應(yīng)用層（第7層）包括FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）和LLI（低層接口）。FMS包含應(yīng)用協(xié)議和提供的通信服務(wù)。LLI建立各種類型的通信關(guān)系，并給FMS提供不依賴于設(shè)備的對第2層的訪問。FMS處理單元級（PLC和PC）的數(shù)據(jù)通信。功能強大的FMS服務(wù)可在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)使用，并為解決復(fù)雜通信任務(wù)提供了很大的靈活性。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議。因此，它們可以在同一根電纜上同時運行4.2.2PROFIBUS-FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS-PA使用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，它執(zhí)行規(guī)定現(xiàn)場設(shè)備特性的PA設(shè)備行規(guī)。傳輸技術(shù)依據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，確保本質(zhì)安全和通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。使用段耦合器可將PROFIBUS-PA設(shè)備很容易地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)之中。PROFIBUS-PA是為過程自動化工程中的高速、可靠的通信要求而特別設(shè)計的。用PROFIBUS-PA可以把傳感器和執(zhí)行器連接到通常的現(xiàn)場總線（段）上，即使在防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器也可如此。4.2.3PROFIBUS-PA的協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于Siemens公司在離散自動化領(lǐng)域具有較深的影響，并且PROFIBUS-DP在國內(nèi)具有廣大的用戶，本節(jié)以PROFIBUS-DP為例介紹PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。4.3PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)4.3.1PROFIBUS-DP的三個版本PROFIBUS-DP經(jīng)過功能擴展，一共有DP-V0、DP-V1和DP-V2三個版本，有時將DP-V1簡寫為DPV1。

1．基本功能（DP-V0）

（1）總線存取方法各主站間為令牌傳送，主站與從站間為主-從循環(huán)傳送，支持單主站或多主站系統(tǒng)，總線上最多126個站。可以采用點對點用戶數(shù)據(jù)通信、廣播（控制指令）方式和循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)通信。

（2）循環(huán)數(shù)據(jù)交換DP-V0可以實現(xiàn)中央控制器（PLC，PC或過程控制系統(tǒng)）與分布式現(xiàn)場設(shè)備（從站，例如I/O、閥門、變送器和分析儀等）之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請求報文，從站收到后返回響應(yīng)報文。這種循環(huán)數(shù)據(jù)交換是在被稱為MS0的連接上進行的。總線循環(huán)時間應(yīng)小于中央控制器的循環(huán)時間（約10ms），DP的傳送時間與網(wǎng)絡(luò)中站的數(shù)量和傳輸速率有關(guān)。每個從站可以傳送224B的輸入或輸出。

（3）診斷功能經(jīng)過擴展的PROFIBUS-DP診斷，能對站級、模塊級、通道級這3級故障進行診斷和快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。

（4）保護功能

所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。對DP從站的輸出進行存取保護，DP主站用監(jiān)控定時器監(jiān)視與從站的通信，對每個從站都有獨立的監(jiān)控定時器。DP從站用看門狗（WatchdogTimer，監(jiān)控定時器）檢測與主站的數(shù)據(jù)傳輸，如果在設(shè)置的時間內(nèi)沒有完成數(shù)據(jù)通信，從站自動地將輸出切換到故障安全狀態(tài)。

在多主站系統(tǒng)中，從站輸出操作的訪問保護是必要的。這樣可以保證只有授權(quán)的主站才能直接訪問。其他從站可以讀它們的輸入的映像，但是不能直接訪問。

（5）通過網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)功能與控制功能

通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)下列功能：動態(tài)激活或關(guān)閉DP從站，對DP主站（DPM1）進行配置，可以設(shè)置站點的數(shù)目、DP從站的地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷報文的格式等，以及檢查DP從站的組態(tài)。控制命令可以同時發(fā)送給所有的從站或部分從站。（6）同步與鎖定功能主站可以發(fā)送命令給一個從站或同時發(fā)給一組從站。接收到主站的同步命令后，從站進入同步模式。這些從站的輸出被鎖定在當(dāng)前狀態(tài)。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸中，輸出數(shù)據(jù)存儲在從站，但是它的輸出狀態(tài)保持不變。同步模式用“UNSYNC”命令來解除。鎖定（FREEZE）命令使指定的從站組進入鎖定模式，即將各從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)，直到主站發(fā)送下一個鎖定命令時才可以刷新。用“UNFREEZE”命令來解除鎖定模式。

