PROFIBUS 协议结构

PROFIBUS协议的结构，根据IS07498国际标准，以开放系统互联网络OSI为参考模型，其结构如图6-33所示。

 

图6-33 PROFIBUS协议结构

   PROFIBUS-DP使用第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速性和有效性，直接数据链路映像(DDLM，Direct Data linkMapper)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。

   PROFIBUS-FMS对第1、2和7层均加以定义，应用层包括现场总线信息规范(FMS，Fieldbus Message Specification)和底层接口(LLI，Lower Layer Interface)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系，并向FMS提供访问的第2层。第2层现场总线数据链路( FDL)可完成总线访问控制和数据的可靠性，它还为PROFIBUS-FMS提供了RS485传输技术或光纤。

   PROFIBUS-PA数据传输采用扩展的“PROFIBUS-DP”协议，另外还使用了描述现场设备行为的行规，根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质安全性，并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络。

   PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

   PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级实现网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线的控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。主站从PROFIBUS协议讲，也称为主动站。

从站为外围设备，典型的从站包括：I/O装置、阀门、驱动器和测量发送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认，或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。

   PROFIBUS的DP、FMS和PA均使用单一的总线存取协议，该协议通过OSI参考模型的第2层来实现，它包括数据的可靠性及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路( FDL，FieldbusData link)。介质存取控制(MAC，MediumAccessControl)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只能有一个站点发送数据。PROFIBUS协议的设计旨在满足介质存取控制的两个基本要求。

    ①在复杂的自动化系统（主站）间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

    ②在复杂的程序控制器和简单的I／O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

因此，PROFIBUS总线存取协议包括主站与主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式，如图6-34所示。

 

图6-34 PROFIBUS总线存取协议

    令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权（令牌），令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在PROFIBUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。

    主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息，通过这种存取方法，可以实现下列系统配置：纯主一从系统（单主站）；纯主一主系统（带令牌传递）；混合系统（多主一多从）。

    图6-34中的三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。

    令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递。

在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中删除，新上电的主站必须加入逻辑环。另外，总线存取控制保证令牌按地址升序，依次在各主站间传送，各主站的令牌具体保持时间长短取决于该令牌配置的循环时间。此外，PROFIBUS介质存取控制的特点是监测传输介质及收发器是否损坏，检查站点地址是否出错（如地址重复），以及令牌错误（如多个令牌或令牌丢失）。

   PROFIBUS协议结构的第2层的另一个重要作用是保证数据的可靠性。PROFIBUS第2层的结构格式保证数据的高度完整，这时所有报文的海明距离HD-4及使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节同步传输和每个字节的奇偶校验来保证。

    PROFIBUS第2层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信（广播及有选择广一播）功能。