基于PROFIBUS的智能接口芯片SPC3及其應(yīng)用

    關(guān)鍵詞：AT89C52；PROFIBUS；SPC3；RS-485；DP協(xié)議

１ 引言

ＳＰＣ３是一種可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場總線ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的智能接口芯片。現(xiàn)場總線技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它可用一條電纜將現(xiàn)場設(shè)備連接起來以完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測和遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。

煙草行業(yè)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并要求在較短的時(shí)間內(nèi)完成各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)更新。如一個(gè)卷接機(jī)組生產(chǎn)速度每分鐘可達(dá)１６０００支，這樣，在高速運(yùn)行過程中，機(jī)組要對生產(chǎn)的煙支重量、質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測、計(jì)算判斷與控制，并采集整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、各傳感器執(zhí)行器的工作狀況以及各分控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，要求其控制系統(tǒng)必須具有較高的實(shí)時(shí)性、精確性、可靠性。因此，在卷接機(jī)組電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，筆者采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線技術(shù)，其總控系統(tǒng)與各分系統(tǒng)的接口芯片采用了ＳＰＣ３。

２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線和ＳＰＣ３芯片簡介

２．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線

ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ是歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化。數(shù)據(jù)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)ＲＳ－４８５接口，傳輸速率可達(dá)１２Ｍｂｐｓ，傳輸距離可達(dá)２３．８ｋｍ，而且響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)。通過雙絞線或光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極易擴(kuò)展，它不但能與執(zhí)行器、傳感器接口進(jìn)行連接，也可以通過各種專用集成電路（ＡＳＩＣ）和接口模塊來簡化設(shè)備的連接，最多可以連接１２５個(gè)節(jié)點(diǎn)。

２．２ 智能芯片ＳＰＣ３

根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小和智能化程度，ＳＩＭＥＮＳ公司提供了ＳＰＣ２、ＳＰＣ３、ＬＳＰＭ２等不同種類的芯片來連接ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ主站與從站。這里筆者選用ＳＰＣ３來完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。ＳＰＣ３（ＳＩＭＥＮＳ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＣＯＮＴＲＯＬＥＲ ）集成了完整的ＤＰ協(xié)議，其中包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。該芯片內(nèi)部含有１．５ｋＢ的 ＲＡＭ，帶有１１位地址線的并行８位接口，全部存儲器分為１９２段，每段８個(gè)字節(jié)，用戶可以立即尋址。ＳＰＣ３支持所有８位處理機(jī)和微處理器。也可以自動(dòng)完成“字節(jié)轉(zhuǎn)換”，這使得摩托羅拉處理器可以直接正確讀取１６位值，通常讀和寫可通過兩個(gè)口（８位數(shù)據(jù)總線）來完成。

ＳＰＣ３中集成有一個(gè)保護(hù)監(jiān)視定時(shí)器（ＷＡＴＣＨＤＯＧ），應(yīng)用處理器出現(xiàn)故障時(shí)，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 通信將被禁止，這樣就不至于危及外圍設(shè)備。作為ＳＰＣ３的心臟，微處理器（ＭＩＣＲＯ ＳＥＱＵＥＮＣＥＲ）控制著系統(tǒng)整個(gè)工作過程。在ＵＡＲＴ中，并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流完成互換。ＳＰＣ３在發(fā)送第一個(gè)字符前會(huì)產(chǎn)生ＲＴＳ（ＲＥＱＵＥＳＴ－ＴＯ－ＳＥＮＤ）信號，即請求發(fā)送信號。另外，ＳＰＣ３還具有自動(dòng)辨識波特率（９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ）的功能。

