基于Profibus總線技術的智能從站設計

李俊湘

（廣東省高級技工學校，廣東 惠州 516100）

1 引言

現(xiàn)場總線是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，是應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。P rofibus現(xiàn)場總線由P rofibus-DP，P rofibus-FMS，P rofibus-PA組成，其中DP用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbit/s～12Mbit/s，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應的時間要求，特別適合于加工自動化領域的應用。FMS主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器（PLC）、低壓開關等，PA型采用了OSI模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層、適用于過程自動化的總線類型［1］。P rofibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備，能夠接收P rofibus的PLC主站或PC主站的控制數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個數(shù)字化、智能雙向、多點的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)最優(yōu)控制；而且DP智能從站執(zhí)行器具有可靠性高、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，因此開發(fā)智能化DP從站具有巨大的前景。

2 P rofibus總線MAC協(xié)議

3種系列的P rofibus（DP、PA和FMS）使用同一種總線存取協(xié)議，也就是說具有相同的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL，F(xiàn)ieldbus Data Link）,該通信協(xié)議的介質(zhì)存取控制（MAC,Medium Access Control）采用兩種存取方式，即主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，其中令牌傳遞控制如圖1所示。

在圖1中，P rofibus總線上的主設備M3獲得令牌，即獲得了總線控制權(quán)，此時，主設備M3與M5進行數(shù)據(jù)傳遞，同時M3也可以與從設備S1、S2、S3等進行通信，M3對從設備進行循環(huán)查詢。當M3主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者M3的控制時間終了時，它就將主站令牌傳遞給下一個主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之間進行傳遞。

P rofibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)，P rofibus—DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（T oken B us）和主從方式。令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關系表與從站或其它主站進行通信。令牌傳遞在主站間的總線結(jié)構(gòu)基礎上形成邏輯令牌環(huán)，保證每個主站在確定時間內(nèi)能夠取得總線使用權(quán)（令牌），并且任一時刻只能有一個主站發(fā)送數(shù)據(jù)，完全避免了沖突；令牌在所有主站間循環(huán)一周的最長時間是預先規(guī)定好的，保證報文傳遞的實時性［2－3］。

圖1 PROFIBUS總線存取方法

3 P rofibus從站硬件設計

P rofibus-DP區(qū)分主動和被動兩種總線節(jié)點。主動節(jié)點為主設備，被動節(jié)點為從設備。運行過程中，網(wǎng)絡中的各節(jié)點共享傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)需要控制對網(wǎng)絡的訪問。在圖1中，按主從令牌方式訪問網(wǎng)絡的原則，只有主動節(jié)點才有接受訪問網(wǎng)絡的權(quán)利。通過從一個主站將令牌傳遞給下一個主站來獲得訪問網(wǎng)絡的權(quán)利。如果不需要發(fā)送，令牌就傳遞給下一個主站。被動的總線節(jié)點是直接通過主模塊的輪詢來分配的。

