摘 要：針對工業(yè)控制中存在的不同設備間難以進行通訊轉(zhuǎn)換的問題，結(jié)合PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的特點，從開發(fā)的角度詳細介紹了采用SPC3通信協(xié)議芯片實現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的軟件和硬件的方法。通過這種接口，可以將具有RS485接口的儀器儀表設備連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上，實現(xiàn)通訊和控制功能。 關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP;通信協(xié)議芯片SPC3;接口 Abstract: In view of the communication transform problem in the industry control and the characteristics of the PROFIBUS-DP fieldbus technology, the designing method of hardware and software of PROFIBUS-DP communication transform interface with SPC3 are introduced. Through this transform interface, the conventional instrumentation with RS485 interface can be connected to PROFIBUS-DP, and carry out communication and control functions. Key words: PROFIBUS-DP;Communication protocol chip SPC3;Interface 1 引言 　　PROFIBUS-DP是目前歐洲乃至全球應用最廣泛的總線系統(tǒng)，安裝簡單、拓撲結(jié)構(gòu)多樣、易于實現(xiàn)冗余、通信實時可靠、功能比較完善，卓越的性能使得它適用于各種工業(yè)自動化領(lǐng)域。隨著PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)在我國越來越廣泛的應用，將原有的不符合DP標準的設備連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中，就需要開發(fā)DP通訊轉(zhuǎn)換接口。因此，進行DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)是很有必要的。本文主要討論采用SPC3通信協(xié)議芯片實現(xiàn)DP通訊轉(zhuǎn)換接口的硬件和軟件。 2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線 　　2.1 PROFIBUS-DP基本特性 　　PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)傳輸，中央控制器（如PLC/PC）通過串行連接與分散的現(xiàn)場設備（如I/O、驅(qū)動器和閥門及測量變送器）進行通信。中央控制器（主站）周期的讀取從站的輸入信息并周期的向從站發(fā)送輸出信息，除周期性數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期通訊以進行組態(tài)、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點。 　　2.2 PROFIBUS-DP總線拓撲 　　PROFIBUS-DP系統(tǒng)有兩種總線拓撲結(jié)構(gòu)：一種是RS-485，采用屏蔽雙絞線，拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，通信速率為9.6Kbps～12Mbps;另一種是采用光纖，用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。 　　2.3 PROFIBUS-DP總線協(xié)議 　　PROFIBUS-DP協(xié)議根據(jù)ISO7498國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OSI參考模型為基礎(chǔ)，采用了參考模型的第1層物理層，第2層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶接口層，第3層到第7層未使用;這種精簡的結(jié)構(gòu)確保了快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸。物理層定義了物理傳輸特性;數(shù)據(jù)鏈路層定義了總線存取協(xié)議，直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序DDLM提供對第2層的訪問;用戶接口規(guī)定了PROFIBUS-DP設備的應用功能，以及各種類型的系統(tǒng)和設備的行為特性。 　　PROFIBUS-DP總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳遞方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌），在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，有3種系統(tǒng)配置：純主-從系統(tǒng)、純主-主系統(tǒng)、混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中相應地使用令牌傳遞方式和主-從方式完成數(shù)據(jù)通信。 3 PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā) 　　3.1 硬件設計 　　在接口電路的設計中主要有兩種方法：一是使用微處理器利用軟件來模擬PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議。