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PROFIBUS-DP技術(shù)及通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)

時(shí)間:2008-10-22 09:44:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?針對(duì)工業(yè)控制中存在的不同設(shè)備間難以進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換的問題,結(jié)合PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn),從開發(fā)的角度詳細(xì)介紹了采用SPC3通信協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的軟件和硬件的方法
摘 要:針對(duì)工業(yè)控制中存在的不同設(shè)備間難以進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換的問題,結(jié)合PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn),從開發(fā)的角度詳細(xì)介紹了采用SPC3通信協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的軟件和硬件的方法。通過這種接口,可以將具有RS485接口的儀器儀表設(shè)備連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上,實(shí)現(xiàn)通訊和控制功能。 關(guān)鍵詞:PROFIBUS-DP;通信協(xié)議芯片SPC3;接口 Abstract: In view of the communication transform problem in the industry control and the characteristics of the PROFIBUS-DP fieldbus technology, the designing method of hardware and software of PROFIBUS-DP communication transform interface with SPC3 are introduced. Through this transform interface, the conventional instrumentation with RS485 interface can be connected to PROFIBUS-DP, and carry out communication and control functions. Key words: PROFIBUS-DP;Communication protocol chip SPC3;Interface 1 引言   PROFIBUS-DP是目前歐洲乃至全球應(yīng)用最廣泛的總線系統(tǒng),安裝簡(jiǎn)單、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣、易于實(shí)現(xiàn)冗余、通信實(shí)時(shí)可靠、功能比較完善,卓越的性能使得它適用于各種工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。隨著PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)在我國越來越廣泛的應(yīng)用,將原有的不符合DP標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中,就需要開發(fā)DP通訊轉(zhuǎn)換接口。因此,進(jìn)行DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)是很有必要的。本文主要討論采用SPC3通信協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)DP通訊轉(zhuǎn)換接口的硬件和軟件。 2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線   2.1 PROFIBUS-DP基本特性   PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸,中央控制器(如PLC/PC)通過串行連接與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如I/O、驅(qū)動(dòng)器和閥門及測(cè)量變送器)進(jìn)行通信。中央控制器(主站)周期的讀取從站的輸入信息并周期的向從站發(fā)送輸出信息,除周期性數(shù)據(jù)傳輸外,PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。   2.2 PROFIBUS-DP總線拓?fù)?   PROFIBUS-DP系統(tǒng)有兩種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):一種是RS-485,采用屏蔽雙絞線,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型,通信速率為9.6Kbps~12Mbps;另一種是采用光纖,用于電磁兼容性要求高和長(zhǎng)距離要求的場(chǎng)合。   2.3 PROFIBUS-DP總線協(xié)議   PROFIBUS-DP協(xié)議根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI參考模型為基礎(chǔ),采用了參考模型的第1層物理層,第2層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶接口層,第3層到第7層未使用;這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸。物理層定義了物理傳輸特性;數(shù)據(jù)鏈路層定義了總線存取協(xié)議,直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序DDLM提供對(duì)第2層的訪問;用戶接口規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能,以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。   PROFIBUS-DP總線存取協(xié)議,主站之間采用令牌傳遞方式,主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)(令牌),在PROFIBUS中,令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。主站得到令牌時(shí)可與從站通信,每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此,有3種系統(tǒng)配置:純主-從系統(tǒng)、純主-主系統(tǒng)、混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中相應(yīng)地使用令牌傳遞方式和主-從方式完成數(shù)據(jù)通信。 