基于變頻器的一種協(xié)議轉(zhuǎn)換接口設(shè)計

劉蘭華 ， 鄭建立 ，2

（1.東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620；2.教育部數(shù)字化紡織工程中心 上海 201620）

隨著工廠自動化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應用。其中過程現(xiàn)場總線Profibus（Process Fieldbus）是一種面向工廠自動化、流程自動化的國際性現(xiàn)場總線標準，以其靈活性、可靠性以及高性能價格比等優(yōu)點廣泛應用于制造業(yè)自動化、過程自動化、樓宇自動化以及交通電力等領(lǐng)域。Profibus包括Profibus-DP，Profibus-FMS等系列，其中用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O通信的Profibus-DP是市場占有率領(lǐng)先的總線技術(shù)，它是世界上僅有的幾個開放式現(xiàn)場總線標準之一，也是我國工業(yè)自動化領(lǐng)域行業(yè)標準中為數(shù)不多的現(xiàn)場總線標準之一[1-2]。

Modbus協(xié)議是廣泛應用于電子控制領(lǐng)域的一種現(xiàn)場總線協(xié)議，其免費開放性受到了很多商業(yè)用戶的親睞，成為全球最為流行的現(xiàn)場總線協(xié)議之一。它支持多種電器接口，如RS-232，RS-485等。Modus協(xié)議包括 ASCII（美國信息交換碼）、RTU（遠程終端設(shè)備）兩種。許多工業(yè)設(shè)備，包括 PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標準。

我國對于Profibus-DP技術(shù)的應用和研究主要以系統(tǒng)集成和工程應用為主，對于實現(xiàn)Profibus-DP與Modbus之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品相對較少，且被一些公司壟斷，價格昂貴，針對變頻器領(lǐng)域的具體應用的產(chǎn)品更是少之又少，對于不具備DP通信能力的變頻器推廣與應用形成了瓶頸。

因此，目前迫切需要開發(fā)出一種裝置，可以實現(xiàn)采用Modbus通信協(xié)議的變頻器與控制系統(tǒng)中的Profibus-DP主站之間進行通信，使該類變頻器具有Profibus-DP通信接口。

1 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口硬件設(shè)計

1.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1是針對變頻器的Profibus-DP與Modbus協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的通信接口總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括主控制器、SPC3通信單元、光耦隔離電路、RS-485驅(qū)動電路、5 V隔離電源、用戶接口電路及相應的外圍電路。

1.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口硬件電路設(shè)計

圖1 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Protocol conversion communication interface diagram of the overall structure

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口硬件電路基本原理Fig.2 The basic principle of protocol conversion communication interface hardware circuit

如圖2所示，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中的主控制器采用PHILIPS公司的P89C51RD2HBBD單片機，主要用于控制Profibus-DP協(xié)議芯片SPC3收發(fā)DP主站數(shù)據(jù)，并通過執(zhí)行P89C51RD2HBBD單片機相應的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，將DP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Modbus數(shù)據(jù)發(fā)送給變頻器用戶端；通過用戶接口電路也可將變頻器返回的數(shù)據(jù)信息通過SPC3通信單元傳送給DP主站；另外，在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，由于變頻器端有4種不同的波特率，分別為19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps， 而對于 Profibus-DP其傳輸速率最高可達到12 Mbps，為防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能產(chǎn)生丟失的情況，所述協(xié)議轉(zhuǎn)換單元另一重要功能即解決DP與Modbus協(xié)議在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的通信速率不匹配問題；為實現(xiàn)變頻器與主控制器之間具有相同的傳輸速率，主控制器的兩個I/O口通過用戶接口單元與變頻器連接，在協(xié)議轉(zhuǎn)換單元開始工作時，主控制器通過此接口獲得變頻器發(fā)送的波特率選擇信號，依此設(shè)置相應的異步串行通信的波特率，使變頻器與主控制器的傳輸速率一致。