如果采用一般的標準網(wǎng)絡部件就不能滿足通信協(xié)議的實時性。因此，DP從站必須采用相應的接口模板來實現(xiàn)其通信的性能。

3.1 ASIC芯片的選取

P rofibus通信接口芯片有很多種，各種芯片有各自的連接方法和工作特性，本系統(tǒng)選用ASIC SPC3芯片，SPC3是一種用于從站的智能通信芯片，具有1.5Kbyte的信息報文存儲器，采用44管腳的PQFP封裝；可獨立完成全部P rofibus-DP通信功能，這樣可加速通信協(xié)議的執(zhí)行，而且可減少接口模板微處理器中的軟件程序。其總線存取由硬件驅(qū)動，與應用對象之間通信采用數(shù)據(jù)接口，因此數(shù)據(jù)的交換獨立于總線周期。在與應用對象之間硬件連接方面，微處理器提供了方便的接口。SPC3主要技術指標為：在P rofibus上自動檢測并調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，最大數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s。外部時鐘接口24MH z或48MH z；集成的看門狗，RS485傳輸，完整的P rofibus-DP協(xié)議集成于芯片中。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，總線接口單元（BIU）是可參數(shù)化的8位同步/異步數(shù)據(jù)接口，用戶可以通過11位地址總線（AB）存取1.5KRAM或數(shù)據(jù)所存器。方式寄存器（Mode Register）在SPC3啟動后，加載過程指定參數(shù)（例如從站地址、緩沖器地址、控制位信息等）。過程指定參數(shù)和數(shù)據(jù)緩沖器都存放在1.5KRAM中，RAM和RAM控制器組成雙口RAM。狀態(tài)寄存器（Status Register）存放從站的狀態(tài)信息，以便在任何時間能掃描現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問子層（MAC）。中斷控制器接收不同事件的中斷請求，由SPC3一個共同的中斷輸出口輸出。內(nèi)置的看門狗定時器有3種工作狀態(tài)：Baud-Search、Baud-Control、DP-Control。串行通訊接口（UART）把并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流輸出到RS485總線上，并自動識別波特率；總線定時器直接控制串行總線電纜上的時序。微處理控制器是本系統(tǒng)的核心［4－5］。

3.2 從站硬件構(gòu)成

智能化DP從站的硬件系統(tǒng)由SPC3芯片、8032微處理器、擴展接口芯片8255和8279、外部EPROM組成，系統(tǒng)通過并行接口8255的PA接收反饋信號，經(jīng)過微處理器8032的程序控制，再由8255的PB口輸出驅(qū)動信號；同時8032通過SPC3使用RS-485與外界通信，獲得數(shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 SPC3 ASIC芯片結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能DP從站硬件組成圖

在圖3中，通過在擴展8255上連接不同的外圍電路（A/D或D/A），可以實現(xiàn)執(zhí)行器、變送器等多個智能化從站。SPC3的RAM空間地址分配情況如下，處理器參數(shù)鎖存/寄存器地址為：000H～015H；中斷控制器地址為：00H～03H；04H、05H為狀態(tài)寄存器；06H、07H為方式寄存器0；08H、09H為方式寄存器1；016H～039H為組織參數(shù)，用來存放緩沖器的長度和地址結(jié)構(gòu)信息；040H以上為DP緩沖器，如數(shù)據(jù)輸入/輸出緩沖、診斷緩沖、輔助緩沖等等，該段內(nèi)存包含了SPC3的服務存取點（SAP55～62），能完成DP從站與主站的通信任務。

本系統(tǒng)中，DP從站的過程參數(shù)主要有兩類：一是從站自身的傳感器輸入的參數(shù)；一類是主站通過P rofibus現(xiàn)場總線傳送給從站的參數(shù)，如控制指令等等，這些參數(shù)都必須通過微處理器8032進行智能化運算。

4 程序設計

SPC3協(xié)議芯片主要功能如下：在SPC3支持的DP主站一從站服務中，診斷處理、參數(shù)化、檢查組態(tài)數(shù)據(jù)和從設備地址設置4種協(xié)議報文是開發(fā)人員必須了解的。①診斷處理：當從設備發(fā)生異常時，可以通過診斷報文向主站傳遞相關信息，此信息是從設備主動發(fā)送的；②參數(shù)化（PRM）：參數(shù)化報文主要是主站用來設置從設備的工作參數(shù)。從站的參數(shù)化在DP系統(tǒng)的建立階段首先完成，也可在用戶數(shù)據(jù)交換模式中完成；③檢查組態(tài)數(shù)據(jù)（CFG）：此功能允許DP主站傳送組態(tài)數(shù)據(jù)到DP從站以便檢查.它們包括輸入輸出區(qū)域的范圍，也包括關于數(shù)據(jù)連續(xù)性的信息。DP從站中的用戶程序會對接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行檢查，將結(jié)果通知SPC3；④變更DP從站的地址（SSA）：此功能允許DP主站（2類）變更DP從站的地址，如DP從站沒有存儲能力（EEPROM，F(xiàn)LASH）或如果地址設置是以一個開關來實施的，則此功能以RS出錯報文來拒絕。

