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PROFIBUS-DP的数据链路层

必博Bibo知识 | 2024-08-11| 84

   凭证 OSI 参考模子, 数据链路层划定总线存取控制、 数据清静性以及传输协媾和报
文的处置惩罚。 在 PROFIBUS - DP 中, 数据链路层 (第 2 层) 称为 FDL 层 (现场总线数据
链路层)。

图1 FDL 层的报文帧名堂    PROFIBUS - DP 的报文名堂如图1
所示。  
 1. 帧字符和帧名堂    (1) 帧字符    每个帧由若干帧字符 (UART 字符)
组成, 它把一个 8 位字符扩展成 11 位: 首
先是一个最先位 0, 接着是 8 位数据, 之后
是奇偶校验位 (划定为偶校验), 最后是停
止位 1。    (2) 帧名堂    第 2 层的报文名堂 (帧名堂) 如图
所示。    图中, L 为信息字段长度; SC 为简单
字符 (E5H), 用在短应答帧中; SD1 ~
SD4 为最先符, 区别差别类型的帧名堂:
SD1 =0x10, SD2 =0x68, SD3 = 0xA2, SD4 = 0xDC; LE/ LEr 为长度字节, 指示数据字
段的长度, LEr = LE; DA 为目的地点, 指示吸收该帧的站; SA 为源地点, 指示发送该帧的
站; FC 为帧控制字节, 包括用于该帧效劳和优先权等的详细说明; DU 为数据字段, 包括有
效的数据信息; FCS 为帧校验字节, 不进位加所有帧字符的和; ED 为帧竣事界定符
(16H)。    这些帧既包括自动帧, 也包括应答/ 回覆帧, 帧中字符间不保存空闲位 (二进制 1)。 主
动帧和应答/ 回覆帧的帧前的间隙有一些差别。 每个自动帧帧头都有至少 33 个同步位, 也就
是说每个通讯建设握手报文前必需坚持至少 33 位长的空闲状态 (二进制 1 对应的电平信
号), 这 33 个同步位长作为帧同步时间距离, 称为同步位 (SYN)。 而应答帧和回覆帧前没
有这个划定, 响应时间取决于系统设置。 应答帧与回覆帧也有一定的区别: 应答帧是指在从
站向主站的响应帧中无数据字段的帧, 而回覆帧是指响应帧中保存数据字段的帧。 另外, 短
应答帧只作应答使用, 它是无数据字段牢靠长度的帧的一种简朴形式。    (3) 帧控制字节    FC 的位置在帧中 SA 之后, 用来界说报文类型, 批注该帧是自动请求帧, 照旧应答/ 回
答帧。 FC 还包括了避免信息丧失或重复的控制信息, 见表1。

表1 帧控制字节的界说    表中, Res 为保存位 (发送方将设置此位为二进制 “0”); Frame 为帧类型, 1 为请求帧, 0
为应答帧/ 回覆; FCB (Frame Count Bit) 为帧计数位, 0、 1 交替泛起 (帧类型 B6 = 1);
FCV (Frame CountBit Valid) 为帧计数位有用 (帧类型 B6 = 1), 0 体现 FCB 的交替功效开
始或竣事, 1 体现 FCB 的交替功效有用 (后面有详细说明); Stn - Type 为站类型和 FDL 状
态 (帧类型 B6 =0), 其诠释见表2; Function 为功效码, 其诠释见表3和4。

表2 Stn -Type 的界说 (帧类型 B6 =0)

表3 自动帧的功效码 (帧类型 B6 =1)

表4 响应帧的功效码 (帧类型 B6 =1)    (4) 扩展帧    在有数据字段的帧 (最先符是 SD2 和 SD3) 中, DA 和 SA 的最高位 (第 7 位) 指示是否
保存地点扩展位 (EXT), 0 体现无地点扩展, 1 体现有地点扩展。 PROFIBUS - DP 协议使用
FDL 的效劳存取点 (SAP) 作为基本功效代码, 地点扩展的作用在于指定通讯的目的效劳存
取点 (DSAP)、 源效劳存取点 (SSAP) 或者区域/ 段地点, 其位置在 FC 字节后, DU 的最
最先的一个或两个字节。 在响应的应答帧中也要有地点扩展位, 并且在 DA 和 SA 中可能同
时保存地点扩展位, 也可能只有源地点扩展或目的地点扩展。 注重: 数据交流功效 (data_
exch) 接纳默认的效劳存取点, 在数据帧中没有 DSAP 和 SSAP, 即不接纳地点扩展帧。    (5) 报文循环    在 DP 总线上一次报文循环历程包括自动帧和应答/ 回覆帧的传输。 除令牌帧外, 其余 3
种。 无数据字段的牢靠长度的帧、 有数据字段的牢靠长度的帧和有数据字段无牢靠长度的
帧, 既可以是自动请求帧, 也可以是应答/ 回覆帧 (令牌帧是自动帧, 它不需要应答/ 回覆)。    
2. FDL 的 4 种效劳    FDL 可以为其用户, 也就是为 FDL 的上一层提供 4 种效劳: 发送数据需应答 (SDA),
发送数据无需应答 (SDN), 发送且请求数据需应答 (SRD) 及循环发送且请求数据需应答
(CSRD)。 用户想要 FDL 提供效劳, 必需向 FDL 申请, 而 FDL 执行之后会向用户提交效劳
效果。 用户和 FDL 之间的交互历程是通过一种接口来实现的, 在 PROFIBUS 规范中称之为
效劳原语。    (1) 发送数据需应答    SDA 效劳的执行历程中原语的使用如图2所示。    在图2中, 两条竖线体现 FDL 层的界线, 两线之间部分就是整个网络的数据链路
层。 左边竖线的外侧为外地 FDL 用户, 假设外地 FDL 地点为 m; 右边竖线外侧为远程 FDL
用户, 假设远程 FDL 地点为 n。

