基于C167的PROFlBUS-DP智能從站的設計

摘要：設計了基于C167的PROFIBUS-DP總線(xiàn)協(xié)議的智能從站。依據系統所要實(shí)現的功能，提出了使用PRO-FIBUS-DP協(xié)議智能接口芯片SPC3和軟件的實(shí)現方案。以C167與SPC3為核心設計了其軟硬件系統，經(jīng)調試滿(mǎn)足了設計要求，目前已在實(shí)際工程中得到應用。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP；智能從站；C167；SPC3

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統已逐漸發(fā)展成為繼集散控制系統之后的新一代控制系統，在眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)標準中，過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)(PROFIBUS)標準以其國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)設備生產(chǎn)商的種種優(yōu)勢，成為當前爭相研究的對象。
PROFIBUS廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域的自動(dòng)化，是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。
與其它現場(chǎng)總線(xiàn)系統相比，PROFIBUS的優(yōu)勢在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應用驗證其具有普遍性。目前已應用的領(lǐng)域包括加工制造、過(guò)程控制和自動(dòng)化等。PROFIBUS-DP是開(kāi)放的，與制造商無(wú)關(guān)，無(wú)知識產(chǎn)權保護的標準。任何人都可以獲得這個(gè)標準并設計各自的軟硬件方案。原則上，PROFIBUS-DP協(xié)議在任何微處理機器上都可以實(shí)現，在微處理器內部或外部安裝串行通信接口即可完成。利用PROFIBUS-DP模型中的服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，通過(guò)單片機編程來(lái)實(shí)現PROFIBUS-DP的狀態(tài)機制。
PROFIBUS協(xié)議結構是根據IS07498國際標準，以開(kāi)放式系統互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )(Open System Interconnection-OSI)作為參考模型的。該模型共有7層，文中所探討的PROFIBUS-DP系統定義了第1，2層和用戶(hù)接口。使用單片機C167和智能通訊芯片SPC3設計了PROFIBUS-DP智能從站的硬件電路及其控制軟件，該系統即將在西北電網(wǎng)與華北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的靈寶背靠背直流工程中投入使用。

1 PROFIBUS-DP系統配置和設備類(lèi)型
PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統。在同一總線(xiàn)上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入／輸出地址、輸入／輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線(xiàn)參數。每個(gè)PROFIBUS-DP系統可包括以下幾種不同類(lèi)型設備：
(1)一級DP主站(DPM1)：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站(如DP從站)交換信息，典型的DPM1如PLC或PC；
(2)二級DP主站(DPM2)：二級DP主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統操作和監視目的；
(3)DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備(I／O設備、驅動(dòng)器、HMI、閥門(mén)等)；
(4)單主站系統：在總線(xiàn)系統的運行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站；
(5)多主站系統：總線(xiàn)上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構成相互獨立的子系統。每個(gè)子系統包括一個(gè)DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設備。
任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入／輸出映象，但只有一個(gè)DP主站允許對DP從站寫(xiě)入數據。
DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶(hù)數據傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動(dòng)進(jìn)行。在對總線(xiàn)系統進(jìn)行組態(tài)時(shí)，用戶(hù)對DP從站與DPM1的關(guān)系作出規定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站間的數據傳送分3個(gè)階段：參數設定、組態(tài)、數據交換。在參數設定階段，每個(gè)從站將自己的實(shí)際組態(tài)數據與從DPM1接收到的組態(tài)數據進(jìn)行比較。只有當實(shí)際數據與所需的組態(tài)數據相匹配時(shí)，DP從站才進(jìn)入用戶(hù)數據傳輸階段。因此，設備類(lèi)型、數據格式、長(cháng)度以及輸入輸出數量必須與實(shí)際組態(tài)一致。

2 電路主要器件介紹
從站的硬件電路采用西門(mén)子C167單片機和智能通訊芯片SPC3。
2．1 C167微控制芯片
C167SR是西門(mén)子C16X系列第二代CMOS微處理器。它兼容16位CPU的高性能(高達1 000萬(wàn)條指令每秒)，并具有智能外圍設備擴展功能。它的主要優(yōu)點(diǎn)體現在：增強了IO口的應用，提供了附加的內部高速RAM，CAN總線(xiàn)控制器和鎖相環(huán)PLL等功能；繼承了RISC處理器的優(yōu)點(diǎn)，而克服了CISC處理器在嵌入式應用中的瓶頸；在指令處理上，采用4級指令流水線(xiàn)管道結構；在存儲管理上，統一線(xiàn)性地址空間可達16 MB，具有段代碼、頁(yè)數據式管理機制；采用寄存器池，池間的切換時(shí)間只要80 ns；16位乘法400 ns，32位除法800 ns，中斷響應時(shí)間最長(cháng)400 ns；外部事件控制器PEC服務(wù)具有類(lèi)似DMA的功能，可實(shí)現存儲器與外設之間的高速數據傳輸；豐富的在片外設：2 kB RAM、10路A／D、111路I／O、5個(gè)定時(shí)器／計數器、16個(gè)比較／捕獲單元、2個(gè)串行通信接口、在片的Watchdog等。
CPU的內核是由一個(gè)4級流水線(xiàn)指令管道，一個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元以及指示作用的SFR構成。另外還專(zhuān)有做乘法，除法運算的硬件單元，一個(gè)位屏蔽器，一個(gè)移位器。基于這些硬件保證，大多數C167的指令在20 MHz時(shí)鐘頻率下，只需要1個(gè)時(shí)鐘周期，也就是100 ns就能完成。例如，移位和循環(huán)指令通常只要一個(gè)時(shí)鐘周期，而和移位的數目沒(méi)關(guān)系。被優(yōu)化的乘除法指令使得執行速度快了很多，它分成了2個(gè)部分：16×16位的乘法需要5個(gè)周期，32／16位的除法需要10個(gè)周期。另一個(gè)管道優(yōu)化，即所謂的跳緩存，它將重復的循環(huán)跳轉指令周期由2個(gè)減到1個(gè)。CPU可以對位于片上RAM的特殊寄存器進(jìn)行16位的直接處理。CPU每訪(fǎng)問(wèn)一次寄存器組，其基址由索引指針寄存器指定。寄存器組數目?jì)H僅受限于內部RAM的可用空間。對于簡(jiǎn)單的參數傳遞，一組寄存器可能會(huì )覆蓋其它數據。最高達2 kB的系統堆棧用來(lái)存儲臨時(shí)數據。此堆棧也是位于片上RAM，CPU對其通過(guò)堆棧指針寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。兩個(gè)獨立的特殊功能寄存器，STKOV以及STKUN，通過(guò)比較堆棧內的值來(lái)檢測被訪(fǎng)問(wèn)的堆棧是否上溢和下溢，其基本功能模塊，如圖l所示。