牛昱光，崔正文

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

為了適應不同自動化系統(tǒng)的應用需求，出現(xiàn)了擁有不同技術特點的現(xiàn)場總線[1]。每種現(xiàn)場總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景拓展其應用領域，多種總線在一個應用領域中協(xié)調共存，不同的總線設備為用戶提供了產品選擇多樣性的同時，也給用戶帶來了設備兼容性問題，傳統(tǒng)的單一現(xiàn)場總線儀表已經不能靈活地適用于自動化系統(tǒng)。因此,針對多種總線共存的客觀事實，探討如何使智能儀表適應不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結構及功能

本文系統(tǒng)以STC12C5612AD作為智能儀表的主CPU(內部燒寫有MODBUS通信協(xié)議),設置一個由主CPU所在板引出的引腳為 GND、VDD、TXD、RXD、INT1、AGND、VCC的公共通信接口，可以連接485、PROFIBUS、CAN三種通信板中的一種通信電路實現(xiàn)通信。其中CAN、PROFIBUS通信 電 路 分 別 有 獨 立 的 CPU （AT89C51CC03[2]和P89V51RD2，分別燒寫了DEVICENET和PROFIBUS-DP協(xié)議），與主CPU構成雙CPU結構。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括：RS-485、CAN和 PROFIBUS通信接口電路。其中,RS-485通信電路包括光耦和485驅動電路；CAN接口電路由如圖2所示的CAN控制電路和如圖3所示的CAN驅動電路組成。PROFIBUS-DP接口電路由CPU（P89V51RD2）、通信協(xié)議控制芯片 SPC3[3]、高速光耦HCPL0601和 RS-485總線驅動電路組成,如圖4所示。CAN接口電路與PROFIBUS接口電路相似，由于篇幅所限，本文以PROFIBUS接口電路為例進行說明。

圖2 CAN主控制電路

圖3 CAN驅動電路

由圖4可知，PROFIBUS-DP接口電路的CPU（P89V51RD2）負責控制 SPC3實現(xiàn) PROFIBUS-DP總線數(shù)據(jù)的轉換與共享。SPC3已集成了PROFIBUS-DP物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)功能,可獨立處理PROFIBUS-DP協(xié)議；DP通信服務存取點由SPC3自動建立，各種報文信息呈現(xiàn)在用戶面前是不同BUF的內部數(shù)據(jù)，用戶可以通過總線接口單元來訪問這些內部數(shù)據(jù)。SPC3選擇工作在Intel模式下 (XINT／MOT接低電平，MODE接高電平,J2引入 2路+5 V隔離電源J3用作編程口。P89V51RD2通過P0、P2口與SPC3的總線單元連接來讀寫SPC3的1.5 KB RAM[4]，P0口作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線復用口，P2口作為高8位地址總線。由于SPC3內部集成了鎖存器,所以 P89V51RD2的 P0口AD0～AD7與 SPC3的 DB0～DB7直接相連。P89V51RD2的讀寫控制信號和ALE信號分別與SPC3的XWR、XRD和 ALE相連，CPU通過 P1.0對 SPC3進行復位,并且通過外部中斷引腳P3.2接入SPC3的中斷信號X/INT。撥碼開關電路用于設置DP從站波特率。外接TL7705實現(xiàn)看門狗功能。由于SPC3僅集成了物理層的數(shù)據(jù)傳輸功能，不具備RS-485的驅動接口，因此擴充了RS-485驅動電路。另外為避免總線引入干擾，在SPC3與RS-485總線驅動電路之間采用10 Mb/s高速光耦HCPL0601進行光電隔離。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 RS-485通信軟件的設計

RS-485通信由主CPU控制，不需外接單獨的CPU，采用中斷方式通信。PC機作為上位機，與儀表采用問答方式通信，總線上的設備在時序上需嚴格配合，必須遵從以下原則：(1)復位時，從機都應該處于接收狀態(tài)；(2)控制端、DE的信號有效脈寬應該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)也要考慮延時；(3)總線上所連接設備的發(fā)送控制信號在時序上要完全隔開。RS-485串行通信程序流程如圖5所示。RS-485串行通信采用MODBUS消息幀RTU模式,整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，則接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內接著前個消息開始，則接收設備將認為它是前一消息的延續(xù)。

