《電子技術(shù)應(yīng)用》
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嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)
摘要: 本文論述了一種PROFIBUS-DP從站開發(fā)方案,為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品的用戶,以O(shè)EM方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口,。
Abstract:
Key words :

     0引言

  目前國內(nèi)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品(電器,、儀表、驅(qū)動(dòng)裝置等)提出PROFIBUS通信功能要 求,,主要來源于:

  (1)國外生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)的引進(jìn),特別是從歐洲引進(jìn)的成套設(shè)備通常采用PROFIBUS現(xiàn)場總線 ,,因此對(duì)國內(nèi)配套產(chǎn)品提出了現(xiàn)場總線PROFIBUS通信功能的技術(shù)要求;

 ?。?)國內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)廠家比較成功的,、面向行業(yè)的控制系統(tǒng),要求系統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)場總線技術(shù) 發(fā)展,,同時(shí)也要求現(xiàn)場設(shè)備向智能化,、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

  基于上述需求,,嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品的用戶提供了一種快速,、高效的解決方案。

  1實(shí)現(xiàn)方法

 ?。?)電路設(shè)計(jì)制作:使用PROFIBUS通信專用ASIC芯片SPC3實(shí)現(xiàn)協(xié)議相 關(guān)內(nèi)容,,選用合適的CPU,外圍加帶光電隔離的RS-485驅(qū)動(dòng),;

 ?。?)單片機(jī)+Firmware軟件:需要在單片機(jī)中編程(Firmware軟件),實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ASIC的結(jié)合,;

 ?。?)用戶產(chǎn)品的CPU通過串行接口向PROFIBUS-DP從站通信接口板讀/寫輸入/輸出數(shù)據(jù);PROFIBUS-DP從站通信接口板自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信,;

 ?。?)編寫GSD文件,搭建一個(gè)調(diào)試與測試平臺(tái)進(jìn)行PROFIBUS系統(tǒng)配置,。

  2硬件設(shè)計(jì)

  嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口板(以下簡稱接口板)由CPU芯片,、PROFIBUS 協(xié)議芯片SPC3及光隔RS485驅(qū)動(dòng)等電路組成,如圖1所示,。

  

  接口板與用戶模板采用串口連接,,使用波特率選擇開關(guān)可選擇指定 的7種波特率(9600、19.2K,、 38.4K,、57.4K、115.2K、 230.4K,、460,、8K)中的一種;接口板需要用戶模板 提供2組5 V電源(VCC/GND150 mA和5 V/0V-100 mA),,分別作為接口 板的電源及光隔外電源,,由16針插座J1引 入。信號(hào)A,、B,、RTS及5 V、0 V可直接引到用戶模板PROFIBUS的D型插 頭上(使用 PCB布線或軟接線均可),。根據(jù)PROFIBUS產(chǎn)品測試技術(shù)規(guī)范,,此接法引線或軟接線 不宜過長,通常PCB引線不超過20 cm,、軟接線不超過 10 cm,。

  如果PROFIBUS的D型插頭與接口板之間需要更長的引線,可以從接口板上的10針插頭J2引出 ,,此時(shí)需要采用外接口轉(zhuǎn)接板,。

  用戶模板PROFIBUS插頭為孔型(famel)D型插頭,與接口板16針插座連接如圖2 所示,。接口板CPU芯片采用普通的51單片機(jī)即可,,考慮到PROFIBUS對(duì)速率的要求,推薦使用 高速率,、低功耗的8位AVR單片機(jī)作為接口板CPU,。

     0引言

  目前國內(nèi)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品(電器、儀表,、驅(qū)動(dòng)裝置等)提出PROFIBUS通信功能要 求,,主要來源于:

  (1)國外生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)的引進(jìn),,特別是從歐洲引進(jìn)的成套設(shè)備通常采用PROFIBUS現(xiàn)場總線 ,,因此對(duì)國內(nèi)配套產(chǎn)品提出了現(xiàn)場總線PROFIBUS通信功能的技術(shù)要求;

 ?。?)國內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)廠家比較成功的,、面向行業(yè)的控制系統(tǒng),要求系統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)場總線技術(shù) 發(fā)展,,同時(shí)也要求現(xiàn)場設(shè)備向智能化,、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

  基于上述需求,,嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品的用戶提供了一種快速,、高效的解決方案。

  1實(shí)現(xiàn)方法

 ?。?)電路設(shè)計(jì)制作:使用PROFIBUS通信專用ASIC芯片SPC3實(shí)現(xiàn)協(xié)議相 關(guān)內(nèi)容,,選用合適的CPU,外圍加帶光電隔離的RS-485驅(qū)動(dòng),;

