基于串口通訊的PROFIBUS性能分析診斷軟件

隨著越來越多工業(yè)控制系統(tǒng)采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，對這些控制系統(tǒng)進(jìn)行具體的、直觀的和實(shí)時的在線分析與診斷成為了最基本的要求，要想完成這樣的任務(wù)，就需要有相應(yīng)的工程分析診斷工具。

　　由于在PRIFBUS傳輸報文可以反映出總線性能的很多參數(shù)，包括各種故障狀態(tài)。比如：從參數(shù)化報文可以看出主站和從站的關(guān)系，從站的操作方式，包括通道參數(shù)、功能設(shè)定、裝置參數(shù)和ID號等。從組態(tài)報文可以看出從站I/0類型及性質(zhì)，以及模塊的I/O性質(zhì)及數(shù)據(jù)類型等。從診斷報文可以看出從站各種參數(shù)設(shè)置錯誤，各種組態(tài)錯誤，以及裝置模塊錯誤類型。

本文作者就是在對PROFIBUS-DP報文進(jìn)行詳盡分析的基礎(chǔ)上，采用VC++ 6.0開發(fā)了一款基于串口通訊的PROFIBUS性能分析診斷軟件。

　　1 PROFIBUS工作機(jī)理

　　1.1 PROFIBUS-DP編碼技術(shù)

　　PROFIBUS－DP交換數(shù)據(jù)使用異步傳輸技術(shù)和NRZ編碼。NRZ編碼的二進(jìn)制信號“0”或“1”的信號電平在信號持續(xù)期間維持不變。圖1 所示為NRZ碼信號圖。

圖1 非歸零碼信號

　　每個數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元應(yīng)由一定數(shù)量的字符組成，每個字符都是一個用于異步傳輸?shù)钠稹Ｗ址?/P>

　　每個字符由11個比特組成，包括1個總是為二進(jìn)制“0”的起始比特（ST），8個可以是二進(jìn)制數(shù)“0”亦可以是二進(jìn)制數(shù)“1”的信息比特，1個可以是二進(jìn)制“1”也可以是二進(jìn)制數(shù)“0”的偶校驗(yàn)比特（P），1個總是為二進(jìn)制數(shù)“1”的停止比特，如圖2所示。

圖2單個字符格式

　　接收器的比特同步總是從起始比特的下降沿開始，也就是說，在從二進(jìn)制“1”轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制數(shù)“0”時開始。在比特時間的中間應(yīng)掃描起始比特和所有后繼的比特。在比特時間的中間，起始比特應(yīng)是二進(jìn)制數(shù)“0”，否則認(rèn)為同步失敗并停止同步過程。以二進(jìn)制“1”的停止比特來結(jié)束字符的同步，如果此時出現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)“0”來代替此停止比特，則應(yīng)認(rèn)為并報告一個同步差錯或字符差錯，并應(yīng)等待下一個起始比特的前導(dǎo)沿。1.2 報文格式

　　如圖3所示，PRFIBUS-DP有以下5種報文格式。其中，SYN為同步周期，它是一個最小的時間間隔，在此時間間隔內(nèi)，每個站在它可以接收發(fā)送/請求報文幀或令牌起始部分之前，應(yīng)從傳輸介質(zhì)接收空閑狀態(tài)（idle state）(idle=二進(jìn)制“1”)。同步周期最小為33個線空閑比特；SD為起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，F(xiàn)C是控制幀；FCS是幀校驗(yàn)和，ED為結(jié)束定界符，值為16h，L是信息字段長度，其中SD1= 10h，用于請求FDL狀態(tài)，尋找一個新的活動的站點(diǎn)，報文長度固定，沒有數(shù)據(jù)單元；SD2= 68h，用于SRD服務(wù)，報文的數(shù)據(jù)長度可變；SD3 = A2h，數(shù)據(jù)單元長度固定（L總為8字節(jié)）；SD4 = DCh，表示該報文為令牌報文；SC =E5h, 短確認(rèn)報文。

圖3 PROFIBUS—DP鏈路層報文格式

　　2 報文診斷軟件的實(shí)現(xiàn)

　　2.1?? 實(shí)驗(yàn)平臺

　　圖4為作者組建的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，1類主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機(jī)作為2 類主站，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611與DP 總線相連， WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利時公司的LM3107 PLC等PLC設(shè)備作為從站連接到DP網(wǎng)絡(luò)中。

圖4 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

?　　2.2?? 軟件開發(fā)環(huán)境

　　軟件開發(fā)工具為VC++6.0，通過計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串口通信，將PROFIBUS—DP報文采集到上位機(jī)進(jìn)行處理。PROFIBUS-DP系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺，采用RS485/RS232通信電纜將其RS485的一端接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC機(jī)的串口。

　　2.3?? 軟件系統(tǒng)基本程序框圖

　　軟件系統(tǒng)的程序基本架構(gòu)流程圖

　　整個系統(tǒng)軟件包括如下幾個模塊：

　　1）程序主控模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)程序邏輯與主界面，調(diào)用串口通信模塊和接收顯示模塊。

?　　2）串口通信模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)串口通信任務(wù)，PROFIBUS-DP報文數(shù)據(jù)采集及串口參數(shù)設(shè)置。

