嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設計

　　引言

　　目前國內對自動(dòng)化產(chǎn)品(電器、儀表、驅動(dòng)裝置等)提出PROFIBUS通信功能要求，主要來(lái)源于：(1)國外生產(chǎn)設備及技術(shù)的引進(jìn)，特別是從歐洲引進(jìn)的成套設備通常采用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)，因此對國內配套產(chǎn)品提出了現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS通信功能的技術(shù)要求；(2)國內自動(dòng)化系統廠(chǎng)家比較成功的、面向行業(yè)的控制系統，要求系統技術(shù)向現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也要求現場(chǎng)設備向智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展?；谏鲜鲂枨?，嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設計為自主開(kāi)發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品的用戶(hù)提供了一種快速、高效的解決方案。

　　實(shí)現方法

　　(1)電路設計制作：使用PROFIBUS通信專(zhuān)用ASIC芯片SPC3實(shí)現協(xié)議相關(guān)內容，選用合適的CPU，外圍加帶光電隔離的RS-485驅動(dòng)；

　　(2)單片機+Firmware軟件：需要在單片機中編程(Firmware軟件)，實(shí)現單片機與ASIC的結合；

　　(3)用戶(hù)產(chǎn)品的CPU通過(guò)串行接口向PROFIBUS-DP從站通信接口板讀/寫(xiě)輸入/輸出數據；PROFIBUS-DP從站通信接口板自動(dòng)轉換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信；

　　(4)編寫(xiě)GSD文件，搭建一個(gè)調試與測試平臺進(jìn)行PROFIBUS系統配置。

　　硬件設計

　　嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)接口板)由CPU芯片、PROFIBUS協(xié)議芯片SPC3及光隔RS-485驅動(dòng)等電路組成，如圖1所示。

　　接口板與用戶(hù)模板采用串口連接，使用波特率選擇開(kāi)關(guān)可選擇指定的7種波特率(9600、19.2K、38.4K、57.4K、115.2K、230.4K、460、8K)中的一種；接口板需要用戶(hù)模板提供2組5V電源(VCC/GND-150mA和5V/0V-100mA)，分別作為接口板的電源及光隔外電源，由16針插座J1引入。信號A、B、RTS及5V、0V可直接引到用戶(hù)模板PROFIBUS的D型插頭上(使用PCB布線(xiàn)或軟接線(xiàn)均可)。根據PROFIBUS產(chǎn)品測試技術(shù)規范，此接法引線(xiàn)或軟接線(xiàn)不宜過(guò)長(cháng)，通常PCB引線(xiàn)不超過(guò)20cm、軟接線(xiàn)不超過(guò)10cm。

如果PROFIBUS的D型插頭與接口板之間需要更長(cháng)的引線(xiàn)，可以從接口板上的10針插頭J2引出，此時(shí)需要采用外接口轉接板。

　　用戶(hù)模板PROFIBUS插頭為孔型(famel)D型插頭，與接口板16針插座連接如圖2所示。接口板CPU芯片采用普通的51單片機即可，考慮到PROFIBUS對速率的要求，推薦使用高速率、低功耗的8位AVR單片機作為接口板CPU。

　　軟件設計

　　接口板與用戶(hù)模板的串口

　　通信設置

接口板與用戶(hù)模板通過(guò)串口連接，Txd、Rxd為T(mén)TL電平，半雙工通信。通信方式采用應答方式：用戶(hù)模板主動(dòng)詢(xún)問(wèn)，接口板被動(dòng)回答。設定每個(gè)字節用11bits傳送：1個(gè)啟始位、8個(gè)數據位、1個(gè)偶校驗位、1個(gè)停止位，即51內核單片機的通信方式3。

　　報文長(cháng)度

　　接口模板的初始化報文(發(fā)送、接收)固定長(cháng)度49字節；接口板與用戶(hù)模板之間數據交換報文(發(fā)送、接收)，長(cháng)度由用戶(hù)在初始化報文中設定，最大為113字節；PROFIBUS輸入/輸出數據量可自由設定，最大112字節輸入+112字節輸出。

