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DF1协议涉及OSI网络模型的物理层、数据链路层和应用层。网络层介绍见表3-1。
表3-1 网络层介绍
DF1协议最大的特点是联合了ANSI x3.28规范中的D1（数据透明性）和F1（双向同时传输兼内部响应）。数据透明性是指报文格式简单和数据的可读性，双向同时传输兼内部响应是指在物理层的RXD和TXD上数据是同时传输的。DF1支持全双工或半双工通信，对应不同的物理层网络拓扑，全双工通信需要基于RS-232、RS-422等进行网络部署，半双工通信需要基于RS-485进行网络部署。
物理层是一组电缆和接口模块，用来提供节点间通信的通道。一个节点作为网络上的连接点，通常具有唯一的地址。
当计算机连接到DH、DH+、DH485或ControlNet link上时，接口模块是DF1 link（RS-232）与Network link（DH、DH+、DH485或ControlNet link）之间的接口。DF1物理层连接如图3-1所示。
图3-1 DF1物理层连接
（1）DF1 link
一个DF1 link提供：
1）半双工协议的主从通信；
2）全双工协议的点对点通信。
（2）Network link
点对点通信能使用的网络连接类型见表3-2。
表3-2 网络连接类型
（续）
DF1和Network（DH、DH+和DH485）用软件的两层完成连接：
● 数据链路层；
● 应用层。
图3-2显示的是软件层的工作原理。
图3-2 软件层的工作原理
（1）数据链路层
该层控制着物理层上的通信流并具有以下功能：
1）确定物理介质上的编码。
2）控制谁传输数据，谁使用仲裁协议。
3）将数据包从源节点传输到物理链接上的目标节点。
根据连接类型的不同，数据链路层需要做的动作也不同。数据链路层的需求见表3-3。
表3-3 数据链路层的需求
（续）
（2）应用层
该层控制和执行两个节点规定的实际命令并具有以下功能：
1）数据库和应用处理接口。
2）解释命令。
3）将用户的数据格式化为数据包。
应用层的节点通常分为两种：
1）发送者，接收到一个用户信号，然后发送信息并等待回复，再发送结果给用户。
2）接收者，等待网络连接上的消息，当接收到消息时，执行操作并回复消息给发送者。
无论消息的功能或目的地是什么，网络上所有的消息都具有相同的基本结构。消息的基本结构见表3-4。
表3-4 消息的基本结构
下文将就协议和数据两部分展开详细的描述。
如果计算机连接一个接口模块，那么必须在计算机上编程以生成适合协议的字符序列，再发送给接口模块，通过DF1协议可以实现点对点通信。DF1协议是数据链路层协议，是一种用编程规则解释通过物理连接传输的信号，有如下特点：
● 从连接的一端到另一端传递一条没有错误的消息。它不关心消息的内容、功能信息或信息的最终目的。例如，全双工DF1协议完成无差错检查BCC或CRC，并且把检查结果附到每一个发送或者接收的信息的节尾。如果BCC或者CRC可接收，则返回一个ACK；如果BCC或者CRC不可接收，则返回一个NAK。
● 用错误代码指示失败。在通信字符内部，协议能够划分消息并检测信号错误，错误后可重试，以控制消息流。
DF1协议主要分两类：DF1半双工协议（主从通信）和DF1全双工协议（点对点通信）。
DF1半双工主从协议提供一种多支路单主多从网络通信，主站通过定时轮询从站启动通信。半双工协议是一种支持一主多从通信方式的协议，允许2到255个节点通过modem同时连接到单一链路上。如果只有一个从站，从站可以直接与主站相连。
DF1全双工协议是点对点的通信协议，主要特点有：在点对点链路中允许同时收发数据，在多支路链路中的交互模块具有数据仲裁功能，高性能的协议实现程序尽可能从传输媒介中获得更大的数据流量。当通过AB通信模块连接交互模块时，通信模块自动完成仲裁功能。如果系统对实时性要求不高，则采用半双工通信模式；反之采用全双工通信模式。
全双工与半双工通信的控制字符、数据帧格式、数据处理流程等均不同，需要区别处理。
由于计算机本身没有RS-485接口，再加上全双工通信效率更高，因此本书将着重介绍全双工协议。
