基于串口通讯的PROFIBUS性能分析诊断软件

随着越来越多工业控制系统采用了PROFIBUS现场总线技术，对这些控制系统进行具体的、直观的和实时的在线分析与诊断成为了最基本的要求，要想完成这样的任务，就需要有相应的工程分析诊断工具。

　　由于在PRIFBUS传输报文可以反映出总线性能的很多参数，包括各种故障状态。比如：从参数化报文可以看出主站和从站的关系，从站的操作方式，包括通道参数、功能设定、装置参数和ID号等。从组态报文可以看出从站I/0类型及性质，以及模块的I/O性质及数据类型等。从诊断报文可以看出从站各种参数设置错误，各种组态错误，以及装置模块错误类型。

本文作者就是在对PROFIBUS-DP报文进行详尽分析的基础上，采用VC++ 6.0开发了一款基于串口通讯的PROFIBUS性能分析诊断软件。

　　1 PROFIBUS工作机理

　　1.1 PROFIBUS-DP编码技术

　　PROFIBUS－DP交换数据使用异步传输技术和NRZ编码。NRZ编码的二进制信号“0”或“1”的信号电平在信号持续期间维持不变。图1 所示为NRZ码信号图。

图1 非归零码信号

　　每个数据链路层协议数据单元应由一定数量的字符组成，每个字符都是一个用于异步传输的起——停字符。

　　每个字符由11个比特组成，包括1个总是为二进制“0”的起始比特（ST），8个可以是二进制数“0”亦可以是二进制数“1”的信息比特，1个可以是二进制“1”也可以是二进制数“0”的偶校验比特（P），1个总是为二进制数“1”的停止比特，如图2所示。

图2单个字符格式

　　接收器的比特同步总是从起始比特的下降沿开始，也就是说，在从二进制“1”转换到二进制数“0”时开始。在比特时间的中间应扫描起始比特和所有后继的比特。在比特时间的中间，起始比特应是二进制数“0”，否则认为同步失败并停止同步过程。以二进制“1”的停止比特来结束字符的同步，如果此时出现二进制数“0”来代替此停止比特，则应认为并报告一个同步差错或字符差错，并应等待下一个起始比特的前导沿。1.2 报文格式

　　如图3所示，PRFIBUS-DP有以下5种报文格式。其中，SYN为同步周期，它是一个最小的时间间隔，在此时间间隔内，每个站在它可以接收发送/请求报文帧或令牌起始部分之前，应从传输介质接收空闲状态（idle state）(idle=二进制“1”)。同步周期最小为33个线空闲比特；SD为起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，FC是控制帧；FCS是帧校验和，ED为结束定界符，值为16h，L是信息字段长度，其中SD1= 10h，用于请求FDL状态，寻找一个新的活动的站点，报文长度固定，没有数据单元；SD2= 68h，用于SRD服务，报文的数据长度可变；SD3 = A2h，数据单元长度固定（L总为8字节）；SD4 = DCh，表示该报文为令牌报文；SC =E5h, 短确认报文。

图3 PROFIBUS—DP链路层报文格式

　　2 报文诊断软件的实现

　　2.1   实验平台

　　图4为作者组建的PROFIBUS-DP网络实验系统结构图。在网络系统中，1类主站为SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控机作为2 类主站，通过现场总线接口卡CP5611与DP 总线相连， WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利时公司的LM3107 PLC等PLC设备作为从站连接到DP网络中。

图4 PROFIBUS-DP网络实验系统结构图

 　　2.2   软件开发环境

　　软件开发工具为VC++6.0，通过计算机标准串口通信，将PROFIBUS—DP报文采集到上位机进行处理。PROFIBUS-DP系统作为实验平台，采用RS485/RS232通信电缆将其RS485的一端接入PROFIBUS-DP网络连接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC机的串口。

