基于PROFIBUS的智能接口芯片SPC3及其應用

關(guān)鍵詞：AT89C52；PROFIBUS；SPC3；RS-485；DP協(xié)議

１ 引言

ＳＰＣ３是一種可以廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的智能接口芯片?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是一種實(shí)現現場(chǎng)級設備數字化通信的工業(yè)現場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，它可用一條電纜將現場(chǎng)設備連接起來(lái)以完成現場(chǎng)設備控制、監測和遠程參數化等功能。

煙草行業(yè)的數據采集與監控系統的數據傳輸量大，實(shí)時(shí)性強，并要求在較短的時(shí)間內完成各種參數的設置和數據更新。如一個(gè)卷接機組生產(chǎn)速度每分鐘可達１６０００支，這樣，在高速運行過(guò)程中，機組要對生產(chǎn)的煙支重量、質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測、計算判斷與控制，并采集整個(gè)機組的運行狀態(tài)、各傳感器執行器的工作狀況以及各分控制系統的實(shí)時(shí)數據，要求其控制系統必須具有較高的實(shí)時(shí)性、精確性、可靠性。因此，在卷接機組電控系統的設計中，筆者采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其總控系統與各分系統的接口芯片采用了ＳＰＣ３。

２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線(xiàn)和ＳＰＣ３芯片簡(jiǎn)介

２．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線(xiàn)

ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ是歐洲首屈一指的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)系統，它的應用領(lǐng)域包括加工制造自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化。數據通訊采用標準ＲＳ－４８５接口，傳輸速率可達１２Ｍｂｐｓ，傳輸距離可達２３．８ｋｍ，而且響應時(shí)間短、抗干擾能力強。通過(guò)雙絞線(xiàn)或光纜進(jìn)行數據傳輸，極易擴展，它不但能與執行器、傳感器接口進(jìn)行連接，也可以通過(guò)各種專(zhuān)用集成電路（ＡＳＩＣ）和接口模塊來(lái)簡(jiǎn)化設備的連接，最多可以連接１２５個(gè)節點(diǎn)。

２．２ 智能芯片ＳＰＣ３

根據傳輸數據量的大小和智能化程度，ＳＩＭＥＮＳ公司提供了ＳＰＣ２、ＳＰＣ３、ＬＳＰＭ２等不同種類(lèi)的芯片來(lái)連接ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ主站與從站。這里筆者選用ＳＰＣ３來(lái)完成本系統的設計。ＳＰＣ３（ＳＩＭＥＮＳ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＣＯＮＴＲＯＬＥＲ ）集成了完整的ＤＰ協(xié)議，其中包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區等。該芯片內部含有１．５ｋＢ的 ＲＡＭ，帶有１１位地址線(xiàn)的并行８位接口，全部存儲器分為１９２段，每段８個(gè)字節，用戶(hù)可以立即尋址。ＳＰＣ３支持所有８位處理機和微處理器。也可以自動(dòng)完成“字節轉換”，這使得摩托羅拉處理器可以直接正確讀?。保段恢?，通常讀和寫(xiě)可通過(guò)兩個(gè)口（８位數據總線(xiàn)）來(lái)完成。

ＳＰＣ３中集成有一個(gè)保護監視定時(shí)器（ＷＡＴＣＨＤＯＧ），應用處理器出現故障時(shí)，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 通信將被禁止，這樣就不至于危及外圍設備。作為ＳＰＣ３的心臟，微處理器（ＭＩＣＲＯ ＳＥＱＵＥＮＣＥＲ）控制著(zhù)系統整個(gè)工作過(guò)程。在ＵＡＲＴ中，并行數據流和串行數據流完成互換。ＳＰＣ３在發(fā)送第一個(gè)字符前會(huì )產(chǎn)生ＲＴＳ（ＲＥＱＵＥＳＴ－ＴＯ－ＳＥＮＤ）信號，即請求發(fā)送信號。另外，ＳＰＣ３還具有自動(dòng)辨識波特率（９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ）的功能。