3 PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)   3.1 硬件設(shè)計(jì)   在接口電路的設(shè)計(jì)中主要有兩種方法:一是使用微處理器利用軟件來模擬PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。此設(shè)計(jì)的成本很低,但需要充分了解PROFIBUS-DP協(xié)議和運(yùn)行機(jī)制,軟件編程工作量大,可靠性不易保證,通信速度也受到限制。二是使用PROFIBUS專用協(xié)議芯片ASIC。此設(shè)計(jì)的成本較高,技術(shù)指標(biāo)高,自主性高,只需了解ASIC的工作原理。在本次通訊接口的設(shè)計(jì)中采用的是第二種方法,使用的是ASIC結(jié)合微處理器來完成設(shè)計(jì)。   為使PROFIBUS-DP接口實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便,達(dá)到快速提供產(chǎn)品的目的,采用西門子公司的專用通信協(xié)議芯片SPC3完成PROFIBUS-DP總線的協(xié)議。SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議,能自動(dòng)檢測(cè)總線的波特率從9.6Kbps到12Mbps,集成了1.5KB的雙口RAM,它本身具有地址鎖存和片選功能,上電后自動(dòng)執(zhí)行PROFIBUS-DP的從站狀態(tài)機(jī)。   SPC3內(nèi)部1.5KB 雙口RAM地址空間為00H~5FFH,以8個(gè)字節(jié)為一個(gè)單元(段),分成192段(0~191)。按功能可分為三個(gè)區(qū)域:00H~15H為處理器參數(shù)區(qū),包括工作模式寄存器、從站最小延遲時(shí)間寄存器、內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器寄存器、用于中斷的寄存器以及狀態(tài)寄存器等;16H~3FH為組織參數(shù)區(qū), 用于設(shè)置DP緩沖區(qū)中各個(gè)緩沖塊(BUF)的指針(首地址)和長(zhǎng)度,并且這些設(shè)置必須在SPC3的離線狀態(tài)下完成;40H~5FFH為DP緩沖區(qū),是DP數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),包括3個(gè)輸入數(shù)據(jù)BUF、3個(gè)輸出數(shù)據(jù)BUF、2個(gè)診斷BUF、2個(gè)輔助BUF、設(shè)置參數(shù)BUF、通信接口配置BUF和可讀通信接口配置BUF等。   SPC3內(nèi)部集成一個(gè)看門狗定時(shí)器,操作于三種不同的狀態(tài):波特率監(jiān)測(cè)、波特率控制和DP控制。內(nèi)部的異步串行收發(fā)器(UART)實(shí)現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換,空閑定時(shí)器控制串行總線電纜上的時(shí)序,微序列器(MS,microsequencer)控制整個(gè)SPC3的工作過程。   PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口采用89C52微處理器作為中央處理器,DP接口芯片采用SPC3。89C52負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行處理、分析和分類,然后通過SPC3傳送到PROFIBUS-DP總線,同時(shí)監(jiān)測(cè)SPC3,接收DP主站送來的指令和數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的操作。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 電路結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)[/align]   89C52微處理器擴(kuò)展了32KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),時(shí)鐘信號(hào)是通過SPC3分頻得到的,外圍電路還包括了帶EEPROM的看門狗,模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換、DI/DO接口和數(shù)碼顯示電路。其中,EEPROM主要用于存放從站地址、ID號(hào)等配置信息;數(shù)碼顯示電路主要用于顯示一些從站信息;而模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換、DI/DO接口使通訊轉(zhuǎn)換接口能夠勝任AI、AO、DI、DO等多方面工作。   PROFIBUS-DP一般采用RS-485傳輸技術(shù),電纜采用屏蔽雙絞線,能夠較好地改善電磁兼容性,傳輸速率為9.6Kbps~12Mbps。連接采用符合PROFIBUS-DP開放標(biāo)準(zhǔn)的9針D型插頭,在不帶中繼時(shí),每分段可以連接32個(gè)站;在使用中繼時(shí),可以擴(kuò)展到127個(gè)站,包括中繼站。當(dāng)信號(hào)在總線上傳輸時(shí),若發(fā)生阻抗不連續(xù),將形成信號(hào)反射,導(dǎo)致傳輸信號(hào)畸變,因此在傳輸線的末端,需要加終端電阻來消除這種阻抗不連續(xù),所加電阻阻值應(yīng)盡量接近傳輸線的特性阻抗。為消除來自零線的干擾,在SPC3和RS-485收發(fā)器之間須加光耦隔離,為提高傳輸速率,應(yīng)盡量選擇高速光耦合RS-485收發(fā)器,本設(shè)計(jì)采用HCPL7720高速光耦和SN75ALS176總線收發(fā)器。   3.2 軟件設(shè)計(jì)   軟件設(shè)計(jì)是開發(fā)PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的一個(gè)重要環(huán)節(jié),也是其難點(diǎn)所在。開發(fā)者必須了解PROFIBUS-DP協(xié)議,熟悉SPC3芯片的工作原理和狀態(tài)機(jī)原理,熟知SPC3的各種DP服務(wù)。   PROFIBUS-DP的狀態(tài)機(jī)描述DP從站在每種情況下的行為以保證它符合一致性,SPC3內(nèi)部集成了狀態(tài)機(jī),用戶對(duì)狀態(tài)機(jī)的控制是很有限的。PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)如圖2所示。各個(gè)橢圓表示不同的狀態(tài),帶箭頭的連線表示狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,而連線上的文字表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換所需滿足的條件。   在POWER_ON狀態(tài),從站能從二類主站接收 Set_Slave_Address報(bào)文來改變它的地址,然后從站進(jìn)入Wait_Prm狀態(tài),等待參數(shù)化,此狀態(tài)從站還可以接受Get_Cfg,Slave_ Diag報(bào)文。