（7）DPM1和DP從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸DPM1與有關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行的。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶定義DP從站與DPM1的關(guān)系，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)。DMP1和DP從站之間的數(shù)據(jù)傳送分為3個階段：參數(shù)化、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換。

（8）DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸PROFIBUS-DP允許主站之間的數(shù)據(jù)交換，即DPM1和DPM2之間的數(shù)據(jù)交換。該功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)，改變DPM1的操作方式，動態(tài)地允許或禁止DPM1與某些從站之間交換數(shù)據(jù)。

2．DP-V1的擴展功能

（1）非循環(huán)數(shù)據(jù)交換除了DP-V0的功能外，DP-V1最主要的特征是具有主站與從站之間的非循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能，可以用它來進行參數(shù)設(shè)置、診斷和報警處理。非循環(huán)數(shù)據(jù)交換與循環(huán)數(shù)據(jù)交換是并行執(zhí)行的，但是優(yōu)先級較低。

（2）工程內(nèi)部集成的EDD與FDT在工業(yè)自動化中，由于歷史的原因，GSD（電子設(shè)備數(shù)據(jù)）文件使用得較多，它適用于較簡單的應(yīng)用；EDD（ElectronicDeviceDescription，電子設(shè)備描述）適用于中等復(fù)雜程序的應(yīng)用；FDT/DTM（FieldDeviceTool/DeviceTypemanager，現(xiàn)場設(shè)備工具/設(shè)備類型管理）是獨立于現(xiàn)場總線的“萬能”接口，適用于復(fù)雜的應(yīng)用場合

（3）基于IEC61131-3的軟件功能塊為了實現(xiàn)與制造商無關(guān)的系統(tǒng)行規(guī)，應(yīng)為現(xiàn)存的通信平臺提供應(yīng)用程序接口（API），即標(biāo)準(zhǔn)功能塊。PNO（PROFIBUS用戶組織）推出了“基于IEC61131-3的通信與代理（Proxy）功能塊”。

（4）故障安全通信（PROFIsafe）

PROFIsafe定義了與故障安全有關(guān)的自動化任務(wù)，以及故障-安全設(shè)備怎樣用故障-安全控制器在PROFIBUS上通信。PROFIsafe考慮了在串行總線通信中可能發(fā)生的故障，例如數(shù)據(jù)的延遲、丟失、重復(fù)，不正確的時序、地址和數(shù)據(jù)的損壞。

（5）擴展的診斷功能。

DP從站通過診斷報文將突發(fā)事件（報警信息）傳送給主站，主站收到后發(fā)送確認(rèn)報文給從站。從站收到后只能發(fā)送新的報警信息，這樣可以防止多次重復(fù)發(fā)送同一報警報文。狀態(tài)報文由從站發(fā)送給主站，不需要主站確認(rèn)。

3．DP-V2的擴展功能（1）從站與從站間的通信。在2001年發(fā)布的PROFIBUS協(xié)議功能擴充版本DP-V2中，廣播式數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)了從站之間的通信，從站作為出版者（Publisher），不經(jīng)過主站直接將信息發(fā)送給作為訂戶（Subscribers）的從站。這樣從站可以直接讀入別的從站的數(shù)據(jù)。這種方式最多可以減少90%的總線響應(yīng)時間。從站與從站的數(shù)據(jù)交換如圖4-4所示；圖4-4從站與從站的數(shù)據(jù)交換（2）同步（Isochronous）模式功能同步功能激活主站與從站之間的同步，誤差小于1ms。通過“全局控制”廣播報文，所有有關(guān)的設(shè)備被周期性地同步到總線主站的循環(huán)。（3）時鐘控制與時間標(biāo)記（TimeStamps）通過用于時鐘同步的新的連接MS3，實時時間（RealTime）主站將時間標(biāo)記發(fā)送給所有的從站，將從站的時鐘同步到系統(tǒng)時間，誤差小于1ms。利用這一功能可以實現(xiàn)高精度的事件追蹤。在有大量主站的網(wǎng)絡(luò)中，對于獲取定時功能特別有用。主站與從站之間的時鐘控制通過MS3服務(wù)來進行（4）HARTonDPHART是一種應(yīng)用較廣的現(xiàn)場總線。HART規(guī)范將HART的客戶-主機-服務(wù)器模型映射到PROFIBUS，HART規(guī)范位于DP主站和從站的第7層之上。HART-client（客戶）功能集成在PROFIBUS的主站中，HART的主站集成在PROFIBUS的從站中。為了傳送HART報文，定義了獨立于MS1和MS2的通信通道。（5）上載與下載（區(qū)域裝載）這一功能允許用少量的命令裝載任意現(xiàn)場設(shè)備中任意大小的數(shù)據(jù)區(qū)。例如不需要人工裝載就可以更新程序或更換設(shè)備。（6）功能請求（FunctionInvocation）功能請求服務(wù)用于DP從站的程序控制（起動、停止、返回或重新起動）和功能調(diào)用。（7）從站冗余在很多應(yīng)用場合，要求現(xiàn)場設(shè)備的通信有冗余功能。冗余的從站有兩個PROFIBUS接口，一個是主接口，一個是備用接口。它們可能是單獨的設(shè)備，也可能分散在兩個設(shè)備中。這些設(shè)備有兩個帶有特殊的冗余擴展的獨立的協(xié)議堆棧，冗余通信在兩個協(xié)議堆棧之間進行，可能是在一個設(shè)備內(nèi)部，也可能是在兩個設(shè)備之間。1．系統(tǒng)的組成PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)設(shè)備包括主站（主動站，有總線訪問控制權(quán)，包括1類主站和2類主站）和從站（被動站，無總線訪問控制權(quán)）。當(dāng)主站獲得總線訪問控制權(quán)（令牌）時，它能占用總線，可以傳輸報文，從站僅能應(yīng)答所接收的報文或在收到請求后傳輸數(shù)據(jù)。

