ProfiNet應用實例
本文為ProfiNet介紹文章《嵌入式環境 實現ProfiNet/PN工業以太網》的應用實例，使用ESM7000+ETA104+UR205PN
1 硬件安裝：
如圖1，將ETA104V5和UR205PN,以及EM7000核心板，安裝至SBC884底板
圖1
如圖2，連接編程電腦，交換機，組態用PC,及SBC884板卡系統。
圖2，系統組成
2 PC端組態并配置PLC
2.1 在博圖中安裝設備GSD
將GSD壓縮文件解壓并放置到任意目錄中，目錄中有如下三個文件
打開博圖，并在菜單欄中，通過“選項->管理通用站點描述文件”進入gsd管理。
選擇第一步GSD文件的解壓路徑，并勾選文件，安裝。
完成后，可以在博圖的硬件目錄中，“其他現場設備-> PROFINETIO -> I/O-> UreateAutomatic -> VARIABLE I/O ->前端模塊”中找到新添加的設備。
2.2 博圖中組態最簡PLC系統
首先新建一個博圖項目，然后在拓撲視圖中，添加PLC，交換機，和PN模塊。我這里選擇的PLC是1211C。而模塊的位置如下圖：
將PLC和UR205PN模塊連接起來。
然后轉到網絡視圖中，添加他們的連接關系，如圖：
接著雙擊UR205PN模塊，進入設備視圖，并在設備插槽中，添加4個數據交換模塊
設備插槽中插入數據交換模塊，數據交換模塊中插入數據對象。數據對象可以從“1/2/4字節輸入”或者“1/2/4字節輸出”中選擇。
接下來分別為每個數據模塊添加數據對象，如下:
分別是1個1字節輸入（兩路DI輸入），1個1字節輸出（對應一路繼電器輸出），兩個2字節輸入（對應4-20MA輸入）。
這里添加的四個模塊，對應的是ETA104模塊的輸入輸出通路。其對應關系如下：
ETA104 | UR205PN | 信息備注 |
PKW module_1 | PKW問詢式通信通道 | |
1路繼電器輸出 | inpupt 1 byte(bit0) | 繼電器0=數據位0 |
2路空觸頭輸入 | Output 1byte(bit0 ,bit1) | 輸入0= 數據位0 輸入1= 數據位1 |
電流輸入1 | Input 2 byte | 16位電流輸入值 |
電流輸入2 | Input 2 byte | 16位電流輸入值 |
為模塊添加變量。
首先我們要找到UR205PN各模塊的數據地址。
在博圖的設備視圖中選擇UR205PN模塊，并點擊各模塊，即可查看模塊數據在PLC中的位置.例如下圖展示的是PKW模塊的示意圖：
上圖中，說明PKW模塊的輸入，是從PLC數據地址68到75，共8個字節。PKW模塊的輸出，是從64到71，共8個字節。
以此類推，可以找到所有數據的地址.本例中數據地址如下表
數據模塊 | 輸入地址 | 輸出地址 |
PKW | 68-75 | 64-71 |
DI :Input 1 byte | 76 | -- |
Do:Output 1byte | -- | 72 |
AI0:Input 2 byte | 77,78 | -- |
AI1:Input 2 byte | 79,80 | -- |
根據數據表，我們在PLC中建立如下變量表：
建立項目的強制列表，該表用于設置輸出值。
建立項目的監視表，該表用于讀取輸入值。
數據變量分為兩個區域：PKW 和 周期通信。 周期通信比較好理解，就是每次通信都會交換的周期數據，也是我們在插槽中插入的模塊數據：如DI,DO,AI,AO。
PKW_開頭的數據對象，則屬于PKW訪問過程。該訪問基于一問一答，過程和定義如下：
所以，PLC如果要發起PKW通信，需要如下步驟：
1. PKW_RW_req 設為“0：讀” 或者 “1：寫”
2. PKW_INDEX_req 設為需要訪問的數據索引
3. PKW_VALUE_req 如果為寫操作，這里需要輸入寫入的值
4. PKW_COUNT_req 自增1,以表明是新的PKW訪問，觸發PN操作
當接收數據時：
1. 等待PKW_COUNT_rsp與PKW_COUNT_req一致
2. 對比回應的INDEX是否等于請求INDEX
3. 若是讀取操作的回應幀，則獲取PKW_VALUE_rsp
2.3 組態下載到PLC
完成后將組態編譯并下載到PLC。
3 嵌入式端程序編譯及運行
3.1 在PC上建立代碼編譯系統
本案例使用的嵌入式編譯開發環境式如下：
操作系統 | WIN11 64位 |
虛擬機操作系統 | WSL+Ubuntu-20.04 |
開發環境 | VSCODE WSL 遠程連接 |
C編譯鏈接 | arm-poky-linux-gnueabi-gcc |
其搭建過程可參考如下文檔：《VSCODE嵌入式編譯環境搭建》
3.2 PC連接嵌入式板
PC連接嵌入式板的過程，參考英創工控板使用說明。
3.3 案例程序文件
解壓縮案例代碼：test_DIO_pn.rar。
通過VSCODE ,WSL方式遠程打開該項目。
項目的文件組成如下圖所示：
3.4 應用層通信協議簡介
對應用層而言，通信都是建立在周期數據交換幀上。其內部劃分為兩個功能區：PKW,和周期通信區。這兩個功能區在周期通信幀中，他們的位置如下：
這兩個功能區，對應了嵌入式內的兩種通信對象：PKW索引訪問對象和周期通信訪問對象。
PKW: 數據以<索引-值>的方式存放在嵌入式端，用戶可以為某個參數指明特定的索引號，PLC通過問答方式,訪問該索引。這種方式適用于交換時間不敏感的數據。例如一些參數。其通信幀定義如下：、
周期通信對象：數據每個通信周期都會交換一次，適合時間敏感的通信對象，往往都是一些輸入輸出值，如DI,DO,AI,AO等。其在幀中定義如下：
3.5 用戶需要實現的代碼
在案例中，用戶代碼區域主要有以下代碼段需要維護：
1． 周期通信模塊定義
uint8_t UMList[4]={
//模塊類型 模塊數據存儲區
MODULE_1BYTE_INPUT, //1個字節的DI輸入
MODULE_1BYTE_OUTPUT, //1個字節的DO輸出
MODULE_2BYTE_INPUT, //16位AI輸入
MODULE_2BYTE_INPUT //16位AI輸出