全双工协议支持点对点的连接，允许双向同步传输。在端点连接上，接口模块可以仲裁连接上传输的顺序等信息。
（1）字符传输
AB PLC通过RS-232接口发送串行数据，一次10bit到11bit（带奇偶校验）。如果数据长度是8bit，那么奇偶校验被保留，但要确认计算机是否符合这种模式。字符传输格式见表3-5。
表3-5 字符传输格式
（2）传输的字符
全双工协议都是面向字符的，它们使用表3-6中的ASCII控制字符进行控制，第7位加一个0，扩展到8位。
表3-6 控制字符
（续）
字符组是对连接协议具有特定含义的一个或者多个位的序列。字符组包含的字符必须一个接着一个，中间不能有其他字母。DF1协议将表3-6中列出的字符组合成控制和数据字符，控制字符是DF1协议读取特定消息时所需的固定符号，数据字符是包含特定消息应用数据的可变符号。全双工控制字符见表3-7。
表3-7 全双工控制字符
在全双工协议中，设备共享相同的数据电路，并且两个设备可以同时“通话”。全双工协议可以比作双车道桥：汽车可以同时在两个方向上行驶。
全双工协议连接两个物理电路，使双向消息同时传输（命令或者回复消息包）。这两个物理电路提供四条逻辑传输路径。全双工消息传输机制如图3-3所示。
图3-3 全双工消息传输机制
1）在电路1中，发送者A向接收者B发送消息（路径1），接收者A发送响应控制字符（DLE ACK、DLE NAK）到发送者B（路径3）。
2）在电路2中，发送者B向接收者A发送消息（路径4），接收者B发送响应控制字符（DLE ACK、DLE NAK）到发送者A（路径2）。
3）电路1中的所有消息和字符都是沿着相同的方向（A到B）移动，电路2中的消息和字符以相反的方向（B到A）移动。
AB PLC使用发送器和接收器实现DF1的接收和发送。下面就以发送器和接收器来定义协议环境。
1）发送器需要知道哪里接收它发送的信息。
● 根据发送器的要求一次发一条信息。
● 在传输下一条信息之前，需要通知传输是否成功。
2）接收器必须具有处理消息的机制，见表3-8。
表3-8 接收器消息处理机制
从发送器A到接收器B（路径1）的消息符号以及从接收器B到发送器A（路径2）的响应代码的发送和接收协议环境如图3-4所示。
图3-4 发送和接收协议环境
理想状态下，数据链路层协议与在该层上传输的内容或者消息包的格式（链路层数据）没关系，然而全双工协议对数据内容做了规定。
1）链路层数据最小为6字节。
2）链路层数据最大大小取决于应用层命令。
3）一些协议的执行要求链路层数据的第1个字节匹配节点地址，例如1771-kg模块的点对点通信。
4）作为重复消息检测算法的一部分，接收器将链路层数据的第2、3、5和6字节与前一消息中的相同字节进行比较，如果字节之间没有差异，则消息归类为前一消息的重传。读者可以设置AB PLC接口模块的参数，使其不执行重复消息检测。
在全双工协议中，消息源（提供消息包的软件）通过发送器（发送数据的设备）发送数据，然后接收器（接收数据的设备）接收到接收器（接收数据的软件）。
1）发送消息逻辑图如图3-5所示。
图3-5 发送消息逻辑图
2）接收器必须能够对有问题的情况做出反应，以下就是接收数据的过程中可能出现的一些问题：
①接收器已满，无法接收下一条消息。
②消息可能包含奇偶校验错误。
③BCC或CRC校验码不可用。
④DLE STX或DLE ETX BCC/CRC丢失。
⑤消息太长或太短。
⑥消息外发生错误的控制字符或数据字符。
⑦消息内发生错误的控制字符。
⑧DLE ACK反馈丢失导致发送器重复发送了同一条消息给接收器。
接收消息逻辑图如图3-6所示。
图3-6 接收消息逻辑图
3）一个完整的发送和接收过程如图3-7所示。
图3-7 发送和接收过程
数据链路层帧的特点如下：
● 全双工协议在不同的网络层实现其消息字段；
● 末个轮询和消息帧的末尾有1字节的BCC字段或2字节的CRC字段。
下面就开始介绍消息帧结构。
全双工协议实现不同的消息帧，这取决于网络层。图3-8显示了全双工消息帧的结构。
图3-8 全双工消息帧的结构
