一種基于變頻器的Profibus-DP通信接口設計

　　摘要：隨著(zhù)工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，基于Profibus—DP現場(chǎng)總線(xiàn)與Modbus協(xié)議的通信技術(shù)在國內外得到了廣泛的應用。然而要實(shí)現兩者之間數據轉換卻較為困難，原因是實(shí)現兩者之間數據轉換的產(chǎn)品相對較少。本文針對采用Modbus RTU協(xié)議通信的變頻器，提供了一種Prnfibus—DP現場(chǎng)總線(xiàn)與Modbus協(xié)議之間轉換的通信接口，主要闡述了該接口的軟硬件設計方案，并重點(diǎn)介紹了實(shí)現通信接口可靠性與實(shí)時(shí)性的方法。實(shí)驗結果證明了該設計方案的可行性。

　　隨著(zhù)工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應用。其中過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus(Process Fieldbus)是一種面向工廠(chǎng)自動(dòng)化、流程自動(dòng)化的國際性現場(chǎng)總線(xiàn)標準，以其靈活性、可靠性以及高性能價(jià)格比等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于制造業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化以及交通電力等領(lǐng)域。Profibus包括Profibus-DP，Profibus-FMS等系列，其中用于設備級控制系統與分散式 I/O通信的Profibus—DP是市場(chǎng)占有率領(lǐng)先的總線(xiàn)技術(shù)，它是世界上僅有的幾個(gè)開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一，也是我國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域行業(yè)標準中為數不多的現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一。

　　Modbus協(xié)議是廣泛應用于電子控制領(lǐng)域的一種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，其免費開(kāi)放性受到了很多商業(yè)用戶(hù)的親睞，成為全球最為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議之一。它支持多種電器接口，如RS-232，RS-485等。Modus協(xié)議包括ASCII(美國信息交換碼)、RTU(遠程終端設備)兩種。許多工業(yè)設備，包括 PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標準。

　　我國對于Profibus-DP技術(shù)的應用和研究主要以系統集成和工程應用為主，對于實(shí)現Profibus—DP與Modbus之間數據轉換的產(chǎn)品相對較少，且被一些公司壟斷，價(jià)格昂貴，針對變頻器領(lǐng)域的具體應用的產(chǎn)品更是少之又少，對于不具備DP通信能力的變頻器推廣與應用形成了瓶頸。

　　因此，目前迫切需要開(kāi)發(fā)出一種裝置，可以實(shí)現采用Modbus通信協(xié)議的變頻器與控制系統中的Profibus—DP主站之間進(jìn)行通信，使該類(lèi)變頻器具有Profibus-DP通信接口。

　　1 協(xié)議轉換通信接口硬件設計

　　1.1 協(xié)議轉換通信接口總體結構框圖

　　圖1是針對變頻器的Profibus—DP與Modbus協(xié)議之間轉換的通信接口總體結構框圖，主要包括主控制器、SPC3通信單元、光耦隔離電路、RS-485驅動(dòng)電路、5 V隔離電源、用戶(hù)接口電路及相應的外圍電路。

　　1.2 協(xié)議轉換通信接口硬件電路設計

　　如圖2所示，協(xié)議轉換單元中的主控制器采用PHILIPS公司的P89C51RD2HBBD單片機，主要用于控制Profibus-DP 協(xié)議芯片SPC3收發(fā)DP主站數據，并通過(guò)執行P89C51RD2HBBD單片機相應的協(xié)議轉換程序，將DP數據轉換為Modbus數據發(fā)送給變頻器用戶(hù)端;通過(guò)用戶(hù)接口電路也可將變頻器返回的數據信息通過(guò)SPC3通信單元傳送給DP主站;另外，在協(xié)議轉換過(guò)程中，由于變頻器端有4種不同的波特率，分別為 19 200bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而對于Profibus—DP其傳輸速率最高可達到12 Mbps，為防止數據在傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生丟失的情況，所述協(xié)議轉換單元另一重要功能即解決DP與Modbus協(xié)議在轉換過(guò)程中出現的通信速率不匹配問(wèn)題：為實(shí)現變頻器與主控制器之問(wèn)具有相同的傳輸速率，主控制器的兩個(gè)I/O口通過(guò)用戶(hù)接口單元與變頻器連接，在協(xié)議轉換單元開(kāi)始工作時(shí)，主控制器通過(guò)此接口獲得變頻器發(fā)送的波特率選擇信號，依此設置相應的異步串行通信的波特率，使變頻器與主控制器的傳輸速率一致。

