基于SPC3的PROFIBUS現(xiàn)場總線智能從站的設(shè)計

摘要：介紹了PWM控制電路的基本構(gòu)成及工作原理，給出了美國Silicon General公司生產(chǎn)的高性能集成PWM控制器SG3524的引腳排列和功能說明，同時給出了其在不間斷電源中的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：PWM SG3524 控制器

１ 概述

ＰＲＯＦＩＢＵＳ是Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ的縮寫，是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標準，即ＥＮ５０１７０歐洲標準。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。ＰＲＯＦＩＢＵＳ已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動化，目前已發(fā)展成為一種成熟技術(shù)。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ根據(jù)應(yīng)用特點分為ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ三個兼容版本。ＰＲＯＦＩＢＵＳ協(xié)議定向根據(jù)ＩＳＯ７４９８國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)ＯＳＩ為參考模型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ的ＤＰ、ＦＭＳ和ＰＡ均使用單一的總線存取協(xié)議，可通過ＯＳＩ參考模型的第２層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。其中ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ用于解決車間級通用性通信任務(wù)，能提供大量的通信服務(wù)，并可完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)；ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ則專為過程自動化設(shè)計，它采用標準的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)來實現(xiàn)ＩＥＣ１１５８－２中規(guī)定的通信規(guī)程，適用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點；而ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ在經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接后，可專用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散Ｉ／Ｏ之間的通信設(shè)計。使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ模塊可取代價格昂貴的２４Ｖ或０～２０ｍＡ并行信號線，用于分散式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ使用ＩＳＯ／ＯＳＩ參考模型的第１層、第２層和用戶接口，而第３層到第７層未加描述，這種流水線型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?。它的直接?shù)據(jù)鏈路映像（DDLM，ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｍａｐｐｅｒ）提供有進入第２層的用戶接口。該用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備的調(diào)用功能，同時說明了各種不同ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ設(shè)備的設(shè)備行為，此外，還提供了傳輸用的ＲＳ－４８５傳輸技術(shù)或光纖。

２ ＳＰＣ３芯片介紹

ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信協(xié)議比較復雜。原則上講，只要安裝了異步串行收發(fā)器（ＵＡＲＴ），它就可以在任何微處理器上由軟件實現(xiàn)。但現(xiàn)在，開發(fā)人員卻常常使用專用的通信處理芯片來將復雜的協(xié)議完全撇開。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信協(xié)議芯片已形成廣泛系列。使用這些芯片可使ＰＲＯＦＩＢＵＳ協(xié)議的實現(xiàn)更加簡單、方便、省時、省力，從而達到快速提供產(chǎn)品的目的。適合于智能從站的ＡＳＩＣ種類較多，其中西門子的ＳＰＣ３ 通信協(xié)議芯片比較具有代表性。ＳＰＣ３的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。

ＳＰＣ３集成了ＤＰ協(xié)議中的ＦＤＬ層?它可以承擔通信部分的微處理器負載?從而實現(xiàn)ＤＰ從站的通信處理。微處理器操作ＳＰＣ３ 芯片就像操作它的內(nèi)部ＲＡＭ一樣。ＳＰＣ３能保障報文的有效性?并可滿足整個報文的一致性數(shù)據(jù)交換?？偩€接口是個可參數(shù)化的同步／異步８位接口，適合于Ｍｏｔｏｒｏｌａ 和Ｉｎｔｅｌ 微控制器／ 處理器。ＳＰＣ３內(nèi)部集成了１．５ｋＢ的雙口ＲＡＭ，整個ＲＡＭ 采用８字節(jié)的段結(jié)構(gòu)方式，共分成１９２段，所有需要分配地址的ＢＵＦ指針必須指向段的開頭。ＤＰ通信的服務(wù)存取點由ＳＰＣ３自動建立，呈現(xiàn)在用戶面前的各種報文信息就是不同ＢＵＦ的內(nèi)部數(shù)據(jù)。用戶可以通過總線接口訪問ＳＰＣ３的內(nèi)部ＲＡＭ。

ＳＰＣ３的內(nèi)部看門狗定時器可工作于３ 種不同狀態(tài)?波特率監(jiān)測、波特率控制和ＤＰ控制狀態(tài)。內(nèi)部的ＵＡＲＴ可實現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)變。ＳＰＣ３可自動標識總線的波特率（范圍為９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ） ?？臻e定時器用于控制串行總線電纜上的總線定時，微序列器（ＭＳ ?Ｍｉｃｒｏ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｒ） 則控制整個ＳＰＣ３的工作過程。