BCC/CRC字段包含DLE STX和DLE ETX之间的所有应用层数据的8位和的二进制补码。它不包括任何响应字符，可以使用块校验符（BCC）或者16位循环冗余校验（CRC16）对BCC/CRC字段进行错误检查。
在每一个轮询帧和每个消息帧的末尾，有1字节的BCC（块检查字符）域，或者2字节的CRC（循环冗余检查）域。通过开关设置或者软件配置选择BCC或CRC。任一域都能验证每个消息帧传输的准确性。下面对这两种校验方法分别进行介绍。
（1）BCC校验方法
BCC算法提供了中等级别的数据安全性，但是使用时注意以下两点：
● 在传输的过程中，不能检测到字节的移位。
● 不能检测帧内零的插入或删除。
以全双工协议BCC计算为例，如果一个消息帧包含十进制数据08、09、06、00、02、04和03，那么BCC消息帧如图3-9所示。
图3-9 BCC消息帧
APP DATA部分的和是32，那么转换为十六进制就是20 Hex。BCC校验是这个和的二补数（即二进制补码）运算，本例的二补数运算结果就是E0 Hex。二补数是一种用二进制位表示有号数的方法，也是一种将数字的正负号进行编号的方式。一个数字的二补数就是将该数字做原位的反运算（即二进制反码），再将结果加1，即为该数字的二补数。二补数算法如图3-10所示。
图3-10 二补数算法
要点：若要传输10 Hex，则必须使用数据字符DLE DLE表示。但是，这些DLE数据中只有一个包含在BCC总和中，例如传输十六进制数据08、09、06、00、04和03，消息帧如图3-11所示。
图3-11 含有10 Hex的消息帧
在上面的例子里，应用层数据的字节总和是2E Hex，因为只有一个DLE包含在BCC中，所以BCC是D2 Hex。
注意 如果BCC的校验和是10 Hex，则将其发送为“10”而不是“10 10”，即BCC不会被视为数据。
（2）CRC校验方法
AB PLC采用CRC-16/ARC算法。下面说明这种CRC算法的计算方法。
1）在消息帧开始时，发送器清除16位用于存储CRC值的寄存器。
2）把第1个8位二进制数据（即通信信息帧的第1个字节）与16位CRC寄存器的低8位相异或，把结果放于CRC寄存器中，高8位数据不变。
3）把CRC寄存器的内容右移一位（朝低位），用0填补最高位，并检查右移后的移出位。
4）如果移出位为0，则重复第3步（再次右移一位）；如果移出位为1，则CRC寄存器与A001（1010000000000001）进行异或。
5）重复步骤3和步骤4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理。
6）重复步骤2到步骤5，进行通信信息帧下一个字节的处理。
7）该通信信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，将得到的16位CRC寄存器的高、低字节进行交换。
8）最后得到的CRC寄存器内容即为CRC码。
9）ETX值传送完后，传送CRC寄存器中的值。接收器也计算CRC值，并将其与接收到的CRC值进行比较，以验证收到的数据的准确性。
下面是个实际的帧，你可以用下面的字符串验证CRC计算程序。按照上面的步骤，需要计算的CRC字符段为DLE STX到DLE ETX之间的字符，那么需要校验的就是07 11 41 00 53 B9 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00+03（ETX），如图3-12所示。
图3-12 CRC校验例子
本节主要讲解应用层软件程序设计和应用层使用的消息包结构。应用层主要使用应用程序发送和接收消息。应用程序分为两种，即命令发起者和命令执行者，这两种应用程序的功能见表3-9。
表3-9 命令发起者和命令执行者的功能
在AB PLC内部，Allen Bradley异步接口模块使用路由子程序和消息序列，当模块接收到异步连接上的消息时，它将消息放入排队序列。然后，路由子程序从序列里选出消息，并通过DH、DH+或DH485网络传输消息。模块还对从网络接收的消息进行排序，路由子程序接收到这些消息，并通过异步连接重新传输它们。
