, ， , ，

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)

基于PROFIBUS總線的控制器智能從站設(shè)計

劉海山,宋茜，喬森,樊茜，焦震

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京100076)

針對控制器智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢,為了使具有RS485/RS232接口的控制器方便地接入PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),基于C8051F020單片機(jī),研制了以西門子公司的協(xié)議芯片SPC3為基礎(chǔ)的PROFIBUS-DP從站。首先介紹了PROFIBUS通信的基本原理,然后詳細(xì)論述了硬件的幾個組成部分的功能,對軟件的整體結(jié)構(gòu)及部分模塊進(jìn)行了論述,同時還給出了抗干擾的幾種措施,最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備間通信正常,可以應(yīng)用于設(shè)備數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行和控制等,實(shí)現(xiàn)RS485/RS232設(shè)備與PROFIBUS現(xiàn)場總線的無縫互聯(lián)。

PROFIBUS-DP從站;SPC3;C8051F020

0 引言

現(xiàn)場總線是具有實(shí)時通信能力的分布式控制網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前最受關(guān)注的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)形式,己經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)場總線技術(shù)具有豐富的內(nèi)涵,涉及智能儀表技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、實(shí)時控制技術(shù)、集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等諸多領(lǐng)域。PROFIBUS作為工業(yè)界最具代表性的現(xiàn)場總線,應(yīng)用非常廣泛。PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接,是專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散I/O之間的通信設(shè)計的,其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。

PROFIBUS現(xiàn)場總線早在1989年就已經(jīng)成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245,隨著進(jìn)一步的推廣和完善,在1996年P(guān)ROFIBUS被批準(zhǔn)成為歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN50170。在2000年頒布的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中,PROFIBUS成為該國際標(biāo)準(zhǔn)定義的8種類型現(xiàn)場總線之一。在國際許多高端的工業(yè)生產(chǎn)過程控制底層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行和控制的設(shè)備(如控制器,變頻器、電機(jī)啟動保護(hù)裝置、智能高低壓電器、電量測量裝置、各種變送器、智能現(xiàn)場測量設(shè)備及儀表等)和產(chǎn)品中，現(xiàn)場總線接口已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。Siemen公司在其驅(qū)動產(chǎn)品中采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線,Rockwell的電機(jī)控制產(chǎn)品則使用了Device Net現(xiàn)場總線,Schneider公司的Lexium 05系列的中高端通用型伺服驅(qū)動器中提供了PROFIBUS現(xiàn)場總線和CAN總線接口,瑞士Infranor公司的部分伺服驅(qū)動器集成了PROFIBUS和CAN總線接口。德國Beckhoff公司也為其伺服驅(qū)動器提供了SERCOS、PROFIBUS、Device Net等現(xiàn)場總線接口模塊。

而在我國,PROFIBUS則在2006年10月才成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20540-2006。因此目前為止，由于技術(shù)和成本方面的考慮，國內(nèi)大部分企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過程控制設(shè)備大多都只具有RS232或RS485串行口,都不具備現(xiàn)場總線接口的能力。本文正是基于以上國產(chǎn)控制設(shè)備現(xiàn)狀,設(shè)計了以C8051F020單片機(jī)為控制芯片,SPC3為通信芯片的PROFIBUS-DP從站,重點(diǎn)闡述了PROFIBUS-DP從站在硬件和軟件上的設(shè)計思路和實(shí)現(xiàn)方法。本文設(shè)備具有高速傳輸工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)功能,能夠很方便地與使用RS232或RS485串口的接口設(shè)備相連,實(shí)現(xiàn)RS232設(shè)備和PROFIBUS-DP總線之間協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,較好地解決了現(xiàn)有國產(chǎn)產(chǎn)品的總線接入問題。

1 硬件電路設(shè)計

電路上采用以“RS232/RS485接口電路+從站地址設(shè)備電路撥碼開關(guān)+微控制器C8051F020+PROFIBUS-DP智能從站ASIC協(xié)議處理芯片SPC3+帶電流隔離485驅(qū)動電路”為框架構(gòu)成,其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。C8051F020微控制器用來實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的讀入和通信芯片的控制,SPC3用來完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system hardware structure

