基于SPC3的PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)智能從站的設計

摘要：介紹了PWM控制電路的基本構成及工作原理，給出了美國Silicon General公司生產(chǎn)的高性能集成PWM控制器SG3524的引腳排列和功能說(shuō)明，同時(shí)給出了其在不間斷電源中的應用電路。

關(guān)鍵詞：PWM SG3524 控制器

１ 概述

ＰＲＯＦＩＢＵＳ是Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ的縮寫(xiě)，是一種國際性的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準，即ＥＮ５０１７０歐洲標準。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)家都為它們生產(chǎn)的設備提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。ＰＲＯＦＩＢＵＳ已經(jīng)廣泛應用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化，目前已發(fā)展成為一種成熟技術(shù)。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ根據應用特點(diǎn)分為ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ三個(gè)兼容版本。ＰＲＯＦＩＢＵＳ協(xié)議定向根據ＩＳＯ７４９８國際標準以開(kāi)放系統互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )ＯＳＩ為參考模型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ的ＤＰ、ＦＭＳ和ＰＡ均使用單一的總線(xiàn)存取協(xié)議，可通過(guò)ＯＳＩ參考模型的第２層實(shí)現，包括數據的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。其中ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ用于解決車(chē)間級通用性通信任務(wù)，能提供大量的通信服務(wù)，并可完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)；ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ則專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，它采用標準的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現ＩＥＣ１１５８－２中規定的通信規程，適用于對安全性要求較高的場(chǎng)合及由總線(xiàn)供電的站點(diǎn)；而ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接后，可專(zhuān)用于自動(dòng)控制系統和設備級分散Ｉ／Ｏ之間的通信設計。使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ模塊可取代價(jià)格昂貴的２４Ｖ或０～２０ｍＡ并行信號線(xiàn)，用于分散式控制系統的高速數據傳輸。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ使用ＩＳＯ／ＯＳＩ參考模型的第１層、第２層和用戶(hù)接口，而第３層到第７層未加描述，這種流水線(xiàn)型結構確保了數據傳輸的快速和有效。它的直接數據鏈路映像（DDLM，ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｍａｐｐｅｒ）提供有進(jìn)入第２層的用戶(hù)接口。該用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備的調用功能，同時(shí)說(shuō)明了各種不同ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ設備的設備行為，此外，還提供了傳輸用的ＲＳ－４８５傳輸技術(shù)或光纖。

２ ＳＰＣ３芯片介紹

ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信協(xié)議比較復雜。原則上講，只要安裝了異步串行收發(fā)器（ＵＡＲＴ），它就可以在任何微處理器上由軟件實(shí)現。但現在，開(kāi)發(fā)人員卻常常使用專(zhuān)用的通信處理芯片來(lái)將復雜的協(xié)議完全撇開(kāi)。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信協(xié)議芯片已形成廣泛系列。使用這些芯片可使ＰＲＯＦＩＢＵＳ協(xié)議的實(shí)現更加簡(jiǎn)單、方便、省時(shí)、省力，從而達到快速提供產(chǎn)品的目的。適合于智能從站的ＡＳＩＣ種類(lèi)較多，其中西門(mén)子的ＳＰＣ３ 通信協(xié)議芯片比較具有代表性。ＳＰＣ３的內部結構示意圖如圖１所示。

ＳＰＣ３集成了ＤＰ協(xié)議中的ＦＤＬ層?它可以承擔通信部分的微處理器負載?從而實(shí)現ＤＰ從站的通信處理。微處理器操作ＳＰＣ３ 芯片就像操作它的內部ＲＡＭ一樣。ＳＰＣ３能保障報文的有效性?并可滿(mǎn)足整個(gè)報文的一致性數據交換?？偩€(xiàn)接口是個(gè)可參數化的同步／異步８位接口，適合于Ｍｏｔｏｒｏｌａ 和Ｉｎｔｅｌ 微控制器／ 處理器。ＳＰＣ３內部集成了１．５ｋＢ的雙口ＲＡＭ，整個(gè)ＲＡＭ 采用８字節的段結構方式，共分成１９２段，所有需要分配地址的ＢＵＦ指針必須指向段的開(kāi)頭。ＤＰ通信的服務(wù)存取點(diǎn)由ＳＰＣ３自動(dòng)建立，呈現在用戶(hù)面前的各種報文信息就是不同ＢＵＦ的內部數據。用戶(hù)可以通過(guò)總線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)ＳＰＣ３的內部ＲＡＭ。

ＳＰＣ３的內部看門(mén)狗定時(shí)器可工作于３ 種不同狀態(tài)?波特率監測、波特率控制和ＤＰ控制狀態(tài)。內部的ＵＡＲＴ可實(shí)現串并數據流的相互轉變。ＳＰＣ３可自動(dòng)標識總線(xiàn)的波特率（范圍為９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ） ?？臻e定時(shí)器用于控制串行總線(xiàn)電纜上的總線(xiàn)定時(shí)，微序列器（ＭＳ ?Ｍｉｃｒｏ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｒ） 則控制整個(gè)ＳＰＣ３的工作過(guò)程。

