嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)

　　引言

　　目前國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品(電器、儀表、驅(qū)動(dòng)裝置等)提出PROFIBUS通信功能要求，主要來源于：(1)國(guó)外生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)的引進(jìn)，特別是從歐洲引進(jìn)的成套設(shè)備通常采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，因此對(duì)國(guó)內(nèi)配套產(chǎn)品提出了現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS通信功能的技術(shù)要求；(2)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)廠家比較成功的、面向行業(yè)的控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。基于上述需求，嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品的用戶提供了一種快速、高效的解決方案。

　　實(shí)現(xiàn)方法

　　(1)電路設(shè)計(jì)制作：使用PROFIBUS通信專用ASIC芯片SPC3實(shí)現(xiàn)協(xié)議相關(guān)內(nèi)容，選用合適的CPU，外圍加帶光電隔離的RS-485驅(qū)動(dòng)；

　　(2)單片機(jī)+Firmware軟件：需要在單片機(jī)中編程(Firmware軟件)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ASIC的結(jié)合；

　　(3)用戶產(chǎn)品的CPU通過串行接口向PROFIBUS-DP從站通信接口板讀/寫輸入/輸出數(shù)據(jù)；PROFIBUS-DP從站通信接口板自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信；

　　(4)編寫GSD文件，搭建一個(gè)調(diào)試與測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行PROFIBUS系統(tǒng)配置。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口板(以下簡(jiǎn)稱接口板)由CPU芯片、PROFIBUS協(xié)議芯片SPC3及光隔RS-485驅(qū)動(dòng)等電路組成，如圖1所示。

　　接口板與用戶模板采用串口連接，使用波特率選擇開關(guān)可選擇指定的7種波特率(9600、19.2K、38.4K、57.4K、115.2K、230.4K、460、8K)中的一種；接口板需要用戶模板提供2組5V電源(VCC/GND-150mA和5V/0V-100mA)，分別作為接口板的電源及光隔外電源，由16針插座J1引入。信號(hào)A、B、RTS及5V、0V可直接引到用戶模板PROFIBUS的D型插頭上(使用PCB布線或軟接線均可)。根據(jù)PROFIBUS產(chǎn)品測(cè)試技術(shù)規(guī)范，此接法引線或軟接線不宜過長(zhǎng)，通常PCB引線不超過20cm、軟接線不超過10cm。

如果PROFIBUS的D型插頭與接口板之間需要更長(zhǎng)的引線，可以從接口板上的10針插頭J2引出，此時(shí)需要采用外接口轉(zhuǎn)接板。

　　用戶模板PROFIBUS插頭為孔型(famel)D型插頭，與接口板16針插座連接如圖2所示。接口板CPU芯片采用普通的51單片機(jī)即可，考慮到PROFIBUS對(duì)速率的要求，推薦使用高速率、低功耗的8位AVR單片機(jī)作為接口板CPU。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　接口板與用戶模板的串口

　　通信設(shè)置

接口板與用戶模板通過串口連接，Txd、Rxd為TTL電平，半雙工通信。通信方式采用應(yīng)答方式：用戶模板主動(dòng)詢問，接口板被動(dòng)回答。設(shè)定每個(gè)字節(jié)用11bits傳送：1個(gè)啟始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位、1個(gè)停止位，即51內(nèi)核單片機(jī)的通信方式3。

　　報(bào)文長(zhǎng)度

　　接口模板的初始化報(bào)文(發(fā)送、接收)固定長(zhǎng)度49字節(jié)；接口板與用戶模板之間數(shù)據(jù)交換報(bào)文(發(fā)送、接收)，長(zhǎng)度由用戶在初始化報(bào)文中設(shè)定，最大為113字節(jié)；PROFIBUS輸入/輸出數(shù)據(jù)量可自由設(shè)定，最大112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出。

　　實(shí)現(xiàn)功能

　　(1)可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)在主站配置中設(shè)定，主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可利用這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化；
　　(2)接口板與用戶模板通信有字符偶校驗(yàn)和縱向報(bào)文校驗(yàn)和，保證數(shù)據(jù)安全性；
　　(3)接口板內(nèi)設(shè)有備份I/O通信緩沖區(qū)，可保證實(shí)現(xiàn)PROFIBUS與串口通信數(shù)據(jù)的完整性(一致性)和同步要求。