1.1 C8051F020與SPC3的接口電路

微控制器選用Cygnal公司的C8051F020單片機(jī),它的內(nèi)核速度可達(dá)25MIPS,具有4352B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64KB FLASH存儲器,已經(jīng)能滿足本設(shè)計數(shù)據(jù)通信對內(nèi)存的要求,故電路設(shè)計中省略了原參考電路中外接的74LS573鎖存器和片外RAM。C8051F020存儲芯片可以在系統(tǒng)編程,調(diào)試方便;8個8位的端口I/O,所有口線都耐5V電壓,可以很容易接八位的撥碼開關(guān)和驅(qū)動數(shù)碼管;可同時使用的2個增強(qiáng)UART串口,分別用作RS232和RS485的接口;專用的看門狗定時器,可省略復(fù)位電路等。

智能從站芯片SPC3支持PROFIBUS-DP協(xié)議,可以由硬件完成PROFIBUS-DP通信控制功能,內(nèi)部具有1.5K RAM的片上數(shù)據(jù)信息存儲緩沖器,對RS-485總線的存取完全由硬件控制,最大傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。SPC3上固化有固件,可實(shí)現(xiàn)對SPC3內(nèi)部寄存器與外設(shè)應(yīng)用接口之間的通信連接的控制以及對PROFIBUS狀態(tài)機(jī)的控制。使用固件可為用戶節(jié)省自主開發(fā)的時間。

MCU與SPC3的接口電路如圖1所示,SPC3接48MHz有源晶振,通過11條地址線和8條數(shù)據(jù)線和MCU的P6口和P7口相連。由于MCU選用INTEL微處理器,要注意SPC3應(yīng)工作于同步模式。由于內(nèi)部有自己的鎖存及解碼電路,故MCU 8位地址線不經(jīng)過4LS573鎖存芯片而直接與SPC3連接,這樣低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線共用,而MCU高8位地址線與SPC3的AB0～AB7數(shù)據(jù)線相連,且AB8～AB10必須為低。MCU將SPC3內(nèi)部1.5K RAM作為自己外部RAM,為了便于分配地址空間,需將地址線A12加一非門,從而使SPC3的片外地址從0X1000開始,并通過數(shù)據(jù)的讀寫信號WR、RD對SPC3的初始化和數(shù)據(jù)進(jìn)行交換,同時接上復(fù)位信號RESET來初始化SPC3清空寄存器,還需接一個外部中斷信號來響應(yīng)SPC3的中斷程序。SPC3的其他引腳可以參考資料分別接地或電源。

1.2 SPC3的485通信電路

SPC3中的三根信號RTS(請求發(fā)送)、TXD(串行發(fā)送)、RXD(串行接收)經(jīng)UART口,把并行數(shù)據(jù)流變換為串行數(shù)據(jù)流和將串行數(shù)據(jù)流變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)流，并經(jīng)光耦進(jìn)行電流隔離接入RS485總線驅(qū)動芯片中。由于傳輸速率達(dá)12Mbit/s,故高速光耦采用25M的HCPL072l和10M的HCPL060l,同時RS485芯片也采用高速通信芯片SN65ALS176,速度可達(dá)25M,XCTS(清除發(fā)送)接地不用。為提高硬件的抗干擾能力,在電路的設(shè)計上必須考慮對光耦兩側(cè)的芯片進(jìn)行電流隔離雙電源供電。我們采用DCPO505進(jìn)行電源隔離。

1.3 其他電路

從站地址設(shè)置單元電路的目的在于,用戶可自由通過從站線路板上的八位地址開關(guān)選擇從站地址,靈活組態(tài)。

數(shù)碼管電路為了檢測通信是否正常,可以通過數(shù)碼管來顯示通信數(shù)據(jù)。

2 軟件編程及GSD文件的編寫

2.1 軟件編程

本程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計,整個程序分主程序和調(diào)用的子程序。主程序主要包括C8051F020、 SPC3的初始化程序和外部診斷程序等。中斷處理程序作為調(diào)用子程序, SPC3產(chǎn)生的中斷接入MCU,使MCU引發(fā)中斷處理程序。

程序主要由C8051F020的初始化程序initial.c、用戶程序userspc3.c、spc3結(jié)構(gòu)體及宏操作模塊spc3dps2.h、中斷模塊intspc3.c及子函數(shù)模塊dps2spc3.c五個程序文件組成。

其中主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The software main program flow chart