ＳＰＣ３內部的１．５ｋＢ雙口ＲＡＭ的地址空間從００Ｈ到５ＦＦＨ，以８字節為一個(gè)單元，共分成１９２段，按其功能可分為以下三個(gè)區域：

（１）從００Ｈ到０１５Ｈ為方式設定和狀態(tài)指示寄存器區域。其中中斷請求寄存器可讀可寫(xiě)?寫(xiě)時(shí)主要用于調試。必須配置的還有中斷屏蔽寄存器、工作模式寄存器０和１、用于波特率控制的看門(mén)狗定時(shí)寄存器以及從站最小延遲時(shí)間寄存器。用于指示ＳＰＣ３工作情況的寄存器有中斷請求和中斷發(fā)生寄存器、狀態(tài)寄存器、輸入ＢＵＦ、輸出ＢＵＦ 和診斷ＢＵＦ的狀態(tài)寄存器。

（２）從０１６Ｈ到０３ＦＨ為配置參數區域。各種ＢＵＦ的指針與長(cháng)度（包括本站地址、地址允許改變變量、用戶(hù)看門(mén)狗值和設備標識號）均在此區域設置。這些ＢＵＦ包括三個(gè)輸入ＢＵＦ、三個(gè)輸出ＢＵＦ、兩個(gè)診斷ＢＵＦ、兩個(gè)輔助ＢＵＦ、一個(gè)配置ＢＵＦ、一個(gè)參數ＢＵＦ 和一個(gè)地址設置ＢＵＦ。這里的輸入輸出是相對于主站而言。需注意各個(gè)ＢＵＦ的指針定義，此處的指針指的是段序號。由于各個(gè)ＢＵＦ 的長(cháng)度必須是８字節的整數倍?即各ＢＵＦ的起始地址能被８整除?所以可以用段序號?０～１９１?標識出具體的ＢＵＦ 起始地址?例如參數ＢＵＦ的起始地址３Ｅ０Ｈ可以用指針７ＣＨ 表示。這種方法不僅可節約存儲空間?而且簡(jiǎn)潔明了。

（３）從０４０Ｈ到５ＦＦＨ的１４７２字節為用戶(hù)區域，可用于接收來(lái)自Ｉ／Ｏ應用和主站的數據。這些ＢＵＦ的配置（包括ＢＵＦ的長(cháng)度和初始地址）必須在ＳＰＣ３的“離線(xiàn)（ｏｆｆｌｉｎｅ） ”狀態(tài)下完成。用戶(hù)可以采用中斷或者輪循方式通過(guò)Ｉ／Ｏ與ＳＰＣ３交互數據。

３?。樱校茫撑cＡＴ８９Ｃ５１的接口設計

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，可以接８０Ｃ３２ 、８０Ｃ１６６、８０Ｃ１６５、ＨＣ１１、ＨＣ１６、ＨＣ１９６等單片機，ＳＰＣ３本身具有地址鎖存功能?不需另加鎖存器，自身可以產(chǎn)生片選信號。芯片配置是借助ＳＰＣ３的兩個(gè)輸入引腳ＸＩＮＴ／ＭＯＴ和ＭＯＤＥ 進(jìn)行的。ＸＩＮＴ／ＭＯＴ表示Ｉｎｔｅｌ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ等芯片類(lèi)別。ＭＯＤＥ表示ＳＰＣ３的工作模式，其中包括同步和異步。當其工作在同步模式時(shí)，ＳＰＣ３的ＸＲＥＡＤＹ（請求外部等待）引腳無(wú)效。

本設計中使用的單片機是ＡＴ８９Ｃ５１，其與ＳＰＣ３的接口電路如圖２所示。應當注意的是，當ＳＰＣ３采用Ｉｎｔｅｌ芯片工作于同步模式時(shí)?內部有自己的地址鎖存及解碼電路?所以，ＣＰＵ的低８位地址線(xiàn)可不經(jīng)過(guò)５７３鎖存器，而是直接與ＳＰＣ３連接?低８位地址線(xiàn)與８位數據線(xiàn)分時(shí)共用傳輸線(xiàn)?。而ＣＰＵ 的高８位地址線(xiàn)則直接與ＳＰＣ３的ＡＢ０～ＡＢ７相連?且必須為０００００ＸＸＸ?Ｘ表示０、１信號都行?，同時(shí)ＡＢ８－ＡＢ１０必須為低。此時(shí)片選信號輸入引腳不起作用?應將其接高電平。