　　實(shí)現功能

　　(1)可實(shí)現PROFIBUS用戶(hù)參數化功能：用戶(hù)模板可將一次性設置的參數在主站配置中設定，主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶(hù)參數傳送到從站，用戶(hù)模板可利用這些參數實(shí)現參數化；
　　(2)接口板與用戶(hù)模板通信有字符偶校驗和縱向報文校驗和，保證數據安全性；
　　(3)接口板內設有備份I/O通信緩沖區，可保證實(shí)現PROFIBUS與串口通信數據的完整性(一致性)和同步要求。

　　用戶(hù)模板的通信基本過(guò)程

　　初始化

用戶(hù)模板按接口板上波特率選擇開(kāi)關(guān)設置的波特率向接口板發(fā)初始化報文，然后等待接收接口板的回答，如圖3所示。接口板回答初始化成功后，進(jìn)入數據交換狀態(tài)。

　　數據交換狀態(tài)

初始化成功后接口板進(jìn)入數據交換狀態(tài)，反復進(jìn)行數據交換。此時(shí)，用戶(hù)模板主動(dòng)向接口板發(fā)送“輸入數據報文”，其中包含PROFIBUS輸入數據；接口板回答“輸出數據報文”，其中包含PROFIBUS輸出數據，如圖4所示。

　　數據交換狀態(tài)下接口板的程序流程見(jiàn)圖5。

　　系統配置

　　關(guān)于GSD文件

　　(1)每一個(gè)PROFIBUS從站或一類(lèi)主站有一個(gè)“設備描述文件”稱(chēng)為GSD文件，用來(lái)描述該PROFIBUS-DP設備的特性；
　　(2)GSD文件包含了設備所有定義參數，包括：支持的波特率、支持的信息長(cháng)度、輸入/輸出數據數量、診斷數據的含義、可選模塊種類(lèi)等；
　　(3)無(wú)論使用什么樣的系統配置軟件，都要根據GSD文件來(lái)對設備配置。
　　(4)國際PROFIBUS組織PI提供了GSD文件編輯軟件gsdedit.exe，該軟件依照PROFIBUS技術(shù)標準格式規定，對用戶(hù)編輯的GSD文件進(jìn)行格式檢查。

　　如何使用“用戶(hù)參數user-prm”

　　“用戶(hù)參數user-prm”的選擇對于工業(yè)現場(chǎng)設備，常需要用戶(hù)根據現場(chǎng)應用設定一些參數，其中有些參數不需要在設備運行中實(shí)時(shí)改變，如變頻器的電流上限保護與報警值、溫度傳感器的測量溫度范圍、熱電偶選型、輸出4～20mA/1～5V選擇等。如果這些參數作為PROFIBUS主站的I/O輸出，將占用PROFIBUS主站I/O資源和周期性輪循PROFIBUS從站的時(shí)間資源。

　　將這些參數處理成“用戶(hù)參數”，將會(huì )縮短PROFIBUS主站通信時(shí)間、減小通信報文長(cháng)度、提高總線(xiàn)通信效率。使用“用戶(hù)參數”技術(shù)，只需要在主站配置中做出參數選擇，主站在與從站連接時(shí)，一次性將這些參數傳送到從站，從站就可以使用這些用戶(hù)選擇的參數對從站進(jìn)行參數化(初始化、參數設定)。

　　確定“用戶(hù)參數”類(lèi)型、個(gè)數、字節長(cháng)度

　　在主站配置中選擇用戶(hù)參數用戶(hù)在系統中配置從站參數，完全靠GSD文件描述。在STEP7的HARDWARE中配置從站，可設定總線(xiàn)波特率及站地址，其中設定的站地址必須與用戶(hù)模板上地址設置一致。

　　帶有“用戶(hù)參數”選擇菜單的GSD文件，可在STEP7中生成更加友好的用戶(hù)參數配置界面。

　　結束語(yǔ)

　　應用嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設計方案，用戶(hù)不必了解PROFIBUS技術(shù)規范細節。具有開(kāi)發(fā)周期短、技術(shù)指標高、技術(shù)升級快、擁有產(chǎn)品自主知識產(chǎn)權等優(yōu)點(diǎn)，但用戶(hù)須有單片機產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗及PROFIBUS產(chǎn)品應用經(jīng)驗。目前國內多家儀表廠(chǎng)商已在此方案的基礎上開(kāi)發(fā)出了自己的PROFIBUS-DP從站產(chǎn)品。