基于VPC3的PROFIBUS－DP智能從站設(shè)計

     ROFIBUS－DP作為—種國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，以其靈活性、可靠性等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，是一種高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。但不是所有的控制設(shè)備都能接入到總線中，必須通過智能從站 接口裝置實現(xiàn)，通過智能從站的拜發(fā)，可以把非總線的電子設(shè)備接入到總線網(wǎng)絡(luò)中。目前，我國對于PROFIBUS－DP的應(yīng)用和研究主要以國外大公司的成套設(shè)備為主，而自主研究開發(fā)通信接口的卻比較少 。雖有公司針對PROIFBUSDP協(xié)議轉(zhuǎn)換問題已開發(fā)出相應(yīng)網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品，但價格昂貴，與實際應(yīng)用有一定距離，因此深入研究該技術(shù)對該技術(shù)的國產(chǎn)化有非?，F(xiàn)實的意義。

　　開發(fā)方案的選用

　　PROFIBUS－DP是開放的、 無知識產(chǎn)權(quán)倮護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。原則上，PROFIBUS DP協(xié)議在任何微處理器上都可以實現(xiàn)，在微處理器內(nèi)部或外部安裝異步串行通信接口（UART）即可完成。基于上述特點，目前在 拜發(fā)PROFIBUS－DP從站時有以下方案可供選擇：（1）單片機(jī)＋軟件的解決方案；（2）單片機(jī)＋PROFIBUS通信專用芯片的解決方案；（3）采用專用拜發(fā)工具。其中以方案2最為方便。

　　本文采用單片機(jī)加PROFIBUS－DP通信專用芯片的解決方案。其中微控制器的選取是實現(xiàn)智能從站開發(fā)的關(guān)鍵，因為DP智能從站的控制芯片需要有足夠大的RAM來配置VPC3及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并且也需要較 高的運行速率。我們選取Cygnal公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F020，其突出的優(yōu)點是具有很高的運算速度，非常合適拜發(fā)PROFIBUS－DP從站。VPC3芯片是VIPA公司為優(yōu)化的智能 PROFIBUSDP從站提供的專用芯片，集成了PROFIBUS－DP協(xié)議，可以替代西門子SPC3，同時具有工作電壓低、RAM大等優(yōu)點，具有很高的性價比。

　　硬件電路設(shè)計

　　硬件電路主要采用VIPA的PROFIBUS－DP協(xié)議芯片VPC3和CygnalC8051單片機(jī)。C805l器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有64個數(shù)字IJO引腳。兼容的CI-51內(nèi)核，4352（4096＋156）字節(jié)（B）的片 內(nèi)RAM，可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口特別適合本設(shè)計使用。工作過程單片接口轉(zhuǎn)換電路機(jī)自動識別不同的非總線設(shè)各，把數(shù)據(jù)交換到VPC3里，由VPC3負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) 傳送到總線里。整個過程可是逆的。所有功能的實現(xiàn)由我們固化在單片機(jī)里的程序?qū)崿F(xiàn)。同時實現(xiàn)自適應(yīng)功能，即自動識別不同的非總線帶通訊的控制設(shè)備。

　　VPC3是用于從站開發(fā)的智能通信芯片，它支持PROFIBUS－DP協(xié)議。VPC3內(nèi)部集成4kB的雙口RAM。內(nèi)部鎖存器／寄存器位于前2 1個地址單元，主要包括：方式寄存器l、0，中斷控制寄存器，狀態(tài)寄存器 以及輸入、輸出緩沖器和診斷緩沖器各自的狀態(tài)寄存器。組織參數(shù)位于RAM中從16H開始的單元。整個緩沖器結(jié)構(gòu)（屬于DP－SAPS）就是基于這些參數(shù)來寫的。此外，普通參數(shù)在這些單元設(shè)置數(shù)據(jù)（包括站 地址、地址允許改變、用戶看門狗值和設(shè)備標(biāo)識號等），狀態(tài)顯示存儲在這些單元（通用控制命令等）。