图2 SDA 效劳    效劳的执行历程是: 外地的用户首先使用效劳原语 FDL_DATA_ACK. request 向外地 FDL
装备提出 SDA 效劳申请。 外地 FDL 装备收到该原语后, 凭证链路层协议组帧, 并发送到远
程 FDL 装备, 远程 FDL 装备准确收到后使用原语 FDL_DATA_ACK. indication 通知远程用户
并把数据上传。 与此同时, 又将一个应答帧发回外地 FDL 装备。 外地 FDL 装备则通过原语
FDL_DATA_ACK. confirm 通知提倡这项 SDA 效劳的外地用户。    外地 FDL 装备发送数据后, 它会在一段时间内期待应答, 这个时间称为时隙时间 T SL
(Slot Time, 可设定的 FDL 参数)。 若是在这个时间内没有收到应答, 外地 FDL 装备将重新
发送, 最多重复 k = max_retry_limit (最大重试次数, 是可设定的 FDL 参数) 次。 在重试 k
次仍无应答, 则将无应答效果通知外地用户。    (2) 发送数据无需应答    SDN 效劳的执行历程中原语的使用如图3所示。

图3 SDN 效劳    从图3中可以看出 SDN 效劳与 SDA 效劳的区别: ① SDN 效劳允许外地用户同时向
多个, 甚至所有远程用户发送数据。 ② 所有吸收到数据的远程站不做应答。 当外地用户使
用原语 FDL_DATA. request 申请 SDN 效劳后, 外地 FDL 装备向所要求的远程站发送数据的同
时连忙转达原语 FDL_DATA. confirm 给外地用户, 原语中的参数 L_status 此时仅可以体现发
送乐成, 或者外地的 FDL 装备过失, 不可显示远程站是否准确吸收。    (3) 发送且请求数据需应答    SRD 效劳的执行历程中原语的使用如图所示。    SRD 效劳除了可以像 SDA 效劳那样向远程用户发送数据外, 自身照旧一个请求, 请求
远程站的数据回传, 远程站把应答和被请求的数据组帧, 回传给外地站。
执行顺序是: 远程用户将要被请求的数据准备好, 通过原语 FDL _ REPLY _ UP?
DATE. request 把要被请求的数据交给远程 FDL 装备, 并收到远程 FDL 装备回传的 FDL_RE?
PLY_UPDATE. confirm。 参数 Transmit 用来确定远程更新数据回传一次照旧多次, 若是回传
多次, 则在后续 SRD 效劳到来时, 更新数据都会被回传。 L_status 参数显示数据是否乐成装
入, 无误后期待被请求。 外地用户使用原语 FDL_DATA_REPLY. request 提倡这项效劳, 远
程站 FDL 装备收到发送数据后, 连忙把准备好的被请求数据回传, 同时向远程用户发送
FDL_DATA_REPLY. indication, 其中参数 updata_status 显示被请求数据是否被乐成地发送出
去。 最后, 外地用户就会通过原语 FDL_DATA_REPLY. confirm 吸收到被请求数据 L_sdu 和
传输状态效果 L_status。

