采用SPC3協(xié)議芯片設(shè)計PROFIBUS-DP智能從站

引言 
    國際電工委員會IEC在2000年1月4日投票通過了現(xiàn)場總線IEC61158國際標準，IEC61158包括了7種現(xiàn)場總線標準，PROFIBUS作為類型3正式加入IEC61158。PROFIRUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)是以ISO7498國際標準開放式系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)參考模型OSI為基礎(chǔ)的。
PRO FIBUS由二三部分組成：PROFIBUS·FMS、PROFIBus-DP和PROFIBUS—PA。FMS主要用于車間級控制網(wǎng)絡(luò)，是一種令牌結(jié)構(gòu)和實時多主網(wǎng)絡(luò)，DP是一種高速的低成本通信連接，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式通信；PA是專為過程化而設(shè)計的，具有本征安全規(guī)范。在這里，主要介紹PROFIBUS-DP(Distributed Process)協(xié)議。 PROFIBUS—DP使用了0SI參考模型的第一層、第二層和用戶接口，第三層到第七層未定義。PROFIBUS—DP主要應(yīng)用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸．它以DlN 19245的第一部分為基礎(chǔ)，主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。它的響應(yīng)時何從幾百μ s～幾百m s，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 6 k b p s～12Mbps，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個報文多達244字節(jié)．傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖等。 
    本文主要討論采用slemens的從站協(xié)議芯片開發(fā)智能從站的方法．智能從站的框圖如圖l所示。其中包括微控制器、看門狗及EEPROM、SPC3、光電隔離、驅(qū)動器和撥碼開關(guān)等。

1  SPC3協(xié)議專用芯片
1．1 SPC3主要技術(shù)指標 
    ◇支持PROFIBUS—DP協(xié)議； 
    ◇最大數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbps，可自動檢測并調(diào)整數(shù) 據(jù)傳輸速率； 
    ◇與80c32、80X86、80C165、80C166、80C167和HCII、HCl6、HC916系列芯片兼容； 
    ◇44引腳的PQFP封裝； 
    ◇可獨立處理PROFIBUS—DP通信協(xié)議． 
    ◇集成的看門狗(WDT)． 
    ◇外部時鐘接口24MHz或48MHz； 
    ◇5V直流供電。
1．2 SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹 
    SPC3是用于從站開發(fā)的智能逋信芯片．它支持PROFIBUS-DP協(xié)議。SPC3內(nèi)部集成了1.5KB的雙口RAM。內(nèi)部鎖存囂／寄存器位于前21個地址單元。主要包括方式寄存器l、0．中斷控制寄存器．狀態(tài)寄存器以及輸入、輸出緩沖器和診斷緩沖器各宦的狀態(tài)寄存器。 
    組織參數(shù)位于RAM中從1 6H開始的單元。整個緩沖器結(jié)構(gòu)(屬于DP—sAPs)就是基于這些參數(shù)來寫的。此外，普通參數(shù)在這些單元設(shè)置數(shù)據(jù)(包括站地址、地址允許改變、用戶看門狗值和設(shè)備標識號等)．狀態(tài)顯示存儲在這些單元(通用控制命令等)。 
用戶緩沖器區(qū)域位于從40H開始的單元。其中，方式寄存器O設(shè)置PROFlBUS—DP的操作方式，如SYNC、FREEZE等。方式寄存器0必須在離線狀態(tài)進行賦值，一旦上電，就不能修改。方式寄存器1在上電后可對每個位進行置位和復(fù)位。 
    SPC3有1 4個中斷源．各個中斷源沒有優(yōu)先級-而是通過中斷屏蔽寄存器和中斷響應(yīng)寄存器來實現(xiàn)中斷的。但“新參數(shù)數(shù)據(jù)“中斷和“新配置數(shù)據(jù)”中斷可以不用中斷響應(yīng)寄存器響應(yīng)。中斷信號的極性由用戶設(shè)定。 
    診斷分為外部診斷和狀態(tài)診斷。若是外部診斷，用戶必須在從第7字節(jié)開始的單元中寫入用戶數(shù)據(jù)。若是狀態(tài)診斷，則只需在第l字節(jié)寫入00H．而不必填寫從第7字節(jié)開始的用戶數(shù)據(jù)。 
    從站地址號可以是固定的，也可以由主站設(shè)置。若設(shè)站地址號不能改變，則在初始化階段，令“Real—No—Add—change=0FFH" "R-SSA BUF-PTR=00H”。 
    用戶看門狗計數(shù)器是l 6位的內(nèi)部存儲器單元， 初始值由R user Wd_Value單元給定。每接收1個數(shù)據(jù)報文，計數(shù)器減l。當減到0000H時，SPC3就進入“等待參數(shù)化”狀態(tài)，DP狀態(tài)機執(zhí)行“離開主站”命令。 
另外SPC3內(nèi)部還集成了1個看門狗計數(shù)器．可工作于3種不同的狀態(tài) 波特率監(jiān)測、波特率控制和DP控制。SPC3能自動標識總線波特率（9.6kbps～12Mbps）。
1.3 SPC3硬件電路設(shè)計 
    CPU使用AT89S52，采用的是INTEL工作方式，CPU與SPC3的接口電路如圖2所示。對AT89S52而言，SPC3相當于它擴展的一個外部RAM。而且，SPC3有內(nèi)部地址解碼電路．所以，AB8～AB10接地。此時DB7~DB0是數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線．可以產(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0～AB3產(chǎn)生，AB4～AB7產(chǎn)生SPC3的片選信號．只有AB4～AB7同時為0時才選中SPC3。在圖2中，SPC3的片選信號是1000H，SPC3的內(nèi)部RAM位于1000H～l5FFH單元。本從站的開發(fā)采用的是匯編語言編程．占用的內(nèi)存單元少，不需擴展外部RAM。如果使用C語言編程，則必須擴展足夠的RAM或者使用帶有足夠RAM的CPU。 

