Profibus-DP現(xiàn)場息線通信主站設(shè)計
關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線 Profibus-DP 主站 VxWorks
現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域的熱點之一，它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始。在眾多的現(xiàn)場總線產(chǎn)品中，作為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線Profibus(Process Fieldbus)已經(jīng)被全世界所接受，成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，并和基金會現(xiàn)場總線FF成為現(xiàn)場總線的兩大體系，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和建筑自動化領(lǐng)域中。
嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能，可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的場合，其應(yīng)用遍及工業(yè)控制、軍事、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、金融等各個領(lǐng)域。
將Profibus-DP技術(shù)與嵌入式軟硬件相結(jié)合將大大提升系統(tǒng)的品質(zhì)，提高系統(tǒng)的開放性、實時性和可靠性。
1 Profibus-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)及技術(shù)特性
Profibus根據(jù)應(yīng)用特點可分為：Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)、Profibus-DP(Decen-tralized Periphery)和Profibus-PA(Process Automation)三個兼容版本。
Profibus-FMS用于完成車間級通用性通信任務(wù)，適用于中等傳輸速度的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及太范圍復(fù)雜的通信系統(tǒng)。Profibus-DP用于實現(xiàn)設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)通信，中央控制器通過高速串行線與分散的現(xiàn)場設(shè)備進行通信，是一種高速、低成本的通信系統(tǒng)，適用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。這類系統(tǒng)的構(gòu)成包括DP 1類主站(DPMl，中央可編程控制器)、DP 2類主站(DPM2，可編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備)和DP從站(進行輸入／輸出信息采集／發(fā)送的設(shè)備)。Profibus-PA是Profibus-DP向現(xiàn)場的延伸，它具有本質(zhì)安全的特性，適用于本質(zhì)安全要求較高的場合和總線供電的站點。
Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)在OSI參考模型上進行了一定的簡化，協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖l所示，這種結(jié)構(gòu)保證了快速而有效的數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)的低成本性。
Profibus-DP使用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶層。物理層規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。Profihus-DP通常采用RS485傳輸技術(shù)，傳輸介質(zhì)為屏蔽的雙絞銅線電纜，傳輸速度可達9．6 kbps～12 Mbps。在電磁干擾很大或傳輸距離很長的情況下，可以使用光纖傳輸技術(shù)。
現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FDL規(guī)定介質(zhì)訪問控制、幀格式、服務(wù)內(nèi)容以及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的總線管理服務(wù)FMAl／2。介質(zhì)訪問控制(MAC)層描述了Profibus采用的混合訪問方式，即主站與主站之間的令牌傳遞方式，主站與從站之間的主一從方式，主站通過獲取令牌獲得訪問控制權(quán)。Profibus規(guī)定幀字符由11位組成：開始位O、8位數(shù)據(jù)、偶校驗位和停止位l。FDL層提供4種服務(wù)：SDA、SRD、SDN、CsRD。DP總線的傳輸依靠SDN和SRD這兩種FDL服務(wù)。FMAl／2的功能主要有強制復(fù)位FDL和PHY、設(shè)定參數(shù)值、讀狀態(tài)、讀事件及進行配置等。
用戶層包括直接數(shù)據(jù)鏈路映像DDLM和用戶接口／用戶。用戶接口詳細說明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為，DDLM將所有在用戶接口中傳送的功能都映射到現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FDL和FMAl／2服務(wù)。
2 Profibus-DP通信機理
Profibus-DP的主要日的是在功能強大的主站與若干簡單的從站之間進行快速循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，因此系統(tǒng)主要完成主一從通信任務(wù)，此外Profibus的混合總線訪問方式也允許1類主站與2類主站之間的主一主通信。