在實際設計過程中，將軟件結(jié)構(gòu)設計成主程序模塊和中斷處理模塊，主程序模塊主要負責系統(tǒng)初始化和寄存器狀態(tài)查詢，并根據(jù)寄存器狀態(tài)進行相應的操作，這一過程主要處理一些對時間關鍵性要求相對較低的操作，如IN/OUT數(shù)據(jù)的處理、診斷報文的處理等；中斷處理模塊主要處理對時間關鍵性要求較高的操作，如設備的上/下線處理、參數(shù)化報文處理、從設備通道配置報文處理、設備地址報文和設備波特率變更報文處理等過程。

圖4、圖5所示分別為主程序模塊和中斷處理模塊的工作流程。

在圖4主程序模塊的工作流程中，SPC3初始化是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，SPC3的初始化過程主要包括以下內(nèi)容。

SPC3中斷配置。SPC3最多支持11種類型的中斷，用戶程序可以對SPC3需要響應的中斷進行設置。

圖4 主程序模塊流程圖

圖5 中斷模塊流程圖

用戶定時器配置。在用戶定時器超時后，SPC3會認為用戶程序發(fā)生錯誤，會自動切換其工作狀態(tài)，以防止設備發(fā)生故障時影響整個系統(tǒng)的安全。

設備地址設置。SPC3內(nèi)0xl6H為寫入設備地址的地方。

SPC3內(nèi)各種緩沖區(qū)地址及長度計算。需要注意的是，最后的長度值是以段為單位的。需要計算的內(nèi)容包括：輸入/輸出緩沖區(qū)的長度和指針，存放診斷處理、參數(shù)化、組態(tài)數(shù)據(jù)檢查和從設備地址設置等多種協(xié)議報文的緩沖區(qū)長度及指針等。SPC3只提供一個中斷，用戶程序在響應中斷后，根據(jù)中斷請求寄存器（IRR）中的內(nèi)容來判斷具體發(fā)生何種類型的中斷事件，中斷處理模塊主要完成以下工作：①檢查并處理新的PRM報文；②檢查并處理新的CFG報文；③檢查并處理新的SSA報文。

5 結(jié)束語

P rofibus現(xiàn)場總線技術的主要目標是滿足工業(yè)控制現(xiàn)場快速、高效的數(shù)據(jù)通信要求，通過P rofibus網(wǎng)和軟件的對策可實現(xiàn)真正的快速，包括快速采集大量的常規(guī)通道信號及現(xiàn)場數(shù)據(jù)。智能從站是P rofibus網(wǎng)的重要組成部分，DP的從站設計方法有多種，在實際設計時，應根據(jù)具體要求，選擇合適的芯片；同時設計出的從站產(chǎn)品，經(jīng)過必要的測試，如數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通訊、可靠性和抗干擾性等，方可投入使用。本文提出的DP從站，可實現(xiàn)整個現(xiàn)場總線控制過程的最優(yōu)化，是目前較為先進和可靠的產(chǎn)品。

［1］劉美俊.西門子PLC編程及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］單志華，周炎濤，王興仙.基于PROFIBUS智能斷路器通信模塊設計與實現(xiàn)［J］.計算機系統(tǒng)應用，2011，20（8）：138－141.

［3］杜大軍，費敏銳，宋 楊等.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的簡要回顧及展望［J］.儀器儀表學報，2011，32（3）：713－720.

［4］PROFIBUSspecification No.0.032 ，PROFIBUS specification Normative Parts，Part8：user specification［S］.

［5］PROFIBUSspecification No.0.032，PROFIBUS specification Normative Parts，Part 4：Data Link Layer Protocol specification［S］.