　　協(xié)議轉換單元中的Profibus—DP協(xié)議芯片SPC3是Siemens為智能從站開(kāi)發(fā)的一款Profibus專(zhuān)用通信芯片，該芯片集成有完整的DP協(xié)議，能自動(dòng)檢測9.6 Kbps到12 Mbps范圍的波特率，內部集成有1.5KB的RAM。該芯片是專(zhuān)為循環(huán)MS0和非循環(huán)的MS1數據交換(即Profibus DP-V0和DP-V1)設計的。利用此芯片只需要極少的外部器件就可以實(shí)現一個(gè)Profib us的站點(diǎn);在本通信接口模塊中，其8根數據總線(xiàn)、11根地址總線(xiàn)以及相應控制總線(xiàn)分別與協(xié)議轉換單元中的主控制器相連;另外，SPC3芯片的數據發(fā)送信號TXD，數據接收信號RXD以及發(fā)送使能信號RTS與RS-485驅動(dòng)電路相接;SPC3的外部時(shí)鐘接口有24 MHz和48 MHz兩種可選，本設計采用48 MHz的有源晶振，為SPC3提供時(shí)鐘信號。另外，SPC3通過(guò)對48 MHz的時(shí)鐘信號四分頻為主控制器提供12 MHz的工作時(shí)鐘。

　　所述RS-485通信單元，實(shí)現了本接口通信裝置DP從節點(diǎn)的物理層功能，其中，為避免總線(xiàn)信號受到DP從站設備的干擾，總線(xiàn)A、B數據信號線(xiàn)接口采用50 M波特率的光耦HCPL 7101隔離，RTS信號線(xiàn)采用10 M波特率的光耦HCPL0601隔離;此外，為防止設備啟用時(shí)，RTS信號高電平占用總線(xiàn)而引起總線(xiàn)系統錯誤，HCPL7101輸出端先經(jīng)過(guò)反相器74HC132在接入總線(xiàn);另外，對于光耦隔離電源本接口設計采用芯片ADUM5000，ADUM5000為2.5 kV隔離DC/DC轉換芯片，其電源輸入為5 V或3.3 V，輸出5 V或3.3 V;本設計中所選ADUM50 00的輸入輸出所選均為5 V，其中輸入端電源是由變頻器通過(guò)用戶(hù)接口提供，其隔離出的5 V電源為RS-485驅動(dòng)電路以及光耦的后級供電。

　　2 協(xié)議轉換通信接口軟件設計

　　2.1 主程序流程

　　如圖3所示，主程序流程：首先初始化SPC3，由DP主站配置相應的組態(tài)報文以及參數報文，同時(shí)初始化P89C51RD2HBBD單片機的異步串行通信接口;在SPC3完成初始化后，即可與DP主站進(jìn)入數據交換狀態(tài)，等待主站發(fā)送命令;若主站有數據輸出，單片機取得數據存入輸出數據緩沖區(相對于主站)，如果緩沖區無(wú)溢出，調用Modbus協(xié)議程序，把數據封裝為Modbus幀格式，通過(guò)串口傳送給變頻器端。如果輸出緩沖區有溢出，產(chǎn)生外部診斷，在DP主站下一次輪詢(xún)從站獲取診斷報文時(shí)，發(fā)送給主站，由主站給予處理。變頻器端在接收到DP主站發(fā)送的命令后，返回響應數據，單片機通過(guò)串口獲取該數據，并存入輸入數據緩沖區(相對于主站)，若輸入緩沖區無(wú)溢出，存入SPC3數據緩沖區，等待輪詢(xún)，與主站交換數據。若有溢出，產(chǎn)生外部診斷，在DP主站下一次輪詢(xún)從站獲取診斷報文時(shí)，發(fā)送給主站，由主站給予處理。