    從圖2中可以看出，RS485總線驅(qū)動器一側(cè)與9針D型插鷹相連。另一側(cè)通過光耦與SPC3相連。目前，能滿足12M bp s波特率的驅(qū)動芯片有sN 6 5AL S1 7 6、SN65ALSI 176、SN75ASLl76、ADMl一485、SN65HVDl 176等，采用光電隔離主要是為了消除來自外界的干擾，能滿足12Mbps波特率的光耦有HCPL7 720、HCPL0720HCPL772l、HCPL072l、HCPL7710等。另外要求電源也要采取隔離措施．如加變壓器隔離或采用DC—DC模塊。

2 PROFIBUS—DP的狀態(tài)機 
    根據(jù)PROFIBUS—DP協(xié)議可知，PROFIBUS—DP的狀態(tài)機描述DP從站在每種情況下的行為以保證它符合一致性．SPC3內(nèi)部集成了狀態(tài)機．用戶對狀態(tài)機的控制是很有限的。PROFIBUS—DP的狀態(tài)機如圖3所示

    在Power_On狀態(tài)，從站能從2類主站接收Set Slave-Add報文來改變它的地址，然后從站進入Wail_P rm狀態(tài)，等待參數(shù)化．此狀態(tài)從站還可以接收Get_Cfg和Slave_Dlag報文。參數(shù)化完成后．從站進人wait_Cfg狀態(tài)，等待Chk_Cfg報文．另外還可以接收Slave_Diag、Set_Prm和Get_Cfg報文。如果Chk_Cfg完成后，從站將進入Data_Exch狀態(tài)．進行數(shù)據(jù)通信。此時從站還可接收Writing_Outputs、Reading_lnputs、Global_Control、Slave Diag、Chk_Diag和Get_Cfg報文，若組態(tài)和數(shù)據(jù)交換不成功．就會返回到參數(shù)化階段。Wait_Prm在對從站進行組態(tài)時，必須要編寫它的GSD文件．所謂GSD就是為了將不同的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起而以電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件方式提供的功能函數(shù)(如I／O點數(shù)、診斷信息、波特率、時間監(jiān)視等)。只有GSD文件在COMPROFlBUS組態(tài)軟件下才能對從站組態(tài)，否則主站無法識別從站。

3 軟件設(shè)計 
    對SPC3的軟件操作主要包括兩個部分：SPC3的初始化和SPC3的中斷處理。主程序和中斷程序流程圖分別如圖4和圖5所示。

    SPC3的初始化程序應(yīng)放在主程序的前面，而中斷處理程序完成CPU對SPC3中斷輸出的響應(yīng)。 SPC3上電復(fù)位之后．在正常工作之前必須進行初始化，以配置各個寄存器。中斷處理程序用于處理SPC3發(fā)生的各種事件，這些事件包括 新的參數(shù)報文事件：全局控制命令報文事件．進入或退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件，新的配置報文事件：新的地址設(shè)置報文事件；監(jiān)測到波特率事件和看門狗溢出事件。數(shù)據(jù)輸入和輸出處理(輸入輸出相對于主站而言)及用戶診斷數(shù)據(jù)輸入可以放在應(yīng)用程序主循環(huán)中。在一個應(yīng)用循環(huán)申，由應(yīng)用來刷新輸入BUF中的數(shù)據(jù)．保障所有輸入數(shù)據(jù)是最新的更新數(shù)據(jù)。而SPC3在接收到由PROFIBUS主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時．會產(chǎn)生輸出標志位(同樣位于中斷請求字單元)，CPU通過在應(yīng)用循環(huán)中輪詢標志位來進行接收主站數(shù)據(jù)。對于特定應(yīng)用的診斷信息．需要實時傳遞到主站。主應(yīng)用程序在應(yīng)用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在一當有空閑BUF時應(yīng)用程序輸入診斷信息，并請求更新。對于實時性要求嚴格的系統(tǒng)，應(yīng)采用中斷方式進行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。