　　PROFIBUS－DP智能轉(zhuǎn)換接口的主要功能是利用VPC3協(xié)議芯片作為數(shù)據(jù)采集和發(fā)送單元實現(xiàn)與PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線之間的通信，從而能使用戶數(shù)據(jù)傳送到主站并接收來自主站的數(shù)據(jù)。DP智能轉(zhuǎn)換接口 用C8051作為處理器單元管理通信事務(wù)，VPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器完成數(shù)據(jù)的存儲和處理功能，C8051與VPC3之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，VPC3的雙口RAM在C8051地址 空間中統(tǒng)一分配地址，C8051將VPC3的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過P6和P7口與雙口RAM連接，P6口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P7口作為高8位地址線。從站接口的總體設(shè)計方案，我們采用C8051作為 主控芯片，結(jié)合PROFIBUS－DP從站接口芯片VPC3以及ADM248*85接口芯片設(shè)計了整體的解決方案。

　　因為C8051和VPC3＋均為3．31／供電，所以可以直接連接。對于C8051來說VPC3就是它的一個外置RAM。SPC3有內(nèi)部地址解碼電路，所以ABS～AB10接地。此時DB7～DB0是數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，可以產(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0～AB3產(chǎn)生，AB4～AB7嚴(yán)生SPC3的片選信號，只有AB4～AB7同時為0時才選中SPC3。單片機(jī)P7口的P7.0 ～P70.7接VPC3的DB0～DB7端，既作為VPC3的數(shù)據(jù)線，也作為VPC3地址總線的低8位。P7口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P6口作為高8位地址線C8051。P6口的P6.0～P6.2接VPC3的AB0～AB2端， 作為VPC3地 址總線的高3位，同時要使VPC3的高5位AB7…3＝00000。在軟件程序的設(shè)計中，VPC3的數(shù)據(jù)存儲器的地址區(qū)被強(qiáng)制在1000H～15FFH，這要求P7.7～7.4＝0001， 要想AB4仍為0，必須將P6.0通過一個非門MM74HC接VPC3的AB4端。在實際電路中，VPC3的AB8～10通過一個接地電阻接地，使得AB8..10=000，AB3接P6.3始終給出低電平信號即AB3＝0，AB4的輸入端通過非門MM74HC接P6． 4，只要P*始終為1，從而保證VPC3的數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍為1000H～15FFH。

　　現(xiàn)場總線接口電路是VPC3與現(xiàn)場總線側(cè)連接的電路，因為Profibus－DP可以達(dá)到12Mbit／s的速率，因此對已接口電路的要求是非常高的。在此我們選用Profibus接口專用芯片AMD2486，ADM2486是ADI 公司生產(chǎn)的半雙工、隔離RS－485收發(fā)器。其內(nèi)部含有倮護(hù)隔離電路，減少了硬件電路的布線，提高了通信的穩(wěn)定性。

　　軟件設(shè)計

　　程序設(shè)計包括主程序和中斷程序，還有GSD文件的編制。

　　1．主程序設(shè)計

　　C8051和VPC3初始化程序放在主程序中，而且一定要放在I／O程序前。主程序流程圖如圖1所示。上電后，C8051首先進(jìn)行初始化，設(shè)置RS232端定時器／計數(shù)器工作方式、設(shè)置波特率、中斷方式等，隨后VPC3進(jìn)行初始化，以設(shè)置允許中斷、寫入從站識別號和地址、片內(nèi)方式寄存器、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)、初始長度。

圖1主程序流程圖

　　此時，VPC3下—個十分重要的步驟就是根據(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，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)及指針。主站檢查以上參數(shù)是否與配置的參數(shù)一致，只有雙方完全一致，從站才能進(jìn)行配置，設(shè)置從站的輸入輸出字節(jié)數(shù)、診斷字節(jié)數(shù)和各類數(shù)據(jù)指針。然后，從站才能將配置好的數(shù)據(jù)同主站比較，只有雙方完全一致，從站才能通過DP狀態(tài)機(jī)與主站進(jìn)行數(shù)交換。用戶設(shè)備通過I／O程序?qū)崿F(xiàn)報文數(shù)據(jù)處理。