 ?。?)單片機(jī)+Firmware軟件:需要在單片機(jī)中編程(Firmware軟件),實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ASIC的結(jié)合,;

 ?。?)用戶產(chǎn)品的CPU通過串行接口向PROFIBUS-DP從站通信接口板讀/寫輸入/輸出數(shù)據(jù);PROFIBUS-DP從站通信接口板自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信,;

 ?。?)編寫GSD文件,搭建一個(gè)調(diào)試與測試平臺(tái)進(jìn)行PROFIBUS系統(tǒng)配置,。

  2硬件設(shè)計(jì)

  嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口板(以下簡稱接口板)由CPU芯片,、PROFIBUS 協(xié)議芯片SPC3及光隔RS485驅(qū)動(dòng)等電路組成,如圖1所示,。

  

  接口板與用戶模板采用串口連接,,使用波特率選擇開關(guān)可選擇指定 的7種波特率(9600、19.2K,、 38.4K,、57.4K、115.2K,、 230.4K,、460、8K)中的一種,;接口板需要用戶模板 提供2組5 V電源(VCC/GND150 mA和5 V/0V-100 mA),,分別作為接口 板的電源及光隔外電源,由16針插座J1引 入,。信號(hào)A,、B、RTS及5 V,、0 V可直接引到用戶模板PROFIBUS的D型插 頭上(使用 PCB布線或軟接線均可),。根據(jù)PROFIBUS產(chǎn)品測試技術(shù)規(guī)范,此接法引線或軟接線 不宜過長,,通常PCB引線不超過20 cm,、軟接線不超過 10 cm。

  如果PROFIBUS的D型插頭與接口板之間需要更長的引線,,可以從接口板上的10針插頭J2引出 ,,此時(shí)需要采用外接口轉(zhuǎn)接板。

  用戶模板PROFIBUS插頭為孔型(famel)D型插頭,與接口板16針插座連接如圖2 所示,。接口板CPU芯片采用普通的51單片機(jī)即可,,考慮到PROFIBUS對(duì)速率的要求,推薦使用 高速率,、低功耗的8位AVR單片機(jī)作為接口板CPU,。

  3軟件設(shè)計(jì)

  3.1接口板與用戶模板的串口通信設(shè)置

  接口板與用戶模板通過串口連接,Txd,、Rxd為TTL電平,,半雙工通信。通信方式采 用應(yīng)答方式:用戶模板主動(dòng)詢問,,接口板被動(dòng)回答,。設(shè)定每個(gè)字節(jié)用11 bits傳送:1個(gè)啟始 位、8個(gè)數(shù)據(jù)位,、1個(gè)偶校驗(yàn)位,、1個(gè)停止位,即51內(nèi)核單片機(jī)的通信方式3,。

  3.2報(bào)文長度

  接口模板的初始化報(bào)文(發(fā)送,、接收)固定長度49字節(jié);接口板與用戶模板之間數(shù) 據(jù)交換報(bào)文(發(fā)送,、接收),,長度由用戶在初始化報(bào)文中設(shè)定,最大為113字節(jié),;PROFIBUS輸 入/ 輸出數(shù)據(jù)量可自由設(shè)定,,最大112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出。

  3.3實(shí)現(xiàn)功能

 ?。?)可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能:用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)在主站配置 中設(shè)定,,主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站,用戶模板可利用這些參數(shù)實(shí) 現(xiàn)參數(shù)化,;

 ?。?)接口板與用戶模板通信有字符偶校驗(yàn)和縱向報(bào)文校驗(yàn)和,保證數(shù)據(jù)安全性,;

 ?。?)接口板內(nèi)設(shè)有備份I/O通信緩沖區(qū),可保證實(shí)現(xiàn)PROFIBUS與串口通信數(shù)據(jù)的完整性(一致 性)和同步要求,。

  3.4用戶模板的通信基本過程

  3.4.1初始化

  用戶模板按接口板上波特率選擇開關(guān)設(shè)置的波特率向接口板發(fā)初始化報(bào)文,,然后等待接收接 口板的回答,如圖3所示,。接口板回答初始化成功后,,進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài),。

  3.4.2數(shù)據(jù)交換狀態(tài)

  初始化成功后接口板進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài),反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。此時(shí),,用戶模板主動(dòng) 向接口板發(fā)送“輸入數(shù)據(jù)報(bào)文”,其中包含PROFIBUS輸入數(shù)據(jù),;接口板回答“輸出數(shù)據(jù)報(bào)文 ”,其中包含PROFIBUS輸出數(shù)據(jù),,如圖4所示,。

