李俊湘

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 惠州 516100）

1 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。P rofibus現(xiàn)場(chǎng)總線由P rofibus-DP，P rofibus-FMS，P rofibus-PA組成，其中DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是一種經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbit/s～12Mbit/s，主要用于現(xiàn)場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求，特別適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS主要解決車間級(jí)通信問題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器（PLC）、低壓開關(guān)等，PA型采用了OSI模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層、適用于過程自動(dòng)化的總線類型［1］。P rofibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備，能夠接收P rofibus的PLC主站或PC主站的控制數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)數(shù)字化、智能雙向、多點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制；而且DP智能從站執(zhí)行器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，因此開發(fā)智能化DP從站具有巨大的前景。

2 P rofibus總線MAC協(xié)議

3種系列的P rofibus（DP、PA和FMS）使用同一種總線存取協(xié)議，也就是說具有相同的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL，F(xiàn)ieldbus Data Link）,該通信協(xié)議的介質(zhì)存取控制（MAC,Medium Access Control）采用兩種存取方式，即主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，其中令牌傳遞控制如圖1所示。

在圖1中，P rofibus總線上的主設(shè)備M3獲得令牌，即獲得了總線控制權(quán)，此時(shí)，主設(shè)備M3與M5進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)M3也可以與從設(shè)備S1、S2、S3等進(jìn)行通信，M3對(duì)從設(shè)備進(jìn)行循環(huán)查詢。當(dāng)M3主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者M(jìn)3的控制時(shí)間終了時(shí)，它就將主站令牌傳遞給下一個(gè)主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之間進(jìn)行傳遞。

P rofibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)，P rofibus—DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（T oken B us）和主從方式。令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或其它主站進(jìn)行通信。令牌傳遞在主站間的總線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成邏輯令牌環(huán)，保證每個(gè)主站在確定時(shí)間內(nèi)能夠取得總線使用權(quán)（令牌），并且任一時(shí)刻只能有一個(gè)主站發(fā)送數(shù)據(jù)，完全避免了沖突；令牌在所有主站間循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間是預(yù)先規(guī)定好的，保證報(bào)文傳遞的實(shí)時(shí)性［2－3］。

圖1 PROFIBUS總線存取方法

3 P rofibus從站硬件設(shè)計(jì)

P rofibus-DP區(qū)分主動(dòng)和被動(dòng)兩種總線節(jié)點(diǎn)。主動(dòng)節(jié)點(diǎn)為主設(shè)備，被動(dòng)節(jié)點(diǎn)為從設(shè)備。運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)需要控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問。在圖1中，按主從令牌方式訪問網(wǎng)絡(luò)的原則，只有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)才有接受訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利。通過從一個(gè)主站將令牌傳遞給下一個(gè)主站來獲得訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利。如果不需要發(fā)送，令牌就傳遞給下一個(gè)主站。被動(dòng)的總線節(jié)點(diǎn)是直接通過主模塊的輪詢來分配的。

如果采用一般的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)部件就不能滿足通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性。因此，DP從站必須采用相應(yīng)的接口模板來實(shí)現(xiàn)其通信的性能。

