现场总线与工业以太网：PROFIBUS-DP接口

1.DP缓存器结构

DP_Mode=1（参见方式寄存器0）时，SPC3 DP方式使能。在这种过程中，下列SAPs服务于DP方式。

·Default SAP：数据交换（Write_Read_Data）。

·SAP53：DDB参数设置报文选择（Set_DDB_Param）。

·SAP55：改变站地址（Set_Slave_Address）。

·SAP56：读输入（Read_Inputs）。

·SAP57：读输出（Read_Outputs）。

·SAP58：DP从站的控制命令（Global_Control）。

·SAP59：读配置数据（Get_Config）。

·SAP60：读诊断信息（Slave_Diagnosis）。

·SAP61：发送参数设置数据（Set_Param）。

·SAP62：检查配置数据（Check_Config）。

DP从站协议完全集成在SPC3中，并独立执行。用户必须相应地参数化SPC3，处理和响应传送报文。除了Default SAP、SAP56、SAP57和SAP58，其他的SAPs一直使能，这4个SAPs在DP从站状态机制进入数据交换状态才使能。用户也可以让SAP55无效，这时相应的缓存器指针R_SSA_Buf_Ptr设置为00H。在RAM初始化时可以让DDB单元无效。

DP_SAP缓存器结构如图5-1所示。

图5-1 DP-SAP结构

用户可在离线状态下配置所有的缓存器（长度和指针），在操作中除了Dout/Din缓存器长度外，其他的缓存配置不可改变。

用户在配置报文以后（Check_Config），等待参数化时，仍可改变这些缓存器。在数据交换状态下只可接收相同的配置。

输出数据和输入数据都有3个长度相同的缓存器可用，这些缓存器的功能是可变的。一个缓存器分配给D（数据传送），一个缓存器分配给U（用户），第3个缓存器出现在N（Next State）或F（Free State）状态，然而其中一个状态不常出现。

两个诊断缓存器长度可变。一个缓存器分配给D，用于SPC3发送数据；另一个缓存器分配给U，用于准备新的诊断数据。

SPC3首先为不同的参数设置报文（Set_Slave_Address和Set_Param）和配置报文（Check_Config），并读取到辅助缓存1和辅助缓存2中。

对于SPC3，输入缓冲区有3个，并且长度一样；输出缓冲区也有3个，长度也一样。输入、输出缓冲区都有3个状态，分别是U、N、D。在同一时刻，各个缓冲区处于相互不同的状态。08H～0BH单元表明了各个缓冲区的状态，并且表明了当前用户可用的缓冲区。U状态的缓冲区分配给用户使用，D状态的缓冲区分配给总线使用。N状态是U、D状态的中间状态。

（1）输出数据缓冲区状态的转变

当持有令牌的主站向本地从站发送输出数据时，SPC3在D缓存中读取接收到的输出数据。当SPC3接收到的输出数据没有错误时，就将新填充的缓冲区由D状态转为N状态，并且产生DX_OUT中断。这时用户读取Next_Dout_Buffer_Cmd寄存器，处于N状态的输出缓冲区由N状态变为U状态；用户同时知道哪一个输出缓冲区处于U状态，通过读取输出缓冲区得到当前输出数据。

如果用户程序循环时间短于总线周期时间，也就是说用户非常频繁地查询Next_Dout_Buffer_Cmd寄存器。用户使用Next_Dout_Buffer_Cmd寄存器在N状态下得不到新缓存，因此，缓存器的状态将不会发生变化。在12Mbit/s情况下，用户程序循环时间长于总线周期时间，这就有可能使用户取得新缓存之前在N状态下得到输出数据，保证了用户能得到最新的输出数据。但是，在通信速率比较低的情况下，只有在主站得到令牌，并且与本地从站通信后，用户才能在输出缓冲区中得到最新数据。如果从站比较多，输入、输出的字节数又比较多，用户得到最新数据通常要花费很长的时间。值得庆幸的是，PROFIBUS-DP的通信速率可以设置得比较快。

用户通过读取Dout_Buffer_SM寄存器（地址0AH）的状态，可以查询每个输出缓冲区处于Nil、Dout_Buf_Ptr1-1、Dout_Buf_Ptr1-2、Dout_Buf_Ptr1-3中的哪个状态。

用户读取Next_Dout_Buffer_Cmd（地址0BH）寄存器，可以得到交换后哪一个缓存处于U状态，即属于用户，或者没有发生缓冲区变化。然后用户可以从处于U状态的输出数据缓冲区中得到最新的输出数据。