};用戶通過該數組定義周期通信模塊的數量和類型。本案例中，模塊如下表：
模塊序號 | 模塊類型 | 模塊描述 | 對應數據對象 |
0 | MODULE_1BYTE_INPUT | 一個字節的輸入模塊 | BIT0 = DI0 BIT1 = DI1 |
1 | MODULE_1BYTE_OUTPUT | 一個字節的輸處模塊 | BIT0=DO0 |
2 | MODULE_2BYTE_INPUT | 兩個字節的輸入 | 4-20MA輸入1 |
3 | MODULE_2BYTE_INPUT | 兩個字節的輸入 | 4-20MA輸入2 |
我們目前支持的模塊類型有：
#define MODULE_1BYTE_INPUT 0X01 //1字節輸入 #define MODULE_2BYTE_INPUT 0X02 //2字節輸入 #define MODULE_4BYTE_INPUT 0X04 //4字節輸入 #define MODULE_1BYTE_OUTPUT 0X81 //1字節輸出 #define MODULE_2BYTE_OUTPUT 0X82 //2字節輸出 #define MODULE_4BYTE_OUTPUT 0X84 //4字節輸出
（注意這里的輸出是以PLC為主站視角，從PLC到嵌入式為輸出；從嵌入式到PLC為輸入。）
2． PKW索引訪問區域模塊定義
sPKWNode UPKWList[]=
{
{0x0001,PKW_R|PKW_W,0}, //索引為1的可讀寫寄存器
{0x0012,PKW_R,0}, //索引為8001H的只讀寄存器
{0x8002,PKW_W,0} //索引為8002H的只寫寄存器
};
3． 周期通信回調函數user_Oncycle
當周期通信發生時，會調用該回調函數，用戶在這里將需要傳輸的值，與PN上的通信值做交換。
例如在本案例中，回調函數如下：
//切換大小端
//pDes 指向切換后的結果存儲區
//pSrc 來源
//SIZE 數據字節長度
void sw_bigsmall(uint8_t *pDes, uint8_t *pSrc, uint8_t size)
{
uint8_t *pD;
uint8_t *pS;
for(int i=0;i<size;i++)
{
pD = pDes+i;
pS = pSrc+size-1-i;
*pD = *pS;
}
}
//用戶在該函數中，交換模塊和外部設備之間的數據
void user_Oncycle(sPNModule *pModule, int modulecount)
{
uint8_t *src8;
uint8_t *des8;
//這里處理周期數據
if(pModule[0].moduletype == MODULE_1BYTE_INPUT)//確保模塊類型正確
{
*pModule[0].pmoduleBuff = ETA105_DI ;
}
if(pModule[1].moduletype == MODULE_1BYTE_OUTPUT)//確保模塊類型正確
ETA105_DO = *(pModule[1].pmoduleBuff) ;
if(pModule[2].moduletype == MODULE_2BYTE_INPUT)//確保模塊類型正確
sw_bigsmall((pModule[2].pmoduleBuff),(uint8_t*)&(ETA105_AI[0]),2);
if(pModule[3].moduletype == MODULE_2BYTE_INPUT)//確保模塊類型正確
sw_bigsmall((pModule[3].pmoduleBuff),(uint8_t*)&(ETA105_AI[1]),2);
}4. PKW讀索引回調函數user_onReadIndex
當PKW中有新的讀取請求時，會執行該回調函數。用戶在次函數對該索引數據賦值并執行一些自定義操作。本案例中程序如下
void user_onReadIndex(sPKWNode *pNode)
{
uint8_t *src8;
uint8_t *des8;
if(pNode == NULL) return ;
switch(pNode->index)
{
case 0x0001:
//這里添加讀0001索引對象時的程序
break;
case 0x0012:
//這里添加讀0012索引對象時的程序 假定是波特率
//這里注意從小端切換成大端
sw_bigsmall((uint8_t*)&(pNode->value),(uint8_t*)&(m_Serial.baudrate),4);
break;
case 0x8002:
//0x8002不可讀，不操作
break;
}
}5 .PKW寫操作回調函數
當有PKW寫請求時，系統調用該回調函數，用戶在此函數中，將PLC傳輸來得值寫入，并執行相應得自定義操作。
//用戶定義的寫縮影回調函數
void user_onWriteIndex(sPKWNode *pNode)
{
if(pNode == NULL) return ;
switch(pNode->index)
{
case 0x0001:
//
break;
case 0x0012:
//該對象只讀，不操作
break;
case 0x8002:
//
break;
}
}
3.6 PN程序的入口及退出處理：
入口：
m_Serial.CDC_ACM_number =0; //初始化通信對象 m_Serial.baudrate = 115200; m_Serial.oncycle = user_Oncycle; //注冊回調函數 m_Serial.onPKWRead = user_onReadIndex; m_Serial.onPKWWrite = user_onWriteIndex; m_Serial.startPN(); //創建PN工作線程
退出處理：
m_Serial.stopPN( );
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