　　用戶模板的通信基本過程

　　初始化

用戶模板按接口板上波特率選擇開關(guān)設(shè)置的波特率向接口板發(fā)初始化報(bào)文，然后等待接收接口板的回答，如圖3所示。接口板回答初始化成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。

　　數(shù)據(jù)交換狀態(tài)

初始化成功后接口板進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此時(shí)，用戶模板主動(dòng)向接口板發(fā)送“輸入數(shù)據(jù)報(bào)文”，其中包含PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)；接口板回答“輸出數(shù)據(jù)報(bào)文”，其中包含PROFIBUS輸出數(shù)據(jù)，如圖4所示。

　　數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下接口板的程序流程見圖5。

　　系統(tǒng)配置

　　關(guān)于GSD文件

　　(1)每一個(gè)PROFIBUS從站或一類主站有一個(gè)“設(shè)備描述文件”稱為GSD文件，用來描述該P(yáng)ROFIBUS-DP設(shè)備的特性；
　　(2)GSD文件包含了設(shè)備所有定義參數(shù)，包括：支持的波特率、支持的信息長(zhǎng)度、輸入/輸出數(shù)據(jù)數(shù)量、診斷數(shù)據(jù)的含義、可選模塊種類等；
　　(3)無(wú)論使用什么樣的系統(tǒng)配置軟件，都要根據(jù)GSD文件來對(duì)設(shè)備配置。
　　(4)國(guó)際PROFIBUS組織PI提供了GSD文件編輯軟件gsdedit.exe，該軟件依照PROFIBUS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)格式規(guī)定，對(duì)用戶編輯的GSD文件進(jìn)行格式檢查。

　　如何使用“用戶參數(shù)user-prm”

　　“用戶參數(shù)user-prm”的選擇對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，常需要用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)定一些參數(shù)，其中有些參數(shù)不需要在設(shè)備運(yùn)行中實(shí)時(shí)改變，如變頻器的電流上限保護(hù)與報(bào)警值、溫度傳感器的測(cè)量溫度范圍、熱電偶選型、輸出4～20mA/1～5V選擇等。如果這些參數(shù)作為PROFIBUS主站的I/O輸出，將占用PROFIBUS主站I/O資源和周期性輪循PROFIBUS從站的時(shí)間資源。

　　將這些參數(shù)處理成“用戶參數(shù)”，將會(huì)縮短PROFIBUS主站通信時(shí)間、減小通信報(bào)文長(zhǎng)度、提高總線通信效率。使用“用戶參數(shù)”技術(shù)，只需要在主站配置中做出參數(shù)選擇，主站在與從站連接時(shí)，一次性將這些參數(shù)傳送到從站，從站就可以使用這些用戶選擇的參數(shù)對(duì)從站進(jìn)行參數(shù)化(初始化、參數(shù)設(shè)定)。

　　確定“用戶參數(shù)”類型、個(gè)數(shù)、字節(jié)長(zhǎng)度

　　在主站配置中選擇用戶參數(shù)用戶在系統(tǒng)中配置從站參數(shù)，完全靠GSD文件描述。在STEP7的HARDWARE中配置從站，可設(shè)定總線波特率及站地址，其中設(shè)定的站地址必須與用戶模板上地址設(shè)置一致。

　　帶有“用戶參數(shù)”選擇菜單的GSD文件，可在STEP7中生成更加友好的用戶參數(shù)配置界面。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　應(yīng)用嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)方案，用戶不必了解PROFIBUS技術(shù)規(guī)范細(xì)節(jié)。具有開發(fā)周期短、技術(shù)指標(biāo)高、技術(shù)升級(jí)快、擁有產(chǎn)品自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等優(yōu)點(diǎn)，但用戶須有單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及PROFIBUS產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)多家儀表廠商已在此方案的基礎(chǔ)上開發(fā)出了自己的PROFIBUS-DP從站產(chǎn)品。