（2）输入数据缓冲区状态的转变

输入数据缓冲区有3个，长度一样（初始化时已经规定）。输入数据缓冲区也有3个状态，即U、N、D状态。同一时刻，3个缓冲区处于不同的状态，即一个缓冲区处于U状态，一个处于N状态，一个处于D状态。处于U状态的缓冲区用户可以使用，并且在任何时候用户都可以更新；处于D状态的缓冲区由SPC3使用，SPC3将处于D状态缓冲区中的输入数据发送到主站。

SPC3从D缓存中发送输入数据。在发送以前，处于N状态的输入缓冲区转为D状态，同时处于U状态的输入缓冲区变为N状态，原来处于D状态的输入缓冲区变为U状态。处于D状态的输入缓冲区中的数据发送到主站。用户可使用U状态下的输入缓冲区，通过读取New_Din_Buffer_Cmd寄存器，用户可以知道哪一个输入缓冲区属于用户。如果用户赋值周期时间短于总线周期时间，将不会发送每次更新的输入数据，只能发送最新的数据。但在12Mbit/s速率下，用户赋值时间长于总线周期时间。在此时间内，用户可多次发送当前的最新数据。但是在波特率比较低的情况下，不能保证每次更新的数据都能及时发送。用户把输入数据写入处于U状态的输入缓冲区，只有U状态变为N状态，再变为D状态，SPC3才能将该数据发送到主站。

用户通过读取Din_Buffer_SM（08H）单元，可以查询每个输入缓冲区处于Nil、Din_Buf_Ptr1-1、Din_Buf_Ptr1-2、Din_Buf_Ptr1-3中的哪个状态。

读取New_Din_Buffer_Cmd寄存器（地址09H），用户可得到交换后哪一个缓存属于用户。与相应的目标缓存器（SSA缓存器、PRM缓存器和CFG缓存器）交换数据时，相互交换的缓存器必须有相同的长度，用户可在R_Aux_Buf_Sel参数单元定义中使用上述哪一个辅助缓存。辅助缓存器1一直可用，辅助缓存器2可选。如果DP报文的数据不同，比如设置参数报文长度大于其他报文，则使用辅助缓存器2（Aux_Sel_Set_Param=1），其他的报文则通过辅助缓存器1（Aux_Sel_Set_Param）读取。如果缓存器太小，SPC3将响应“无资源”。

辅助缓存器管理见表5-12。

表5-12 辅助缓存器管理

用户可用Read_Cfg缓存器读取Get_Config缓存中的配置数据，但二者必须有相同的长度。

在D状态下，可以从Din缓存器中进行Read_Input_Data操作；在U状态下，可以从Dout缓存器中进行Read_Output_Data操作。

由于SPC3内部只有8位地址寄存器，因此，所有的缓存器指针都是8位段地址。访问RAM时，SPC3将段地址左移3位，与8位偏移地址相加，得到11位物理地址。关于缓存器的起始地址，这8个字节是明确规定的。

2.DP服务描述

（1）Set_Slave_Address（SAP55）

1）Set_Slave_Address顺序。

用户通过设置R_SSA_Buf_Ptr=00H，使设定从站地址顺序的功能失效，必须确定从站地址。例如，可通过拨码开关读取站地址，写入R_TS_Adr寄存器。

用户也可以使用非易失存储器（如E²PROM）支持这种功能。在外部E²PROM中，可以存储从站地址和Real_No_Add_Change（True=FFH）参数。由于电源故障造成系统重启时，用户必须重新装载R_TS_Adr和R_Real_No_Add_Change寄存器。

如果SAP55使能，并且Set_Slave_Address报文已正确接收，SPC3把网络数据放入Aux-Buffer1/2中，然后把Aux-Buffer1/2转换为SSA缓存器，将数据长度存放到R_Len_SSA_data中，产生New_SSA_Data中断，并存储新的站地址和新的Real_No_Add_Change参数。用户不必再把改变的参数传送给SPC3。当用户读取该缓存器后，用户就可以对地址14H执行读操作，使用SSA_Buffer_Free_Cmd，让SPC3再次准备好接收新的设置从站地址的报文（如来自其他的主站）。