３ 在ＺＪ１９Ｅ電控系統中的應用

ＺＪ１９Ｅ卷接機組電控系統選擇西門(mén)子公司工控機作為主站，與觸摸屏組成人機界面?采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線(xiàn)技術(shù)和美國Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ公司的Ｉｎ-Ｔｏｕｃｈ７．０工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現與重量控制系統、質(zhì)量檢測系統等從站的通訊與數據交換。在每個(gè)ＤＰ從站中都有ＳＰＣ３芯片及其相關(guān)的硬件電路。主站上可以設置各種參數，如：機器運行速度、進(jìn)料情況、煙支數量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等。從站參照這些設定值來(lái)控制機器的正常運轉；而機器動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的各種參數則由每個(gè)從站進(jìn)行搜集整理并可在主站上一覽無(wú)余。中間的數據傳輸就是ＰＲＯＦＩＢＵＳ的功勞了。每一個(gè)模塊（主、從站）的功能實(shí)施均可依靠軟件來(lái)完成。整個(gè)電控系統的框圖如圖１所示。

３．１ 硬件設計

圖２所示是本系統的硬件框圖。ＡＴ８９Ｃ５２是采用先進(jìn)的ＣＭＯＳ工藝制造的８位微控制器。它具有并行可編程功能的非易失性ＦＬＡＳＨ存儲器，是８０Ｃ５１的派生器件。該控制器具有運算速度快、兼容ＭＣＳ５１指令集的特點(diǎn)，可以閃速可編程、可擦除。它有三個(gè)１６位定時(shí)／計數器。由于ＡＴ８９Ｃ５２內部集成有８ｋＢ Ｆｌａｓｈ，因此本設計不需另外擴展ＲＯＭ即可進(jìn)行內部加密。

外接看門(mén)狗電路ＭＡＸ７０５用于為微控制器提供保護，它能在單片機上電時(shí)可靠復位，并能在斷電時(shí)防止程序跑飛，從而避免ＳＰＣ３中的數據被修改。另外，本系統也可采用手動(dòng)復位，以便在調試或出現故障時(shí)使整套系統同時(shí)復位。

圖3

為了防止外界干擾對系統產(chǎn)生影響，單片機與下位機的通訊采用ＲＳ－４８５接口電路來(lái)進(jìn)行光耦隔離。其收發(fā)接口采用ＨＣＰＬ２６０１、ＤＨＣＰＬ７７２１及ＳＮ７５１７６等進(jìn)行隔離，以保證數據可靠傳輸，消除干擾。

ＳＰＣ３有８根數據線(xiàn)和１１根地址線(xiàn)，其中低８位地址線(xiàn)與數據線(xiàn)復用。外接不同的單片機會(huì )使ＳＰＣ３一些管腳上的電平出現差異，其相應的意義也不同。這一點(diǎn)與別的接口片子有很大區別，ＳＰＣ３與外接ＡＴ８９Ｃ５２ 的連線(xiàn)見(jiàn)圖３所示。

３．２ 軟件設計

ＳＰＣ３的軟件設計主要包括ＡＴ８９Ｃ５２微控制器的軟件設計以及ＳＰＣ３的初始化程序設計。通訊協(xié)議主要由上位機的客戶(hù)服務(wù)程序來(lái)完成，單片機ＡＴ８９Ｃ５２主要實(shí)現智能終端與協(xié)議識別，以及與下位機的通訊和數據轉存，同時(shí)完成下位機與雙口ＲＡＭ的連接控制，保證數據轉換安全可靠的進(jìn)行，避免通訊沖突。

ａ．單片機控制程序設計

單片機的控制程序由三部分組成：初始化部分用于完成單片機和所有外圍電路的初始化以及終端和協(xié)議的識別；主循環(huán)部分用于讀寫(xiě)雙口ＲＡＭ，同時(shí)對上位機進(jìn)行檢查和計算以完成數據采集，進(jìn)而實(shí)現數據的轉存和交換；而中斷服務(wù)程序則完成相應的中斷處理并執行雙口ＲＡＭ的共同協(xié)議。