在Profibus-DP系統(tǒng)中。DPMl與DP從站之間的通信類型主要有：讀取從站的診斷信息、參數(shù)化設(shè)置和組態(tài)、循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)交換。Profibus-DP主一從通信過程，大致可以分為如下幾個階段：主站對從站的第一次診斷，參數(shù)化從站，組態(tài)配置從站，主站對從站的第二次診斷以及主站與從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)交換。
對于多主站通信系統(tǒng)，DPMl和DPM2之間的通信有：讀取有關(guān)DP從站的診斷信息，參數(shù)的上傳和下載，激活總線參數(shù)(無需確認(rèn))，激括與解除激括參數(shù)集，選擇DPMl的操作模式等。DPM2與從站之間的通信為非循環(huán)的，包括讀取從站的通信接口配置、輸入／輸出數(shù)據(jù)和設(shè)置從站地址。
3 Profibus-DP現(xiàn)場總線主站總體設(shè)計
Profibus是開放的標(biāo)準(zhǔn)。原則上，該協(xié)議可以在任何處理器上實現(xiàn)，在處理器內(nèi)部或者外部安裝異步串行通信接口(UART)即可?；谏鲜鎏攸c，在開發(fā)Profibus-DP主站時，主要有以下兩種解決方案：
①由微處理器運行完整的協(xié)議棧來實現(xiàn)。這種方案完全由軟件來實現(xiàn)Profibus協(xié)議，開發(fā)整個協(xié)議棧軟件難度很大，大多數(shù)開發(fā)者一般都向?qū)ｉT的開發(fā)商購買。
②由協(xié)議ASIC芯片外加其擴展固化程序來實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方案是采用最多的一種，由專用的ASIC芯片實現(xiàn)Profibus協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制功能；而數(shù)據(jù)鏈路層的其他功能則由微處理器運行其擴展固化程序?qū)崿F(xiàn)。目前可用于這種方案的ASIC芯片主要有3種：Sie-mens公司的ASPC2、M2C公司的IXl和IAM公司的PBM。在應(yīng)用此方案實現(xiàn)主站時，可以有兩種選擇：一是向上述3個公司購買完整的開發(fā)平臺，包括ASIC芯片、固化程序以及相應(yīng)的硬件與開發(fā)軟件；二是只購買ASIC芯片以及必要的軟硬件開發(fā)工具，固化程序由自己編寫實現(xiàn)，此法開發(fā)難度大，開發(fā)周期長。采用后者實現(xiàn)主站的典型例子是HMS公司，由其開發(fā)的Anybus-M主站模塊采用了Siemens公司的ASPC2芯片，但擴展固化程序由HMS公司自己編寫，組成一個完整的模塊后提供給其他開發(fā)者。為了縮短開發(fā)周期，本主站的設(shè)計就是采用HMS公司的Anybus-M主站接口模塊，從而減小在組建DP主站時軟硬件方面的工作量。
本設(shè)計組建的是Profibus-DP單主站系統(tǒng)，An5rbus-M模塊在初始化時可以設(shè)置為DPMl和DPM2，因此研制的主站除了實現(xiàn)DPMl與DP從站之間的主一從功能(包括讀取DP從站的診斷信息、設(shè)置從站參數(shù)、通信接口配置檢查、循環(huán)數(shù)據(jù)交換以及全局控制命令)外，還要實現(xiàn)DPM2與DP從站的主-從功能(包括讀取從站的通信接口配置、輸入／輸出數(shù)據(jù)，設(shè)置從站地址等)。
3．1 硬件設(shè)計
Profibus-DP主站硬件電路圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要由基于PC／104總線的CPU模塊SCM7020B、Anybus-M模塊、CPLD邏輯譯碼電路和復(fù)位電路組成。
Anybus-M主站接口模塊通過一個DPRAM與外部處理器接口，PC／104通過對此DPRAM的訪問來實現(xiàn)主站與從站的數(shù)據(jù)交換，以及對主站模塊的訪問控制。通過中斷或者BUSY信號線來解決PC／104與Anybus-M主站接口模塊同時訪問DPRAM的沖突問題。CPLD用于實現(xiàn)地址譯碼，產(chǎn)生片選信號CS和讀／寫控制信號。復(fù)位電路用于實現(xiàn)PC／104及Anybus-M模塊的復(fù)位。
3.1.1 Anybus-M主站接口模塊
Anybus-M主站接口模塊已經(jīng)實現(xiàn)了必要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，板上自帶微處理器，獨立于自動化設(shè)備完成通信協(xié)議，同時支持DP和DPVl，具有4KB DPRAM，保證了最多1536字節(jié)循環(huán)輸入／輸出數(shù)據(jù)的高速傳輸。此外，該模塊可以集成在工業(yè)自動化設(shè)備中，實現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場裝置的通信，典型的應(yīng)用包括人機界面、PLC、數(shù)控設(shè)備、機器人以及智能可視化設(shè)備等。
圖3為Anybus-M主站模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，分為應(yīng)用程序接口和現(xiàn)場總線接口兩個部分。
①應(yīng)用程序接口。模塊與微處理器的接口為4KBDPRAM。DPRAM根據(jù)其應(yīng)用被劃分為以下幾個區(qū)域：Input／Output Data Area，應(yīng)用程序向Input區(qū)域?qū)懭氚l(fā)送給從站的數(shù)據(jù)，從Output區(qū)域讀取接收的從站數(shù)據(jù)；Mailbox Input／Output Area，應(yīng)用程序通過發(fā)送信箱命令指示模塊執(zhí)行某一具體操作(如初始化、讀取從站診斷、設(shè)置從站地址等)，同時從信箱輸出區(qū)域讀取模塊的響應(yīng)；Fieldbus Specific Arc，a，此區(qū)域存儲主站和從站網(wǎng)絡(luò)上的信息，如從站組態(tài)列表、數(shù)據(jù)傳輸列表、從站診斷列表、主站狀態(tài)表等；Corltrol Register Area，此區(qū)域存儲模塊的版本信息、初始化參數(shù)、現(xiàn)場總線類型、事件通知原因等信息；Handshake Registers，用于區(qū)域的分配和回收、事件通知、發(fā)送／接收信箱命令等。
