基于FPGA的PROFIBUS-DP集线器设计

摘要：给出了用PROFIBUS—DP HUB来改变现场总线拓扑结构的设计方案，并对数据转发方法进行比较。描述了DP协议传输的格式，重点介绍并分析了两种帧结束检测方法及其优劣，最后通过八通道DP HUB的实例来说明了整个设计的实现过程。

关键字：拓扑结构；帧结构；帧结束判定；波特率检测

0 引言

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS的传送速度在9．6kbaud～12Mbaud范围内，而且，当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置都被设成相同的速度。PROFIBUS的最大优点是其具有稳定的国际标准EN50170作保证，故其稳定、可靠、故障率低，且经实际应用验证具有普遍性。因此，研究PROFIBUS具有重要的意义。

目前工业现场应用中的PROFIBUS—DP大部分是线性总线结构，该结构上一个点出现问题将导致整个DP网络通讯故障，数据无法传输，且难以定位故障点；另外，采用该总线结构，在现场设备分布比较分散时，会对布线造成困难，很容易超出DP协议规定的通信距离。而星型或树形拓扑结构则可以有效地解决此类问题，但DP协议并不支持这两种拓扑结构。为此，本文提出利用DPHUB来改变DP网络拓扑结构，从而解决了DP总线在实际应用中的缺陷。

1 PROFIBUS—DP协议

众所周知，国际ISO标准组织的0SI网络通信模型是国际上通用的标准框架，PROFIBUS—DP使用了其中的第1、2层(即物理层、数据链路层)和一个用户的应用接口，而对通用模型上的第3～6层没有加以定义描述，这种精简结构的好处是数据传输快速和效率高。用户的应用接口又称为直接数据链路映像程序，它规定了可调用的应用功能，可使第三方应用程序得到直接调用。图1所示是PROFIBUS—DP协议层的定义。

2 PROFIBUS—DP的传输

PROFIBUS—DP总线上的一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站都建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连

续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中的帧传输过程分为数据链路建立、帧传输和链路释放三个阶段。一般情况下，DP协议中的FDL层报文帧结构仅有5种类型。

其中，SDl是无数据域，只用作查询总线上的激活站点，其格式如下：

SD2是带有固定8字节数据域，格式如下：

SD3的数据域长度可变，常用于SRD(发送数据，且要求回复数据)服务，格式为：

SD4是令牌帧，格式如下：

SC为短应答，格式为：

在PROFIBUS—DP协议中，RS485和光纤通常使用UART编码格式，而在UART编码中，每个字符由一个UART结构的11位构成，具体如下：

其中，Start=0；Parity=偶校验位；Stop=1

为了保证数据的准确传输，必须知道起始位和结束位。判断起始和结束的条件是要知道DP的传输速率。

3 DP数据转发方式比较

DP HUB的数据转换方式大体可分为两种，即不检验帧结束转发和检验帧结束转发。

3．1 不检验帧结束转发

不检验帧结束转发是当一路485检测到信号线上有低电平信号时(DP协议定义信号线上闲时为高电平)，由FPGA将其余七路485设置成发送状态，而把一路进来的低电平脉冲信号转发给其余七路。低电平脉冲结束后，FPGA再将其余七路恢复成接收状态，以等待下一个低脉冲的到来。

该方法的优点是实现简单，缺点是当HUB的主站给从站发送数据时，其余路端如果进来低电平干扰且恰好遇到主站485接收的是高电平信号，则系统就会误认为主站发送数据结束而将其变为从站。然后将有低电平干扰的从站变为主站，将低电平干扰当作正常数据向其他从站转发。

3．2 检验帧结束转发

检验帧结束式转发即一路485检测到信号到来时，由FPGA将其余七路485设置成发送状态，并按位将其转发。它采用一定方法判断帧的结束位，并当判断这个帧结束时，由FPGA将七路485重新设置成接收状态，以等待下一个帧的到来。

该方式的优点是数据传输准确率高，但是也存在着系统资源占用较多的缺点。事实上，考虑到DP通信的安全性和可靠性，还是先检测波特率后按位传输较好。下文将介绍DP—HUB是如何基于判断帧结束这种方法来实现数据转发的。

作者：王 鑫 来源：国外电子元器件