当有错误产生时，SPC3能独立响应。

SSA_Buffe r_Free_Cmd编码见表5-13。

表5-13 SSA_Buffer_Free_Cmd编码

2）Set_Slave_Address报文结构。

SSA缓存器中网络数据的存储格式见表5-14。

表5-14 SSA缓存器中网络数据的存储格式

（2）Set_Param（SAP61）

1）参数数据结构。

SPC3给前7个字节赋值（不包括用户参数数据），或给前8个字节赋值（包括用户参数数据），前7个字节是按标准规定的，第8个字节与SPC3特殊参数有关。其余字节与应用有关。Set_Param报文的数据格式见表5-15。

表5-15 Set_Param报文的数据格式

Set_Param报文数据第7个字节的位定义见表5-16。

表5-16 Set_Param报文数据第7个字节的位定义

2）参数数据处理顺序。

在多于7个数据字节有效的情况下，SPC3执行以下响应：

SPC3把辅助缓存器1/2（所有的数据都输入到这里）转换为参数缓存器，把输入数据的长度存储到R_Len_Prm_Data，并触发New_Prm_Data中断。用户必须检查User_Prm_Data，返回值为User_Prm_Data_Okay_Cmd或User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd。所有的报文都输入到该缓存中，也就是与应用有关的参数数据只存储在从第8个字节开始的单元中。

用户响应（User_Prm_Data_Okay_Cmd或User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd）触发New_Prm_Data中断，在IAR寄存器中用户不响应该中断。User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd报文设置相关的诊断位，并转入Wait_Prm。

User_Prm_Data_Okay_Cmd和User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd可进行读访问，相关信号如下：

User_Prm_Finished当前无其他的参数报文

Prm_Conflict当前有其他的参数报文，再一次处理

Not_allowed当前总线状态下不允许访问

User_Prm_Data_Okay_Cmd编码和User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd编码分别见表5-17和表5-18。(www.chuimin.cn)

表5-17 User_Prm_Data_Okay_Cmd编码

表5-18 User_Prm_Data_Not_Okay_Cmd编码

如果同时接收到其他的Set_Param报文，将返回Prm_Conflict信号以响应第一个报文。无论是肯定响应，还是否定响应，此时SPC3新的参数缓存器都可用，用户可以重新响应新的Set_Param报文。

（3）Check_Config（SAP62）

用户给配置数据赋值。SPC3接收到有效的Check_Config报文后，SPC3把辅助缓存器1/2（所有的数据都输入到这里）转换成配置缓存器，把输入数据的长度存储到R_Len_Cfg_Data中，并产生New_Cfg_Data中断。

用户必须检查User_Config_Data寄存器，返回值为User_Cfg_Data_Okay_Cmd或User_Cfg_Data_Not_Okay_Cmd（对Cfg_SM的响应），网络数据按标准格式输入到该缓存器中。

用户响应（User_Cfg_Data_Okay_Cmd或User_Cfg_Data_Not_Okay_Cmd）产生New_Cfg_Data中断，在IAR寄存器中用户不响应该中断。

如果配置不正确，则改变诊断位，并转入Wait_Prm。

对于正确的配置，如果当前无Din缓存器（R_Len_Din_Buf=00H），并且参数设置报文和配置报文的触发计数器为0，则立即进入数据交换状态。否则，只有使用New_Din_Buffer_Cmd使N缓存器可用后才进入数据交换状态。当进入数据交换状态时，SPC3产生Go/Leave_Data_Exchange中断。

如果从配置缓存器中接收到正确的配置数据，将导致Read_Cfg缓存器的变化（该变化包括Get_Config报文的数据），用户必须在User_Cfg_Data_Okay_Cmd响应之前使Read_Cfg缓存器中的Read_Cfg数据可用。SPC3接收到响应之后且方式寄存器1中的EN_Change_Cfg_Buffer=1，则交换Cfg缓存器和Read_Cfg缓存器。

在响应期间，用户可接收有冲突的信息和无冲突的信息。如果处理第一个Check_Config报文的同时接收到其他的Check_Config报文，将返回Check_Conflict信号以响应第一个报文。无论是肯定响应，还是否定响应，此时SPC3新的参数缓存器都可用，用户可以重新响应新的Set_Cfg报文。

可以对User_Cfg_Data_Okay_Cmd和User_Cfg_Data_Not_Okay_Cmd单元进行读操作，返回值为Not_Allowed、User_Cfg_Finished和Cfg_Conflict。如果在上电过程中同时出现New_Prm_Data和New_Cfg_Data，用户必须先响应Set_Param，然后再响应Check_Config。

