基于16位DSP的PROFIBUS-DP從站設(shè)計

摘要：本文概括敘述了TMS320F206和SPC3的特點，介紹了智能從站中TMS320F206與SPC3的硬件連接，以及軟件實現(xiàn)的方法。
關(guān)鍵詞：SPC3；故障診斷；智能從站；數(shù)字信號處理器

        核心器件的選擇 

        SPC3協(xié)議芯片 
        SPC3 是專用于從站開發(fā)的智能通訊芯片，它支持PROFIBUS-DP協(xié)議。圖1為SPC3結(jié)構(gòu)圖，其主要性能如下：44腳、PQFP封裝；在PROFIBUS 上自動檢測波特率，自9. 6kbps至12Mbps；RS-485傳輸；完整的PROFIBUS-DP協(xié)議；內(nèi)部集成監(jiān)視定時器；5V DC電源。

圖1　SPC3結(jié)構(gòu)圖 

        SPC3內(nèi)部集成了1. 5KB的雙口RAM，其地址空間從00H到5FFH。內(nèi)部以8字節(jié)為一單元，分為192個段。根據(jù)功能可分為3個區(qū)域：
00H 到015H為方式設(shè)定和狀態(tài)指示寄存器區(qū)。016H到03FH為參數(shù)配置區(qū)，各種BUF的指針與長度在此區(qū)域設(shè)置。040H到5FFH為用戶區(qū)，用來接收來自IO應(yīng)用和主站的數(shù)據(jù)。這些BUF的配置，包括BUF的長度和初始地址必須在SPC3的“離線”狀態(tài)下完成；在操作過程中除輸入輸出BUF的長度可變外，其他的配置不能更改。此外，SPC3內(nèi)部還集成了一個看門狗定時器，可工作于3種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測、波特率控制和DP控制。 

        TMS320F206 
        TMS320F206是16位定點DSP，運算速率為40MIPS。它采用靜態(tài)CMOS集成電路工藝制造，其結(jié)構(gòu)以‘C5x為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，有一條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線，流水線操作，有并行32bit算術(shù)邏輯單元、16×16bit并行的硬件乘法器、片內(nèi)存貯器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集。片內(nèi)資源還有:內(nèi)部時鐘發(fā)生器，可外接時鐘源進(jìn)行×1、×2、×4和/2來產(chǎn)生CPU時鐘；片內(nèi)還有RAM4.5KB， FLASH32KB，能夠適合于許多工程應(yīng)用， 32KB FLASH可作為程序存貯器，給系統(tǒng)的設(shè)計和程序的調(diào)試帶來很大的方便;3個外部中斷INT1、INT2、INT；1個同步串口和一個異步串口；1個軟件可編程定時器；4個獨立可編程的I/O引腳，1個輸出引腳XF和1個輸入引腳B IO；JTAG掃描仿真接口，用來實現(xiàn)在線仿真測試。 

        硬件系統(tǒng)構(gòu)成 

         圖2 為PROFIBUS-DP 從站的硬件框圖，系統(tǒng)由MAX125、TMS320F206、SPC3、EPM7128SQC100、DS1286、HK1225、外部RAM以及地址撥碼開關(guān)組成一個PROFIBUS-DP從站，用于鐵路信號電源故障的診斷。三相交流電壓和電流信號經(jīng)MAX125同步采樣，DSP通過一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)運算，再綜合相關(guān)開關(guān)量信號情況作出診斷，對電力設(shè)備進(jìn)行控制。同時將根據(jù)PROFIBUS主站的要求把必要的數(shù)據(jù)與故障信息通過協(xié)議芯片 SPC3傳送至主站。主站也通過SPC3對從站進(jìn)行設(shè)置和電力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖2　硬件電路圖 

         設(shè)計中8位的SPC3使用TMS320F206的低8位數(shù)據(jù)線，并將其映射到全局?jǐn)?shù)據(jù)空間;同時也將DS1286、HK1225數(shù)字輸入和數(shù)字輸出映射到全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。這樣，DSP對它們的操作，就象操作外部RAM那樣簡便。程序設(shè)計中16位的DSP對SPC3、DS1286、HK1225進(jìn)行寫操作時，先寫低8位再寫高8位。 

