PROFIBUS-DP接口開發(fā)技術(shù)研究和應(yīng)用

1 引言
現(xiàn)場總線被譽為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)，是自動化領(lǐng)域的研究熱點[1]。PROFIBUS-DP是應(yīng)用在現(xiàn)場自動化儀表和設(shè)備領(lǐng)域的一種主要的現(xiàn)場總線并且已經(jīng)成為國際電工委員會制定的國際標(biāo)準(zhǔn)之一（IEC61158 TYPE3）和中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20540-2006）?，F(xiàn)場總線技術(shù)是電子技術(shù)，通信技術(shù)，智能儀表技術(shù)和自動控制技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物[2]。
PROFIBUS-DP接口的開發(fā)包括硬件部分、軟件部分和電子設(shè)備數(shù)據(jù) GSD文件部分。

 2 基于 PROFIBUS-DP的自動化系統(tǒng)的構(gòu)建
因為是開發(fā) PROFIBUS-DP接口，所以總體結(jié)構(gòu)較為簡單和實用?？傮w體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示。主站和從站通過 PROFIBUS專用網(wǎng)線組成一個單主站 PROFIBUS系統(tǒng)。主站由計算機(jī)和SST公司的總線卡 5136-PFB-PCI組成；現(xiàn)場設(shè)備（圖中是智能控制器）和本文開發(fā)的從站總線接口卡組成 PROFIBUS-DP現(xiàn)場智能設(shè)備，作為 PROFIBUS-DP從站。圖中的智能控制器、變頻器和泵共同構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。本文重點介紹總線接口卡的開發(fā)。
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3 PROFIBUS-DP接口開發(fā)重點和難點在于：實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)和服務(wù)訪問點。
3.1開發(fā)方案分析、比較和和選擇 利用單片機(jī)的方案需要理解協(xié)議的大部分細(xì)節(jié)，實現(xiàn)的 PROFIBUS-DP站的傳輸速率受單片機(jī)晶振的限制，根本無法達(dá)到最大傳輸速率12Mbit/s。
通信專用芯片集成了 PROFIBUS-DP協(xié)議和狀態(tài)機(jī)，并且給出了具體的服務(wù)訪問點；使用專用芯片開發(fā) PROFIBUS-DP總線接口卡，不再需要考慮的協(xié)議大部分細(xì)節(jié)，重點是熟練使用專用芯片。
與利用單片機(jī)的實現(xiàn)方案比較，使用專用芯片可大量地節(jié)約開發(fā)時間和成本，傳輸速率可以達(dá)到12Mbit/s。因此，本文使用專用芯片 SPC3進(jìn)行總線接口卡的開發(fā)。
3.2 SPC3功能介紹 [4]SPC3基本上集成了完整的 PROFIBUS-DP協(xié)議。 SPC3集成有 1.5K字節(jié)的RAM，方式寄存器，狀態(tài)寄存器，中斷控制器，看門狗定時器（保護(hù)監(jiān)控定時器）和各種緩沖區(qū)；能夠自動地識別 9.6K到 12M的波特率。微順序控制器控制著 SPC3整個處理過程?？偩€定時器直接控制串行總線上的總線時間。
SPC3包括如下的服務(wù)訪問點（服務(wù)）：缺省SAP（讀寫數(shù)據(jù)交換)，SAP55（改變站地址），SAP56(讀輸入)，SAP57(讀輸出)，SAP58(向 DP從站發(fā)控制命令)，SAP59(讀組態(tài)數(shù)據(jù))，SAP60(讀從站診斷信息)，SAP61(發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù))，SAP62(校驗組態(tài)數(shù)據(jù))。
3.3硬件設(shè)計主要是選用 RS485芯片和光耦芯片，如果從站對傳輸速率的要求可以低于 12M波特率，那么有性能指標(biāo)稍低的 RS485芯片和光耦芯片。另外本文開發(fā)的總線接口卡設(shè)計為可以選擇雙口 RAM或者 RS232接口將總線接口卡與現(xiàn)場設(shè)備連接。
3.4軟件設(shè)計
3.4.1 PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn)

軟件設(shè)計依據(jù)是 SPC3中集成的 PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī) [4]，狀態(tài)機(jī)用來描述 PROFIBUS-DP站在每種情況下的行為；如圖 2所示。 
 