图3 SRD 效劳    (4) 循环发送且请求数据需应答    CSRD 是 FDL 4 种效劳中最重大的一种。 CSRD 效劳在明确上可以以为是对多个远程站
自动循环地执行 SRD 效劳。    以上就是 FDL 层提供的4 种效劳。 特殊强调的是 SDN 效劳和 SRD 效劳, 由于 PROFIBUS
-DP 总线的数据传输依赖的是这两种 FDL 效劳, 而 FMS 总线使用了 FDL 的所有4 种效劳。
别的尚有一点, 4 种效劳显然都可以发送数据, 可是 SDA 和 SDN 发送的数据不可为空,
而 SRD 和 CSRD 则可以, 这种情形着实就是纯粹请求数据了。    
3. 以令牌传输为焦点的总线会见控制系统    在 PROFIBUS - DP 的总线会见控制中已经先容过关于令牌环的基本内容, 为了更好地
明确 DP 系统中的令牌传输历程, 下面将对此举行较详细的说明。    (1) GAP 表及 GAP 表的维护    GAP 是指令牌环中从本站地点到后继站地点之间的地点规模 GAP 表 (GAPL) 为 GAP
规模内所有站的状态表。    每一个主站中都有一个 GAP 维护准时器, 准时器溢出即向主站提出 GAP 维护申请。 主
站收到申请后, 使用询问 FDL 状态的 Request FDL Status 自动帧询问自己 GAP 规模内的所有
地点。 通过是否有返回和返回的状态, 主站就可以知道自己的 GAP 规模内是否有从站从总
线上脱落, 是否有新站添加, 并实时修改自己的 GAPL。 详细如下:    1) 若是在 GAP 表维护中发明有新从站, 则把它们记入 GAPL。    2) 若是在 GAP 表维护中发明原先在 GAP 表中的从站在多次重复请求的情形下没有应
答, 则把该站从 GAPL 中除去, 并挂号该地点为未使用地点。    3) 若是在 GAP 表维护中发明有一个新主站且处于准备进入逻辑令牌环的状态, 该主站
将自己的 GAP 规模改变到新发明的这个主站, 并且修改运动主站表, 在传出令牌时把令牌
交给此新主站。    4) 若是在 GAP 表维护中发明在自己的 GAP 规模中有一个处于已在逻辑令牌环中状态的
主站, 则以为该站为不法站, 接下来询问 GAP 表中的其他站点。 转达令牌时仍然传给自己
的 NS, 从而跳过该主站。 该主站发明自己被跳事后, 会从总线上自动撤下, 即从 Active_
Idle 状态进入 Listen_Token 状态, 重新期待进入逻辑令牌环。    (2) 令牌转达    某主站要交出令牌时, 凭证运动主站表转达令牌帧给后继站。 传出后, 该主站最先监听
总线上的信号, 若是在一准时间 (时隙时间) 内听到总线上有帧最先传输, 不管该帧是否
有用, 都以为令牌转达乐成, 该主站就进入 Active_Idle 状态。
若是时隙时间内总线没有运动, 就再次发出令牌帧。 云云重复至最大重试次数, 若是仍
然不乐成, 则转达令牌给运动主站表中后继主站的后继主站。 依此类推, 直到最大地点规模
内仍然找不到后继, 则以为自己是系统内唯一的主站, 将保存令牌, 直到 GAP 维护时找到
新的主站。    (3) 令牌吸收    若是一个主站从运动主站表中自己的前驱站收到令牌, 则保存令牌并使用总线。 若是主
站收到的令牌帧不是前驱站发出的, 则以为是一个过失而不吸收令牌。 若是此令牌帧被再次
收到, 该主站则以为令牌环已经修改, 将吸收令牌并修改自己的运动主站表。    (4) 令牌持有站的传输    一个主站持有令牌后, 事情历程如下:    首先盘算上次令牌获得时刻到本次令牌获得时刻经由的时间, 该时间为现实轮转时
间 (T RR ), 体现的是令牌现着实整个系统中轮转一周泯灭的时间。 每一次令牌交流都
会盘算一个新的 T RR ; 主站内有参数目的轮转时间 T TR , 其值由用户设定, 它是预设的
令牌轮转时间。 一个主站在获得令牌后, 就是通过盘算 T TR - T RR 来确定自己可以持有
令牌的时间。 (5) 从站 FDL 状态及事情历程    为了利便明确 PROFIBUS - DP 站点 FDL 的事情历程, 将其划分为几个 FDL 状态, 其工
作历程就是在这几个状态之间一直转换的历程。    PROFIBUS - DP 从站有两个 FDL 状态: Offline 和 Passive_Idle。 当从站上电、 复位或发
生某些过失时进入 Offline 状态。 在这种状态下从站会自检, 完成初始化及运行参数设定,
此状态下不做任何传输。 从站运行参数设定完成后自动进入 Passive_Idle 状态。 此状态下监
听总线并对询问自己的数据帧作响应反应。    (6) 主站 FDL 状态及事情历程    主站的 FDL 状态转换图如图4所示。 主站的事情历程及状态转换较量重大, 这里以
3 种典范情形举行说明。    1) 令牌环的形成。 假定一个 PROFIBUS - DP 系统最先上电, 该系统有几个主站, 令牌
环的形成事情历程如下:    每个主站初始化完成后从 Offline 状态进入 Listen_Token 状态, 监听总线。 主站在一准时
间 Ttime - out (T TO , 超时时间) 内没有听到总线上有信号转达, 就进入 Claim_Token 状态,
自己天生令牌并初始化令牌环。 由于 T TO 是一个关于地点 n 的枯燥递增函数, 同样条件下整
个系统中地点最低的主站最先进入 Claim_Token 状态。    最先进入 Claim_Token 状态的主站, 获得自己天生的令牌后, 马上向自己转达令牌帧两