　　2．中斷程序設(shè)計

　　VPC3有14個中斷源，各中斷源無優(yōu)先級，主要是通過中斷屏蔽寄存器和中斷響應(yīng)寄存器來實現(xiàn)中斷且共用一個中斷輸出。診斷分為外部診斷和狀態(tài)診斷，外部診斷必須在從第7個字節(jié)開始的單元寫入用戶數(shù)據(jù)，狀態(tài)診斷則只要在第—字節(jié)寫入OOH即可。VPC3定義從站地址較靈活，既可在組態(tài)時由主站設(shè)置又可通過自身軟件或是增設(shè)的硬件地址設(shè)置電路實現(xiàn)。根據(jù)OSI參考模型，F(xiàn)DL層規(guī)定了總線存取控制、數(shù)據(jù)安全性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。DP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下四類傳輸服務(wù)。SRD∶發(fā)送和請求有應(yīng)答的數(shù)（對DP和PMS），在一個報文循環(huán)中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SDN∶發(fā)送沒有應(yīng)答的數(shù)據(jù)（對DP和PMS），廣播和有選擇廣播報文，即報文送達(dá)有選擇的一組節(jié)點。DP僅限于SRD和SDN服務(wù)。在SRD服務(wù)時，主站發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到從站和接收輸入數(shù)據(jù)（若輸入數(shù)據(jù)存在于從站中），在規(guī)定的時間周期內(nèi)應(yīng)答。若從站是輸出設(shè)備，則用“E5H”的短應(yīng)笞。SDN服務(wù)是發(fā)送數(shù)據(jù)到規(guī)定的一組從站，可按照要求觸發(fā)SDN服務(wù)，對SDN報文沒有應(yīng)答。

　　本程序設(shè)計采用中斷方式處理從站地址設(shè)定，檢查組態(tài)和參數(shù)報文是否正確。采用外部中斷INTO輸入，其入口地址為0003H。C51編譯器支持在C源程序中直接開發(fā)中斷程序，減輕了用匯編語言拜發(fā)中斷程序的繁瑣過程。便用擴(kuò)展屬性的函數(shù)語法定義void dps2_ind（void）interrupt ouslng 1調(diào)用外部中斷INTO，當(dāng)外部中斷0被觸發(fā)時，將會執(zhí)行此中斷模塊中的函數(shù)，在函數(shù)中有DPS2 GETINDICATION（）宏可以讀出響應(yīng)的事件信息，并進(jìn)行各個中斷事件的處理。中斷程序流程如圖2。

圖2中斷程序流程圖

　　3．GSD文件編制

　　PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征，特性的不同在于現(xiàn)有功能（即I／O信號的數(shù)量和診斷信息）的不同或可能的總線參數(shù)，例如波特率和時間的監(jiān)控不同。這些參數(shù)對每種設(shè)備類型和每家生產(chǎn)廠來說均各有差別， 為達(dá)至刂PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數(shù)據(jù)單中具體說明，有時稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件或GSD文件。GSD文件是一種準(zhǔn)確定義的格式描述，生產(chǎn)廠商對每種設(shè)備都有一個GSD文件。有了GSD文件后，將來用配置軟件組網(wǎng)時只要把設(shè)備的GSD文件拷貝到相應(yīng)的目錄下，就可以方便地把此設(shè)備加到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中。GSD文件的編制可用GSD文件編輯軟件，參考編輯軟件提供的模板進(jìn)行修改即可。

圖3 實物圖

　　結(jié)語

　　本文的研究內(nèi)容作為山東省自然科學(xué)基金“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同步控制性能及控制策略研究”的重要組成部分，采用了價格較低的VPC3取代了西門子的SPC3，其3.3V的工作電壓具有更低的功耗。通過接口轉(zhuǎn)換電路和軟件設(shè)計實現(xiàn)自適應(yīng)功能，即自動識別非總線設(shè)備的通訊參數(shù)，同時利用高性能的8位單片機(jī)C8051實現(xiàn)了PROFIBUS DP智能從站接口的開發(fā)，使產(chǎn)品的設(shè)計具有更高的性價比，為該產(chǎn)品的國產(chǎn)化提供了一種方法。提供的軟硬件設(shè)計方法經(jīng)實踐可行，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于與多家PLC和儀表的通訊網(wǎng)絡(luò)中。