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整個程序采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的方法，依據(jù) PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)提供的流程進(jìn)行編寫。按照對實時性的不同要求，各個服務(wù)訪問點分別采用查詢或者中斷方式來實現(xiàn)。主函數(shù)主要是完成必要的初始化工作和用查詢方式實現(xiàn)服務(wù)訪問點。中斷函數(shù)，主要是用中斷方式實現(xiàn)服務(wù)訪問點。
3.4.2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)主-從通訊中的實時性和時間確定性
令牌是在主站之間傳遞總線控制權(quán)的一種特殊報文。當(dāng)某個主站得到令牌時，它將在一個規(guī)定的時間段內(nèi)獲得總線控制權(quán)，在這段時間內(nèi)該主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有的主站或從站發(fā)送所需要發(fā)送的幀，當(dāng)該主站的控制時間結(jié)束時，它就將令牌傳遞給下一個主站[3]。
在 PROFIBUS-DP主-從通訊中，如果在從站中有新的診斷信息，則在數(shù)據(jù)交換模式下，DP從站將以高優(yōu)先級的報文對主站響應(yīng)，以此來通知主站；在其他情況下，從站都是以低優(yōu)先級的報文回答主站的。可見，從站用診斷報文的方式發(fā)送數(shù)據(jù)相比其他情況，實時性要更好。
如果主站的令牌持有時間為零或負(fù)（即主站沒有時間處理從站的信息），則 DP從站在主-從通訊中仍然可以用診斷報文的方式發(fā)送一個高優(yōu)先級信息；這樣，在任何情況下都可以保證來自 DP從站的數(shù)據(jù)至少可以以一個診斷報文的方式得以發(fā)送。這種機(jī)制保證了PROFIBUS-DP主-從通訊有很好的時間確定性。
3.4.3 服務(wù)訪問點以及對應(yīng)的 PROFIBUS-DP服務(wù)的實現(xiàn)舉例
服務(wù)訪問點實現(xiàn)也就是對應(yīng)的 PROFIBUS-DP服務(wù)的實現(xiàn)。只要是熟練使用專用芯片并熟練掌握 PROFIBUS-DP的一些必要的知識，就可以實現(xiàn)所有的服務(wù)訪問點。鑒于“讀從站診斷信息”這項服務(wù)對于實時性和時間確定性的重要性，下面以服務(wù)訪問點 60即服務(wù)“讀從站診斷信息”的實現(xiàn)來舉例說明。
在使用專用芯片 SPC3實現(xiàn)服務(wù)訪問點 60的時候，以下問題需要重點考慮：

(1) 診斷緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu) [3]
程序開發(fā)者向 SPC3傳遞診斷緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。在診斷緩沖區(qū)中，由程序開發(fā)者在第 1個字節(jié)（字節(jié)0）中的位0、位 1和位 2這三個位的位置分別儲存 “外部診斷”位、“靜態(tài)診斷”位和“外部診斷溢出”位。診斷緩沖區(qū)的前 6個字節(jié)中除了上述 3個位，其它都是固定空間；當(dāng)發(fā)送診斷緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)時，SPC3按照 PROFIBUS-DP標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理前 6個字節(jié)。字節(jié)6-243是程序開發(fā)者輸入的外部診斷數(shù)據(jù)。
(2) 診斷處理流程 [3]
當(dāng)兩個緩沖區(qū)被交換時，內(nèi)部 04H單元的“診斷標(biāo)志”被置位，這時稱“診斷標(biāo)志”被激活。對于一個激活的“診斷標(biāo)志”，SPC3在下一個“讀寫數(shù)據(jù)報文”期間，用高優(yōu)先級響應(yīng)數(shù)據(jù)來響應(yīng)，通知相關(guān)的主站現(xiàn)在從站有新的診斷數(shù)據(jù)。在主站用“讀從站診斷信息”報文取得新的診斷數(shù)據(jù)以后，“診斷標(biāo)志” 被復(fù)位。接著程序可以查詢狀態(tài)寄存器中的“診斷標(biāo)志”，以便發(fā)現(xiàn)在原有的診斷數(shù)據(jù)被交換為新的診斷數(shù)據(jù)以前，主站是否已經(jīng)取得原有的診斷數(shù)據(jù)。
(3) 本文中針對現(xiàn)場智能設(shè)備通信軟件中相應(yīng)的程序設(shè)計

將“外部診斷”位設(shè)置為“0”，從系統(tǒng)的觀點看，就可以將數(shù)據(jù)理解為狀態(tài)信息。當(dāng)現(xiàn)場智能設(shè)備中的測量參數(shù)達(dá)到某值時，將此值作為一個狀態(tài)信息送往診斷緩沖區(qū)中的字節(jié)6-243，當(dāng)上升一個百分比時，再送出狀態(tài)信息，供系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。所以，現(xiàn)場智能設(shè)備通信軟件設(shè)計為測量參數(shù)的狀態(tài)信息可遠(yuǎn)程監(jiān)控。相應(yīng)的外部診斷處理程序程序框圖見圖3。500)this.style.width=500;" border="0" />