ＣＰＵ與ＳＰＣ３通過(guò)ＳＰＣ３的ＲＡＭ交換數據?ＳＰＣ３的雙口ＲＡＭ應在ＣＰＵ 地址空間中統一分配地址。ＣＰＵ把這片ＲＡＭ當作自己的外部ＲＡＭ。ＣＰＵ采用Ｐ０和Ｐ２口擴展外部存儲器?Ｐ０口作為數據線(xiàn)和低８位地址線(xiàn)?Ｐ２口作為高８位地址線(xiàn)。

ＳＰＣ３ 用于進(jìn)行串行通信的４個(gè)管腳分別為ＸＣＴＳ、ＲＴＳ、ＴＸＤ和ＲＸＤ。ＸＣＴＳ的含義為清除發(fā)送?是ＳＰＣ３的輸入信號?表示允許ＳＰＣ３發(fā)送數據。此信號為低電平有效?且應一直維持低電平。ＲＴＳ為ＳＰＣ３ 的請求發(fā)送信號?通常接到收發(fā)器的輸出使能端。ＲＸＤ 和ＴＸＤ分別為串行接收和發(fā)送端口。

為提高系統的抗干擾性?ＳＰＣ３內部線(xiàn)路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入輸出通道上的電氣隔離采用的是６Ｎ１３７高速光耦。電源的電氣隔離則采用ＤＣＰ０５０５，這是一種５Ｖ到５Ｖ的隔離轉換電源。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信協(xié)議可保障通信的高可靠性?但應以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口設計時(shí)?必須遵循一定的規范?如信號的隔離、總線(xiàn)接口與收發(fā)間應避免線(xiàn)路過(guò)長(cháng)、電源的濾波處理、收發(fā)器和光耦的限流電阻及負載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當等。本設計選用６Ｎ１３７的高速光耦，ＳＮ７５ＡＬＳ１７６的收發(fā)器，通信速率可達６Ｍｂｐｓ，可用于大部分應用系統。如果用戶(hù)需要更高的通信速率，可以將光耦換成可達２５Ｍ波特率的ＨＣＰＬ－７７２０／７７２１。ＳＰＣ３與收發(fā)器的連接圖見(jiàn)圖３所示。

４　軟件實(shí)現

在進(jìn)行軟件設計時(shí)，首先要對ＳＰＣ３內部ＲＡＭ的０００Ｈ～０３ＤＨ進(jìn)行初始化。在為指針變量賦值時(shí)要注意：指針是段序號，且應能被８整除。ＳＰＣ３不允許地址溢出。也就是說(shuō)，如果用戶(hù)讀寫(xiě)超過(guò)了存儲范圍，就要減掉４００Ｈ，從而訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)新地址。這樣可節省存儲空間，但禁止覆 過(guò)程參數。如果由于緩沖器初始化錯誤而使微處理器溢出?也要執行同樣的過(guò)程。初始化時(shí)?進(jìn)行第一次數據配置的數據格式如下?

１７Ｈ＝８字節輸入，無(wú)連續性?

２７Ｈ＝８字節輸出，無(wú)連續性。

該數據格式定義了輸入和輸出數據的長(cháng)度。而診斷則分為狀態(tài)診斷和外部診斷，其中狀態(tài)診斷由ＳＰＣ３自動(dòng)執行?無(wú)需用戶(hù)考慮。用戶(hù)只需編寫(xiě)外部診斷程序即可。

因為ＳＰＣ３集成了完整的ＤＰ協(xié)議，所以在與主站通信時(shí)，ＡＴ８９Ｃ５１不用參與處理ＤＰ 狀態(tài)機。它主要負責存儲和處理主站送來(lái)的數據?以及組織送往主站的數據。從站的程序流程圖如圖４ 所示，其中的ＳＰＣ３初始化包括設置ＳＰＣ３允許的中斷、寫(xiě)入從站識別號和地址、設置ＳＰＣ３方式寄存器、設置診斷緩沖區、參數緩沖區、配置緩沖區、地址緩沖區和初始長(cháng)度，并根據以上初始值求出各個(gè)緩沖區的指針及輔助緩沖區的指針。然后根據傳輸的數據長(cháng)度確定輸出緩沖區、輸入緩沖區及指針。中斷程序則主要用來(lái)處理ＰＲＭ報文、ＣＦＧ報文、ＳＳＡ報文等。

５　結束語(yǔ)

本文主要從研發(fā)的角度介紹了ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 智能從站通信接口的硬件和軟件設計。其中硬件基本上屬于標準線(xiàn)路?只是由于速度的要求?對有些芯片要求較高。如果用戶(hù)對通信速度沒(méi)有過(guò)高的要求?完全可以選用較普通的芯片。而軟件則是開(kāi)發(fā)ＤＰ接口的難點(diǎn)?應在深入了解ＳＰＣ３芯片機理及ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ狀態(tài)機的基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。