User_Cfg_Data_Okay_Cmd编码和User_Cfg_Data_Not_Okay_Cmd编码分别见表5-19和表5-20。

表5-19 User_Cfg_Data_Okay_Cmd编码

表5-20 User_Cfg_Data_Not_Okay_Cmd编码

（4）Slave_Diagnosis（SAP60）

1）诊断处理顺序。诊断有两个缓存器可用，这两个缓存器均可以改变长度。SPC3有一个缓存器用于发送诊断请求，同时用户在另外一个缓存器中预处理诊断数据。如果新的诊断数据将被发送，用户可使用New_Diag_Cmd请求交换诊断缓存器。用户通过Diag_Buffer_Changed中断确认诊断缓存器的交换。

当缓存器交换以后，将设置内部的Diag_Flag位。如果Diag_Flag激活，SPC3将在下一个Write_Read_Data具有高优先级响应数据时响应主站，表明从站已经存在诊断数据，这时主站可以使用Slave_Diagnosis报文得到从站的诊断数据，并使Diag_Flag复位。然而，如果Diag.Stat_Diag=1（静态诊断，见诊断缓存器的结构），当相关主站得到诊断数据以后，Di-ag_Flag仍保持激活状态。用户可以在新旧数据交换以前通过状态寄存器中的Diag_Flag状态判断主站是否得到了诊断数据。

诊断缓存器的状态代码存储在Diag_Buffer_SM处理器参数中。Diag_Buffer_SM分配见表5-21。

表5-21 Diag_Buffer_SM分配

New_Diag_Buffer_Cmd通过读访问，可以确定在缓存器交换后哪一个处理器参数属于用户，或者两个缓存器都分配给SPC3（No Buffer、Diag_Buf1和Diag_Buf2）。New_Diag_Buffer_Cmd编码见表5-22。

表5-22 New_Diag_Buffer_Cmd编码

2）诊断缓存器的结构。用户传送的SPC3的诊断缓存器的结构见表5-23。除了第一个字节的低3位，前6个字节都是Spaceholder，第一个字节的低3位分别是Diag.Ext_Diag、Diag.Stat_Diag和Diag.Ext_Diag_Overflow，其余的位自由安排。当发送时，SPC3按标准预处理前6个字节。

表5-23 SPC3诊断缓存器的结构

用户在SPC3内部诊断数据后，必须把Ext_Diag_Data输入到缓存器中，有3种不同格式：Device-related、ID-related和Port-related。除了Ext_Diag_Data，缓存器长度还包括SPC3的诊断字节（R-Len_Diag_Buf1和R_Len_Diag_Buf2）。

（5）Write_Read_Data/Data_Exchange（Default_SAP）

1）写输出（Writing Outputs）。SPC3读取D缓存器中的输出数据。SPC3接收到正确的输出数据报文后，SPC3将D缓存器的数据填入到N缓存器中，同时产生DX_OUT中断。这时用户从N中得到当前的输出数据，通过Next_Dout_Buffer_Cmd使缓存器由N变为U，这时当前使用数据返回到主站的Read_Outputs。

如果用户程序周期短于总线周期，则用户通过Next_Dout_Buffer_Cmd在N缓存器中找不到新的缓存器，因此，禁止缓存器交换。在通信速率为12Mbit/s情况下，用户程序周期长于总线周期，这就使用户在得到新的缓存器之前从N中得到新的输出数据，从而保证用户能得到最新的数据。

由于Power_On、Leave_Master和Global_Control_Telgram清除，SPC3清除D缓存器，然后将D缓存器的内容填入到N缓存器。在上电期间（进入Wait_Prm状态）也会发生以上情况。如果用户得到这一缓存器，它将在Next_Dout_Buffer_Cmd期间清除U缓存器。如果在Check_Config报文后，用户打算增多输出数据，则必须在N状态下删除（可能只在Wait_Cfg状态的上电期间）。

如果Diag.Sync_Mode=1，当接收到Write_Read_Data报文时，D缓存器可被填充，但不会交换，可能在下一个Sync或Unsync交换。

用户可读取缓存器管理的状态，有4种状态：Nil、Dout_Buf_Ptr1-1、Dout_Buf_Ptr1-2和Dout_Buf_Ptr1-3，当前数据指针在N状态下。Dout_Buffer管理见表5-24。