３ 在ＺＪ１９Ｅ電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

ＺＪ１９Ｅ卷接機(jī)組電控系統(tǒng)選擇西門子公司工控機(jī)作為主站，與觸摸屏組成人機(jī)界面?采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線技術(shù)和美國Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ公司的Ｉｎ-Ｔｏｕｃｈ７．０工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)與重量控制系統(tǒng)、質(zhì)量檢測系統(tǒng)等從站的通訊與數(shù)據(jù)交換。在每個(gè)ＤＰ從站中都有ＳＰＣ３芯片及其相關(guān)的硬件電路。主站上可以設(shè)置各種參數(shù)，如：機(jī)器運(yùn)行速度、進(jìn)料情況、煙支數(shù)量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等。從站參照這些設(shè)定值來控制機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；而機(jī)器動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的各種參數(shù)則由每個(gè)從站進(jìn)行搜集整理并可在主站上一覽無余。中間的數(shù)據(jù)傳輸就是ＰＲＯＦＩＢＵＳ的功勞了。每一個(gè)模塊（主、從站）的功能實(shí)施均可依靠軟件來完成。整個(gè)電控系統(tǒng)的框圖如圖１所示。

３．１ 硬件設(shè)計(jì)

圖２所示是本系統(tǒng)的硬件框圖。ＡＴ８９Ｃ５２是采用先進(jìn)的ＣＭＯＳ工藝制造的８位微控制器。它具有并行可編程功能的非易失性ＦＬＡＳＨ存儲器，是８０Ｃ５１的派生器件。該控制器具有運(yùn)算速度快、兼容ＭＣＳ５１指令集的特點(diǎn)，可以閃速可編程、可擦除。它有三個(gè)１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。由于ＡＴ８９Ｃ５２內(nèi)部集成有８ｋＢ Ｆｌａｓｈ，因此本設(shè)計(jì)不需另外擴(kuò)展ＲＯＭ即可進(jìn)行內(nèi)部加密。

外接看門狗電路ＭＡＸ７０５用于為微控制器提供保護(hù)，它能在單片機(jī)上電時(shí)可靠復(fù)位，并能在斷電時(shí)防止程序跑飛，從而避免ＳＰＣ３中的數(shù)據(jù)被修改。另外，本系統(tǒng)也可采用手動(dòng)復(fù)位，以便在調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí)使整套系統(tǒng)同時(shí)復(fù)位。

圖3

    為了防止外界干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，單片機(jī)與下位機(jī)的通訊采用ＲＳ－４８５接口電路來進(jìn)行光耦隔離。其收發(fā)接口采用ＨＣＰＬ２６０１、ＤＨＣＰＬ７７２１及ＳＮ７５１７６等進(jìn)行隔離，以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，消除干擾。

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(fù)用。外接不同的單片機(jī)會(huì)使ＳＰＣ３一些管腳上的電平出現(xiàn)差異，其相應(yīng)的意義也不同。這一點(diǎn)與別的接口片子有很大區(qū)別，ＳＰＣ３與外接ＡＴ８９Ｃ５２ 的連線見圖３所示。

３．２ 軟件設(shè)計(jì)

ＳＰＣ３的軟件設(shè)計(jì)主要包括ＡＴ８９Ｃ５２微控制器的軟件設(shè)計(jì)以及ＳＰＣ３的初始化程序設(shè)計(jì)。通訊協(xié)議主要由上位機(jī)的客戶服務(wù)程序來完成，單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５２主要實(shí)現(xiàn)智能終端與協(xié)議識別，以及與下位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，同時(shí)完成下位機(jī)與雙口ＲＡＭ的連接控制，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換安全可靠的進(jìn)行，避免通訊沖突。

ａ．單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)的控制程序由三部分組成：初始化部分用于完成單片機(jī)和所有外圍電路的初始化以及終端和協(xié)議的識別；主循環(huán)部分用于讀寫雙口ＲＡＭ，同時(shí)對上位機(jī)進(jìn)行檢查和計(jì)算以完成數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存和交換；而中斷服務(wù)程序則完成相應(yīng)的中斷處理并執(zhí)行雙口ＲＡＭ的共同協(xié)議。