②現(xiàn)場總線接口。該模塊已完成現(xiàn)場總線底層協(xié)議而無需應(yīng)用程序的干預(yù)；提供一個RS485接口，通過此接口將模塊連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中。
3.1.2 基于PC／104總線的CPU模塊SGM7020B
PC／104作為一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，是一種優(yōu)化的小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。它體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可嵌入到對體積和功耗要求都較高的產(chǎn)品中，目前在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。
SCMT020B是采用PC／104總線的嵌入式微處理器，它在板集成了10／100Base-T以太網(wǎng)接口和高性能圖形處理器；采用x86兼容的64位第六代處理器，最高運行速度可達300 MHz,其內(nèi)存地址D2000～DFFF(8KB)、C8000～CFFF(32 KB)空閑，可以分配給外部擴展RAM；中斷IRQ5、IRQ9、IRQl0可用，可以外接其他中斷源。
3．2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是整個主站設(shè)計的關(guān)鍵和難點。為了提高整個系統(tǒng)的實時性和可靠性，在PC／104上運行世界上廣泛使用的32位實時操作系統(tǒng)VxWorks。軟件設(shè)計主要完成VxWorks設(shè)備驅(qū)動程序的編寫、網(wǎng)絡(luò)配置的設(shè)定與下載以及Anybus-M主站模塊的訪問控制。
3. 2．1 VxWorks設(shè)備驅(qū)動程序的編寫
應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序與硬件進行數(shù)據(jù)通信。驅(qū)動系統(tǒng)硬件工作是由BSP完成的，BSP中的驅(qū)動程序管理特定目標(biāo)環(huán)境中的設(shè)備，對其進行控制和初始化。BSP向VxWorks提供與硬件環(huán)境的接口，負責(zé)完成加電時硬件初始化，為VxWorks訪問硬件驅(qū)動程序提供支持，將Vx-Works中與硬件相關(guān)以及與硬件無關(guān)的軟件進行集成。
3.2.2 網(wǎng)絡(luò)配置的設(shè)定與下載
網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)可以通過Anybus提供的Anybus Net-Tool配置軟件來實現(xiàn)，也可以通過信箱命令(mailboxmessage)來實現(xiàn)。
Anybus NetTool配囂軟件基于Windows環(huán)境，通過拖放式操作實現(xiàn)對Profibus網(wǎng)絡(luò)的配置和優(yōu)化。此外，該工具還具有對I／O數(shù)據(jù)的監(jiān)測、修改等在線診斷功能，此獨立的配置上具可以作為Windows OCX組件集成在第三方軟件中。通過Anybus-M主站模塊的ConfigurationInterfacc(RS232串行接口)可以下載配置好的結(jié)果。
發(fā)送信箱命令方式需要開發(fā)人員熟悉Profibus-DP通信協(xié)議的具體細節(jié)，對網(wǎng)絡(luò)的整個組態(tài)進行配置，設(shè)置主站總線參數(shù)集、主站用戶參數(shù)集、從站參數(shù)集、組態(tài)數(shù)據(jù)集、輸入／輸出地址的分配、輸入／輸出數(shù)據(jù)格式和從站用戶數(shù)據(jù)單元集等，并在應(yīng)用程序中通過發(fā)送信箱命令將數(shù)據(jù)庫裝載到模塊中。
3.2.3 Anybus-M主站模塊的訪問控制
Anybus-M主站模塊提供給應(yīng)用程序一個4 KB／2KB的DPRAM，應(yīng)用程序通過DPRAM實現(xiàn)對主站模塊的訪問控制。應(yīng)用程序分為以下幾個部分。
①初始化程序模塊：包括硬件初始化和軟件初始化。硬件初始化包括DPRAM檢查、通過信箱命令進行硬件檢查。軟件初始化用于設(shè)置基本操作參數(shù)，如DPRAM input/output長度、操作模式、DPRAM模式(4KB/2 KB)等。
②中斷處理程序模塊；接收到中斷信號時，讀取握手寄存器的內(nèi)容，判斷產(chǎn)生中斷的原因(如事件通知、信箱通知、模塊被初始化、啟動中斷、區(qū)域分配響應(yīng)等)；根據(jù)中斷原因，轉(zhuǎn)入不同的中斷處理程序。
③主程序模塊：在主程序中循環(huán)調(diào)用信箱處理和數(shù)據(jù)交換程序。信箱處理程序負責(zé)發(fā)送信箱命令和讀取響應(yīng)信息；數(shù)據(jù)交換程序負責(zé)主站讀／寫從站數(shù)據(jù)，以及必要的控制寄存器區(qū)域訪問。
結(jié)語
目前，國外Profibus-DP的研究開展較多,應(yīng)用非常廣泛，但是國內(nèi)應(yīng)用多限于對國外產(chǎn)品的系統(tǒng)集成，尤其是針對Profibus-DP主站產(chǎn)品的研究開發(fā)甚少，因此開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主站具有重大的意義。本文在研究ProfIbus-DP現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)、總線協(xié)議、嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了高實時性、高可靠性的Profibus-DP主站的實現(xiàn)方案。符合國際標(biāo)準(zhǔn)的Profibus現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用，可以方便地解決計算機監(jiān)控系統(tǒng)中不同廠家產(chǎn)品的互連問題，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)向“以監(jiān)控設(shè)備為對象分布的、基于異構(gòu)系統(tǒng)互連的分布式監(jiān)控系統(tǒng)”方向發(fā)展具有重要的推動作用。
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