（1）1類主站；1類DP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行用戶數(shù)據(jù)交換。1類主站還能用一組功能與2類主站進行通信。所以1類主站在DP通信系統(tǒng)中既可作為數(shù)據(jù)的請求方（與從站的通信），也可作為數(shù)據(jù)的響應(yīng)方（與2類主站的通信）。4.3.2PROFIBUS-DP系統(tǒng)組成和總線訪問控制

（2）2類主站

在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，2類主站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。

（3）從站從站是PROFIBUS-DP系統(tǒng)通信中的響應(yīng)方，它不能主動發(fā)出數(shù)據(jù)請求。DP從站可以與2類主站或（對其設(shè)置參數(shù)并完成對其通信接口配置的）1類主站進行數(shù)據(jù)交換，并向主站報告本地診斷信息。圖4-5典型DP系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

2．系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型DP系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。3．總線訪問控制

PROFIBUS-DP系統(tǒng)的總線訪問控制要保證兩個方面的需求：一方面，總線主站節(jié)點必須在確定的時間范圍內(nèi)獲得足夠的機會來處理它自己的通信任務(wù)；另一方面，主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換必須是快速且具有很少的協(xié)議開銷。在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，這種混和總線訪問控制方式允許有如下的系統(tǒng)配置：純主-主系統(tǒng)（執(zhí)行令牌傳遞過程）；純主-從系統(tǒng)（執(zhí)行主-從數(shù)據(jù)通信過程）；混合系統(tǒng)（執(zhí)行令牌傳遞和主-從數(shù)據(jù)通信過程）。（1）令牌傳遞過程連接到DP網(wǎng)絡(luò)的主站按節(jié)點地址的升序組成一個邏輯令牌環(huán)。控制令牌按順序從一個主站傳遞到下一個主站。令牌提供訪問總線的權(quán)利，并通過特殊的令牌幀在主站間傳遞。具有HAS（HighestAddressStation，最高站地址）的主站將令牌傳遞給具有最低總線地址的主站，以使邏輯令牌環(huán)閉合。令牌經(jīng)過所有主站節(jié)點輪轉(zhuǎn)一次所需的時間叫做令牌循環(huán)時間（TokenRotationTime）。現(xiàn)場總線系統(tǒng)中令牌輪轉(zhuǎn)一次所允許的最大時間叫做目標(biāo)令牌時間（TTRTargetRotationTime），其值是可調(diào)整的。圖4-6純主-主系統(tǒng)中的令牌傳遞過程純主-主系統(tǒng)中的令牌傳遞過程如圖4-6所示。（2）主-從數(shù)據(jù)通信過程一個主站在得到令牌后，可以主動發(fā)起與從站的數(shù)據(jù)交換。主-從訪問過程允許主站訪問主站所控制的從站設(shè)備，主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。其數(shù)據(jù)傳遞如圖4-7所示。