ＳＰＣ３內(nèi)部含有１．５ｋＢ的ＲＡＭ（即０００Ｈ—５ＦＦＨ），利用外接單片機(jī)可以確定該ＲＡＭ的確切地址。同時(shí)，根據(jù)ＳＰＣ３產(chǎn)生的中斷，單片機(jī)還可對ＳＰＣ３接收到的主站輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，以便從站讀取，此外也可以處理從站通過ＳＰＣ３發(fā)給主站的數(shù)據(jù)等。ＳＰＣ３實(shí)質(zhì)上是主站與從站間的“通訊站”，即就是將主站發(fā)來的數(shù)據(jù)包解開送給從站，并將從站送來的數(shù)據(jù)打包給主站。詳見圖４的程序框圖（其中“輸入、輸出”是相對主站而言的）。

ＳＰＣ３的初始化程序包括設(shè)置ＳＰＣ３允許的中斷、寫入從站號碼和地址、設(shè)置ＳＰＣ３中的各種寄存器和緩沖器等；而中斷程序主要處理ＰＲＭ報(bào)文、ＣＦＧ報(bào)文、ＳＳＡ報(bào)文。由于這些報(bào)文來自主站，所以，ＳＰＣ３的初始化需要主站的支持才能進(jìn)行。不同的主站有不同的數(shù)據(jù)存取空間，因而分到每個(gè)從站的數(shù)據(jù)量也不同。這樣，在初始化ＳＰＣ３時(shí)，配置的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)也將相應(yīng)改變。只有每個(gè)從站地址在同一個(gè)系統(tǒng)中是唯一的，主站與每一個(gè)從站才能準(zhǔn)確無誤地通訊。

ｂ． 上位機(jī)程序簡介

上位機(jī)的管理軟件主要通過客戶服務(wù)程序來完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和存儲，以及數(shù)據(jù)的分析和顯示。單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過相應(yīng)的協(xié)議校驗(yàn)確認(rèn)后，可用來完成各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的交換。在對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行識別時(shí)，單片機(jī)首先接收上位機(jī)客戶服務(wù)程序軟件下傳的校驗(yàn)和，在經(jīng)過確認(rèn)是協(xié)議識別指令后，再上傳一個(gè)表示就緒的狀態(tài)幀，然后接收識別用的數(shù)據(jù)幀。在經(jīng)過檢驗(yàn)后，如果確認(rèn)數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)，那么，系統(tǒng)將返回相應(yīng)的狀態(tài)幀并等待上位機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，而如果數(shù)據(jù)正確，則返回狀態(tài)幀，然后開始對終端單元進(jìn)行識別。

由于每個(gè)ＰＲＯＦＩＢＵＳ 總線上的主站、從站完全有可能是不同廠商的產(chǎn)品，因此，在組建系統(tǒng)時(shí)需要有設(shè)備描述文件，即ＧＳＤ文件。ＧＳＤ文件是用特定格式描述現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)參數(shù)的ＡＳＣＩＩ文件，它是在專門軟件環(huán)境下編輯生成的，詳情可參見參考文獻(xiàn)。使用根據(jù)ＧＳＤ文件生成的組態(tài)工具可以將不同廠商的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。這就是智能型芯片正常工作的“環(huán)境”。一旦對含有ＳＰＣ３的ＤＰ 從站生成ＧＳＤ文件，就相當(dāng)于該從站持有了一個(gè)通用“身份證”，這樣，這個(gè)從站就可以在任何ＤＰ主站下組建總線系統(tǒng)了。

４　結(jié)束語

本文詳盡地?cái)⑹隽嘶冢粒裕福梗茫担驳闹悄苄酒樱校茫车脑O(shè)計(jì)使用方法，由于ＡＴ８９Ｃ５２沒有外擴(kuò)ＲＯＭ和ＲＡＭ，而將程序直接放在其內(nèi)部閃存中，因此，該方法具有外圍電路簡單、與處理器并口兼容性好、時(shí)序控制簡單易懂、可靠性和性價(jià)比都比較高等優(yōu)點(diǎn)。但應(yīng)注意：ＳＰＣ３的初始化是一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。