大部分设备发送和接收消息包的结构如图3-13所示。
图3-13 发送和接收消息包的结构
这些字段在链路上从左向右传输，具体解释见表3-10。
表3-10 消息包字段具体解释
注意 SRC、CMD和TNS的组合是每个消息包里的唯一标识，必须与上一个消息包中的相应字符段不同。如果相同，则忽略该消息，并将其视为一个副本；如果接收模块启用了“忽略重复消息”选项，则此消息将被忽略。
下面对每个字段进行更详细的讲解。
（1）DST和SRC
通过交换相应命令消息的DST和SRC，形成应答消息的DST和SRC，如图3-14所示。
图3-14 DST和SRC交换
（2）CMD和FNC
这两个字段一起工作，定义命令消息在目的节点要执行的内容。这些字段的内容由应用程序产生。消息格式取决于CMD和FNC的值，CMD为命令类型，FNC为命令类型下的特定功能，CMD格式如图3-15所示。
图3-15 CMD格式
举例：PLC-2指令enter download mode
发送=00000111（07 Hex）
应答=01000111（47 Hex）
高优先级发送（DH only）=00100111（27 Hex）
高优先级应答（DH only）=01100111（67 Hex）
（3）STS和EXT STS
这些字段表示消息传输的状态，传输正确返回0，传输错误返回非零字符，解释见表3-11。
表3-11 STS和EXT STS解释
注：只有当STS=F0时，消息才包括EXT STS部分。
STS用不同的位来表示应用层和链路层的传输错误信息，其位解析如图3-16所示。
有关STS和EXT STS错误代码的更多信息，参见3.2.2节。
图3-16 STS位解析
图3-17 TNS字段
（4）TNS
TNS包含唯一的16位标识符，通过维护一个16位计数器来生成这个数字。每次应用程序创建新消息时递增计数器，并将计数器值存储在新消息的两个TNS字节中。多任务环境必须使用TNS计数器，并且读取和增加TNS必须是不可分割的。TNS包含两字节，发送时低字节在前，高字节在后。TNS字段如图3-17所示，TNS值的分配见表3-12。
表3-12 TNS值的分配
注意 不要在应答消息中更改TNS值，应答消息直接把命令TNS复制过去就行。如果更改此值，则命令启动器不能匹配其命令与相应的应答消息。
（5）ADDR
ADDR（地址）包含命令执行器中要执行命令的存储器位置的开始字节地址，但SLC500处理器除外，它的ADDR被解释为字地址。
SLC 5/02、SLC 5/03和SLC 5/04处理器可以将CIF寻址模式位S:2/8设置为1，以将ADDR的解释更改为字节地址，使其与其他PLC处理器兼容。例如，如果命令要从命令执行器读取数据，那么ADDR指定要读取数据第1字节的地址。ADDR字段如图3-18所示。
在某些情况下，当从基本命令集向PLC-3、PLC-5、PLC-5/250或SLC500处理器发送命令时，必须创建特殊文件以接收数据。
图3-18 ADDR字段
注意 ADDR字段指定的是在PLC数据表中字节的地址，而不是字的地址。在后文中有如何解释PLC字到字节地址转换的相关内容。
（6）SIZE
消息要传输的数据字节数。此字段出现在read命令中，其中指定响应节点在其应答消息中必须返回的数据字节数。其大小随命令的类型而变化。PLC-5和PLC-5/250键入读写命令，该字段指元素的数量，而不是字节。在PLC-5中键入read和写命令，该字段为两字节长：先传输低字节，后传输高字节。
此部分叙述了发送通信指令给Allen Bradley PLC时应该使用的格式，并列出了通信指令的约定。下面开始描述指令如何使用。这些命令的消息包包括STS，可能还有包含状态和错误代码信息的EXT STS字段。有关这些字符的更多信息，请参阅3.2.2节。如果有些PLC数据涉及安全，不想被这些指令影响，那么需要使用以下的设置提前做数据保护：使用PLC-5/11、-5/20、5/30、-5/40、-5/60或-5/80处理器，可以指定权限，保护数据文件不被写入访问DH+链接；使用SLC 5/02、5/03或5/04处理器，可以指定静态文件保护，保护数据文件不被写入并防止从任何通信通道访问。
