在目前的工業現場總線中，對實時性的要求越來越高，實時性指標也成為工廠選擇總線時的一個重要因素。PROFIBUS-DP現場總線作為目前國際上的一種通用現場總線標準，隨著生產工藝對控制要求的提高，控制系統的實時性能要求也越來越高。
    為了提高PROFIBUS-DP總線的實時性，本文在嚴格按照協議完成自主設計的PROFIBUS-DP單主站情況下，探討使用Linux操作系統提高PROFIBUS-DP總線實時性的方案，以及在單主站情況下提高PROFIBUS-DP總線實時性的可行性。
1 PROFIBUS-DP實時性分析
    實時性能主要體現在MAC層協議上，不同的總線采用不同的MAC子層協議，PROFIBUS-DP采用的是簡化令牌總線協議。同時，測控周期是衡量PROFIBUS-DP系統實時性能的主要指標。
1.1 PROFIBUS-DP的MAC層協議
    PROFIBUS-DP采用簡化總線令牌總線協議作為MAC層標準，其總線設備包括主站（1類主站和2類主站）和從站，系統組成如圖1所示。

    對總線上的每一個站點分配一個地址，主站地址組成一個邏輯環，持有令牌的主站可以在持有令牌期間輪詢訪問從站。
    PROFIBUS-DP的介質訪問控制協議(MAC)包括主站之間通過占有令牌取得總線的占有權的主主通信和主站與從站之間的主從通信兩部分。本文考慮的是一個單主站系統，所以只探討主從通信部分的實時性。
1.2 測控周期
    測控周期是指控制系統周期性訪問網絡上同一節點的時間間隔，記為Dcycle，它是衡量PROFIBUS-DP系統實時性的一個重要指標。它主要由周期性數據交換時間Tcycle、主站維護時間TGAP和非周期性數據交換時間Tacycle（包括參數配置、從站數據診斷、通信接口配置等）三部分組成。
    所以，當主站第一次上電，第一次與從站進行通信時，單主站的測控周期可表示為：
    
其中N表示系統中的從站個數。
1.2.1 周期性數據交換時間Tcycle
    一次典型的數據交換過程如圖2所示。

其中，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時間，是其他時間參數的計量單位。由于PROFIBUS-DP采用UART編碼方式，每個字符由11位組成，所以傳輸一個字符需要11Tbit。
    從圖2可知，一個報文循環由主動幀（請求或發送/請求幀）和回答幀組成。循環時間由幀傳輸時間、傳輸延遲時間和站延遲時間組成。所以：

1.2.2 主站維護時間TGAP
    當總線上同時存在多個從站時，主站需要與總線上的每個從站進行數據交換。對于單主站系統，該主站將一直持有令牌。所以，當主站處理完與一個從站的周期信息后，就會發出Request_FDL_Status去查詢GAP中的一個地址，更新NS值，查找是否有其他從站已經在總線上等待與主站通信。
    由于PROFIBUS-DP主站是按地址遞增順序查找從站，并且Request_FDL_Status采用的是以SD1為起始符的報文幀，實際上，從站隨時都監聽著總線上的數據，所以當報文幀中從站地址與自身地址相同后，從站就會傳遞應答幀給主站。
    在實際應用中，總線上的從站地址一般都按順序排列（如從站5、從站6、從站7），很少出現跳躍，通常為：
 
2 Linux2.6下PROFIBUS-DP的實時性分析
    由于是自主設計的PROFIBUS-DP主站(未采用協議芯片)，所以Tsdr和TID1這兩個參數完全由程序決定。如果能縮短這兩個時間參數，則對PROFIBUS-DP的實時性能的提高有很大的意義。
2.1 Linux2.6的實時性分析
    Linux2.6內核相對以前的Linux內核在實時性方面有了很大的增強，包括O(1)調度器、可搶占式內核、改進的線程模型以及對新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持。
2.1.1 可搶占式內核
    在2.6版的內核中，引入了內核的可搶占性，只要調度是安全的，內核就可以在任何時間搶占正在執行的任務。也就是說，只要沒有持有鎖，內核就可以進行搶占。鎖是非搶占區域的標志，由于內核支持SMP，所以，如果沒有持有鎖，則正在執行的代碼就是可重入的，也就可以搶占。
2.1.2 定時器
    時鐘粒度是否粗糙是制約實時性的一個重要方面。Linux2.6已將終端頻率改為1 000 Hz，即時鐘粒度為1 ms。
2.1.3 虛擬內存
    Linux2.6內核雖然支持虛擬內存，但是虛擬內存的使用將會帶來系統響應時間的不確定性，所以在移植Linux內核時，應盡可能去掉虛擬內存虛擬內存機制，盡量保證應用程序直接訪問物理內存。
2.1.4 調度策略
    Linux2.6中不但支持基于優先級的調度策略，還支持基于比例共享的調度策略。同時，Linux2.6內核進程調度算法的復雜度為O(1)，這對于進程的切換效率有了很大的提高。
2.2 Linux2.6下PROFIBUS-DP單主站的軟件設計
    PROFIBUS-DP單主站的主從通信設計圖如圖3所示。