協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中的Profibus-DP協(xié)議芯片SPC3是Siemens為智能從站開發(fā)的一款Profibus專用通信芯片，該芯片集成有完整的DP協(xié)議，能自動檢測9.6 Kbps到12 Mbps范圍的波特率，內(nèi)部集成有1.5KB的RAM。該芯片是專為循環(huán)MS0和非循環(huán)的MS1數(shù)據(jù)交換（即Profibus DP-V0和 DP-V1）設(shè)計的。利用此芯片只需要極少的外部器件就可以實現(xiàn)一個Profibus的站點；在本通信接口模塊中，其8根數(shù)據(jù)總線、11根地址總線以及相應控制總線分別與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中的主控制器相連；另外，SPC3芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送信號TXD，數(shù)據(jù)接收信號RXD以及發(fā)送使能信號RTS與RS-485驅(qū)動電路相接；SPC3的外部時鐘接口有24 MHz和48 MHz兩種可選，本設(shè)計采用48 MHz的有源晶振，為SPC3提供時鐘信號。另外，SPC3通過對48 MHz的時鐘信號四分頻為主控制器提供12 MHz的工作時鐘。

所述RS-485通信單元，實現(xiàn)了本接口通信裝置DP從節(jié)點的物理層功能，其中，為避免總線信號受到DP從站設(shè)備的干擾，總線A、B數(shù)據(jù)信號線接口采用50 M波特率的光耦HCPL7101隔離，RTS信號線采用10 M波特率的光耦HCPL0601隔離；此外，為防止設(shè)備啟用時，RTS信號高電平占用總線而引起總線系統(tǒng)錯誤，HCPL7101輸出端先經(jīng)過反相器74HC132在接入總線；另外，對于光耦隔離電源本接口設(shè)計采用芯片ADUM5000，ADUM5000為2.5 kV隔離DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，其電源輸入為5 V或3.3 V，輸出5 V或3.3 V；本設(shè)計中所選ADUM5000的輸入輸出所選均為5 V，其中輸入端電源是由變頻器通過用戶接口提供，其隔離出的5 V電源為RS-485驅(qū)動電路以及光耦的后級供電。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口軟件設(shè)計

2.1 主程序流程

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口主程序流程圖Fig.3 The basic principle of protocol conversion communication interface hardware circuit

如圖3所示，主程序流程：首先初始化SPC3，由DP主站配置相應的組態(tài)報文以及參數(shù)報文，同時初始化P89C51RD2HB BD單片機的異步串行通信接口；在SPC3完成初始化后，即可與DP主站進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，等待主站發(fā)送命令；若主站有數(shù)據(jù)輸出，單片機取得數(shù)據(jù)存入輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（相對于主站），如果緩沖區(qū)無溢出，調(diào)用Modbus協(xié)議程序，把數(shù)據(jù)封裝為Modbus幀格式，通過串口傳送給變頻器端。如果輸出緩沖區(qū)有溢出，產(chǎn)生外部診斷，在DP主站下一次輪詢從站獲取診斷報文時，發(fā)送給主站，由主站給予處理。變頻器端在接收到DP主站發(fā)送的命令后，返回響應數(shù)據(jù)，單片機通過串口獲取該數(shù)據(jù)，并存入輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（相對于主站），若輸入緩沖區(qū)無溢出，存入SPC3數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待輪詢，與主站交換數(shù)據(jù)。若有溢出，產(chǎn)生外部診斷，在DP主站下一次輪詢從站獲取診斷報文時，發(fā)送給主站，由主站給予處理。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究——可靠性與實時性