此設計的成本很低，但需要充分了解PROFIBUS-DP協(xié)議和運行機制，軟件編程工作量大，可靠性不易保證，通信速度也受到限制。二是使用PROFIBUS專用協(xié)議芯片ASIC。此設計的成本較高，技術(shù)指標高，自主性高，只需了解ASIC的工作原理。在本次通訊接口的設計中采用的是第二種方法，使用的是ASIC結(jié)合微處理器來完成設計。 　　為使PROFIBUS-DP接口實現(xiàn)簡單、方便，達到快速提供產(chǎn)品的目的，采用西門子公司的專用通信協(xié)議芯片SPC3完成PROFIBUS-DP總線的協(xié)議。SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，能自動檢測總線的波特率從9.6Kbps到12Mbps，集成了1.5KB的雙口RAM，它本身具有地址鎖存和片選功能，上電后自動執(zhí)行PROFIBUS-DP的從站狀態(tài)機。 　　SPC3內(nèi)部1.5KB 雙口RAM地址空間為00H～5FFH，以8個字節(jié)為一個單元（段），分成192段（0～191）。按功能可分為三個區(qū)域：00H～15H為處理器參數(shù)區(qū)，包括工作模式寄存器、從站最小延遲時間寄存器、內(nèi)部集成看門狗定時器寄存器、用于中斷的寄存器以及狀態(tài)寄存器等;16H～3FH為組織參數(shù)區(qū), 用于設置DP緩沖區(qū)中各個緩沖塊（BUF）的指針（首地址）和長度，并且這些設置必須在SPC3的離線狀態(tài)下完成;40H～5FFH為DP緩沖區(qū)，是DP數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，包括3個輸入數(shù)據(jù)BUF、3個輸出數(shù)據(jù)BUF、2個診斷BUF、2個輔助BUF、設置參數(shù)BUF、通信接口配置BUF和可讀通信接口配置BUF等。 　　SPC3內(nèi)部集成一個看門狗定時器，操作于三種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測、波特率控制和DP控制。內(nèi)部的異步串行收發(fā)器（UART）實現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換，空閑定時器控制串行總線電纜上的時序，微序列器（MS，microsequencer）控制整個SPC3的工作過程。 　　PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口采用89C52微處理器作為中央處理器，DP接口芯片采用SPC3。89C52負責將現(xiàn)場采集的信號進行處理、分析和分類，然后通過SPC3傳送到PROFIBUS-DP總線，同時監(jiān)測SPC3，接收DP主站送來的指令和數(shù)據(jù)，并進行相應的操作。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 電路結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 PROFIBUS-DP狀態(tài)機[/align] 　　89C52微處理器擴展了32KB的數(shù)據(jù)存儲器（RAM），時鐘信號是通過SPC3分頻得到的，外圍電路還包括了帶EEPROM的看門狗，模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換、DI/DO接口和數(shù)碼顯示電路。其中，EEPROM主要用于存放從站地址、ID號等配置信息;數(shù)碼顯示電路主要用于顯示一些從站信息;而模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換、DI/DO接口使通訊轉(zhuǎn)換接口能夠勝任AI、AO、DI、DO等多方面工作。 　　PROFIBUS-DP一般采用RS-485傳輸技術(shù)，電纜采用屏蔽雙絞線，能夠較好地改善電磁兼容性，傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps。連接采用符合PROFIBUS-DP開放標準的9針D型插頭，在不帶中繼時，每分段可以連接32個站;在使用中繼時，可以擴展到127個站，包括中繼站。當信號在總線上傳輸時，若發(fā)生阻抗不連續(xù)，將形成信號反射，導致傳輸信號畸變，因此在傳輸線的末端，需要加終端電阻來消除這種阻抗不連續(xù)，所加電阻阻值應盡量接近傳輸線的特性阻抗。為消除來自零線的干擾，在SPC3和RS-485收發(fā)器之間須加光耦隔離，為提高傳輸速率，應盡量選擇高速光耦合RS-485收發(fā)器，本設計采用HCPL7720高速光耦和SN75ALS176總線收發(fā)器。 　　3.2 軟件設計 　　軟件設計是開發(fā)PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的一個重要環(huán)節(jié)，也是其難點所在。開發(fā)者必須了解PROFIBUS-DP協(xié)議，熟悉SPC3芯片的工作原理和狀態(tài)機原理，熟知SPC3的各種DP服務。 　　PROFIBUS-DP的狀態(tài)機描述DP從站在每種情況下的行為以保證它符合一致性，SPC3內(nèi)部集成了狀態(tài)機，用戶對狀態(tài)機的控制是很有限的。PROFIBUS-DP狀態(tài)機如圖2所示。各個橢圓表示不同的狀態(tài)，帶箭頭的連線表示狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，而連線上的文字表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換所需滿足的條件。 　　在POWER_ON狀態(tài)，從站能從二類主站接收 Set_Slave_Address報文來改變它的地址，然后從站進入Wait_Prm狀態(tài)，等待參數(shù)化，此狀態(tài)從站還可以接受Get_Cfg，Slave_ Diag報文。參數(shù)化完成后，從站進入Wait_Cfg狀態(tài)，等待Check_Cfg報文，另外還可以接收Slave_Diag，Set_Prm ，Get_Cfg報文。