基于80C166單片機PEC服務的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議實現(xiàn)

摘要：在詳細分析西門子80C166單片機PEC服務工作機制和PROFIBUS-FDL幀格式的基礎上，提出了基于該種單片機PEC服務機制的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議的實現(xiàn)方法，并在實際工作中得到成功應用。 關鍵詞：80C166 PEC服務 PROFIBUS-FDL 當前工業(yè)設備制造技術正向高性能、專用化、分布式、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。以前，大量使用PLC實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，實踐證明雖然安全可靠，但由于PLC本身的技術原因，很難達到更快速的實時控制要求?它們正被高性能的嵌入式專用控制器替代。這種專用控制器的設計，可以進一步提高設備的控制性能;引入現(xiàn)場總線技術，保證專用控制器的系統(tǒng)可集成性，以適應當前分布式、網(wǎng)絡化的應用趨勢。 本文是在研制棒材生產(chǎn)線飛剪的專用控制器時涉及的一個子課題。為保證該控制器能與現(xiàn)有PLC網(wǎng)連接以及與遠程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎上，利用核心CPU——西門子80C166所具有的一個類似DMA的功能高效率地實現(xiàn)PROFIBUS-FDL從站協(xié)議。 1 西門子80C166單片機 80C166單片機是西門子C166系列16位嵌入式微控制器的第一代產(chǎn)品。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。它結(jié)合RISC處理器的優(yōu)點，克服了CISC處理器在嵌入式應用中的瓶頸;在25MHz時鐘頻率下，可達到12.5MIPS，幾乎所有的指令執(zhí)行時間小于80ns;在指令處理上，采用四級指令流水線管道結(jié)構(gòu);在存儲管理上，統(tǒng)一線性地址空間可達256KB，具有段?代碼、頁?數(shù)據(jù)式管理機制;采用寄存器池，上下文切換時間只要80ns;16位乘法400ns，32位除法800ns，中斷響應時間最慢400ns;外部事件控制器PEC服務具有類似DMA的功能，可實現(xiàn)存儲器與外設之間的高速數(shù)據(jù)傳輸;豐富的在片外設：1KB RAM、10路A/D、76路I/O、7個定時器/計數(shù)器、16個比較/捕獲單元、2個串行通信接口、在片的WATCHDOG等。 圖1 西門子80C166體系結(jié)構(gòu) 2 80C166的PEC服務 2.1 80C166的PEC服務機制 PEC是外部事件控制器的英文縮寫。PEC服務是80C166提供的一種特殊數(shù)據(jù)傳輸機制。其目的是在原有的中斷控制器基礎上，用較小的硬件代價、盡可能少占用處理機周期實現(xiàn)內(nèi)存與外部設備的快速數(shù)據(jù)交換?類似DMA，但無需專用的DMA控制器。80C166有8路PEC服務通道。用PEC服務進行一次數(shù)據(jù)傳輸，僅占用處理機一個機器周期?20MHz時100ns，且不影響當前程序的執(zhí)行。 2.2 PEC服務的工作過程 通常，當普通中斷事件發(fā)生時，系統(tǒng)將保存當前CPU狀態(tài)PSW和程序的地址;然后，根據(jù)不同的中斷源，進行上下文切換，裝載相應的中斷矢量，執(zhí)行相應的中斷服務程序;執(zhí)行完后，恢復被中斷程序的上下文，繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。 對于某一PEC服務，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務相聯(lián)系。在80C166中，當一個中斷的中斷優(yōu)先級為最高級14或15且定義了與之相關聯(lián)的PEC服務通道時，該中斷就具有PEC服務功能。這時，當該中斷請求發(fā)生時，將不觸發(fā)中斷服務程序的執(zhí)行，而是觸發(fā)PEC服務。當PEC服務經(jīng)過設定的若干次的外部事件觸發(fā)后，再觸發(fā)執(zhí)行相應的中斷服務程序(一個普通中斷過程)。

