基于MSP430單片機的Profibus-DP通信接口

O 引言

　　Profibus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。因此世界上任何人都可以獲得該標準并設計各自的軟硬件解決方案。Pro-fibus-DP通信接口的開(kāi)發(fā)有兩種方案選擇：單片機+軟件;單片機+Profibus通信芯片ASIC。

　　方案2中Profibus-DP協(xié)議完全由Profibus通信ASIC來(lái)實(shí)現，單片機主要處理用戶(hù)程序。因此方案2開(kāi)發(fā)周期相對少很多，本文將采用單片機+Profibus通信ASIC來(lái)實(shí)現Profibus通信接口的設計。

　　1 Profibus-DP基本特性

　　Profibus包括三個(gè)兼容系列：Profibus-FMS，Profibus-DP，Profibus-PA。FMS提供大量的通信服務(wù)用于完成以中等傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務(wù);DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速廉價(jià)的通信連接，適用于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，主要用于自動(dòng)控制與分散式外設之間的通信;PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化而設計，具有本質(zhì)安全性，用于安全性要求較高的場(chǎng)合及總線(xiàn)供電的站點(diǎn)。

　　1.1 協(xié)議結構

　　Profibus-DP協(xié)議采用了ISO/OSI模型的第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)，除去了3～7層，并自定義了用戶(hù)接口層，這種協(xié)議結構保證了數據傳輸的快速有效。

　　1.2 報文結構

　　Profibus-DP數據編碼采用異步不歸零制，傳輸線(xiàn)的空載電平為“1”。為了避免數據傳輸中發(fā)生沖突而導致數據丟失，在每個(gè)請求報文發(fā)送前必須保證33位(同步時(shí)間)的空載狀態(tài)。在單個(gè)字符間所有數據傳送時(shí)沒(méi)有間隙，即無(wú)縫。各種報文的格式如圖1所示。

　　1.3 Profibus-DP從站狀態(tài)機

　　圖2為DP從站狀態(tài)機的簡(jiǎn)單圖示。各種橢圓表示不同的狀態(tài)，帶箭頭的連線(xiàn)表示狀態(tài)間的轉換，連線(xiàn)上的文字表示狀態(tài)轉換所需滿(mǎn)足的條件。

　　只有在Power_on狀態(tài)，從站可以接收來(lái)自二類(lèi)主站的“Set_Slave_Address"報文，從而改變從站地址，從站應具有非易失性存儲器來(lái)存儲從站地址。內部啟動(dòng)后，從站進(jìn)入wait_Prm狀態(tài)，等待“Wait_Prm”報文。參數化報文由用戶(hù)組態(tài)時(shí)給定，包括一些標準的信息，如識別號、同步鎖定能力，還包括了一些用戶(hù)特別定義的數據，另外，在此狀態(tài)從站還可以接收“Get_Cfg”報文、“Slave_Diag”報文，但拒絕處理其他報文，不能進(jìn)行數據通信。如果Set_Prm正確，從站進(jìn)入wait_Cfg狀態(tài)，等待“Check_Cfg”報文，該報文規定主站對它的配置信息，即數據交換中的輸入輸出字節數。此外，也可接收“Get_Cfg”報文、“Slave_Diag”的報文。當參數化與配置正確通信，在此狀態(tài)，從站可以接收以下報文：Data_Exchange_Ok、Writing_outputs，Reading_Inputs，Global_Control，Slave_Diag，Get_Cfg等。從站接收主站的狀態(tài)請求后，以高優(yōu)先級的診斷報文作為應答。診斷信息包括了標準診斷信息和與用戶(hù)有關(guān)的信息。

　　2 通信接口硬件設計

　　本文選用的Profibus-DP的通信協(xié)議芯片為SPC3。SPC3集成了全部的Profibus-DP協(xié)議。SPC3在DP方式下將完成所有DP-SAP的設置。SPC3內部集成了1.5 KB的雙口RAM，包括參數寄存器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器，中斷控制器等。SPC3內部集成的看門(mén)狗定時(shí)器有3種工作狀態(tài)：波特率檢測、波特率控制和從站控制。內部的USART可實(shí)現并行數據流和串行數據流的相互轉換。微順序控制器控制整個(gè)工作過(guò)程?？臻e定時(shí)器直接控制串行總線(xiàn)的時(shí)序。

　　考慮到Profibus對速率的要求本文選用高速率，低功耗的16位MSP430單片機，采用Intel工作方式。CPU與SPC3接口電路如圖3所示。對于MSP430單片機而言，SPC3相當于它擴張的一個(gè)外部RAM。單片機可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)外部RAM的方法訪(fǎng)問(wèn)SPC3的寄存器。RS 485驅動(dòng)器的一端與SPC3相連，另一端通過(guò)9針D型插頭與總線(xiàn)相連。RS 485驅動(dòng)器選擇SN75SLS176來(lái)滿(mǎn)足高速的數據通信。

　　3 通信接口軟件設計

　　軟件設計是開(kāi)發(fā)Profibus-DP通信接口的一個(gè)重要環(huán)節。由于SPC3集成了完整的DP協(xié)議，因此在進(jìn)行通信時(shí)，MSP430單片機不用參與處理DP狀態(tài)機。主要任務(wù)是根據SPC3產(chǎn)生的中斷，對SPC3接收到數據轉存，組織要通過(guò)SPC3發(fā)給的數據，并根據要求組織外部診斷。

　　主程序流程圖如圖4所示，在SPC3正常工作之前，需要進(jìn)行初始化，以配置需要的寄存器，包括設置協(xié)議芯片的中斷允許，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，配置緩沖區，地址緩沖區，初始化長(cháng)度，并根據以上初始值得出各個(gè)緩沖區的指針和輔助緩沖區的指針。根據確定輸出緩沖區、輸入緩沖區及指針，初始化流程圖如圖5所示，初始化包括：SPC3硬件復位、硬件模式、設置SPC3中斷屏蔽寄存器、SPC3內部看門(mén)狗、設備標識號、緩沖區初始化。

　　中斷程序流程圖如圖6所示，在Profibus-DP中最主要處理以下的中斷事件：新的參數報文事件，全局控制命令報文事件，進(jìn)入或退出數據交換狀態(tài)事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，檢測到波特率事件，看門(mén)狗事件。

　　4 結語(yǔ)

　　選用的MSP430單片機具有高速率、低功耗的特點(diǎn)，SPC3芯片則集成了Profibus-DP全部協(xié)議內容，整系統功能相對完善，使用方法簡(jiǎn)單。本方案用于Profibus-DP通信接口的開(kāi)發(fā)，可以減少開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化。