ＳＰＣ３內(nèi)部的１．５ｋＢ雙口ＲＡＭ的地址空間從００Ｈ到５ＦＦＨ，以８字節(jié)為一個單元，共分成１９２段，按其功能可分為以下三個區(qū)域：

（１）從００Ｈ到０１５Ｈ為方式設(shè)定和狀態(tài)指示寄存器區(qū)域。其中中斷請求寄存器可讀可寫?寫時主要用于調(diào)試。必須配置的還有中斷屏蔽寄存器、工作模式寄存器０和１、用于波特率控制的看門狗定時寄存器以及從站最小延遲時間寄存器。用于指示ＳＰＣ３工作情況的寄存器有中斷請求和中斷發(fā)生寄存器、狀態(tài)寄存器、輸入ＢＵＦ、輸出ＢＵＦ 和診斷ＢＵＦ的狀態(tài)寄存器。

（２）從０１６Ｈ到０３ＦＨ為配置參數(shù)區(qū)域。各種ＢＵＦ的指針與長度（包括本站地址、地址允許改變變量、用戶看門狗值和設(shè)備標識號）均在此區(qū)域設(shè)置。這些ＢＵＦ包括三個輸入ＢＵＦ、三個輸出ＢＵＦ、兩個診斷ＢＵＦ、兩個輔助ＢＵＦ、一個配置ＢＵＦ、一個參數(shù)ＢＵＦ 和一個地址設(shè)置ＢＵＦ。這里的輸入輸出是相對于主站而言。需注意各個ＢＵＦ的指針定義，此處的指針指的是段序號。由于各個ＢＵＦ 的長度必須是８字節(jié)的整數(shù)倍?即各ＢＵＦ的起始地址能被８整除?所以可以用段序號?０～１９１?標識出具體的ＢＵＦ 起始地址?例如參數(shù)ＢＵＦ的起始地址３Ｅ０Ｈ可以用指針７ＣＨ 表示。這種方法不僅可節(jié)約存儲空間?而且簡潔明了。

（３）從０４０Ｈ到５ＦＦＨ的１４７２字節(jié)為用戶區(qū)域，可用于接收來自Ｉ／Ｏ應(yīng)用和主站的數(shù)據(jù)。這些ＢＵＦ的配置（包括ＢＵＦ的長度和初始地址）必須在ＳＰＣ３的“離線（ｏｆｆｌｉｎｅ） ”狀態(tài)下完成。用戶可以采用中斷或者輪循方式通過Ｉ／Ｏ與ＳＰＣ３交互數(shù)據(jù)。

３　ＳＰＣ３與ＡＴ８９Ｃ５１的接口設(shè)計

ＳＰＣ３有８根數(shù)據(jù)線和１１根地址線，其中低８位地址線與數(shù)據(jù)線復用，可以接８０Ｃ３２ 、８０Ｃ１６６、８０Ｃ１６５、ＨＣ１１、ＨＣ１６、ＨＣ１９６等單片機，ＳＰＣ３本身具有地址鎖存功能?不需另加鎖存器，自身可以產(chǎn)生片選信號。芯片配置是借助ＳＰＣ３的兩個輸入引腳ＸＩＮＴ／ＭＯＴ和ＭＯＤＥ 進行的。ＸＩＮＴ／ＭＯＴ表示Ｉｎｔｅｌ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ等芯片類別。ＭＯＤＥ表示ＳＰＣ３的工作模式，其中包括同步和異步。當其工作在同步模式時，ＳＰＣ３的ＸＲＥＡＤＹ（請求外部等待）引腳無效。

本設(shè)計中使用的單片機是ＡＴ８９Ｃ５１，其與ＳＰＣ３的接口電路如圖２所示。應(yīng)當注意的是，當ＳＰＣ３采用Ｉｎｔｅｌ芯片工作于同步模式時?內(nèi)部有自己的地址鎖存及解碼電路?所以，ＣＰＵ的低８位地址線可不經(jīng)過５７３鎖存器，而是直接與ＳＰＣ３連接?低８位地址線與８位數(shù)據(jù)線分時共用傳輸線?。而ＣＰＵ 的高８位地址線則直接與ＳＰＣ３的ＡＢ０～ＡＢ７相連?且必須為０００００ＸＸＸ?Ｘ表示０、１信號都行?，同時ＡＢ８－ＡＢ１０必須為低。此時片選信號輸入引腳不起作用?應(yīng)將其接高電平。