　　2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究——可靠性與實(shí)時(shí)性

　　在協(xié)議轉換過(guò)程中，由于變頻器端有4種不同的波特率，分別為19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而對于Profibus—DP其傳輸速率最高可達到12 Mbps，兩者的通信速率并不完全匹配，為防止由于DP主站通信速率相對變頻器較高而致使發(fā)送的控制命令信息被覆蓋掉，在P89C51RD2HBBD單片機中開(kāi)辟輸出雙緩沖區，即協(xié)議轉換單元接收DP主站發(fā)送數據時(shí)，先將其存儲在第一個(gè)緩沖區，待數據轉送給變頻器后，立即清空該緩沖區，并置位第一個(gè)緩沖區的空標志位，等待下一次數據存儲，在下次數據到來(lái)時(shí)，首先查看兩個(gè)緩沖區的空標志位，把數據存儲到已經(jīng)清空的緩沖區中，再通過(guò)協(xié)議轉換程序處理后及時(shí)發(fā)送至變頻器，通過(guò)該雙緩沖區從而避免數據信息被覆蓋掉的可能性，同時(shí)，為防止在一些特殊情況下，比如DP通信速率達到最高，而變頻器數據傳輸速率設置為最低，可能導致雙緩沖區溢出而喪失避免數據信息被覆蓋的功能，可利用SPC3通信單元產(chǎn)生數據溢出用戶(hù)診斷報文，發(fā)送至DP主站，主站通過(guò)讀取診斷信息獲知產(chǎn)生錯誤原因，并作出相應處理。對于變頻器側數據傳輸速率遠遠大于DP通信的波特率時(shí)，在單片機中開(kāi)辟輸入雙緩沖區，采用同樣的方式達到通信接口數據傳輸的可靠性與實(shí)時(shí)性。

　　3 測試實(shí)驗與結果分析

　　為了驗證本文所設計的Profibus-DP與Modbus協(xié)議轉換接口軟硬件的正確性與合理性，結合實(shí)驗室現有的實(shí)驗條件，采用PLC 300作為DP主站，搭建實(shí)驗測試平臺。測試流程如圖4所示：首先，對DP主站進(jìn)行初始化，在進(jìn)入DP主站進(jìn)入數據交換狀態(tài)時(shí)，根據變頻器實(shí)際的控制命令，由DP主站向變頻器端發(fā)送控制命令幀，協(xié)議轉換接口在接收到DP主站發(fā)送的數據后，解析出實(shí)際的變頻器控制命令，將其封裝為Modbus數據，送至變頻器端，變頻器根據所接收到的Modbus數據，做出相應的回復，其返回數據再通過(guò)DP與Modbus協(xié)議通信接口轉換為DP幀格式的數據送至DP主站。同時(shí)為了更加直觀(guān)的觀(guān)察協(xié)議轉換接口轉換的DP數據與Modbus數據，分別采用ProfiTrace對DP主站發(fā)送和接收的數據進(jìn)行監控，同時(shí)，協(xié)議轉換接口將所得到Modbus數據送至串口調試助手，通過(guò)串口調試助手監控所轉換的Modbus數據的與DP主站所交換的數據是否相同，從而提高了測試試驗的可信度，也更進(jìn)一步驗證了協(xié)議轉換接口的功能的可靠性。其中ProfiTrace為DP數據監測裝置，通過(guò)相應的操作軟件Proficore可以實(shí)時(shí)的獲取DP總線(xiàn)上傳輸的數據。