如圖2所示。一次PEC服務的工作過程是由PEC控制寄存器定義的，其中計數(shù)位域(8位傳送計數(shù)器)COUNT定義了PEC服務的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù);源指針、目的指針指明具體的數(shù)據(jù)傳輸來源和目的;PEC服務的數(shù)據(jù)傳輸過程完全由硬件執(zhí)行：當中斷請求發(fā)生時，由硬件將源指針所指單元的內(nèi)容傳給目的指針所指的單元，然后由PEC控制寄存器相應定義位控制是源指針還是目的指針增加1或2，同時COUNT值減1;當多次中斷請求使COUNT減為0時，PEC服務完成，觸發(fā)與之關聯(lián)的中斷服務程序。 2.3 PEC服務應用優(yōu)勢 以串口接收一幀16字節(jié)的數(shù)據(jù)為例。若采用傳統(tǒng)的串口接收方式，每接收到一字節(jié)，產(chǎn)生一個中斷;在中斷服務程序中，要將它從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應單元中;當接收滿16字節(jié)后，進行幀處理。 如果采用PEC服務的方式，只要事先定義好PEC通道就可以了。首先，定義串口接收中斷優(yōu)先級為14或15以及與之相關聯(lián)的PEC通道。即定義相應PEC通道控制寄存器為：COUNT為16字節(jié)傳輸，源指針為串口接收緩沖器，目的指針為幀接收緩沖區(qū)首址且每次傳輸完成后，目的指針加1。這樣，串口每接收到一字節(jié)，將觸發(fā)一次PEC服務，由硬件將數(shù)據(jù)從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應單元中，但當前執(zhí)行的程序并不被中斷;當16字節(jié)完全接收完成后，觸發(fā)串口接收中斷服務程序，進行幀的處理。 與傳統(tǒng)的串口接收方式相比較，PEC服務方式在進行數(shù)據(jù)傳輸時不中斷當前程序的執(zhí)行，因此節(jié)省了大量的上下文切換時間，處理機效率得到大大提高。 下面討論采用80C166的PEC服務實現(xiàn)PROFIBUS-FDL從站協(xié)議的方法。 3 PROFIBUS-FDL幀結(jié)構(gòu)分析 3.1 PROFIBUS-FDL幀結(jié)構(gòu) PROFIBUS幀的格式有多種形式，但對于從站來說，只要處理三種幀即可。 .無數(shù)據(jù)且長度固定的幀：

.帶數(shù)據(jù)域且長度固定的幀:

. 帶數(shù)據(jù)域且長度可變的幀:

其中，各字段說明如下： SD1：無數(shù)據(jù)幀的開始定界符，#10H; SD2：可變長度幀的開始定界符，#68H; SD3：固定長度幀的開始定界符，#A2H; ED：結(jié)束定界符，#16H; LE與LEr：LE與LEr相同，都表示長度占一個字節(jié)，它是DA+SA+FC+?DATA-UNIT的字節(jié)數(shù)總和; DA與SA：DA?目的站地址與SA?源站地址各占一個字節(jié); FCS：校驗段，占一個字節(jié)，它采用不計進位的求和運算得到校驗碼。校驗域為DA+SA+FC+?DATA-UNIT; FC：幀控制字字段，占一個字節(jié); SYN：同步字段，至少33空閑位(邏輯電平1)，但僅在請求幀及令牌幀前出現(xiàn)，不允許在字符之間出現(xiàn)。 3.2 PROFIBUS幀結(jié)構(gòu)的特點 從上面的幀格式可以看出幀的長度不固定。發(fā)送時，幀的長度是已知的;但接收時，幀的長度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，隨時解析和保存關鍵信息，并確定隨后接收的字節(jié)數(shù)。