參數(shù)化完成后,從站進(jìn)入Wait_Cfg狀態(tài),等待Check_Cfg報(bào)文,另外還可以接收Slave_Diag,Set_Prm ,Get_Cfg報(bào)文。如果Check_Cfg完成后,從站將進(jìn)入Data_Exch狀態(tài),進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此時(shí)從站還可接收Writing_Outputs,Reading_Inputs,Gloable_Control,Slave_Diag,Chk_Diag,Get_Cfg報(bào)文,若組態(tài)和數(shù)據(jù)交換不成功,就會(huì)返回到參數(shù)化階段。Wait_Prm在對(duì)從站進(jìn)行組態(tài)時(shí),必須要編寫它的GSD文件。GSD文件是設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件,描述PROFIBUS設(shè)備具有的性能特征。GSD文件包括三個(gè)部分:總體說明(廠商和設(shè)備名稱、軟硬件版本、支持的波特率等)、DP主設(shè)備相關(guān)的規(guī)范(如可連接從設(shè)備的最多臺(tái)數(shù)或卸載能力)、從設(shè)備相關(guān)的規(guī)范(如I/O通道的數(shù)量和類型、診斷測(cè)試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)的一致性信息)。標(biāo)準(zhǔn)化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)大到操作員控制一級(jí),使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在一個(gè)總線系統(tǒng)中,簡(jiǎn)單,用戶界面友好。   SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議,能獨(dú)立地處理PROFIBUS-DP協(xié)議的所有通信任務(wù),從而大大減輕微處理器的負(fù)載,保證系統(tǒng)的通信速度和數(shù)據(jù)交換的可靠性。微處理器的主要任務(wù)是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷,對(duì)SPC3接收到的主站發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存,組織需通過SPC3發(fā)送給主站的數(shù)據(jù),并根據(jù)要求組織外部診斷等。PROFIBUS-DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)(SAP)由SPC3自動(dòng)建立,各種報(bào)文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。用戶可以通過此總線接口訪問這些內(nèi)部數(shù)據(jù)。   主程序流程圖如圖3所示,其中SPC3的初始化包括設(shè)置SPC3允許的中斷,寫入從站識(shí)別號(hào)和地址,設(shè)置SPC3方式寄存器,設(shè)置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始長(zhǎng)度,并根據(jù)以上初始值求出各個(gè)緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針,根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度確定輸出緩沖區(qū)及指針(在賦各緩沖區(qū)指針變量值時(shí),指針值是段序號(hào))。中斷程序流程圖如圖4所示,主要用來處理PRM報(bào)文、CFG報(bào)文和SSA報(bào)文。   用匯編語言編寫的部分初始化程序如下:   MOV DPTR,#R_DIAG_BUF_PTR1 ; 如果SPC3離線,初始化SPC3   MOV A,#D_DIAG_BUF_PTR1   MOVX @DPTR,A; 診斷緩沖區(qū)指針   INC DPTR   MOV A,#D_DIAG_BUF_PTR2   MOVX @DPTR,A   MOV DPTR,#R_CFG_BUF_PTR ; 配置緩沖區(qū)指針   MOV A,#D_CFG_BUF_PTR   MOVX @DPTR,A   MOV DPTR,#R_READ_CFG_BUF_PTR [align=center] 圖3 主程序流程圖 圖4 中斷程序流程圖[/align] 4 結(jié)束語   PROFIBUS-DP的協(xié)議開放、實(shí)時(shí)性好,數(shù)據(jù)傳輸速度快,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可靠性高,符合現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì),必將在未來一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā),解決了具有RS-485 接口不同工控設(shè)備間的通訊轉(zhuǎn)換問題,提高了工業(yè)控制的自動(dòng)化水平。通過實(shí)際運(yùn)行證明了這種通訊轉(zhuǎn)換接口硬件和軟件設(shè)計(jì)的合理性,能夠保證數(shù)據(jù)傳遞過程的安全、快速和穩(wěn)定。使用本文論述的方案,在自主開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表上配置PROFIBUS-DP接口,可以很好地滿足相關(guān)行業(yè)的需要,在實(shí)際中具有廣闊的應(yīng)用前景。   本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文針對(duì)工業(yè)控制中存在的不同設(shè)備間難以進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換的問題,開發(fā)了一種PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口。通過這種接口,可以將具有RS-485接口的儀器儀表設(shè)備很方便的連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上,實(shí)現(xiàn)通訊和控制功能。通過實(shí)際運(yùn)行證明了這種通訊轉(zhuǎn)換接口硬件和軟件設(shè)計(jì)的合理性,能夠保證數(shù)據(jù)傳遞過程的安全、快速和穩(wěn)定。從而解決了具有RS-485接口不同工控設(shè)備間的通訊轉(zhuǎn)換問題,提高了工業(yè)控制的自動(dòng)化水平。 參考文獻(xiàn)   [1] 夏繼強(qiáng),邢春香,現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M],北京航空航天大學(xué)出版社,2005.   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