3.1 ASIC芯片的選取

P rofibus通信接口芯片有很多種，各種芯片有各自的連接方法和工作特性，本系統(tǒng)選用ASIC SPC3芯片，SPC3是一種用于從站的智能通信芯片，具有1.5Kbyte的信息報(bào)文存儲(chǔ)器，采用44管腳的PQFP封裝；可獨(dú)立完成全部P rofibus-DP通信功能，這樣可加速通信協(xié)議的執(zhí)行，而且可減少接口模板微處理器中的軟件程序。其總線存取由硬件驅(qū)動(dòng)，與應(yīng)用對(duì)象之間通信采用數(shù)據(jù)接口，因此數(shù)據(jù)的交換獨(dú)立于總線周期。在與應(yīng)用對(duì)象之間硬件連接方面，微處理器提供了方便的接口。SPC3主要技術(shù)指標(biāo)為：在P rofibus上自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，最大數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s。外部時(shí)鐘接口24MH z或48MH z；集成的看門狗，RS485傳輸，完整的P rofibus-DP協(xié)議集成于芯片中。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，總線接口單元（BIU）是可參數(shù)化的8位同步/異步數(shù)據(jù)接口，用戶可以通過11位地址總線（AB）存取1.5KRAM或數(shù)據(jù)所存器。方式寄存器（Mode Register）在SPC3啟動(dòng)后，加載過程指定參數(shù)（例如從站地址、緩沖器地址、控制位信息等）。過程指定參數(shù)和數(shù)據(jù)緩沖器都存放在1.5KRAM中，RAM和RAM控制器組成雙口RAM。狀態(tài)寄存器（Status Register）存放從站的狀態(tài)信息，以便在任何時(shí)間能掃描現(xiàn)場(chǎng)總線的介質(zhì)訪問子層（MAC）。中斷控制器接收不同事件的中斷請(qǐng)求，由SPC3一個(gè)共同的中斷輸出口輸出。內(nèi)置的看門狗定時(shí)器有3種工作狀態(tài)：Baud-Search、Baud-Control、DP-Control。串行通訊接口（UART）把并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流輸出到RS485總線上，并自動(dòng)識(shí)別波特率；總線定時(shí)器直接控制串行總線電纜上的時(shí)序。微處理控制器是本系統(tǒng)的核心［4－5］。

3.2 從站硬件構(gòu)成

智能化DP從站的硬件系統(tǒng)由SPC3芯片、8032微處理器、擴(kuò)展接口芯片8255和8279、外部EPROM組成，系統(tǒng)通過并行接口8255的PA接收反饋信號(hào)，經(jīng)過微處理器8032的程序控制，再由8255的PB口輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；同時(shí)8032通過SPC3使用RS-485與外界通信，獲得數(shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 SPC3 ASIC芯片結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能DP從站硬件組成圖

在圖3中，通過在擴(kuò)展8255上連接不同的外圍電路（A/D或D/A），可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器、變送器等多個(gè)智能化從站。SPC3的RAM空間地址分配情況如下，處理器參數(shù)鎖存/寄存器地址為：000H～015H；中斷控制器地址為：00H～03H；04H、05H為狀態(tài)寄存器；06H、07H為方式寄存器0；08H、09H為方式寄存器1；016H～039H為組織參數(shù)，用來存放緩沖器的長(zhǎng)度和地址結(jié)構(gòu)信息；040H以上為DP緩沖器，如數(shù)據(jù)輸入/輸出緩沖、診斷緩沖、輔助緩沖等等，該段內(nèi)存包含了SPC3的服務(wù)存取點(diǎn)（SAP55～62），能完成DP從站與主站的通信任務(wù)。

本系統(tǒng)中，DP從站的過程參數(shù)主要有兩類：一是從站自身的傳感器輸入的參數(shù)；一類是主站通過P rofibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給從站的參數(shù)，如控制指令等等，這些參數(shù)都必須通過微處理器8032進(jìn)行智能化運(yùn)算。

4 程序設(shè)計(jì)

SPC3協(xié)議芯片主要功能如下：在SPC3支持的DP主站一從站服務(wù)中，診斷處理、參數(shù)化、檢查組態(tài)數(shù)據(jù)和從設(shè)備地址設(shè)置4種協(xié)議報(bào)文是開發(fā)人員必須了解的。①診斷處理：當(dāng)從設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，可以通過診斷報(bào)文向主站傳遞相關(guān)信息，此信息是從設(shè)備主動(dòng)發(fā)送的；②參數(shù)化（PRM）：參數(shù)化報(bào)文主要是主站用來設(shè)置從設(shè)備的工作參數(shù)。從站的參數(shù)化在DP系統(tǒng)的建立階段首先完成，也可在用戶數(shù)據(jù)交換模式中完成；③檢查組態(tài)數(shù)據(jù)（CFG）：此功能允許DP主站傳送組態(tài)數(shù)據(jù)到DP從站以便檢查.它們包括輸入輸出區(qū)域的范圍，也包括關(guān)于數(shù)據(jù)連續(xù)性的信息。DP從站中的用戶程序會(huì)對(duì)接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，將結(jié)果通知SPC3；④變更DP從站的地址（SSA）：此功能允許DP主站（2類）變更DP從站的地址，如DP從站沒有存儲(chǔ)能力（EEPROM，F(xiàn)LASH）或如果地址設(shè)置是以一個(gè)開關(guān)來實(shí)施的，則此功能以RS出錯(cuò)報(bào)文來拒絕。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，將軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成主程序模塊和中斷處理模塊，主程序模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和寄存器狀態(tài)查詢，并根據(jù)寄存器狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作，這一過程主要處理一些對(duì)時(shí)間關(guān)鍵性要求相對(duì)較低的操作，如IN/OUT數(shù)據(jù)的處理、診斷報(bào)文的處理等；中斷處理模塊主要處理對(duì)時(shí)間關(guān)鍵性要求較高的操作，如設(shè)備的上/下線處理、參數(shù)化報(bào)文處理、從設(shè)備通道配置報(bào)文處理、設(shè)備地址報(bào)文和設(shè)備波特率變更報(bào)文處理等過程。