    從“從站通信調度模塊”開始，該模塊根據上位機發送過來的詢問從站在線命令幀對相應的從站數據結構進行初始化，然后調用“從站是否運行模塊”，判斷從站是否在線；如果在線，就進入“從站通信管理模塊”。在該模塊中，由于已經將Linux移植到了該硬件平臺上，所以通過fork()函數，建立一個進程，單獨處理與特定從站之間的通信；如果有多個從站都進入運行狀態，則建立多個進程，分享CPU，按一定的調度策略處理與主站及從站之間的通信。接著，按照PROFIBUS-DP協議的規范，調用相應的“請求幀模塊”，發送命令幀給從站設備；從站在接收到請求幀后，會在規定的時間內發送回應幀響應主站，同時，主站在特定的時間內會調用“接收請求幀模塊”，處理接收到的響應幀。
    在軟件設計中，采用了一個單獨的數據結構記錄PROFIBUS-DP主站的狀態，其數據結構如下：
    typedef struct host_info{
        u8 host_addr;
        u8 host_mechanism_flag;
        u16 Cycle_Interval;
        struct host_fc FC;
        u32 baud_rate;
        u8 baud_index;
    }*pHOST;
    另外，軟件設計中，對于從站也設計了單獨的數據結構維護其狀態。從站的數據結構如下：
    typedef struct slave_info{
        u8 global_status;
        u8 address;
        u8 baud_support;
        u8 configuration_flag;
        ……
        }*pSlave;
    同時，由于有了特定數據結構的維護，在主從數據的交換過程中，采用了一次性內存拷貝技術（即當讀取到DP從站的輸入數據后，直接將對應數據填充到輸出幀對應的位置），將大大縮短程序查找內存的時間，加快響應速度。
    另外，本軟件設計還采用了單緩沖技術。所謂單緩沖區是指不考慮通信中待轉換的數據而只保留當前最新的一幀。這樣緩沖區中隨時都只有一幀有效數據，從而提高整個系統的實時性。
2.3 Linux操作系統下PROFIBUS-DP實時性的改善
    與無操作系統、由安全使用協議完成的PROFIBUS-DP單主站相比，使用Linux2.6操作系統后，實時性的改善主要體現在以下幾個方面。
2.3.1 站延遲時間Tsdr
    站延遲時間是指接收方從接到請求到產生響應數據的時間間隔。在本設計中，由于移植的Linux操作系統已經去掉了對虛擬內存的支持，所有數據都直接存放到物理內存中，同時使用了一次性內存拷貝技術，因此加快了數據交換的速度。
2.3.2 從站之間的相互切換
    在未使用Linux操作系統設計的PROFIBUS-DP單主站中，如果總線上存在多個從站，PROFIBUS0-DP與從站的通信完全由程序的邏輯來保證，這無疑會加大編程人員的難度，如果稍有不慎，可能會導致通信出現混亂，從而出現錯誤。
    使用了Linux操作系統后，PROFIBUS-DP主站與各個從站的通信分別由對應的進程處理，總線中有多少個從站，程序中就會有多少個進程。這樣，對各個從站的管理就變成對各個進程的管理，只要選擇合適的調度策略，則對各個從站的管理就不會出現混亂。同時，Linux2.6內核中由于調度復雜度為O(1)，所以進程切換時間大大縮短，這對提高系統的實時性也有很大好處。
2.3.3 從站響應時間
    從站響應時間是指當有新的從站掛到總線上時，PROFIBUS-DP單主站識別該從站的時間。在一般的系統中，PROFIBUS-DP主站通過輪詢識別從站，而在本設計中，當有新的從站掛到總線上時，會通過一個中斷信號告訴該主站，從而與該從站優先通信。此設計是為了使系統更具智能性，這是標準PROFIBUS-DP協議中沒有的。
3 主站平臺實時性能測試
    PROFIBUS-DP主站的主從通信的實時性能主要通過測控周期來判斷。搭建測試平臺由一臺PC機（主要用作上位機，向主站下載GSD文件）、自己設計的嵌入式主站平臺(選用的是S3C2410芯片)和3個PROFIBUS-DP從站（ET200S、mm420和自主設計的從站）構成，如圖4。

    本次測試的比特率選定為9.6 K，同時對三個從站進行組態，分別測試移植Linux操作系統該主站平臺的測控周期Dtop和移植Linux操作系統后主站的測控周期Dend。
    通過試驗，從示波器上的測試圖形可以看出ttop的寬度大于tend的寬度，具體測量后可知：
    無操作系統下：Dtop≈297.3 ms
    Linux操作系統下：Dend≈10.7 ms
    可見，移植Linux操作系統后,能使響應時間大大降低，提高對從站的管理效率。
    本文對影響PROFIBUS-DP實時性的因素進行了充分分析，同時，在自主設計的PROFIBUS-DP單主站平臺的基礎上，討論了無操作系統和Linux操作系統下對PROFIBUS-DP系統實時性的影響，提出了提高自主設計的PROFIBUS-DP實時性的方法。最后，通過實際測試，根據測控周期這個指標比較了兩個實時性之間的差異。
參考文獻
[1] 楊瑞霞．運用狀態機提高嵌入式軟件效率[J]．單片機與嵌入式系統應用，2009(5)：69-71.
[2] 夏繼強，梁超眾，邢春香.工業通信用網關設計及其關鍵技術研究[J].電子技術應用，2010，36(2)：118-125.
[3] 劉強，甘勇梅，王兆安.PROFIBUS2DP現場總線通訊接口的開發[J].電子技術應用，2006，27(9)：39-41.
[4] 卜志翔，胥軍.PROFIBUS現場總線通信協議研究[J].現場總線與網絡技術，2005(8).
[5] 曲輝，葛麗娟.提高嵌入式系統可靠性軟件抗干擾措施[J].內蒙古農業大學學報：自然科學版，2009，30(1)：229-232.
[6] LEE K C，LEE S，LEE H H.Implementation and PID tuning of network-based control systems via Profibus polling network[J].Computer Standards and Interfaces,2004，26(3)：229-240．
[7] SUK L，KYOUNG N H．NDIS-based virtual polling algorithm for IEEE 802.11b for guaranteeing the real-time requirements．Computer Standards & Interfaces，2007，29：316-324．