基于ColdFire的PROFIBUS-DP智能從站的設計

摘要：介紹了一種基于ColdFire系列MCF52258芯片的PROFIBUS-DP智能從站的設計方法，描述了PROFIBUS協(xié)議的結構，闡述了相關的硬件和軟件設計方法，由CP5611和PC機構成主站與從站通訊。實踐證明該智能從站可以方便的連接具有RS232或者RS485接口的設備。
關鍵詞：VPC3；Profibus-DP；智能從站

    Profibus是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。它廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其它自動化領域。Profibus由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS三部分組成。DP用于傳感器和執(zhí)行器的高速數(shù)據(jù)傳輸；PA用于過程自動化控制系統(tǒng)；FMS用于解決車間一級通用性通信任務。本文主要介紹Profibus-dp協(xié)議。
    Profibus-DP使用了OSI參考模型的第一層、第二層和用戶接口，第三層和第七層沒有定義。Profibus-DP使用的是RS-485傳輸技術，采用的電纜是屏蔽雙絞銅線，傳輸速率可達12Mbps，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個報文多達244個字節(jié)，最多可以連接127個站點。

1 系統(tǒng)設計
   從站的設計分兩種：一種是利用現(xiàn)成的從站接口模塊如IM183、184開發(fā)，這時只要通過IM183上的接口開發(fā)就行了；另一種則是利用專用芯片ASTC進行深層次的開發(fā)，此種設計只需了解ASIC的工作原理，可大大減少開發(fā)的難度和時間。本智能從站設計采用第二種方法，使用了專用通訊協(xié)議芯片VPC3，系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾的ColdeFire系列MCF52258微處理器。Profibus接口數(shù)據(jù)通過RS485傳輸，VPC3與光電隔離器件、RS485驅(qū)動器連接。總體結構如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 MCF52258微控制器與VPC3簡介
    MCF52258是飛思卡爾的ColdFire系列的一款32位的微處理器，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力。它的特點是性能優(yōu)異，集成度高，芯片的生態(tài)系統(tǒng)豐富強大。MCF52258的高集成度使它擁有豐富的外圍接口，如多通道應用于各種場合的定時器、IIC，SPI，UART等通用的串行總線、以太網(wǎng)控制器、PCI控制器、RTC實時時鐘模塊、Mini-FlexBus提供了外擴設備的總線等。VPC3芯片采用3．3V供電，能直接控制芯片連接不用電平轉換內(nèi)部集戰(zhàn)了一個2K的雙口RAM，包括各種信息報文存儲器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器以及符種緩存器指針和緩沖區(qū)等。VPC3集成了全部的Profibus-DP協(xié)議，有限的減輕了處理器的壓力。
2．2 接口電路的設計
    MCF52258微控制器與接口芯片VPC3相連，采用的是Intel工作方式。VPC3內(nèi)部的總線接口單元形成了VPC3到微控制器的接口，是一個有11根地址線和8位數(shù)據(jù)線的接口，可通過配置與微控制器相匹配。微控制器負責將串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過VPC3傳輸?shù)絇rofibus總線上，同時負責監(jiān)視VPC3，接收DP主站傳輸過來的指令和數(shù)據(jù)，并進行相應的操作。VPC3的雙口RAM在MCF52258地址空間中統(tǒng)一分配地址，MCF52258將VPC3作為自己的外部RAM，通過Mini-Flexbus與VPC3連接，通過片選選定VPC3的外部開始地址0x80000000。MCF52258與VPC3的連接如圖2所示。

3 軟件設計
    軟件設計部分是Profibus-DP智能從站設計的核心部分，主要包括Profibus-DP從站的主程序、中斷服務程序和接口處理程序。VPC3在接收到由主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生輸出標志位，微控制器采用中斷方式進行輸出數(shù)據(jù)的處理主程序首先對VPC3進行初始化，然后啟動VPC3，通過VPC3進行主站和從站的數(shù)據(jù)交換以及處理診斷。允許外部中斷INT0以及開中斷。主程序的流程圖如圖3所示。

    Profibus-DP協(xié)議中的中斷控制是通過協(xié)議芯片VPC3內(nèi)部的中斷控制器來實現(xiàn)的，當有指令報文到來或者各種錯誤事件發(fā)生時，CPU會得到通知并進行相應的處理。中斷程序流程圖如圖4所示。

4 Profibus-DP智能從站的調(diào)試
    開發(fā)的從站必須與Profibus-DP主站進行連接測試，本設計采用CP5611與裝有STEP7軟件的PC機作為主站和從站進行調(diào)試。上位機采用WINCC組態(tài)軟件和SIMATIC NET軟件，對從站的GSD文件進行配置和保存，并設置主從站地址、波特率等信息，模擬主站測試與從站通信的可靠性和實時性。

5 結束語
    Profibus現(xiàn)場總線已經(jīng)成為我國機械行業(yè)標準，廣泛的應用于各個自動化領域。本文從開發(fā)的角度詳細的介紹了一種Profibus-DP智能從站的設計方法，此種方案具有通用性，能夠滿足不同行業(yè)的使用，使具有串口的設備能夠連接到Profibus-DP網(wǎng)絡，對開發(fā)和應用Profibus產(chǎn)品有現(xiàn)實意義。