4 PROFIBUS-FDL從站協(xié)議的PEC服務實現(xiàn) PROFIBUS-FDL從站的數(shù)據(jù)接收及應答過程分三個階段完成：第一階段，幀的完整接收;第二階段，根據(jù)接收到的FC幀控制字字段，判斷主站正在進行怎樣的數(shù)據(jù)請求;第三階段，從站組織應答幀，啟動幀的發(fā)送過程。 第二階段的幀控制字處理請參考PROFIBUS標準的相關內(nèi)容。對于第三階段的組織和發(fā)送應答幀，由于數(shù)據(jù)長度和內(nèi)容已知，只要定義好串口發(fā)送中斷/服務，定義好相應的PEC通道：源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址+1、目的地址為串口發(fā)送緩沖器、COUNT域為發(fā)送字節(jié)數(shù)-1，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)寫入串口發(fā)送緩沖器，即可觸發(fā)串口發(fā)送相關的PEC服務;當COUNT減為0時，觸發(fā)串口發(fā)送中斷服務子程序，完成串口數(shù)據(jù)發(fā)送過程。由于該過程實現(xiàn)簡單，不作詳細討論。這里主要討論第一階段的幀完整接收實現(xiàn)過程。 從上面的幀結(jié)構(gòu)分析可見，幀的長度是不固定的。因此，為提高接收效率，應用PEC服務分三步進行數(shù)據(jù)的批量接收。 4.1 第一步：幀頭接收 首先，初始化時，定義串口接收PEC服務為連續(xù)接收三字節(jié)，用于接收幀的前三字節(jié)。 由第一個字符SDx(x=1,2,3)判斷幀類型;對于不帶數(shù)據(jù)固定長度幀和帶數(shù)據(jù)固定長度幀接下來的兩個字符是DA、SA，判斷DA是否為本機地址;而對于帶數(shù)據(jù)長度可變幀，接下來的兩個字符是LE、LEr，判斷其是否相等。 若以上判斷都成立，則需定義下一次PEC服務的接收字符數(shù)：對于固定長度幀，定義PEC批量接收三字節(jié)數(shù)據(jù)，并保存DA、SA;對于可變長度幀，定義PEC服務接收四字節(jié)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)第二步; 若LE≠LEr或DA目的地址非本站地址，則重回到初始狀態(tài)，進行幀頭接收。 4.2 第二步：幀控制字接收 由于主站幀的連續(xù)發(fā)送，會再次觸發(fā)PEC服務。由串口接收PEC服務連續(xù)接收三或四字節(jié)后，處理如下： .不帶數(shù)據(jù)固定長度幀，接收三字節(jié)，分別為FC、FCS、ED。對FCS和ED分別完成累加和校驗與幀結(jié)束判斷后，將幀控制字FC保存，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 .帶數(shù)據(jù)固定長度幀? 接收三字節(jié)?分別為FC和數(shù)據(jù)單元的前兩個字節(jié)，保存FC，定義PEC服務接收后八個數(shù)據(jù)字節(jié)，轉(zhuǎn)第三步。 .帶數(shù)據(jù)可變長度幀，接收了四字節(jié)，分別為SD、DA、SA、FC。對SD再進行一次判斷，之后判斷DA是否為本機地址，保存DA、SA、FC，定義PEC服務接收余下的數(shù)據(jù)字節(jié)?長度由LE確定，轉(zhuǎn)第三步。 4.3 第三步：幀數(shù)據(jù)接收 當串口接收PEC服務連續(xù)接收八或更多的字節(jié)后，處理如下： .帶數(shù)據(jù)固定長度幀，接收八個字節(jié)，分別為余下的六字節(jié)數(shù)據(jù)和FCS、ED。在累加和校驗與幀結(jié)束判斷完畢后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 .帶數(shù)據(jù)長度可變幀，接收了DATA-UNIT+2個字節(jié)，分別DATA-UNIT個數(shù)據(jù)字節(jié)和FCS、ED。在累加和校驗與幀結(jié)束判斷完畢后，進行協(xié)議要求的目的地址和原地址的地址擴展判斷和保存，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 4.4 串口接收中斷服務子程序 以上三步都由串口接收中斷服務子程序負責完成。每一步對應不同的處理狀態(tài)。為提高程序的執(zhí)行效率，用有限狀態(tài)機實現(xiàn)。以1、2、3分別表示上述幀接收三個步驟，4表示幀控制字處理狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3。 采用這種協(xié)議實現(xiàn)方法，在最近研制的棒材生產(chǎn)線的飛剪控制器中運行效果良好。