圖4-7主-從數(shù)據(jù)通信過程

如果一個DP總線系統(tǒng)中有若干個從站，而它的邏輯令牌環(huán)只含有一個主站，這樣的系統(tǒng)稱為純主-從系統(tǒng)。

下面以圖4-8所示的PROFIBUS-DP系統(tǒng)為例，介紹PROFIBUS系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)從上電到進入正常數(shù)據(jù)交換工作狀態(tài)的整個過程可以概括為以下四個工作階段。4.3.3PROFIBUS-DP系統(tǒng)工作過程圖4-8PROFIBUS-DP系統(tǒng)實例1．主站和從站的初始化

上電后，主站和從站進入Offline狀態(tài)，執(zhí)行自檢。當(dāng)所需要的參數(shù)都被初始化后（主站需要加載總線參數(shù)集，從站需要加載相應(yīng)的診斷響應(yīng)信息等），主站開始監(jiān)聽總線令牌，而從站開始等待主站對其設(shè)置參數(shù)。2．總線上令牌環(huán)的建立

主站準(zhǔn)備好進入總線令牌環(huán)，處于聽令牌狀態(tài)。在一定時間（Time-out）內(nèi)主站如果沒有聽到總線上有信號傳遞，就開始自己生成令牌并初始化令牌環(huán)。然后該主站做一次對全體可能主站地址的狀態(tài)詢問，根據(jù)收到應(yīng)答的結(jié)果確定活動主站表和本主站所轄站地址范圍GAP，GAP是指從本站地址（TS，ThisStation）到令牌環(huán)中的后繼站地址NS之間的地址范圍。LAS的形成即標(biāo)志著邏輯令牌環(huán)初始化的完成。3．主站與從站通信的初始化DP系統(tǒng)的工作過程如圖4-9所示。在主站可以與DP從站設(shè)備交換用戶數(shù)據(jù)之前，主站必須設(shè)置DP從站的參數(shù)并配置此從站的通信接口，因此主站首先檢查DP從站是否在總線上。如果從站在總線上，則主站通過請求從站的診斷數(shù)據(jù)來檢查DP從站的準(zhǔn)備情況。如果DP從站報告它已準(zhǔn)備好接收參數(shù)，則主站給DP從站設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)并檢查通信接口配置，在正常情況下DP從站將分別給予確認(rèn)。收到從站的確認(rèn)回答后，主站再請求從站的診斷數(shù)據(jù)以查明從站是否準(zhǔn)備好進行用戶數(shù)據(jù)交換。只有在這些工作正確完成后，主站才能開始循環(huán)地與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)。在上述過程中，交換了下述三種數(shù)據(jù)。圖4-9DP系統(tǒng)的工作過程（1）參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)包括預(yù)先給DP從站的一些本地和全局參數(shù)以及一些特征和功能。參數(shù)報文的結(jié)構(gòu)除包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的部分外，必要時還包括DP從站和制造商特有的部分。參數(shù)報文的長度不超過244字節(jié)，重要的參數(shù)包括從站狀態(tài)參數(shù)、看門狗定時器參數(shù)、從站制造商標(biāo)識符、從站分組及用戶自定義的從站應(yīng)用參數(shù)等。（2）通信接口配置數(shù)據(jù)DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式通過標(biāo)識符來描述。標(biāo)識符指定了在用戶數(shù)據(jù)交換時輸入/輸出字節(jié)或字的長度及數(shù)據(jù)的一致刷新要求。在檢查通信接口配置時，主站發(fā)送標(biāo)識符給DP從站，以檢查在從站中實際存在的輸入/輸出區(qū)域是否與標(biāo)識符所設(shè)定的一致。如果一致，則可以進入主從用戶數(shù)據(jù)交換階段。（3）診斷數(shù)據(jù)在啟動階段，主站使用診斷請求報文來檢查是否存在DP從站和從站是否準(zhǔn)備接收參數(shù)報文。由DP從站提交的診斷數(shù)據(jù)包括符合標(biāo)準(zhǔn)的診斷部分以及此DP從站專用的外部診斷信息。DP從站發(fā)送診斷報文告知DP主站它的運行狀態(tài)、出錯時間及原因等。

4．用戶的交換數(shù)據(jù)通信DP從站報告出現(xiàn)診斷報文的流程如圖4-10所示。圖4-10DP從站報告當(dāng)前有診斷報文的流程4.4PROFIBUS-DP的通信模型4.4.1PROFIBUS-DP的物理層PROFIBUS-DP的物理層支持屏蔽雙絞線和光纜兩種傳輸介質(zhì)。1．DP（RS-485）的物理層

對于屏蔽雙絞電纜的基本類型來說，PROFIBUS的物理層（第1層）實現(xiàn)對稱的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)（