在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，由于變頻器端有4種不同的波特率，分別為 19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而對于Profibus-DP其傳輸速率最高可達到12 Mbps，兩者的通信速率并不完全匹配，為防止由于DP主站通信速率相對變頻器較高而致使發(fā)送的控制命令信息被覆蓋掉，在P89C51RD2HBBD單片機中開辟輸出雙緩沖區(qū)，即協(xié)議轉(zhuǎn)換單元接收DP主站發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將其存儲在第一個緩沖區(qū)，待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給變頻器后，立即清空該緩沖區(qū)，并置位第一個緩沖區(qū)的空標志位，等待下一次數(shù)據(jù)存儲，在下次數(shù)據(jù)到來時，首先查看兩個緩沖區(qū)的空標志位，把數(shù)據(jù)存儲到已經(jīng)清空的緩沖區(qū)中，再通過協(xié)議轉(zhuǎn)換程序處理后及時發(fā)送至變頻器，通過該雙緩沖區(qū)從而避免數(shù)據(jù)信息被覆蓋掉的可能性，同時，為防止在一些特殊情況下，比如DP通信速率達到最高，而變頻器數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為最低，可能導致雙緩沖區(qū)溢出而喪失避免數(shù)據(jù)信息被覆蓋的功能，可利用SPC3通信單元產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出用戶診斷報文，發(fā)送至DP主站，主站通過讀取診斷信息獲知產(chǎn)生錯誤原因，并作出相應處理。對于變頻器側(cè)數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠大于DP通信的波特率時，在單片機中開辟輸入雙緩沖區(qū)，采用同樣的方式達到通信接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性。

3 測試實驗與結(jié)果分析

為了驗證本文所設(shè)計的Profibus-DP與Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換接口軟硬件的正確性與合理性，結(jié)合實驗室現(xiàn)有的實驗條件，采用PLC 300作為DP主站，搭建實驗測試平臺。測試流程如圖4所示：首先，對DP主站進行初始化，在進入DP主站進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)時，根據(jù)變頻器實際的控制命令，由DP主站向變頻器端發(fā)送控制命令幀，協(xié)議轉(zhuǎn)換接口在接收到DP主站發(fā)送的數(shù)據(jù)后，解析出實際的變頻器控制命令，將其封裝為Modbus數(shù)據(jù)，送至變頻器端，變頻器根據(jù)所接收到的Modbus數(shù)據(jù)，做出相應的回復，其返回數(shù)據(jù)再通過DP與Modbus協(xié)議通信接口轉(zhuǎn)換為DP幀格式的數(shù)據(jù)送至DP主站。同時為了更加直觀的觀察協(xié)議轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換的DP數(shù)據(jù)與Modbus數(shù)據(jù)，分別采用ProfiTrace對DP主站發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，同時，協(xié)議轉(zhuǎn)換接口將所得到Modbus數(shù)據(jù)送至串口調(diào)試助手，通過串口調(diào)試助手監(jiān)控所轉(zhuǎn)換的Modbus數(shù)據(jù)的與DP主站所交換的數(shù)據(jù)是否相同，從而提高了測試試驗的可信度，也更進一步驗證了協(xié)議轉(zhuǎn)換接口的功能的可靠性。其中ProfiTrace為DP數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置，通過相應的操作軟件Proficore可以實時的獲取DP總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

圖4 測試實驗流程圖Fig.4 The flow chart of test

圖5 DP主站初始化檢測界面Fig.5 Detection interface of the master station initialization

對于DP主站的初始化，如圖5所示，當DP主站完成參數(shù)報文配置和組態(tài)報文配置，在得到診斷信息 00 0C 00 01 00 08之后便進入數(shù)據(jù)交換階段，如圖6所示，實線方框圈起的部分為DP主站發(fā)送的變頻器命令，虛線方框圈起的部分為變頻器返經(jīng)過DP與Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換接口返回的響應數(shù)據(jù)，通過Proficore監(jiān)測界面可以看到，DP主站輸出的數(shù)據(jù)與所接收到的數(shù)據(jù)都為06 C8 00 00 25，其中，06 C8 00 00 25為DP主站向變頻器發(fā)送的控制啟動命令，變頻器在正確接收到該控制命令之后，將所接收到的數(shù)據(jù)返回至DP主站，以便告知主站命令數(shù)據(jù)正確接收。

