基于89S51單片機(jī)的PROFIBUS-DP從站接口電路的設(shè)計(jì)

史永哲， 張健， 楊彩霖

(1.西安廣播電視大學(xué)理工部， 陜西 西安 710002； 2.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所， 陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 前 言

圖1 SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)日新月異.現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)之間提供了一個(gè)全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)的集成，它以數(shù)字信號(hào)取代傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)，一條現(xiàn)場(chǎng)總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)管理和控制的統(tǒng)一，真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開(kāi)放性、互操作性，所以有人預(yù)言，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使得自動(dòng)化技術(shù)正在進(jìn)入第三次飛躍[1].現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)起始于20世紀(jì)80年代中期，到現(xiàn)在已經(jīng)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-DP總線技術(shù)則是其中的佼佼者.伴隨著PROFIBUS-DP總線的發(fā)展，PROFIBUS-DP通信協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用[2].因此，如何自行開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、可靠的國(guó)產(chǎn)PROFIBUS-DP智能從站通信接口，實(shí)現(xiàn)同一生產(chǎn)廠家的各種設(shè)備或不同生產(chǎn)廠家的同種設(shè)備能夠同時(shí)工作在同一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)上，解決部分生產(chǎn)廠家的設(shè)備不支持PROFIBUS-DP通訊方式的問(wèn)題，顯得尤為重要.為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于89S51單片機(jī)開(kāi)發(fā)的PROFIBUS-DP從站接口電路，該產(chǎn)品自開(kāi)發(fā)以后，解決了主站和從站的接口問(wèn)題，經(jīng)應(yīng)用證明通信速率較高.

1 PROFIBUS-DP從站接口電路的硬件設(shè)計(jì)

1.1 PROFIBUS-DP從站開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

SPC3(Siemens Profibus Controller)是SIEMENS公司提供的一款很具代表性的DP從站專用智能通信協(xié)議芯片，采用44管腳的POFP封裝，支持PROFIBUS-DP協(xié)議，SPC3能自動(dòng)標(biāo)識(shí)總線波特率(9.6kbps-12Mbps)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.

圖2 PROFIBUS-DP從站硬件電路框圖

1.2 PROFIBUS-DP從站硬件電路框圖[3]

在硬件設(shè)計(jì)中，為了使硬件更具有通用性，能夠適合更多的設(shè)備，增加接口硬件的靈活性，將硬件電路設(shè)計(jì)成以下幾個(gè)部分：控制核心單片機(jī)，SPC3與單片機(jī)的連接，存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，PROFIBUS-DP接口，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，RS-485接口電路設(shè)計(jì)，供電電源的設(shè)計(jì) ，其總體框圖如圖2所示.由于篇幅所限，本文僅對(duì)SPC3與單片機(jī)的連接，PROFIBUS-DP接口和RS-485接口電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明.

1.3 SPC3與單片機(jī)89S51的連接[4]

圖3 SPC3與單片機(jī)89S51的連接

SPC3與單片機(jī)89S51的連接如圖3所示，SPC3的DB0～DB7與單片機(jī)89S51的P0口相連、AB0～AB7與單片機(jī)89S51的P2口相連，且AB4與P2.4連接時(shí)中間加反相器；RESET接單片機(jī)的T1端，由單片機(jī)控制SPC3的復(fù)位狀態(tài)；X/INT接單片機(jī)的外部中斷0；XRD、XWR、ALE分別與單片機(jī)的讀、寫(xiě)、ALE相連接；SPC3的CLK端接48 MHz晶振的輸出.

1.4 PROFIBUS-DP的接口電路和 RS-485接口電路的設(shè)計(jì)

圖4 RS-485接口電路圖

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接口在物理特性上與RS-485網(wǎng)絡(luò)接口相近.在PROFIBUS-DP總線驅(qū)動(dòng)和光耦隔離的通信部分， PROFIBUS-DP總線驅(qū)動(dòng)一側(cè)與主站連接，另一側(cè)通過(guò)光耦與SPC3連接[5].

RS-485接口電路如圖4所示，主要由光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、電阻網(wǎng)絡(luò)組成，其原理與PROFIBUS-DP接口類似，其區(qū)別在于RS-485的通信速率遠(yuǎn)小于PROFIBUS-DP的通信速率，因此在光電隔離的選擇上就沒(méi)有很?chē)?yán)格的要求，用一般的521-1光電隔離器就可以了[6].

2 PROFIBUS-DP從站通信接口的軟件設(shè)計(jì)

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)構(gòu)，89S51微處理器需要對(duì)SPC3進(jìn)行合理配置、初始化及各種報(bào)文的處理，89S51主程序的流程圖如圖5所示.

3 組網(wǎng)通訊試驗(yàn)

要配置一個(gè)PROFIBUS-DP主站，需要組態(tài)軟件和相應(yīng)的硬件，在本試驗(yàn)中，使用Siemens公司的COM PROFIBUS組態(tài)軟件，然后用PC機(jī)作為主站，組態(tài)軟件根據(jù)從站的GSD文件得到所需的組態(tài)數(shù)據(jù)[7].

圖5 程序流程圖

采用COM PROFIBUS的設(shè)備模塊，組成如圖6所示的網(wǎng)絡(luò)，然后配置各種數(shù)據(jù)，生成一個(gè)包含總線系統(tǒng)所有相關(guān)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制文件(.bin)，其中PC-KIT4為主站(IM180+IM181)，另外兩個(gè)變頻器為從站，值得注意的是在生成二進(jìn)制文件之前，一定要指定主站，不然是不能生成配置文件的.在生成配置文件后，使用開(kāi)發(fā)包提供的一個(gè)演示程序DPMT來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，該程序可對(duì)數(shù)據(jù)交換用的雙口RAM進(jìn)行操作.在起動(dòng)該程序后，首先會(huì)對(duì)主站模塊進(jìn)行復(fù)位，如果復(fù)位失敗，表示主站ISA卡(IM180+IM181)安裝有問(wèn)題，需重新使用COM PROFIBUS中提供的配置軟件進(jìn)行設(shè)置.在復(fù)位后，將COM PROFIBUS生成的配置文件載入，執(zhí)行IM180-Command中的”Slave_Info_data”，此時(shí)執(zhí)行“Operate”，數(shù)據(jù)交換將開(kāi)始，這樣就可以在“View”下的“Display Inputs”看到輸入的數(shù)據(jù)，如圖7所示.輸入數(shù)據(jù)包括8個(gè)字節(jié).如果輸出數(shù)據(jù)到變頻器，可使用如圖8所示的界面，根據(jù)要求輸出8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù).如果一次配置后，配置數(shù)據(jù)會(huì)一直保存在主站中，以后可直接運(yùn)行.

圖6 COM PROFIBUS配置網(wǎng)絡(luò)圖

圖7 主站數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)圖

圖8 主站數(shù)據(jù)輸出圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新之處在于設(shè)計(jì)出了基于89S51單片機(jī)的PROFIBUS-DP從站接口電路，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)廠家的各種設(shè)備或不同生產(chǎn)廠家的同種設(shè)備能夠同時(shí)工作在一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)上，解決了部分生產(chǎn)廠家的設(shè)備不支持PROFIBUS-DP通訊方式的問(wèn)題，本產(chǎn)品自山東某造紙企業(yè)應(yīng)用以來(lái)一直運(yùn)行可靠，為該企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益.

參考文獻(xiàn)

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