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?，F(xiàn)場總線技術(shù)是一種實現(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，實時性強，并要求在較短的時間內(nèi)完成各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)更新。如一個卷接機組生產(chǎn)速度每分鐘可達１６０００支，這樣，在高速運行過程中，機組要對生產(chǎn)的煙支重量、質(zhì)量等進行實時在線檢測、計算判斷與控制，并采集整個機組的運行狀態(tài)、各傳感器執(zhí)行器的工作狀況以及各分控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，要求其控制系統(tǒng)必須具有較高的實時性、精確性、可靠性。因此，在卷接機組電控系統(tǒng)的設(shè)計中，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化、過程自動化和樓宇自動化。數(shù)據(jù)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)ＲＳ－４８５接口，傳輸速率可達１２Ｍｂｐｓ，傳輸距離可達２３．８ｋｍ，而且響應(yīng)時間短、抗干擾能力強。通過雙絞線或光纜進行數(shù)據(jù)傳輸，極易擴展，它不但能與執(zhí)行器、傳感器接口進行連接，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個節(jié)點。

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。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個字節(jié)，用戶可以立即尋址。ＳＰＣ３支持所有８位處理機和微處理器。也可以自動完成“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口（８位數(shù)據(jù)總線）來完成。

ＳＰＣ３中集成有一個保護監(jiān)視定時器（ＷＡＴＣＨＤＯＧ），應(yīng)用處理器出現(xiàn)故障時，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)送第一個字符前會產(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卷接機組電控系統(tǒng)選擇西門子公司工控機作為主站，與觸摸屏組成人機界面?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：機器運行速度、進料情況、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)定值來控制機器的正常運轉(zhuǎn)；而機器動態(tài)、靜態(tài)的各種參數(shù)則由每個從站進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。每一個模塊（主、從站）的功能實施均可依靠軟件來完成。整個電控系統(tǒng)的框圖如圖１所示。

３．１ 硬件設(shè)計

圖２所示是本系統(tǒng)的硬件框圖。ＡＴ８９Ｃ５２是采用先進的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。該控制器具有運算速度快、兼容ＭＣＳ５１指令集的特點，可以閃速可編程、可擦除。它有三個１６位定時／計數(shù)器。由于ＡＴ８９Ｃ５２內(nèi)部集成有８ｋＢ Ｆｌａｓｈ，因此本設(shè)計不需另外擴展ＲＯＭ即可進行內(nèi)部加密。

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

圖3

    為了防止外界干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，單片機與下位機的通訊采用ＲＳ－４８５接口電路來進行光耦隔離。其收發(fā)接口采用ＨＣＰＬ２６０１、ＤＨＣＰＬ７７２１及ＳＮ７５１７６等進行隔離，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。外接不同的單片機會使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

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

ａ．單片機控制程序設(shè)計

單片機的控制程序由三部分組成：初始化部分用于完成單片機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，同時對上位機進行檢查和計算以完成數(shù)據(jù)采集，進而實現(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），利用外接單片機可以確定該ＲＡＭ的確切地址。同時，根據(jù)ＳＰＣ３產(chǎn)生的中斷，單片機還可對ＳＰＣ３接收到的主站輸出數(shù)據(jù)進行轉(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報文、ＣＦＧ報文、ＳＳＡ報文。由于這些報文來自主站，所以，ＳＰＣ３的初始化需要主站的支持才能進行。不同的主站有不同的數(shù)據(jù)存取空間，因而分到每個從站的數(shù)據(jù)量也不同。這樣，在初始化ＳＰＣ３時，配置的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)也將相應(yīng)改變。只有每個從站地址在同一個系統(tǒng)中是唯一的，主站與每一個從站才能準(zhǔn)確無誤地通訊。

ｂ． 上位機程序簡介

上位機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。單片機上傳的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過相應(yīng)的協(xié)議校驗確認(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)進行識別時，單片機首先接收上位機客戶服務(wù)程序軟件下傳的校驗和，在經(jīng)過確認(rèn)是協(xié)議識別指令后，再上傳一個表示就緒的狀態(tài)幀，然后接收識別用的數(shù)據(jù)幀。在經(jīng)過檢驗后，如果確認(rèn)數(shù)據(jù)幀有錯，那么，系統(tǒng)將返回相應(yīng)的狀態(tài)幀并等待上位機重新發(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行識別。

由于每個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。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通用“身份證”，這樣，這個從站就可以在任何ＤＰ主站下組建總線系統(tǒng)了。

４　結(jié)束語

本文詳盡地敘述了基于ＡＴ８９Ｃ５２的智能芯片ＳＰＣ３的設(shè)計使用方法，由于ＡＴ８９Ｃ５２沒有外擴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、時序控制簡單易懂、可靠性和性價比都比較高等優(yōu)點。但應(yīng)注意：ＳＰＣ３的初始化是一個難點，也是一個比較重要的環(huán)節(jié)。