4 GSD文件簡介 
    PRO FlBUS設(shè)備具有不同的性能特點，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置．PROFIBUS設(shè)備的特性均在電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD)中具體說明。標準化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制級。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中．既簡單又是對用戶友好的。
4.1 GSD文件的組成 
    GSD文件可以分為三個部分： 
    ◆一般規(guī)范 這部分包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備的名稱，硬件和軟件的版本狀況，支持的波特率一可能的監(jiān)視時間問隔以及總線插頭的信號分配； 
    ◆與DP主站有關(guān)的規(guī)范這部分包括只運用于DP主站的各項參數(shù)(如連接從站的最多臺數(shù)或上裝和下裝能力)。這一部分對從站沒有規(guī)定；
    ◆與DP從站有關(guān)的規(guī)范 這部分包括與從站有關(guān)的一切規(guī)范(如輸入／輸出通道的數(shù)量和類型、中斷測試的規(guī)范以及輸入／輸出數(shù)據(jù)一致性的信息)。
4.2 GSD文件格式 
    GSD文件是ASCII文件．可以用任何一種ASCII編輯囂編輯 如計事本、UltraEdit等，也可使用PROFIBus用戶組織提供的編輯程序GSDEdit。GSD文件是由若干行組成，每行都用一個關(guān)鍵字開頭，包括關(guān)鍵字及參數(shù)(無符號數(shù)或字符串)兩部分。GSD文件中的關(guān)鍵字可以是標準關(guān)鍵字(在PROFIBUS標準中定義)或自定義關(guān)鍵字。標準關(guān)鍵字可以被PROFIBUS的任何組態(tài)工具所識別，而自定義 關(guān)鍵字只能被特定的組態(tài)工具識別。 
     一個GSD文件的例子如下。
#Pr0fibus DP                       ；DP設(shè)備的GSD文件均以此關(guān)鍵存在
GSD Revision=1                     ；GSD文件版本
VendorName="Meglev"                ；設(shè)備制造商
Model Name="DP Slave"              ；產(chǎn)品名稱，產(chǎn)品版本
Revision="Version 01"              ；產(chǎn)品版本號(可選)
RevisionNtmber=01                  ；產(chǎn)品識別號
IdemNumber=0x01                    ；協(xié)議類型（表示DP）
ProtocoI Ident=0                   ；站類型(0表示從站)
StationType=0                      ；不支持FMS．純DP從站
FMS Supp=0                         ；硬件版本
Hardware Realease="HW1.0"          ；軟件版本
Soltware Realease="SWl.0"          ；支持9.6kbps波特率
9.6 supp=1                         ；支持19.2kbps波特率
19.2 supp=l                        ；9.6kbps時最大延遲時間
MaxTsdr 9.6=60                     ；19.2kbps時最大延遲時間
MaxTsdrl9.2=60                     ；不提供RTS信號
RepeaterCtrl sig=0                 ；不提供24V電壓
24VPins=0                          ；采用的解決方案
Implementation Type="SPC3"         ；不支持鎖定模式
FreezeMode Supp=0                  ；不支持同步模式
SyncMode Supp=0                    ；支持自動波特率檢測
AutoBaud Supp=l                    ；不支持改變從站地址
Set SlaveAdd Supp=0                ；故障安全模式類型
Fail Safe=0                        ；最大用戶參數(shù)數(shù)據(jù)長度(0-237)
MaxUser PrmDataLen=0               ；用戶參數(shù)長度
Usel prmDataLen=0                  ；最小從站響應(yīng)循環(huán)間隔
Min Slave Imervall=22              ；是否為模塊站
Modular Station=l                  ；從站最大模塊數(shù)
MaxModule=l                        ；最大輸入數(shù)據(jù)長度
MaxInput Len=8                     ；最大輸出數(shù)據(jù)長度
MaxOutput Len=8                    ；最大數(shù)據(jù)的長度(輸入輸出之和)
MaxData Len=16                     ；最大診斷數(shù)據(jù)長度(6～244)Slave
MaxDiagData Len=6                  ；從站類型
Family=3                           ；模塊1，輸入輸出各4字節(jié)
M0dule=“Modulel”0x23，0x13；     ；模塊2．輸入輸出各8字節(jié)
EndModule 
Module="Module2"0x27，0x17；
EndModule


結(jié)語 
    PROFIBUS．DP現(xiàn)場總線已成為我國機械部的行業(yè)標準．受到越來越多科研機構(gòu)和廠家的重視t本文從開發(fā)的角度．詳細闡述了PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線的軟硬件設(shè)計方法。相信能給讀者起到拋磚引玉的作用。我們開發(fā)的帶有PROFIBUS-DP總線接口的設(shè)備，能滿足互操作性以及實耐性通信的要求，已在許多行業(yè)得到成功應(yīng)用。