　　3）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)PROFIBUS-DP協(xié)議報文格式，將采集上來的數(shù)據(jù)按報文格式進(jìn)行處理，并存入臨時緩沖區(qū)。

　　4）接收顯示模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的處理與顯示。

　　5）數(shù)據(jù)庫模塊及數(shù)據(jù)查詢模塊，用來實(shí)現(xiàn)對采集到報文的歷史數(shù)據(jù)的分析和查詢?！?.4關(guān)鍵技術(shù)

　　該軟件主要是實(shí)現(xiàn)對PROFIBUS報文進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)在線采集PROFIBUS-DP報文數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)鏈路層角度對各種報文進(jìn)行分析，完成各種類型報文的顯示，完成對報文種類、服務(wù)類型、地址、數(shù)據(jù)長度及數(shù)據(jù)單元等信息的提取顯示，并對診斷報文、參數(shù)化報文及組態(tài)報文等的數(shù)據(jù)單元進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出總線性能的各種參數(shù)及故障原因，將分析過的數(shù)據(jù)存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫，存入臨時緩沖區(qū)，根據(jù)需要將分析過的報文信息存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)歷史查詢。

　　如何實(shí)現(xiàn)報文幀的提取是本軟件設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。由于PROFIBUS報文格式有很多種，而且包括數(shù)據(jù)長度不固定的可變報文。雖然各種報文都具有固定的報頭、報尾，但是存在的問題是報頭報尾并不是特定的字符，有可能和報文中數(shù)據(jù)單元內(nèi)容一樣，所以這里利用報頭報尾進(jìn)行報文的提取是不可行的。作者在這里利用各種報文幀前的同步字符進(jìn)行報文提取，也就是說，在每個完整報文幀傳輸之前，其前面都有一個不小于33bit的同步時間，在報文幀中間是沒有任何間隔的，利用這一同步時間，在VC++中利用超時函數(shù)，對報文幀進(jìn)行了完整地提取。

　　另外，由于通信數(shù)據(jù)量很大，速度較快，這里采用了WINDOWS多線程技術(shù)。一個線程為監(jiān)視線程，監(jiān)視串口通訊，一個為數(shù)據(jù)處理主線程，另外一個為定時刷新數(shù)據(jù)庫線程。當(dāng)監(jiān)視線程監(jiān)視到串口中有數(shù)據(jù)到達(dá)時，就觸發(fā)一個消息通知數(shù)據(jù)處理主線程，數(shù)據(jù)處理主線程就去串口緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。定時器線程定時刷新數(shù)據(jù)庫顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示功能。

　　作者在程序編寫的過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫不能實(shí)時刷新的情況，后來發(fā)現(xiàn)問題出在WINDOWS的WM_TIMER定時器上，由于該定時器消息優(yōu)先級較低，可能造成WM_TIMER消息的丟失，所以不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時刷新。解決的方法是采用WINDOWS的多媒體定時器。在使用多媒體定時器的過程中，定時間隔的選取又是一個關(guān)鍵的問題，定時間隔選取太小，將會耗費(fèi)大量的CPU內(nèi)存，造成系統(tǒng)“死機(jī)”, 定時間隔選取太大，又不能完成“實(shí)時”顯示功能。這里又涉及到PROFIBUS總線信息循環(huán)時間的問題，總線信息循環(huán)時間與總線傳輸?shù)牟ㄌ芈?、從站的?shù)量、I/O數(shù)據(jù)的數(shù)量、從站需要的延遲時間以及主站的空閑時間等有關(guān)。作者通過了大量的計算和多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，尋找到一個合適的定時器間隔。

　　2.5顯示界面

　　該P(yáng)ROFIBUS-DP報文分析軟件的程序界面包括主界面、串口配置界面、報文過濾界面、報文查詢界面、數(shù)據(jù)庫存儲界面以及歷史查詢界面等。

　　PROFIBUS-DP分析診斷軟件的運(yùn)行主界面如圖6，窗口左上部分“當(dāng)前profibus報文”組框內(nèi)存放最近采集到的PROFIBUS- DP報文信息，并可通過工具欄上的記錄移動按鈕滾動察看記錄；右上方“信息面板”是用來顯示所有查看報文的詳細(xì)信息。窗口下半部分以網(wǎng)格形式顯示 PROFIBUS-DP歷史信息。

?　　若需要打開串口，開始接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“開始接收”項(xiàng)；若需停止接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“停止接收”項(xiàng)；若需要配置串口參數(shù)，則可選擇“命令”菜單下的“串口配置”項(xiàng)，此時將彈出“串口配置對話框”，若需清除當(dāng)前所有記錄，可選擇“記錄”菜單下的“清除所有記錄項(xiàng)”命令，如果需要分類查看各種報文，可以選擇“查看”命令菜單下的“報文查詢”，此時將彈出“報文查詢對話框”，可根據(jù)需要進(jìn)行報文分類查看。

圖6 軟件運(yùn)行主界面

　　該軟件經(jīng)過作者在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的反復(fù)運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對幾種PROFIBUS報文進(jìn)行分析，能夠完成采集、顯示、分析、存儲和查詢等功能，為以后的研究開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時具有一定的實(shí)用價值。