如果Check_Cfg完成后，從站將進入Data_Exch狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)通信。此時從站還可接收Writing_Outputs，Reading_Inputs，Gloable_Control，Slave_Diag，Chk_Diag,Get_Cfg報文,若組態(tài)和數(shù)據(jù)交換不成功，就會返回到參數(shù)化階段。Wait_Prm在對從站進行組態(tài)時，必須要編寫它的GSD文件。GSD文件是設備數(shù)據(jù)庫文件，描述PROFIBUS設備具有的性能特征。GSD文件包括三個部分：總體說明（廠商和設備名稱、軟硬件版本、支持的波特率等）、DP主設備相關(guān)的規(guī)范（如可連接從設備的最多臺數(shù)或卸載能力）、從設備相關(guān)的規(guī)范（如I/O通道的數(shù)量和類型、診斷測試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)的一致性信息）。標準化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制一級，使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設備集成在一個總線系統(tǒng)中，簡單，用戶界面友好。 　　SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，能獨立地處理PROFIBUS-DP協(xié)議的所有通信任務，從而大大減輕微處理器的負載，保證系統(tǒng)的通信速度和數(shù)據(jù)交換的可靠性。微處理器的主要任務是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，對SPC3接收到的主站發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)存，組織需通過SPC3發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷等。PROFIBUS-DP通信的服務存取點（SAP）由SPC3自動建立，各種報文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。用戶可以通過此總線接口訪問這些內(nèi)部數(shù)據(jù)。 　　主程序流程圖如圖3所示，其中SPC3的初始化包括設置SPC3允許的中斷，寫入從站識別號和地址，設置SPC3方式寄存器，設置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始長度，并根據(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)長度確定輸出緩沖區(qū)及指針（在賦各緩沖區(qū)指針變量值時，指針值是段序號）。中斷程序流程圖如圖4所示，主要用來處理PRM報文、CFG報文和SSA報文。 　　用匯編語言編寫的部分初始化程序如下： 　　MOV DPTR，#R_DIAG_BUF_PTR1 ; 如果SPC3離線，初始化SPC3 　　MOV A，#D_DIAG_BUF_PTR1 　　MOVX @DPTR，A; 診斷緩沖區(qū)指針 　　INC DPTR 　　MOV A，#D_DIAG_BUF_PTR2 　　MOVX @DPTR，A 　　MOV DPTR，#R_CFG_BUF_PTR ; 配置緩沖區(qū)指針 　　MOV A，#D_CFG_BUF_PTR 　　MOVX @DPTR，A 　　MOV DPTR，#R_READ_CFG_BUF_PTR [align=center] 圖3 主程序流程圖 圖4 中斷程序流程圖[/align] 4 結(jié)束語 　　PROFIBUS-DP的協(xié)議開放、實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，可靠性高，符合現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，必將在未來一段時間內(nèi)得到廣泛的應用。PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)，解決了具有RS-485 接口不同工控設備間的通訊轉(zhuǎn)換問題，提高了工業(yè)控制的自動化水平。通過實際運行證明了這種通訊轉(zhuǎn)換接口硬件和軟件設計的合理性，能夠保證數(shù)據(jù)傳遞過程的安全、快速和穩(wěn)定。使用本文論述的方案，在自主開發(fā)的現(xiàn)場設備/儀表上配置PROFIBUS-DP接口，可以很好地滿足相關(guān)行業(yè)的需要，在實際中具有廣闊的應用前景。 　　本文作者創(chuàng)新點：本文針對工業(yè)控制中存在的不同設備間難以進行通訊轉(zhuǎn)換的問題，開發(fā)了一種PROFIBUS-DP通訊轉(zhuǎn)換接口。通過這種接口，可以將具有RS-485接口的儀器儀表設備很方便的連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上，實現(xiàn)通訊和控制功能。通過實際運行證明了這種通訊轉(zhuǎn)換接口硬件和軟件設計的合理性，能夠保證數(shù)據(jù)傳遞過程的安全、快速和穩(wěn)定。從而解決了具有RS-485接口不同工控設備間的通訊轉(zhuǎn)換問題，提高了工業(yè)控制的自動化水平。 參考文獻 　　[1] 夏繼強，邢春香，現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù)[M]，北京航空航天大學出版社，2005. 　　[2] 周曉慧，孟彥京，許德玉，PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊轉(zhuǎn)換接口的開發(fā)[J]，微計算機信息，2005年第21卷第7-1期31-33頁. 　　[3] SIEMENS SPC3 and DPS2 User Description[M], 2002. 　　[4] PROFIBUS Development kits Manuals，SIEMENS，1998.