在一些情况下，接口模块能够通过设置PLC/SLC点来拒绝命令输入，具体要看PLC的手册描述。
表3-13（见本书配套资源包）为DF1通信指令，是PLC型号和对应指令的列表，第1列为命令，第2列为CMD（十六进制），第3列为FNC（十六进制），第1行其他部分为PLC型号，对应的列有√的意思是这种PLC支持这个命令。如果向PLC发送不支持的指令，则会发生不可预知的错误。
由于指令和PLC型号太多，我们着重讲一下具有代表性的MicroLogix1000相关指令。如果要了解其他指令，请自行查阅相关PLC手册。下面开始介绍指令，C为发送指令，R为指令的回复。
（1）change mode
1）改变MicroLogix PLC模式的指令，指令消息如图3-19所示。
图3-19 MicroLogix PLC change mode指令消息
2）改变SLC 5系列（包括500、5/03、5/04）的模式，只有钥匙在REM位置才起作用，指令消息如图3-20所示。
图3-20 SLC PLC change mode指令消息
（2）close file
关闭PLC的文件，当程序文件被打开并写完后将其关闭，指令消息如图3-21所示。
图3-21 close file指令消息
（3）diagnostic status
从接口模块读取状态模块的信息，返回的状态内容在下面的数据部分，状态信息随接口模块的类型而变化，指令消息如图3-22所示。
图3-22 diagnostic status指令消息
（4）disable force
取消I/O的强制功能，所有的强制将被取消，指令消息如图3-23所示。
图3-23 disable force指令消息
（5）download completed
下载完整系统后使用，使处理器回到之前的模式，指令消息如图3-24所示。
图3-24 download completed指令消息
（6）echo
检查通信连接上传输的完整性。命令消息将最多243字节的数据传输到节点接口模块。接收模块应对此进行回复，并通过将相同的数据传回原始节点来执行命令，指令消息如图3-25所示。
图3-25 echo指令消息
（7）initialize memory
重置处理器的内存目录，不重置通信设置，指令消息如图3-26所示。
图3-26 initialize memory指令消息
（8）open file
打开PLC处理器的文件，如果文件成功打开，则返回一个标签（低字节，高字节），指令消息如图3-27所示。
图3-27 open file指令消息
指令消息里的Tag用于命令protected type file read或者protected type file write，Tag也可用于关闭文件。如果回复有错误，那么Tag也可能被EXT STS代替。
（9）protected typed file read
从PLC打开的文件读取数据，指令消息如图3-28所示。
图3-28 protected typed file read指令消息
其中，Offset是文件中读取数据起始地址的偏移量；Size是读取数据的大小，MicroLogix 1000为0～248字节，SLC 500、5/01、5/02为0～96字节。
（10）protected typed file write
将数据写入PLC，对于MicroLogix 1000，这个命令可用于更新终端ID。（为此，Size=02h，Tag=4176，Offset=0000，File tpye=90，两个字节的数据就是终端ID，低字节优先。）指令消息如图3-29所示。
图3-29 protected type file write指令消息
其中，Offset是文件中读取数据起始地址的偏移量，Size是读取数据的大小，MicroLogix 1000为0～241字节，SLC 500、5/01、5/02为0～89字节。
（11）protected typed logical read with three address fields
从PLC的逻辑模块读取数据，指令消息如图3-30所示，特定命令消息部分字节解释见表3-14。