上電后,首先對單片機(jī)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行初始化。首先關(guān)閉MCU的看門狗,配置交叉開關(guān)來分配通信串口UART、外部中斷、I/O口等資源,同時對各個資源進(jìn)行配置；然后對SPC3進(jìn)行初始化,以配置需要的寄存器,包括設(shè)置協(xié)議芯片的中斷允許,寫入從站識別號和地址,設(shè)置SPC3 方式寄存器,設(shè)置診斷緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始化長度,并根據(jù)以上初始值得出各個緩沖區(qū)的指針；最后,主站檢查以上參數(shù)是否與主站參數(shù)表一致,只有一致時,才能進(jìn)行后續(xù)參數(shù)的配置。只有當(dāng)所有參數(shù)一致時,才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中斷程序流程圖如圖3所示,當(dāng)外部中斷INT0被觸發(fā)時,將執(zhí)行中斷模塊中的子程序。主要處理參數(shù)校核中斷事件、組態(tài)檢查中斷事件、從站地址設(shè)定中斷事件等。

圖3 中斷程序流程圖Fig.3 The system interrupt program flow chart

2.2 GSD文件的編寫

GSD文件為電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件,記錄了從站的各種屬性,并隨從設(shè)備一起提供給用戶。GSD文件一般分為總規(guī)范、與DP有關(guān)的規(guī)范、與DP從站有關(guān)的規(guī)范，可從網(wǎng)上下載現(xiàn)有的功能相似產(chǎn)品的GSD文件,根據(jù)自己的功能在GSDEDIT軟件中改寫即可。與DP從站有關(guān)的屬性應(yīng)與程序中配置的參數(shù)一致,如:是否支持Freeze和SYNC狀態(tài)等要設(shè)置一樣,同時要保持從站地址與程序中的地址ID號一致。

3 提高系統(tǒng)可靠性措施

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,存在許多干擾因素,其中最主要的有以下幾種:電磁干擾、電源干擾和信號線的干擾等,在設(shè)計時須采取措施盡量避免。以下為幾種抗干擾方法。

3.1 硬件設(shè)計方面

1)元器件選擇:選用質(zhì)量可靠的元器件是提高系統(tǒng)可靠性的根本保證,微處理器選用工業(yè)極的單片機(jī)C8051F020,集成電路的旁路電容應(yīng)選用質(zhì)量較好的瓷介電容等。

2)PCB板設(shè)計:各功能模塊布局盡量合理,電路板采用四層板,中間兩層為電源和地,頂層和低層為信號線,提高信號抗干擾能力;電源和地線加粗等。

3.2 軟件設(shè)計方面

1)為防止系統(tǒng)軟件的死鎖, 啟動C8051F020 微處理器內(nèi)部的看門狗。

2)在不用的程序存儲區(qū)內(nèi)填寫0x00, 或設(shè)置軟件陷阱, 防止程序跑飛。

3)設(shè)計軟件時, 該項(xiàng)目采用了模塊化的設(shè)計, 各個模塊具有唯一對應(yīng)的狀態(tài)。程序運(yùn)行相當(dāng)于狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所開發(fā)的從站是否與主站連上且具有交換數(shù)據(jù)的功能,進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)實(shí)物如圖4所示。該系統(tǒng)采用PLC300為主站,選用CPU為315-2dp,首先用step7進(jìn)行軟件組態(tài),添加CPU模塊、電源模塊和輸入輸出模塊,設(shè)置PLC為DP主站；然后,把改寫的GSD文件導(dǎo)入,再把該模塊掛到DP總線上,設(shè)置好從站地址和數(shù)據(jù)傳輸率；然后選輸入輸出字節(jié)模塊,下載到PLC中,看故障燈是否閃爍。程序中的組態(tài)配置的從站數(shù)據(jù)格式與GSD文件中的也要一致,且從站地址要撥到設(shè)定的地址位置。經(jīng)過調(diào)試,故障燈變綠(原來是紅燈不斷的閃爍),說明從站已經(jīng)連上。在PLC用MOVE指令編寫簡單數(shù)據(jù)傳送程序,可把數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)緩沖區(qū)中,且傳輸率可達(dá)12Mbit/s,可用數(shù)碼管顯示數(shù)字,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通信成功。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 The system experimentation