  數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下接口板的程序流程見圖5。

  

  

  

  

  4系統(tǒng)配置

  4.1關(guān)于GSD文件

 ?。?)每一個(gè)PROFIBUS從站或一類主站有一個(gè)“設(shè)備描述文件”稱為GSD文件,,用來描 述該P(yáng)ROFIBUS-DP設(shè)備的特性;

 ?。?)GSD文件包含了設(shè)備所有定義參數(shù),,包括:支持的波特率、支持的信息長度,、輸入/輸出 數(shù)據(jù)數(shù)量,、診斷數(shù)據(jù)的含義、可選模塊種類等,;

 ?。?)無論使用什么樣的系統(tǒng)配置軟件,都要根據(jù)GSD文件來對(duì)設(shè)備配置,。

 ?。?)國際PROFIBUS組織PI提供了GSD文件編輯軟件gsdedit.exe,該軟件依照PROFIBUS技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)格式規(guī)定,,對(duì)用戶編輯的GSD文件進(jìn)行格式檢查,。

  4.2如何使用“用戶參數(shù)user—prm”

  4.2.1“用戶參數(shù)user—prm”的選擇

  對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備,常需要用戶根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)定一些參數(shù),,其中有些參數(shù)不需要在設(shè)備運(yùn) 行中實(shí)時(shí)改變,,如變頻器的電流上限保護(hù)與報(bào)警值、溫度傳感器的測量溫度范圍,、熱電偶選 型,、輸出4~20 mA/1~5 V選擇等。如果這些參數(shù)作為PROFIBUS主站的I/O輸出,,將占 用PROFIBUS主站 I/O資源和周期性輪循PROFIBUS從站的時(shí)間資源,。

  將這些參數(shù)處理成“用戶參數(shù)”,將會(huì)縮短PROFIBUS主站通信時(shí)間,、減小通信報(bào)文長度,、提 高總線通信效率,。使用“用戶參數(shù)”技術(shù),只需要在主站配置中做出參數(shù)選擇,,主站在與從 站連接時(shí),,一次性將這些參數(shù)傳送到從站,從站就可以使用這些用戶選擇的參數(shù)對(duì)從站進(jìn)行 參數(shù)化(初始化,、參數(shù)設(shè)定),。

  4.2.2確定“用戶參數(shù)”類型、個(gè)數(shù),、字節(jié)長度

  以一個(gè)4通道模擬量輸入模塊為例,,假設(shè)需要用戶設(shè)置的參數(shù)有:

  ·輸入類型1~5 V、0~10 V,、0~5 V,、-10~+10 V、4~20 mA,、0~20 mA共8種選擇 ,;占1個(gè)字節(jié),以INPUT=0~7分別表示這8種輸入類型,;

  ·數(shù)據(jù)類型BCD(0000~9999),、無符號(hào)整型(0~65 535)、有符號(hào)整型(-32 767~+32 76 7)共3種選擇,;占1個(gè)字節(jié),,以VAR=0~2分別表示這3種數(shù)據(jù)類型;

  ·輸入模式單端輸入(4通道),、雙端輸入(2通道)共2種選擇,;占1個(gè)字節(jié),以CHNO=0,、1分 別表示這2種輸入模式,;

  由此,用戶參數(shù)長度User—Prm—Data—Len=3,。

  4.2.3帶有“用戶參數(shù)”描述的GSD文件

  對(duì)上例,,GSD文件中至少有如下關(guān)于“用戶參數(shù)”的描述:

  

  4.2.4在主站配置中選擇用戶參數(shù)

  用戶在系統(tǒng)中配置從站參數(shù),完全靠GSD文件描述,。在STEP 7的HARDWARE中配置從站,,可設(shè) 定總線波特率及站地址,其中設(shè)定的站地址必須與用戶模板上地址設(shè)置一致,。

  帶有“用戶參數(shù)”選擇菜單的GSD文件,,可在STEP7中生成更加友好的用戶參數(shù)配置界面。

  5結(jié)束語

  應(yīng)用嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設(shè)計(jì)方案,,用戶不必了解PROFIBUS技術(shù)規(guī)范細(xì)節(jié),。具有開發(fā)周期短,、技術(shù)指 標(biāo)高、技術(shù)升級(jí)快,、擁有產(chǎn)品自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等優(yōu)點(diǎn),,但用戶須有單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及PROF IBUS產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前國內(nèi)多家儀表廠商已在此方案的基礎(chǔ)上開發(fā)出了自己的 PROFIBUS -DP從站產(chǎn)品,。

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