图3-30 protected typed logical read with three address fields指令消息
表3-14 特定命令消息部分字节解释
（12）protected typed logical write with three address fields
将数据写入PLC的逻辑模块，指令消息如图3-31所示，特定命令消息部分字节解释见表3-15。
图3-31 protected typed logical write with three address fields指令消息
表3-15 特定命令消息部分字节解释
对PLC文件的读写需要了解每个类型PLC文件的存储规则，我们以MicroLogix 1000的内存文件为例，其所包含的数据类型组织如下。
1）O0，输出文件Output (file 0)，存储输出模块的状态。
2）I1，输入文件Input (file 1)，存储输入模块的状态。
3）S2，状态文件Status (file 2)，存储控制器操作信息，用于控制器故障诊断和程序操作。系统状态文件向用户提供用户程序所使用指令的相关信息，指示错误的诊断信息、处理器方式、扫描时间、波特率、系统节点地址等数据。熟悉状态文件中每个字的含义可以为编程诊断和调试带来方便。
4）B3，位文件Bit (file 3)，用于存储内部继电器逻辑。
5）T4，计时器Timer (file 4)，存储计时器累加值、预设值以及状态位。
6）C5，计数器Counter (file 5)，存储计数器累加值、预设值以及状态位。
7）R6，控制Control (file 6)，存储数据的长度、位指针位置以及位状态，用于需要文件操作的一些指令，如移位寄存器指令和顺序器指令。
8）N7，整数Integer (file 7)，存储数字值和位信息，用于放置一个16位的字。
每个数据文件类型被标示为一个字母和一个数字文件号，见表3-16。
表3-16 文件类型对应文件号
数据文件的类型要结合表3-14、表3-15和表3-16一起来定义，数据文件的地址由文件名称、文件号、元素名、字号及位构成，相互之间用一定的分隔符分开，不同数据类型的每个元素具有的字数不同，有单字元素（输入/输出文件）和三字元素（计时器和计数器文件）。
（13）read diagnostic counter
从接口模块的PROM或者RAM里读取最多244字节的数据，可以使用此命令读取模块的诊断计时器和计数器，指令消息如图3-32所示。
图3-32 read diagnostic counter指令消息
（14）reset diagnostic counter
重置节点接口中的所有诊断计时器和计数器模块为零，指令消息如图3-33所示。
图3-33 reset diagnostic counter指令消息
（15）read link parameter
读取DH485参数，指令消息如图3-34所示。
图3-34 read link parameter指令消息
（16）set link parameter
设置DH485参数，指令消息如图3-35所示。
图3-35 set link parameter指令消息
（17）unprotected read
从公共接口文件（CIF）读取数据。SLC 500 CIF是数据文件9，MicroLogix 1000 CIF是整数文件7。这个命令用于读取PLC中的保护文件，指令消息如图3-36所示。
图3-36 unprotected read指令消息
其中，Address为CIF文件里的逻辑偏移，Size为从偏移地址开始的字节数。
（18）unprotected write
写数据到CIF。SLC 500 CIF是数据文件9，MicroLogix 1000 CIF是整数文件7，指令消息如图3-37所示。
图3-37 unprotected write指令消息
其中，Address为CIF文件里的逻辑偏移，Data为要写入的数据。
注意 以上大部分指令的应答消息都含有ETX STS，但是只有在出现错误时，才可以将EXT STS字段附加到应答包中。