ＳＰＣ３內部含有１．５ｋＢ的ＲＡＭ（即０００Ｈ―５ＦＦＨ），利用外接單片機可以確定該ＲＡＭ的確切地址。同時(shí)，根據ＳＰＣ３產(chǎn)生的中斷，單片機還可對ＳＰＣ３接收到的主站輸出數據進(jìn)行轉存，以便從站讀取，此外也可以處理從站通過(guò)ＳＰＣ３發(fā)給主站的數據等。ＳＰＣ３實(shí)質(zhì)上是主站與從站間的“通訊站”，即就是將主站發(fā)來(lái)的數據包解開(kāi)送給從站，并將從站送來(lái)的數據打包給主站。詳見(jiàn)圖４的程序框圖（其中“輸入、輸出”是相對主站而言的）。

ＳＰＣ３的初始化程序包括設置ＳＰＣ３允許的中斷、寫(xiě)入從站號碼和地址、設置ＳＰＣ３中的各種寄存器和緩沖器等；而中斷程序主要處理ＰＲＭ報文、ＣＦＧ報文、ＳＳＡ報文。由于這些報文來(lái)自主站，所以，ＳＰＣ３的初始化需要主站的支持才能進(jìn)行。不同的主站有不同的數據存取空間，因而分到每個(gè)從站的數據量也不同。這樣，在初始化ＳＰＣ３時(shí)，配置的數據字節數也將相應改變。只有每個(gè)從站地址在同一個(gè)系統中是唯一的，主站與每一個(gè)從站才能準確無(wú)誤地通訊。

ｂ． 上位機程序簡(jiǎn)介

上位機的管理軟件主要通過(guò)客戶(hù)服務(wù)程序來(lái)完成協(xié)議轉換和存儲，以及數據的分析和顯示。單片機上傳的數據信息經(jīng)過(guò)相應的協(xié)議校驗確認后，可用來(lái)完成各種參數的設置和數據的交換。在對傳輸數據進(jìn)行識別時(shí)，單片機首先接收上位機客戶(hù)服務(wù)程序軟件下傳的校驗和，在經(jīng)過(guò)確認是協(xié)議識別指令后，再上傳一個(gè)表示就緒的狀態(tài)幀，然后接收識別用的數據幀。在經(jīng)過(guò)檢驗后，如果確認數據幀有錯，那么，系統將返回相應的狀態(tài)幀并等待上位機重新發(fā)送數據，而如果數據正確，則返回狀態(tài)幀，然后開(kāi)始對終端單元進(jìn)行識別。

由于每個(gè)ＰＲＯＦＩＢＵＳ 總線(xiàn)上的主站、從站完全有可能是不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品，因此，在組建系統時(shí)需要有設備描述文件，即ＧＳＤ文件。ＧＳＤ文件是用特定格式描述現場(chǎng)設備技術(shù)參數的ＡＳＣＩＩ文件，它是在專(zhuān)門(mén)軟件環(huán)境下編輯生成的，詳情可參見(jiàn)參考文獻。使用根據ＧＳＤ文件生成的組態(tài)工具可以將不同廠(chǎng)商的設備集成在同一總線(xiàn)系統中。這就是智能型芯片正常工作的“環(huán)境”。一旦對含有ＳＰＣ３的ＤＰ 從站生成ＧＳＤ文件，就相當于該從站持有了一個(gè)通用“身份證”，這樣，這個(gè)從站就可以在任何ＤＰ主站下組建總線(xiàn)系統了。

４　結束語(yǔ)

本文詳盡地敘述了基于ＡＴ８９Ｃ５２的智能芯片ＳＰＣ３的設計使用方法，由于ＡＴ８９Ｃ５２沒(méi)有外擴ＲＯＭ和ＲＡＭ，而將程序直接放在其內部閃存中，因此，該方法具有外圍電路簡(jiǎn)單、與處理器并口兼容性好、時(shí)序控制簡(jiǎn)單易懂、可靠性和性?xún)r(jià)比都比較高等優(yōu)點(diǎn)。但應注意：ＳＰＣ３的初始化是一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)比較重要的環(huán)節。