圖4、圖5所示分別為主程序模塊和中斷處理模塊的工作流程。

在圖4主程序模塊的工作流程中，SPC3初始化是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，SPC3的初始化過程主要包括以下內(nèi)容。

SPC3中斷配置。SPC3最多支持11種類型的中斷，用戶程序可以對(duì)SPC3需要響應(yīng)的中斷進(jìn)行設(shè)置。

圖4 主程序模塊流程圖

圖5 中斷模塊流程圖

用戶定時(shí)器配置。在用戶定時(shí)器超時(shí)后，SPC3會(huì)認(rèn)為用戶程序發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)自動(dòng)切換其工作狀態(tài)，以防止設(shè)備發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全。

設(shè)備地址設(shè)置。SPC3內(nèi)0xl6H為寫入設(shè)備地址的地方。

SPC3內(nèi)各種緩沖區(qū)地址及長(zhǎng)度計(jì)算。需要注意的是，最后的長(zhǎng)度值是以段為單位的。需要計(jì)算的內(nèi)容包括：輸入/輸出緩沖區(qū)的長(zhǎng)度和指針，存放診斷處理、參數(shù)化、組態(tài)數(shù)據(jù)檢查和從設(shè)備地址設(shè)置等多種協(xié)議報(bào)文的緩沖區(qū)長(zhǎng)度及指針等。SPC3只提供一個(gè)中斷，用戶程序在響應(yīng)中斷后，根據(jù)中斷請(qǐng)求寄存器（IRR）中的內(nèi)容來判斷具體發(fā)生何種類型的中斷事件，中斷處理模塊主要完成以下工作：①檢查并處理新的PRM報(bào)文；②檢查并處理新的CFG報(bào)文；③檢查并處理新的SSA報(bào)文。

5 結(jié)束語

P rofibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要目標(biāo)是滿足工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)快速、高效的數(shù)據(jù)通信要求，通過P rofibus網(wǎng)和軟件的對(duì)策可實(shí)現(xiàn)真正的快速，包括快速采集大量的常規(guī)通道信號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。智能從站是P rofibus網(wǎng)的重要組成部分，DP的從站設(shè)計(jì)方法有多種，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體要求，選擇合適的芯片；同時(shí)設(shè)計(jì)出的從站產(chǎn)品，經(jīng)過必要的測(cè)試，如數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通訊、可靠性和抗干擾性等，方可投入使用。本文提出的DP從站，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制過程的最優(yōu)化，是目前較為先進(jìn)和可靠的產(chǎn)品。

［1］劉美俊.西門子PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］單志華，周炎濤，王興仙.基于PROFIBUS智能斷路器通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（8）：138－141.

［3］杜大軍，費(fèi)敏銳，宋 楊等.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要回顧及展望［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（3）：713－720.

［4］PROFIBUSspecification No.0.032 ，PROFIBUS specification Normative Parts，Part8：user specification［S］.

［5］PROFIBUSspecification No.0.032，PROFIBUS specification Normative Parts，Part 4：Data Link Layer Protocol specification［S］.