另外，如圖7所示，通過串口調(diào)試助手獲得的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換的Modbus數(shù)據(jù)為01 06 C8 00 00 25 76 71，總共8個字節(jié)，其中01為變頻器定義的地址，76 71為Modbus數(shù)據(jù)的CRC校驗碼，06 C8 00 00 25為實際的數(shù)據(jù)部分，與DP主站發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)一致。

由于Profibus-DP通信速率最高可達到12 Mbps，對于變頻器端定義了四種不同的波特率，分別為19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，為了驗證協(xié)議轉(zhuǎn)換接口在不同通信速率下轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的正確性與可靠性，通過DP主站以及協(xié)議轉(zhuǎn)換接口分別設(shè)置不同頻率的通信速率，經(jīng)過上述實驗對此通信接口進行多次測試，均能保證數(shù)據(jù)傳輸正確。

圖6 DP主站數(shù)據(jù)交換檢測界面Fig.6 The data exchange detection interface of master station

圖7 Modbus數(shù)據(jù)檢測界面Fig.7 Modubus data testing interface

4 結(jié)論

綜上所述，本協(xié)議轉(zhuǎn)換通信接口是在一塊電路板上有效的集成了Profibus-DP智能從站接口，又嵌入了DP數(shù)據(jù)與Modbus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，使采用Modbus RTU協(xié)議通信的變頻器可以與采用Profibus-DP協(xié)議的主站通信。在硬件方面，采用P89C51RD2HBBD+SPC3協(xié)議芯片+RS485驅(qū)動電路，即可實現(xiàn)Modbus協(xié)議與Profibus-DP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，通過用戶接口與變頻器物理連接；在軟件方面，根據(jù)變頻器的四類控制命令：控制變頻器起停、讀變頻器當前狀態(tài)、設(shè)置變頻器參數(shù)與讀取變頻器參數(shù)，由DP主站把控制命令轉(zhuǎn)化成相應的DP幀格式數(shù)據(jù)發(fā)送到本裝置的DP從節(jié)點，主控制器通過SPC3通信單元獲取該數(shù)據(jù)之后，將其封裝為Modbus數(shù)據(jù)，利用單片機的異步串行接口發(fā)送給變頻器，達到控制變頻器的目的，同樣，變頻器根據(jù)接收到的控制命令返回相應的數(shù)據(jù)信息，主控制器通過用戶接口電路獲得，并提取有效數(shù)據(jù)將其發(fā)送至SPC3協(xié)議芯片的輸出緩沖區(qū)，與DP主站進行周期性交換數(shù)據(jù)，另外，為實現(xiàn)變頻器與DP主站的通信速率匹配，通過在主控制器內(nèi)部RAM開辟5字節(jié)的雙緩沖區(qū)，在主控制器通過SPC3通信單元接收DP主站數(shù)據(jù)時，先判斷兩緩沖區(qū)的空標志位，將數(shù)據(jù)存儲到空標志位為0的緩沖區(qū)中，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理發(fā)送給變頻器后，立即清空該緩沖區(qū)以及相應的空標志位，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸，同時，為確保協(xié)議轉(zhuǎn)換的安全可靠性，如果雙緩沖區(qū)產(chǎn)生溢出的情況時，通過SPC3通信單元產(chǎn)生溢出診斷報文返回至DP主站，由DP主站做出相應的處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計針對采用Modbus RTU協(xié)議的變頻器，提供了一種Modbus與Profibus-DP之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信接口裝置。通過實驗驗證，本通信接口軟硬件設(shè)計正確，可以實現(xiàn)采用Modbus RTU協(xié)議的變頻器與DP主站進行通信，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實時可靠。在一定程度上，對于采用Modbus協(xié)議通信的變頻器，本通信接口擴大了其應用范圍，具有重要的實際意義。

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