智能电控阀门的Profibus-DP通信接口的设计

智能电控阀门的Profibus-DP通信接口的设计摘要：PROFIBUS—DP是一种流行的工业现场总线。该总线可以用于现场设备和分散式I/O的的控制和通讯,实现了远程化操控。作者从开发的角度描述了使用SPC3芯片实现Profibus-DP总线通讯接口的一种方法,并且详细阐述了开发接口的内容和步骤。现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。工业现场总线是用来解决当前工业领域中“信息孤岛”的必然方法。现在已经被广泛使用的工业现场总线的种类很多，有CANBUS、DeviceNet、CClink、Modbus等几十种现场总线[1]。德国的西门子公司是进入中国市场较早的跨国公司。该公司的工业现场总线产品在国内占有很大的市场份额。西门子公司的SIMATICNET工业通信网络结构可以分为三级：企业级、车间级和现场级。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。本文主要介绍开发工业用电动阀门的通信接口——Profibus-DP总线的开发。通过开发的Profibus-DP工业总线通信接口，可以将单台设备的控制器引入到工业现场总线网络之中，使单台设备成为一个智能节点，实现控制的远程化，可以大大提高生产设备的整体系统控制水平、降低生产成本。一、Profibus总线介绍ISO/OSI的通信标准模型由七层组成。从用户角度看，Profibus提供了三种通信协议标准：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS[2]。(1)、PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代原来的24VDC或4-20mA信号传输。(2)、PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。(3)、PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。PROFIBUS-DP总线的物理层(第一层)采用RS485总线传输。二、硬件方案Profibus-DP总线的通信接口设计采用了西门子公司的SPC3协议芯片作为本设计的核心芯片。SPC3协议芯片是SIEMENS公司研制开发的专门用于开发PROFIBUS-DP从站的智能通信集成电路。该芯片集成了完整的PROFIBUS-DP协议。SPC3主要由控制整个过程的微序列器、参数/方式寄存器、RAM和RAM控制器组成双口RAM、中断控制器、内置的看门狗定时器、内部总线接口单元、UART接口、波特率发生器和总线空闲定时器组成。SPC3芯片可以自动检测总线上波特率从9.6K到12M的信号，并且能够自适应的采取相应的总线频率[3]。从图1可以看出，微序列器是SPC3的核心。该芯片可以承担通信部分的微处理器功能，实现PROFIBUS-DP从站通信处理，从而减轻从站CPU的工作负荷。SPC3通过它自身的双端口RAM与微处理器交换数据，微处理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM一样。SPC3芯片的整个RAM采用8字节的段结构方式，共被分成192段，所有需要分配地址的BUF指针，必须指向段的开头。SPC3的总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口。该接口适合于Motorola和Intel的微控制器/处理器。PROFIBUS-DP通信的服务存取点(SAP)由SPC3自动建立的。各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。用户可以通过总线接口访问这些内部数据。SPC3芯片有8根数据线和11根地址线，但是为了节约单片机资源，低8位地址线与数据线采取了复用的方式。三、RS485接口设计PROFIBUS-DP在底层的物理层上使用的是RS485协议。为了满足PROFIBUS-DP的数据高速传输的要求，必须选择高速光隔和高速RS485收发器。本设计采用的高速光隔为6N137,RS485采用MAXIM公司的高速差分总线收发器MAX3468作为驱动器。这样PROFIBUS-DP的传输速率最高可以达到6Mbps。如果要让数据传输速率达到12Mbps，就必须选用更为高速的光隔。智能从站节点RS485传输用的双绞线电缆采用了SIEMENS公司提供的PROFIBUS-DP总线电缆和终端接口器。Profibus总线不带中继的情况下每分段32个站（主站或从站），最多可以达到127个站（带中继）。每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。四、Profibus总线硬件接口结构在PROFIBUS-DP硬件接口电路设计方案基础之上，我们采用单片机+专用集成芯片SPC3+RS485驱动的方案。Profibus-DP接口卡与控制设备(从站)的数据交换采用双端口RAM。采用这样方式的优点是可以减少对控制设备资源的占用，并且由于数据交换是并行方式，数据交换速度快[4]。五、软件设计DP智能从站上电或复位后，首先进行SPC3的初始化，其中包括有效地复位SPC3，触发硬件看门狗，清零SPC3内部RAM单元（1016H～15FFH），设置SPC3允许的中断，写入从站识别号和地址以及地址是否可以被PROFIBUS－DP改变，设置SPC3内部看门狗计时初值，设置SPC3方式寄存器，设置参数缓冲区、诊断缓冲区、SSA缓冲区、组态缓冲区、输入输出缓冲区的初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针；根据传输的输入输出数据长度，确定输出缓冲区和输入缓冲区的指针；获得波特率，针对波特率控制要求调整看门狗的初始值。初始化流程图4如下：SPC3与微处理器进行数据交换时通过中断方式进行的，以提高响应速度。通常情况下，采用INT0中断。SPC3可以提起中断的中断源有：New_Prm_Data、New_DDB_Prm_Data和New_Cfg_Data等。中断程序模块用于处理SPC3发生的各种事件，这些事件包括:新的参数报文事件；全局控制命令报文事件；进入或退出数据交换状态事件；新的配置报文事件；新的地址设置报文事件；监测到波特率事件和看门狗溢出事件。软件中采用中断方式处理从站地址设定，检查组态和参数报文是否正确。采用外部中断INTO输入，其入口地址为0003H。使用函数定义语法voiddps2_ind（void）interrupt0调用外部中断INTO，当外部中断0被触发时，将会执行此中断模块中的服务函数，在函数中由DPS2_GET_INDICATION()宏可以读出相应的事件信息，并进行各个中断事件的处理。中断程序流程如图5所示。六、GSD文件PROFIBUS设备具有不同的性能特征，特性的不同在于现有功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或可能的总线参数，例如波特率和时间的监控不同。对一种设备类型的特性，GSD文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，这种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS－DP设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。GSD文件可分为三个部分：(1)总规范。(2)与DP有关的规范。(3)与DP从站有关的规范。七、调试SIEMENS公司推出的PACKAGE4主从站开发包，可以很方便的开发和调试PROFIBUS－DP主站和从站。开发包硬件包括IM183－1从站接口模块、带载体板IM181的IM180主接口模板、IM184从站接口模块以及总线连接器等附件，使用这些主站、从站接口模块和连接器可以组成完整的DP网络；软件包括组态软件COMPROFIBUS、仿真演示软件DPMT和固态程序DPS2。本设计也可以用此开发板进行调试和测试。用IM181的IM180主接口模板构成主站与设计的从站进行Profibus—DP的通信。除此以外，还可以用300系列PLC等构件Profibus网络调试[5]。八、结束语Profibus-DP总线已经在国内得到了广泛的应用。通过研究Profibus-DP总线的开发，本文详细阐述了开发Profibus-DP总线的软件和硬件的方法。当前国内市场各类控制器很多，我们开发Profibus接口，可以提高产品的附加值、开拓新的产品市场。