圖4 PROFIBUS接口電路

3.2 CAN總線軟件設計

CAN總線軟件的任務是實現(xiàn)CAN總線[5]與RS-485總線間的通信，完成兩者的協(xié)議轉換。主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。在初始化CAN內部寄存器時，要注意保證各節(jié)點的位速率一致，而且接發(fā)雙方必須同步。為提高通信的實時性，報文的接收和發(fā)送采用定時中斷接收方式。編寫初始化程序應注意:先清除所有通道和其對應的狀態(tài)寄存器；根據(jù)外部時鐘和需要的CAN比特率初始化位定時器；根據(jù)收發(fā)要求定義通道的ID和過濾器寄存器；初始化對應通道的收發(fā)標志和數(shù)據(jù)的字節(jié)；在CAN中斷接收程序中還要注意接收到數(shù)據(jù)后重新初始化，并設置使能接收通道，以便接收下次中斷數(shù)據(jù)。同樣，在定時中斷發(fā)送例程中，把數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)后要置發(fā)送標志，并重新初始化定時器。CAN通信流程如圖6所示。

圖5 RS-485串行通信流程

3.3 PROFIBUS-DP從站軟件設計

采用PROFIBUS-DP通信的智能儀表通常作為PROFIBUS-DP總線的從站設備，其軟件程序包括通信主程序、SPC3初始化和中斷處理，其主程序流程圖如圖7所示。PROFIBUS-DP通信控制器SPC3集成了PROFIBUS-DP協(xié)議。P89V51RD2微處理器需要對SPC3進行合理的配置、初始化及報文處理。微處理器除了要完成串口端的定時/計數(shù)器工作方式、波特率、中斷方式設置等自身初始化任務外，還要對SPC3進行開中斷、從站識別地址、片內方式寄存器、診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始長度等初始化設置。中斷處理程序用來處理SPC3發(fā)生的各種事件 （如新的參數(shù)報文事件、全局控制命令報文事件、新的地址設置報文事件、新的組態(tài)報文事件等）。

圖6 CAN通信流程

圖7 PROFIBUS主程序流程

本文設計的三種通信程序都是在Keil-Uvision3仿真軟件環(huán)境下進行C51編寫、編譯和調試；GSD文件是在西門子GSD文件編輯器(GSD Editor)[6]環(huán)境下進行編寫和編譯。

4 測試結果

4.1 MODBUS通信測試

使用STC-ISP.exe燒寫程序軟件將MODBUS通信程序以冷啟動方式寫入主芯片STC12C5612AD。單臺儀表可以通過“ComMonitor”串口調試軟件按照標準 RTU信息幀格式測試。

4.2 CAN通信測試

使用Atmel-Flip2.4.6燒寫程序軟件，將CAN通信程序以冷啟動方式寫入主芯片T89C51CC03。使用周立功公司的PCI-9810主站卡插在PC機PCI插槽上作為主節(jié)點，通信調試軟件使用ZLGCANTest-PCI9810。

4.3 PROFIBUS通信測試

將智能儀表作為從站并設置地址為3，實現(xiàn)與主站PC（地址1）的通信。由于PROFIBUS-DP在底層物理層上采用RS-485協(xié)議，因此可以通過串口調試助手軟件SComAssistant V2.1模擬DP系統(tǒng)工作過程，對總線數(shù)據(jù)進行偵聽。

4.4 通信測試結果

智能儀表分別配置的MODBUS、PROFIBUS和 CANBUS三種通信試驗板均能夠接收上位機主節(jié)點發(fā)送的命令，同時發(fā)送響應信息至上位機，實現(xiàn)主從站數(shù)據(jù)交換，且收發(fā)數(shù)據(jù)正確，測試結果表明本設計方案可行。

本文介紹的帶有多現(xiàn)場總線接口的智能儀表，使智能儀表具備了 MODBUS、PROFIBUS和 CANBUS三種獨立的現(xiàn)場總線通信功能。通信板采用統(tǒng)一標準接口的集成化模塊結構設計，使得智能儀表更換通信板更加便捷、高效，避免了智能儀表的二次開發(fā)。為解決控制系統(tǒng)多種總線并存環(huán)境下的信息交換提供了一種解決方案，具有一定的應用價值。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]ATMELL.Enhanced 8-bit MCU with CAN controller and flash memory AT89C51CC03 datasheet[S].2007.

[3]Germany,Siemens AG.Siemens AG，SIMATIC NET SPC3 PROFIBUS controller user description[S].2000.

[4]孫鶴旭,梁濤,云利軍.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[5]BOSCH Inc.CAN 2.0 specification part A&B.1991.

[6]羅紅福，胡斌，鐘存福,等.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線工程應用實例解析[M].北京:中國電力出版社,2008.