ＣＰＵ與ＳＰＣ３通過ＳＰＣ３的ＲＡＭ交換數(shù)據(jù)?ＳＰＣ３的雙口ＲＡＭ應(yīng)在ＣＰＵ 地址空間中統(tǒng)一分配地址。ＣＰＵ把這片ＲＡＭ當作自己的外部ＲＡＭ。ＣＰＵ采用Ｐ０和Ｐ２口擴展外部存儲器?Ｐ０口作為數(shù)據(jù)線和低８位地址線?Ｐ２口作為高８位地址線。

ＳＰＣ３ 用于進行串行通信的４個管腳分別為ＸＣＴＳ、ＲＴＳ、ＴＸＤ和ＲＸＤ。ＸＣＴＳ的含義為清除發(fā)送?是ＳＰＣ３的輸入信號?表示允許ＳＰＣ３發(fā)送數(shù)據(jù)。此信號為低電平有效?且應(yīng)一直維持低電平。ＲＴＳ為ＳＰＣ３ 的請求發(fā)送信號?通常接到收發(fā)器的輸出使能端。ＲＸＤ 和ＴＸＤ分別為串行接收和發(fā)送端口。

為提高系統(tǒng)的抗干擾性?ＳＰＣ３內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入輸出通道上的電氣隔離采用的是６Ｎ１３７高速光耦。電源的電氣隔離則采用ＤＣＰ０５０５，這是一種５Ｖ到５Ｖ的隔離轉(zhuǎn)換電源。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信協(xié)議可保障通信的高可靠性?但應(yīng)以硬件和軟件設(shè)計為基礎(chǔ)。在通信接口設(shè)計時?必須遵循一定的規(guī)范?如信號的隔離、總線接口與收發(fā)間應(yīng)避免線路過長、電源的濾波處理、收發(fā)器和光耦的限流電阻及負載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當?shù)?。本設(shè)計選用６Ｎ１３７的高速光耦，ＳＮ７５ＡＬＳ１７６的收發(fā)器，通信速率可達６Ｍｂｐｓ，可用于大部分應(yīng)用系統(tǒng)。如果用戶需要更高的通信速率，可以將光耦換成可達２５Ｍ波特率的ＨＣＰＬ－７７２０／７７２１。ＳＰＣ３與收發(fā)器的連接圖見圖３所示。

４　軟件實現(xiàn)

在進行軟件設(shè)計時，首先要對ＳＰＣ３內(nèi)部ＲＡＭ的０００Ｈ～０３ＤＨ進行初始化。在為指針變量賦值時要注意：指針是段序號，且應(yīng)能被８整除。ＳＰＣ３不允許地址溢出。也就是說，如果用戶讀寫超過了存儲范圍，就要減掉４００Ｈ，從而訪問一個新地址。這樣可節(jié)省存儲空間，但禁止覆 過程參數(shù)。如果由于緩沖器初始化錯誤而使微處理器溢出?也要執(zhí)行同樣的過程。初始化時?進行第一次數(shù)據(jù)配置的數(shù)據(jù)格式如下?

１７Ｈ＝８字節(jié)輸入，無連續(xù)性?

２７Ｈ＝８字節(jié)輸出，無連續(xù)性。

該數(shù)據(jù)格式定義了輸入和輸出數(shù)據(jù)的長度。而診斷則分為狀態(tài)診斷和外部診斷，其中狀態(tài)診斷由ＳＰＣ３自動執(zhí)行?無需用戶考慮。用戶只需編寫外部診斷程序即可。

因為ＳＰＣ３集成了完整的ＤＰ協(xié)議，所以在與主站通信時，ＡＴ８９Ｃ５１不用參與處理ＤＰ 狀態(tài)機。它主要負責存儲和處理主站送來的數(shù)據(jù)?以及組織送往主站的數(shù)據(jù)。從站的程序流程圖如圖４ 所示，其中的ＳＰＣ３初始化包括設(shè)置ＳＰＣ３允許的中斷、寫入從站識別號和地址、設(shè)置ＳＰＣ３方式寄存器、設(shè)置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)和初始長度，并根據(jù)以上初始值求出各個緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針。然后根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度確定輸出緩沖區(qū)、輸入緩沖區(qū)及指針。中斷程序則主要用來處理ＰＲＭ報文、ＣＦＧ報文、ＳＳＡ報文等。

５　結(jié)束語

本文主要從研發(fā)的角度介紹了ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 智能從站通信接口的硬件和軟件設(shè)計。其中硬件基本上屬于標準線路?只是由于速度的要求?對有些芯片要求較高。如果用戶對通信速度沒有過高的要求?完全可以選用較普通的芯片。而軟件則是開發(fā)ＤＰ接口的難點?應(yīng)在深入了解ＳＰＣ３芯片機理及ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ狀態(tài)機的基礎(chǔ)上進行開發(fā)。