　　對于DP主站的初始化，如圖5所示，當DP主站完成參數報文配置和組態(tài)報文配置，在得到診斷信息00 0C 00 0100 08之后便進(jìn)入數據交換階段，如圖6所示，實(shí)線(xiàn)方框圈起的部分為DP主站發(fā)送的變頻器命令，虛線(xiàn)方框圈起的部分為變頻器返經(jīng)過(guò)DP與Modbus協(xié)議轉換接口返回的響應數據，通過(guò)Proficore監測界面可以看到，DP主站輸出的數據與所接收到的數據都為06 C8 00 00 25，其中，06 C8 00 00 25為DP主站向變頻器發(fā)送的控制啟動(dòng)命令，變頻器在正確接收到該控制命令之后，將所接收到的數據返回至DP主站，以便告知主站命令數據正確接收。

　　另外，如圖7所示，通過(guò)串口調試助手獲得的協(xié)議轉換接口轉換的Modbus數據為01 06 C8 00 00 25 76 71，總共8個(gè)字節，其中01為變頻器定義的地址，76 71為Modbus數據的CRC校驗碼，06 C8 00 00 25為實(shí)際的數據部分，與DP主站發(fā)送和接收到的數據一致。

　　由于Profibus—DP通信速率最高可達到12 Mbps，對于變頻器端定義了四種不同的波特率，分別為19 200bps，9600bps，4 800 bps，2 400 bps，為了驗證協(xié)議轉換接口在不同通信速率下轉換數據的正確性與可靠性，通過(guò)DP主站以及協(xié)議轉換接日分別設置不同頻率的通信速率，經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗對此通信接口進(jìn)行多次測試，均能保證數據傳輸正確。

　　4 結論

　　綜上所述，本協(xié)議轉換通信接口是在一塊電路板上有效的集成了Profibus-DP智能從站接口，又嵌入了DP數據與Modbus數據轉換功能，使采用Modbus RTU協(xié)議通信的變頻器可以與采用Profibus—DP協(xié)議的主站通信。在硬件方面，采用P89C51RD2HBBD+SPC3協(xié)議芯片+RS485驅動(dòng)電路，即可實(shí)現Modbus協(xié)議與Profibus-DP協(xié)議之間的轉換，通過(guò)用戶(hù)接口與變頻器物理連接;在軟件方面，根據變頻器的四類(lèi)控制命令：控制變頻器起停、讀變頻器當前狀態(tài)、設置變頻器參數與讀取變頻器參數，由DP主站把控制命令轉化成相應的DP幀格式數據發(fā)送到本裝置的DP從節點(diǎn)，主控制器通過(guò)SPC3通信單元獲取該數據之后，將其封裝為Modbus數據，利用單片機的異步串行接口發(fā)送給變頻器，達到控制變頻器的目的，同樣，變頻器根據接收到的控制命令返回相應的數據信息，主控制器通過(guò)用戶(hù)接口電路獲得，并提取有效數據將其發(fā)送至SPC3協(xié)議芯片的輸出緩沖區，與DP主站進(jìn)行周期性交換數據，另外，為實(shí)現變頻器與DP主站的通信速率匹配，通過(guò)在主控制器內部RAM開(kāi)辟5字節的雙緩沖區，在主控制器通過(guò)SPC3通信單元接收DP主站數據時(shí)，先判斷兩緩沖區的空標志位，將數據存儲到空標志位為0的緩沖區中，經(jīng)協(xié)議轉換處理發(fā)送給變頻器后，立即清空該緩沖區以及相應的空標志位，等待下一次數據傳輸，同時(shí)，為確保協(xié)議轉換的安全可靠性，如果雙緩沖區產(chǎn)生溢出的情況時(shí)，通過(guò)SPC3通信單元產(chǎn)生溢出診斷報文返回至DP主站，由DP主站做出相應的處理。

　　與現有技術(shù)相比，本設計針對采用Modbus RTU協(xié)議的變頻器，提供了一種Modbus與Profibus-DP之間進(jìn)行協(xié)議轉換的通信接口裝置。通過(guò)實(shí)驗驗證，本通信接口軟硬件設計正確，可以實(shí)現采用Modbus RTU協(xié)議的變頻器與DP主站進(jìn)行通信，且數據轉換實(shí)時(shí)可靠。在一定程度上，對于采用Modbus協(xié)議通信的變頻器，本通信接口擴大了其應用范圍，具有重要的實(shí)際意義。