摘 要：工控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與總線相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線分布式控制離不開Profibus接口。介紹了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的基本特征和智能從站通訊接口芯片SPC3，闡述了SPC3與AT89C52的接口設(shè)計(jì)和智能從站的軟件設(shè)計(jì)。以SPC3芯片為核心開發(fā)的智能從站能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制，在工控現(xiàn)場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：SPC3；現(xiàn)場(chǎng)總線；智能從站；AT89C52

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0314902

Application of SPC3 in Design of Profibus—DP Intelligent Slave Station

ZHANG Jie1，WANG Zheng2，GUO Tianle3

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，650093，China；

2.China Tobacco Yunnan Industrial Corporation，Kunming，650011，China；

3.Kunming Roleeteen Electronics System Company Limited，Kunming，650032，China)

Abstract：Profibus interface to connect field equipment with field bus in industrial control field and to realize distributed control.This paper introduces the basic characteristics of Profibus field bus and the communication interface chip of intelligent slave，and describes the interface design between SPC3 and AT89C52 and the software design of the intelligent slave.The intelligent slave based on SPC3 has the data acquisition and transfer function，and it has a broad application prospect in industrial control field.

Keywords：SPC3；field—bus；intelligent slave；AT89C52

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、開放互操作性的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)[1]。Profibus作為最有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線廣泛應(yīng)用于車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通訊與控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制也需提供Profibus接口。同時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)也必須帶有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口[2]?；谕ㄓ嵔涌谛酒琒PC3開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線智能從站，能很好地實(shí)現(xiàn)工控現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與控制，為現(xiàn)場(chǎng)分布式控制創(chuàng)造了條件，同時(shí)智能從站的開發(fā)也為打破國(guó)外總線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品壟斷和國(guó)內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的基本特征

Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus—DP，Profibus—FMS和Profibus—PA三個(gè)兼容版本[3]。Profibus—DP用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O間的通訊，具有速度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)[4]。Profibus—DP采用了OSI模型的物理層和數(shù)字鏈路層，同時(shí)隱去了第3～7層，實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口。Profibus總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和從站之間的主從方式，如圖1所示。Profibus用差分電壓輸出的RS 485實(shí)現(xiàn)電流的連接。Profibus—DP使用發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)需應(yīng)答服務(wù)和發(fā)送數(shù)據(jù)不需應(yīng)答服務(wù)。在發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)需應(yīng)答服務(wù)中，主站發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到從站和主站接收從站數(shù)據(jù)的輸入，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)答。

圖1 Profibus總線存取協(xié)議

2 智能從站通訊接口芯片SPC3

Profibus具有較為復(fù)雜的通訊協(xié)議，這使得智能從站的開發(fā)具有相當(dāng)?shù)碾y度。智能從站通訊接口芯片SPC3集成了Profibus—DP/DPV1的全部協(xié)議，可以極大減輕相連的微控制器負(fù)荷。SPC3的應(yīng)用使得智能從站的開發(fā)不必關(guān)注復(fù)雜協(xié)議，減輕了開發(fā)技術(shù)難度、節(jié)省了時(shí)間和資金。SPC3數(shù)據(jù)存取由硬件驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)交換獨(dú)立于總線周期，所以具有較好的穩(wěn)定性。他可滿足報(bào)文的一致性數(shù)據(jù)交換，保障數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)，可以自動(dòng)建立Profibus—DP通訊的服務(wù)存取點(diǎn)，通過自動(dòng)識(shí)別與接收，SPC3可以獲取傳送給本站的數(shù)據(jù)報(bào)文。用戶可以通過總線接口訪問SPC3的內(nèi)部RAM，而呈現(xiàn)在用戶面前的各種報(bào)文信息是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。SPC3內(nèi)部集成了1.5 kB的雙口RAM，其存儲(chǔ)分配表如表1所示。SPC3有14個(gè)中斷源，中斷無優(yōu)先級(jí)，主要是通過中斷屏蔽寄存器和中斷響應(yīng)寄存器來實(shí)現(xiàn)中斷且共用一個(gè)中斷輸出。同時(shí)，SPC3集成的看門狗計(jì)數(shù)器可以工作于波特率監(jiān)測(cè)、波特率控制和DP控制3種狀態(tài)。

表1 SPC3存儲(chǔ)分配表

3 SPC3與AT89C52的接口設(shè)計(jì)

SPC3具有8根數(shù)據(jù)線和11根地址線[5]?；赟PC3開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線智能從站具備的主要功能為：使具有RS 232接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能與Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制，各個(gè)單列的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)開放互連通訊。在硬件設(shè)計(jì)上，我們選用AT89C52八位MCU控制通信過程。SPC3完成Profibus—DP協(xié)議處理工作，他與AT89C52的接口設(shè)計(jì)圖如圖2所示。SPC3通過地址線和數(shù)據(jù)線同MCU的P0口和P2口相連，同時(shí)設(shè)定為同步工作方式。AT89C52的8位地址線直接與SPC3連接，這樣低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線共用。AT89C52的高8位地址線與SPC3的AB0～AB7數(shù)據(jù)線相連，并將SPC3內(nèi)部1.5 kBRAM作為自己外部RAM，統(tǒng)一分配地址空間，并通過雙端口完成對(duì)SPC3的初始化和數(shù)據(jù)交換。外部設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)RS 232接口處理芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后接入AT89C52的P0口。

圖2 SPC3與AT89C52的接口設(shè)計(jì)圖

4 智能從站的軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)總線智能從站的軟件設(shè)計(jì)包括主程序和中斷程序的設(shè)計(jì)。首先是對(duì)AT89C52和SPC3的初始化。AT89C52負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理主站發(fā)送的數(shù)據(jù)以及組織發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)，不參與處理DP狀態(tài)機(jī)。對(duì)SPC3內(nèi)部RAM的000H～03DH進(jìn)行初始化，為指針變量賦值應(yīng)考慮指針是斷序號(hào)并且能被8整除。根據(jù)SPC3初始值求出各個(gè)緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針，依據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度確定輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)及指針。主站檢查參數(shù)是否與主站配置參數(shù)表一致，當(dāng)雙方完全一致時(shí)，從站才能配置

輸入輸出字節(jié)數(shù)、診斷字節(jié)數(shù)和各類數(shù)據(jù)指針。再次比較，主從站配置參數(shù)完全一致時(shí)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶設(shè)備通過I/O程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)文數(shù)據(jù)處理。SPC3產(chǎn)生的中斷信號(hào)引發(fā)AT89C52中斷處理程序，中斷處理程序主要用來處理PRM報(bào)文、CFG報(bào)文、SSA報(bào)文。主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 中斷程序流程圖

5 結(jié) 語

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備往往只具備RS 232通訊接口，本文以SPC3芯片為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Profibus—DP和RS 232數(shù)據(jù)通信智能從站。智能從站可嵌入具有RS 232接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，開關(guān)量控制，AI，AO，DI，DO等多種功能?；赟PC3開發(fā)的智能從站具有較強(qiáng)的可控、可操作能力，能方便接入主站與上位機(jī)和其他總線系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制層PCS和制造執(zhí)行層MES的數(shù)據(jù)通信。

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作者簡(jiǎn)介

張 婕 女，1976年出生，貴州遵義人，碩士，講師。主要研究方向?yàn)檐囕v調(diào)度系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真和可視化建模、機(jī)電課程教學(xué)等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。