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基于SPC3芯片的PROFIsafe从站设计

张冰波，朱爱华，郝莉
信息产业部电子第六研究所，北京(100083)
E-mail：[e-mail]
摘要：本文给出了一种在PROFIBUS-DP协议之上实现PROFIsafe协议从站的方式，提供
了一种实现故障安全通信的方案，并在具体项目中得以应用。
关键词：PROFIBUS-DP，PROFIsafe，故障安全通信

1．引言
PROFIsafe故障安全通信技术对于安全生产具有重要的意义，它是在标准PROFIBUS上
实现主、从站之间故障安全通信的技术规范。
PROFIBUS-DP是现场总线PROFIBUS协议的重要组成部分之一，主站和从站之间采取
轮询方式，支持高速的循环数据通信，主要应用于自动化系统中现场级的通信[5]。
长期以来，故障安全通信技术方面的任务只能在ISO/OSI模型的第二层采用常规手段或
通过专用总线分散地加以解决，这限制了现场总线PROFIBUS的生存空间。1999年，
PROFIBUS用户组织（PNO）在德国汉诺威博览会上公布了在标准PROFIBUS上实现主、
从站之间故障安全通信的技术规范，其注册商标名为PROFIsafe[2]。PROFIsafe作为
PROFIBUS-DP的补充技术，定义了与故障安全相关的自动化任务，以及安全设备怎样用安
全控制器在PROFIBUS上通信。PROFIsafe考虑了在串行总线通信中可能发生的故障，例如
数据的延迟、丢失、重复，不正确的时序、地址和数据的损坏等。
2．PROFIsafe协议从站部分概述
PROFIsafe协议在PROFIBUS-DP的基础上实现，只支持主从模式。主站对总线具有控
制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。主站取得控制权后，可向从站发送、获
取数据。而从站完全被动通信，只回复主站的轮询。PROFIsafe协议在PROFIBUS-DP添加
的通信控制包括流水号和CRC校验，并根据一个确定状态机来控制通信的状态，达到失效
安全的效果。

2.1PROFIsafe协议通信过程
通PROFIsafe协议的正常通信过程与DP协议大致相同，唯一的不同是在设置参数的阶
段，从站需要检验参数数据的校验和，如果校验和不正确，就说明设置参数出错。
正常的通信过程如下，通信由DP主站发起，从站接收到请求以后进行应答。在进入正
常的数据交换循环之前，要经过诊断、设置参数、检查配置、再次诊断4个交互阶段，这四
个阶段有任何错误都要重新开始。完成这四个阶段之后，从站就进入通常所说的“在线”状态，
可以开始正常的数据通信[3]。

2.2PROFIsafe协议从站状态机
PROFIsafe协议的从站状态机控制了从站的所有动作及状态的转移，是PROFIsafe协议
的核心。图1给出了PROFIsafe协议的从站状态机图，下面表1是对图1中所用到的变量的
说明。

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表1PROFIsafe协议从站状态机中的变量说明[1]
x从站本地流水号
PVi过程输入数据
PVo过程输出数据
FVi失效安全输入值
FVo失效安全输出值
TO从站发现超时，会把状态位第3位设为1来报告超时错误
CRC,cons_nr从站发现CRC和cons_nr错误，会把状态位第2位设为1来报告错误
ack应答
Slavetimer从站中用来识别超时错误的时钟
Lastoractual根据这个周期识别的错误或者因为ok-nr-circle<=2而必须设置的错误来设
fault置错误。
Ok-nr-circle+1把变量ok-nr-circle模3加1
nr主站发送过来的数据中的流水号

图1PROFIsafe协议从站状态机[1]
2.3PROFIsafe协议数据帧内容
安全数据帧采用与标准数据帧相同的格式，只是对数据单元部分的数据进行重新定
义。下面图2为标准的PROFIBUS-DP数据帧格式[4]，图3描述了PROFIsafe协议对DP数

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据帧的数据单元的定义。

SYNSDLELErSDDASAFCDATA_UNITFCSED

图2完整的安全数据帧

表2PROFIBUS-DP数据帧各项意义
类型含义数值备注
SYN同步码33TBit（TBit，传输一位所用时
间，等于波特率的倒数）
SD帧起始定界符68H可变长度数据帧
LE数据长度
LEr数据长度重复
DA目标地址
SA源地址
FC功能码（消息类型）
DATA_UNIT数据单元1~244字节，安全通信数据
FCS帧校验校验和
ED帧结束定界