        系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 

        PROFIBUS-DP 從站(即故障診斷的終端單元) 主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障判斷以及將必要的電能參數(shù)與故障信息根據(jù)主站的要求傳送到主站，同時主站能夠?qū)恼具M(jìn)行賦值。 

        SPC3通信軟件的設(shè)計 
         設(shè)計中將電能參數(shù)看作是從站的輸入數(shù)據(jù)，主站對從站的賦值看作是輸出數(shù)據(jù)，而把故障信息當(dāng)作外部診斷處理。對于主站賦值的處理采用SPC3中斷的方式，以便能達(dá)到實時性。除此之外，參數(shù)化報文、配置報文的處理也在SPC3中斷程序中完成。SPC3中斷程序流程圖如圖3。

3　SPC3中斷程序流程圖　

        由于SPC3集成了完整的DP協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)的診斷信息由SPC3自動形成并傳輸，因此用戶將與DP主站通信的信息存放到指定的緩沖器中即可;當(dāng)用戶需接收主站傳來的信息時，也只需訪問指定的緩沖區(qū)。 

        TMS320F206的智能軟件的設(shè)計 
         數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障判斷、以及必要信息的記錄在TMS320F206程序中完成。為了連續(xù)的對系統(tǒng)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集采用中斷的方法，不間斷的采集數(shù)據(jù)。對于故障信息則采用軟中斷的方法，將故障報警信息盡快的送到SPC3的診斷緩沖區(qū)，以便能及時的等待主站的輪詢。圖4給出了系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖4　主程序流程圖 

        SPC3的軟件操作 
         由于TMS320F206的速度快，在與SPC3進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時需速度一致。我們通過軟件設(shè)置F206的等待時間使兩者的速度相匹配。設(shè)計中對SPC3采用結(jié)構(gòu)體類型的寄存器的方法，對其進(jìn)行操作。首先定義一個與1. 5KB的雙口RAM相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類型數(shù)據(jù)“SPC3”，然后F206寄存器的頭文件中定義一個“SPC3 ”類型的寄存器“spc3”，這樣就可方便靈活地對其進(jìn)行操作了。軟件使用C語言編寫， SPC3的初始化部分程序如下:
頭文件中定義“spc3”寄存器
.
#define spc3 ( ＊ ( ( volatile SPC3) 0xE800) )
　　　　　　/＊SPC3影射到全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的0xE800＊ /
.
初始化操作:
GREG = GLOBAL 16K; 　　　　　/ ＊映射到16KB全局?jǐn)?shù)據(jù)空間＊ /
.
spc3. mode_ reg0_ L = 0x00d3;
spc3. mode _reg0 _H = 0x0003; /＊設(shè)置SPC3的工作方式＊ / 
spc3. is reg. mask[ 0 ] = 0x001e;
spc3. is reg. mask[ 1 ] = 0x002d; 　/ ＊設(shè)置SPC3的中斷源，設(shè)置輸出
數(shù)據(jù)處理為SPC3硬件中 斷＊ /
spc3. r len diag buf[ 0 ] = 16;
spc3. r len diag buf[ 1 ] = 16;
spc3. r len p rm buf = 10;
spc3. r len cfg buf = 2;
spc3. r len read cfg buf = 2;
spc3. r len din buf = 244;
spc3. r len dout buf = 244; /＊初始化各緩沖器的長度/＊
UserInputBufferPtr =DPS2 GET D IN BUF PTR ( ) ; / ＊獲取第一個輸入緩沖器的地址＊ /
UserDiagBufferPtr =DPS2 GET D IAG BUF PTR ( ) ; /＊ 獲取第一個診斷緩沖器的地址＊/
UserDiagFlag = TRUE;
......
        本文采用運算速度快的16 位DSP設(shè)計了一個PROF IBUS2DP智能從站，這使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用更加廣泛。