5 結(jié)論

本文基于國產(chǎn)控制設(shè)備大都不具備現(xiàn)場總線接口能力的現(xiàn)狀,設(shè)計了一款以C8051F020單片機(jī)為控制芯片,SPC3為通信芯片的RS232或RS485串行口轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-DP總線的從站設(shè)備。該產(chǎn)品采用“RS232/RS485接口電路+從站地址設(shè)備電路撥碼開關(guān)+微控制器C8051F020+ PROFIBUS-DP智能從站ASIC協(xié)議處理芯片SPC3+帶電流隔離485驅(qū)動電路”方案。經(jīng)測試,設(shè)計的從站完全滿足PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可達(dá)12Mbit/s,運(yùn)行穩(wěn)定,可滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的需求,如變頻器、I/O口設(shè)備、執(zhí)行器等,提供通信基礎(chǔ),很好地解決了當(dāng)前國產(chǎn)設(shè)備掛到PROFIBUS總線上的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)設(shè)備控制器RS485/RS232設(shè)備與PROFIBUS現(xiàn)場總線的無縫互聯(lián)。且又是一個低成本、高性能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備,實(shí)測數(shù)據(jù)表明性能達(dá)到當(dāng)前國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平,并且在軟件、硬件代價、速度、成本等方面具有較高的競爭力。此款產(chǎn)品的成功開發(fā)充分利用現(xiàn)有國產(chǎn)設(shè)備資源,減少了投資資金,對積極推動國有控制設(shè)備工業(yè)網(wǎng)絡(luò)自動化具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 江豪, 王永華.PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行分析[J].自動化儀表, 2016, 37(12):18-22.

[2] 李明強(qiáng), 劉小河, 田雨聰.PROFIBUS-DP智能從站的設(shè)計[J].電氣技術(shù), 2015, 16(4):77-80.

[3] 夏琳琳, 邱超, 富兆龍,等.基于VPC3協(xié)議芯片的PROFIBUS-DP接口適配卡的設(shè)計研究[J].化工自動化及儀表, 2012, 39(10):75-79.

[4] 房立鎮(zhèn), 程廣河, 呂國華.基于ARM的PROFIBUS-DP通信模塊的研究與設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化, 2010(5):39-40.

[5] 段旭良.基于DSP嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[6] 陳開.工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)開發(fā)及通信協(xié)議研究[D].武漢:華中科技大學(xué), 2009:2-3.

[7] 何瓊, 陳鐵, 程鑫.基于以太網(wǎng)硬協(xié)議棧的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2013(2):21-23.

[8] Shao J P , Wu K J, Sun G T.Design of an ethernet data transmission system based on W5300[C]//International Conference on Computer Science and Technology.Kunming, 2014.

[9] 陽憲惠,魏慶福,徐用懋.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[10] 潘琢金,施國君.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[11] 候維巖,費(fèi)敏銳.PROFIBUS協(xié)議分析和系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[12] SPC3 Hardware Description.Siemens Version: 1.4 Date: 2005 /12

[13] SPC3 and DPS2 User Description.Siemens Version: 1.0 Date: 2003 /04 /09

[14] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003:60-97.

[16] Xia L L, Qiu C, Fu Z L,et al.Adapter card design for profibus-DP interface based on VPC3 protocol chip [J].Control and Instruments in Chemical Industry, 2012,39 (10) :1323-1327.

DesignofControllerIntelligentSlaveStationBasedonPROFIBUS

LIUHai-shan,SONGQian，QIAOSen，F(xiàn)ANQian,JIAOZhen

(BeijingInstituteofPrecisionMechatronicsandControls,Beijing100076,China)

With the development of intelligence and network, and to access controller with RS485/RS232interfaces to PROFIBUS field bus networks expediently, a PROFIBUS-DP slave station based on the C8051F020MCU by using the Siemens protocol chip SPC3is developed.The fundamental of PROFIBUS is introduced first, then the functions of the hardware are discussed in details, and the configuration and some modules of the software are also exposited.Several anti-jamming measures are presented as well.Finally, the experiment result given out indicats that the normal communications are achieved between equipments , and the device can be used on equipments for data collection, control and implement, thus the jointless interconnection between RS485/RS232equipment and PROFIBUS is realized.

PROFIBUS-DP slave station; SPC3; C8051F020single chip

2017-03-30；

：2017-05-10

：劉海山(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗欧到y(tǒng)控制技術(shù)。

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.007

U666.12

：A

：2095-8110(2017)05-0043-05