基于FPGA的PROFIBUS-DP集线器设计

摘要：给出了用PROFIBUS―DP HUB来改变现场总线拓扑结构的设计方案，并对数据转发方法进行比较。描述了DP协议传输的格式，重点介绍并分析了两种帧结束检测方法及其优劣，最后通过八通道DP HUB的实例来说明了整个设计的实现过程。
关键字：拓扑结构；帧结构；帧结束判定；波特率检测

0 引言
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS的传送速度在9．6kbaud～12Mbaud范围内，而且，当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置都被设成相同的速度。PROFIBUS的最大优点是其具有稳定的国际标准EN50170作保证，故其稳定、可靠、故障率低，且经实际应用验证具有普遍性。因此，研究PROFIBUS具有重要的意义。
目前工业现场应用中的PROFIBUS―DP大部分是线性总线结构，该结构上一个点出现问题将导致整个DP网络通讯故障，数据无法传输，且难以定位故障点；另外，采用该总线结构，在现场设备分布比较分散时，会对布线造成困难，很容易超出DP协议规定的通信距离。而星型或树形拓扑结构则可以有效地解决此类问题，但DP协议并不支持这两种拓扑结构。为此，本文提出利用DPHUB来改变DP网络拓扑结构，从而解决了DP总线在实际应用中的缺陷。

1 PROFIBUS―DP协议
众所周知，国际ISO标准组织的0SI网络通信模型是国际上通用的标准框架，PROFIBUS―DP使用了其中的第1、2层(即物理层、数据链路层)和一个用户的应用接口，而对通用模型上的第3～6层没有加以定义描述，这种精简结构的好处是数据传输快速和效率高。用户的应用接口又称为直接数据链路映像程序，它规定了可调用的应用功能，可使第三方应用程序得到直接调用。图1所示是PROFIBUS―DP协议层的定义。

2 PROFIBUS―DP的传输
PROFIBUS―DP总线上的一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站都建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连
续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中的帧传输过程分为数据链路建立、帧传输和链路释放三个阶段。一般情况下，DP协议中的FDL层报文帧结构仅有5种类型。
其中，SDl是无数据域，只用作查询总线上的激活站点，其格式如下：

SD2是带有固定8字节数据域，格式如下：