　　2.3   软件系统基本程序框图

　　软件系统的程序基本架构流程图

　　整个系统软件包括如下几个模块：

　　1）程序主控模块：负责实现程序逻辑与主界面，调用串口通信模块和接收显示模块。

 　　2）串口通信模块：负责实现串口通信任务，PROFIBUS-DP报文数据采集及串口参数设置。

　　3）数据处理模块：根据PROFIBUS-DP协议报文格式，将采集上来的数据按报文格式进行处理，并存入临时缓冲区。

　　4）接收显示模块：负责实现接收数据的处理与显示。

　　5）数据库模块及数据查询模块，用来实现对采集到报文的历史数据的分析和查询。　2.4关键技术

　　该软件主要是实现对PROFIBUS报文进行提取，实现在线采集PROFIBUS-DP报文数据，从数据链路层角度对各种报文进行分析，完成各种类型报文的显示，完成对报文种类、服务类型、地址、数据长度及数据单元等信息的提取显示，并对诊断报文、参数化报文及组态报文等的数据单元进行详细的分析，得出总线性能的各种参数及故障原因，将分析过的数据存储进数据库，存入临时缓冲区，根据需要将分析过的报文信息存入数据库，实现历史查询。

　　如何实现报文帧的提取是本软件设计的一个关键问题。由于PROFIBUS报文格式有很多种，而且包括数据长度不固定的可变报文。虽然各种报文都具有固定的报头、报尾，但是存在的问题是报头报尾并不是特定的字符，有可能和报文中数据单元内容一样，所以这里利用报头报尾进行报文的提取是不可行的。作者在这里利用各种报文帧前的同步字符进行报文提取，也就是说，在每个完整报文帧传输之前，其前面都有一个不小于33bit的同步时间，在报文帧中间是没有任何间隔的，利用这一同步时间，在VC++中利用超时函数，对报文帧进行了完整地提取。

　　另外，由于通信数据量很大，速度较快，这里采用了WINDOWS多线程技术。一个线程为监视线程，监视串口通讯，一个为数据处理主线程，另外一个为定时刷新数据库线程。当监视线程监视到串口中有数据到达时，就触发一个消息通知数据处理主线程，数据处理主线程就去串口缓冲区中取出数据，并进行数据处理。定时器线程定时刷新数据库显示，以实现实时显示功能。

　　作者在程序编写的过程中，出现数据库不能实时刷新的情况，后来发现问题出在WINDOWS的WM_TIMER定时器上，由于该定时器消息优先级较低，可能造成WM_TIMER消息的丢失，所以不能实现数据库的实时刷新。解决的方法是采用WINDOWS的多媒体定时器。在使用多媒体定时器的过程中，定时间隔的选取又是一个关键的问题，定时间隔选取太小，将会耗费大量的CPU内存，造成系统“死机”, 定时间隔选取太大，又不能完成“实时”显示功能。这里又涉及到PROFIBUS总线信息循环时间的问题，总线信息循环时间与总线传输的波特率、从站的数量、I/O数据的数量、从站需要的延迟时间以及主站的空闲时间等有关。作者通过了大量的计算和多次实验调试，寻找到一个合适的定时器间隔。

　　2.5显示界面

　　该PROFIBUS-DP报文分析软件的程序界面包括主界面、串口配置界面、报文过滤界面、报文查询界面、数据库存储界面以及历史查询界面等。

　　PROFIBUS-DP分析诊断软件的运行主界面如图6，窗口左上部分“当前profibus报文”组框内存放最近采集到的PROFIBUS- DP报文信息，并可通过工具栏上的记录移动按钮滚动察看记录；右上方“信息面板”是用来显示所有查看报文的详细信息。窗口下半部分以网格形式显示 PROFIBUS-DP历史信息。

 　　若需要打开串口，开始接收PROFIBUS报文信息，则可选择“命令”菜单下的“开始接收”项；若需停止接收PROFIBUS报文信息，则可选择“命令”菜单下的“停止接收”项；若需要配置串口参数，则可选择“命令”菜单下的“串口配置”项，此时将弹出“串口配置对话框”，若需清除当前所有记录，可选择“记录”菜单下的“清除所有记录项”命令，如果需要分类查看各种报文，可以选择“查看”命令菜单下的“报文查询”，此时将弹出“报文查询对话框”，可根据需要进行报文分类查看。

图6 软件运行主界面

　　该软件经过作者在PROFIBUS网络实验系统上的反复运行调试，结果表明该软件能够实现对几种PROFIBUS报文进行分析，能够完成采集、显示、分析、存储和查询等功能，为以后的研究开发奠定了基础，同时具有一定的实用价值。