隨著越來越多工業控制系統采用了PROFIBUS現場總線技術，對這些控制系統進行具體的、直觀的和實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，就需要有相應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，包括各種故障狀態。比如：從參數化報文可以看出主站和從站的關系，從站的操作方式，包括通道參數、功能設定、裝置參數和ID號等。從組態報文可以看出從站I/0類型及性質，以及模塊的I/O性質及數據類型等。從診斷報文可以看出從站各種參數設置錯誤，各種組態錯誤，以及裝置模塊錯誤類型。

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

　　1 PROFIBUS工作機理

　　1.1 PROFIBUS-DP編碼技術

　　PROFIBUS－DP交換數據使用異步傳輸技術和NRZ編碼。NRZ編碼的二進制信號“0”或“1”的信號電平在信號持續期間維持不變。圖1 所示為NRZ碼信號圖。

圖1 非歸零碼信號

　　每個數據鏈路層協議數據單元應由一定數量的字符組成，每個字符都是一個用于異步傳輸的起——停字符。

　　每個字符由11個比特組成，包括1個總是為二進制“0”的起始比特（ST），8個可以是二進制數“0”亦可以是二進制數“1”的信息比特，1個可以是二進制“1”也可以是二進制數“0”的偶校驗比特（P），1個總是為二進制數“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，在從二進制“1”轉換到二進制數“0”時開始。在比特時間的中間應掃描起始比特和所有后繼的比特。在比特時間的中間，起始比特應是二進制數“0”，否則認為同步失敗并停止同步過程。以二進制“1”的停止比特來結束字符的同步，如果此時出現二進制數“0”來代替此停止比特，則應認為并報告一個同步差錯或字符差錯，并應等待下一個起始比特的前導沿。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，每個站在它可以接收發送/請求報文幀或令牌起始部分之前，應從傳輸介質接收空閑狀態（idle state）(idle=二進制“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，FC是控制幀；FCS是幀校驗和，ED為結束定界符，值為16h，L是信息字段長度，其中SD1= 10h，用于請求FDL狀態，尋找一個新的活動的站點，報文長度固定，沒有數據單元；SD2= 68h，用于SRD服務，報文的數據長度可變；SD3 = A2h，數據單元長度固定（L總為8字節）；SD4 = DCh，表示該報文為令牌報文；SC =E5h, 短確認報文。

圖3 PROFIBUS—DP鏈路層報文格式

　　2 報文診斷軟件的實現

　　2.1?? 實驗平臺

　　圖4為作者組建的PROFIBUS-DP網絡實驗系統結構圖。在網絡系統中，1類主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機作為2 類主站，通過現場總線接口卡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設備作為從站連接到DP網絡中。

圖4 PROFIBUS-DP網絡實驗系統結構圖

?　　2.2?? 軟件開發環境

　　軟件開發工具為VC++6.0，通過計算機標準串口通信，將PROFIBUS—DP報文采集到上位機進行處理。PROFIBUS-DP系統作為實驗平臺，采用RS485/RS232通信電纜將其RS485的一端接入PROFIBUS-DP網絡連接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC機的串口。

　　2.3?? 軟件系統基本程序框圖

　　軟件系統的程序基本架構流程圖

　　整個系統軟件包括如下幾個模塊：

　　1）程序主控模塊：負責實現程序邏輯與主界面，調用串口通信模塊和接收顯示模塊。

?　　2）串口通信模塊：負責實現串口通信任務，PROFIBUS-DP報文數據采集及串口參數設置。

　　3）數據處理模塊：根據PROFIBUS-DP協議報文格式，將采集上來的數據按報文格式進行處理，并存入臨時緩沖區。

　　4）接收顯示模塊：負責實現接收數據的處理與顯示。

　　5）數據庫模塊及數據查詢模塊，用來實現對采集到報文的歷史數據的分析和查詢。　2.4關鍵技術

　　該軟件主要是實現對PROFIBUS報文進行提取，實現在線采集PROFIBUS-DP報文數據，從數據鏈路層角度對各種報文進行分析，完成各種類型報文的顯示，完成對報文種類、服務類型、地址、數據長度及數據單元等信息的提取顯示，并對診斷報文、參數化報文及組態報文等的數據單元進行詳細的分析，得出總線性能的各種參數及故障原因，將分析過的數據存儲進數據庫，存入臨時緩沖區，根據需要將分析過的報文信息存入數據庫，實現歷史查詢。

　　如何實現報文幀的提取是本軟件設計的一個關鍵問題。由于PROFIBUS報文格式有很多種，而且包括數據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，有可能和報文中數據單元內容一樣，所以這里利用報頭報尾進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，對報文幀進行了完整地提取。

　　另外，由于通信數據量很大，速度較快，這里采用了WINDOWS多線程技術。一個線程為監視線程，監視串口通訊，一個為數據處理主線程，另外一個為定時刷新數據庫線程。當監視線程監視到串口中有數據到達時，就觸發一個消息通知數據處理主線程，數據處理主線程就去串口緩沖區中取出數據，并進行數據處理。定時器線程定時刷新數據庫顯示，以實現實時顯示功能。

　　作者在程序編寫的過程中，出現數據庫不能實時刷新的情況，后來發現問題出在WINDOWS的WM_TIMER定時器上，由于該定時器消息優先級較低，可能造成WM_TIMER消息的丟失，所以不能實現數據庫的實時刷新。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鍵的問題，定時間隔選取太小，將會耗費大量的CPU內存，造成系統“死機”, 定時間隔選取太大，又不能完成“實時”顯示功能。這里又涉及到PROFIBUS總線信息循環時間的問題，總線信息循環時間與總線傳輸的波特率、從站的數量、I/O數據的數量、從站需要的延遲時間以及主站的空閑時間等有關。作者通過了大量的計算和多次實驗調試，尋找到一個合適的定時器間隔。

　　2.5顯示界面

　　該PROFIBUS-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、數據庫存儲界面以及歷史查詢界面等。

　　PROFIBUS-DP分析診斷軟件的運行主界面如圖6，窗口左上部分“當前profibus報文”組框內存放最近采集到的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信息。窗口下半部分以網格形式顯示 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；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；若需要配置串口參數，則可選擇“命令”菜單下的“串口配置”項，此時將彈出“串口配置對話框”，若需清除當前所有記錄，可選擇“記錄”菜單下的“清除所有記錄項”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”，可根據需要進行報文分類查看。

圖6 軟件運行主界面

　　該軟件經過作者在PROFIBUS網絡實驗系統上的反復運行調試，結果表明該軟件能夠實現對幾種PROFIBUS報文進行分析，能夠完成采集、顯示、分析、存儲和查詢等功能，為以后的研究開發奠定了基礎，同時具有一定的實用價值。