图4 FDL 状态转换图     次, 通知系统内的其他还处于 Listen_Token 状态的主站令牌转达最先, 其他主站把该主站记
入自己的运动主站表。 然后该主站做一次对全体可能地点的询问 (Request FDL Status), 根
据收到应答的效果确定自己的 LAS 和 GAP。 LAS 的形成即标记着逻辑令牌环初始化的完成。    2) 主站加入已运行的 PROFIBUS - DP 系统的历程。 假定一个 PROFIBUS - DP 系统已经
运行, 一个主站加入令牌环的历程如下:    主站上电后在 Offline 状态下完成自身初始化。 之后进入 Listen_Token 状态, 在此状态
下, 主站听总线上的令牌帧, 剖析其地点, 从而知道该系统上已有哪些主站。 主站会听两个
完整的令牌循环, 即每个主站都被它作为令牌帧源地点纪录两次。 这样主站就获得了可靠的
运动主站表。    若是在听令牌的历程中发明两次令牌帧的源地点与自己地点一样, 则以为系统内已有自
己地点的主站, 于是进入 Offline 状态并向外地用户报告此情形。    在听两个令牌循环的时间里, 若是主站的前驱站进入 GAP 维护, 询问 Request FDL Sta?
tus, 则回复未准备好。 而在主站表已经天生之后, 主站再询问 Request FDL Status, 主站回
复准备进入逻辑令牌环, 并从 Listen_Token 状态进入 Active_Idle 状态。 这样, 主站的前驱站
会修改自己的 GAP 和 LAS, 并把该主站作为自己的后继站。    主站在 Active_Idle 状态下, 监听总线, 能够对寻址自己的自动帧作应答, 但没有提倡
总线运动的权力。 直到前驱站传送令牌帧给它, 它保存令牌并进入 Use_Token 状态。 若是在
监听总线的状态下, 主站一连听到两个 SA = TS (源地点 = 本站地点) 的令牌帧, 则以为整
个系统蜕化, 令牌环最先重新初始化, 主站转入 Listen_Token 状态。    主站在 Use_Token 状态下, 凭证前面所说的令牌持有站的传输历程举行事情。 令牌持有
时间抵达后, 进入 Pass_Token 状态。    特殊说明, 主站的 GAP 维护是在 Pass_Token 状态下举行的。 如不需要 GAP 维护或令牌
持有时间用尽, 主站将把令牌转达给后继站。    主站在令牌转达乐成后, 进入 Active_Idle 状态, 直到再次获得令牌。    3) 令牌丧失。 假设一个已经最先事情的 PROFIBUS - DP 系统泛起令牌丧失, 这样也会
泛起总线空闲的情形。 每一个主站此时都处于 Active_Idle 状态, FDL 发明在超时时间
(T TO ) 内无总线运动, 则以为令牌丧失并重新初始化逻辑令牌环, 进入 Claim_Token 状态,
此时重复第一种情形的处置惩罚历程。    
4. 现场总线第 1/2 层治理 (FMA 1/2)    前面先容了 PROFIBUS - DP 规范中 FDL 为上层提供的效劳。 而事实上, FDL 的用户除
了可以申请 FDL 的效劳之外, 还可以对 FDL 以及物理层 (PHY) 举行一些须要的治理。 例
如, 强制复位 FDL 和 PHY, 设定参数值, 读状态, 读事务及举行设置等。 在 PROFIBUS -
DP 规范中, 这一部分称为 FMA 1/2 (现场总线第 1/2 层治理)。    FMA 1/2 用户和 FMA 1/2 之间的接口效劳功效主要有:    ● 复位物理层、 数据链路层 (Reset FMA 1/2), 此效劳是外地效劳。    ● 请求和修改数据链路层、 物理层, 以及计数器的现实参数值 (Set Value/ Read Value
FMA 1/2), 此效劳是外地效劳。    ● 通知意外的事务、 过失和状态改变 (Event FMA 1/2), 此效劳可以是外地效劳, 也可
以是远程效劳。    ● 请求站的标识和链路效劳存取点设置 (Ident FMA 1/2、 LSAP Status FMA 1/2), 此服
务可以是外地效劳, 也可以是远程效劳。    ● 请求现实的主站表 (Live List FMA 1/2), 此效劳是外地效劳。    ● SAP 激活及扫除激活 ( (R) SAP Activate/ SAP Deactivate FMA 1 /2), 此效劳是外地
效劳。

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