表5-24 Dout_Buffer管理

用户读取Next_Dout_Buffer_Cmd后，可得到用户缓存器的信息，判断缓存器是否发生变化，或发生变化后哪一个缓存器属于用户。Next_Dout_Buffer_Cmd编码见表5-25。

表5-25 Next_Dout_Buffer_Cmd编码

用户必须在初始化时清除U缓存器，保证在第一个数据周期之前为Read_Output报文发送定义好的数据。

2）读输入（Reading Inputs）。SPC3从D缓存器中发送输入数据。在发送以前，SPC3从N缓存器得到Din缓存器数据，然后放到D缓存器中。如果当前N状态下无新的输入数据，将没有变化。

用户使U缓存器中新的数据可用，通过New_Din_Buffer_Cmd，缓存器从U变为N。若用户的准备周期短于总线周期，则不会发送全部的输入数据，而只发送当前数据。在12Mbit/s的通信速率下，如果用户准备时间长于总线周期时间，用户可连续多次发送相同的数据。

在Start-Up期间，所有的参数报文和配置报文得到确认以后，SPC3进入数据交换状态。用户可通过New_Din_Buffer_Cmd在N缓存器中得到第一个有效的Din缓存器。

如果Diag.Freeze_Mode=1，在发送之前没有缓存器交换。

用户可读取状态机单元的状态，有4种状态：Nil、Dout_Buf_Ptr1、Dout_Buf_Ptr2和Dout_Buf_Ptr3，当前数据指针在N状态下。数据输入缓存管理见表5-26。

表5-26 数据输入缓存管理

当读取New_Din_Buffer_Cmd时，用户可得知交换后哪一个缓存属于用户。New_Din_Buffer_Cmd编码见表5-27。

表5-27 New_Din_Buffer_Cmd编码

3）用户看门狗定时器（User_Watchdog_Timer）。当上电（在数据交换状态）后，如果用户没有读取接收到的Din缓存器中的数据或没有使新的Dout缓存器可用时，SPC3继续响应Write_Read_Data报文。如果用户处理器故障，主站将接收不到该信息。因此，需要在SPC3中执行User_Watchdog_Timer。

User_WD_Timer是一个内部为16位的RAM单元，起始值是R_User_WD_Value15…0。用户每从SPC3中接收到一个Write_Read_Data报文，该RAM单元的值就减1。如果定时器达到0000H，SPC3就进入Wait_Prm状态，DP_SM产生Leave_Master，用户必须周期性地设置定时器的初始值。因此，必须在方式寄存器1中设置Res_User_WD=1。直至接收到下一个Write_Read_Data报文，SPC3把User_Wd_Timer的值装载到R_User_Wd_Value15…0中，并设置Res_User_Wd=0（方式寄存器1）。在Power_Up期间，用户必须设置Res_User_Wd=1，才能使User_Wd_Timer设置为参数化值。

（6）Global_Control（SAP58）

Global_Control报文的第一个有效字节存储在R_GC_Command RAM单元，内部处理该报文第二个字节（Group_Select）。Global_Control报文数据格式见表5-28所示。

表5-28 Global_Control报文数据格式（地址3CH）

如果接收到最后一个Global_Control报文时，Control_Command字节改变，SPC3产生New_GC_Command中断。在初始化过程中，SPC3预先设置R_GC_Command RAM单元为00H，用户可读写该单元。

只有在方式寄存器中使同步和锁定使能，才能执行以上功能。

（7）Read_Inputs（SAP56）

SPC3得到输入数据，就像处理Write_Read_Data报文一样。在发送之前，缓存器由N转为D。如果在N缓存器中有新的输入数据，并且Diag.Freeze_Mode=1，将无缓存器改变。

（8）Read_Outputs（SAP57）

SPC3在U缓存器中从Dout缓存器中得到输出数据。在启动期间应预先设置输出数据为0，才能发送有效的数据。如果在调用和重复期间，缓存器由N变为U（通过Next_Dout_Buffer_Cmd），则在重复期间发送新的输出数据。

（9）Get_Config（SAP59）

用户在Read_Cfg缓存器中得到有效的配置数据。在Check_Config报文后，配置数据发生变化，用户可以把变化后的配置数据写入配置缓存器中，置En_Change_Cfg_Buffer=1（见方式寄存器1），SPC3交换Cfg缓存器与Read_Cfg缓存器。如果在操作中配置数据发生变化，用户必须通过Go Offline返回到Wait_Prm状态。