基于80C166單片機(jī)PEC服務(wù)的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議實(shí)現(xiàn)

摘要：在詳細(xì)分析西門子80C166單片機(jī)PEC服務(wù)工作機(jī)制和PROFIBUS-FDL幀格式的基礎(chǔ)上，提出了基于該種單片機(jī)PEC服務(wù)機(jī)制的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并在實(shí)際工作中得到成功應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：80C166 PEC服務(wù) PROFIBUS-FDL 當(dāng)前工業(yè)設(shè)備制造技術(shù)正向高性能、專用化、分布式、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。以前，大量使用PLC實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明雖然安全可靠，但由于PLC本身的技術(shù)原因，很難達(dá)到更快速的實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的控制性能;引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，保證專用控制器的系統(tǒng)可集成性，以適應(yīng)當(dāng)前分布式、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用趨勢(shì)。 本文是在研制棒材生產(chǎn)線飛剪的專用控制器時(shí)涉及的一個(gè)子課題。為保證該控制器能與現(xiàn)有PLC網(wǎng)連接以及與遠(yuǎn)程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎(chǔ)上，利用核心CPU——西門子80C166所具有的一個(gè)類似DMA的功能高效率地實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-FDL從站協(xié)議。 1 西門子80C166單片機(jī) 80C166單片機(jī)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(diǎn)，克服了CISC處理器在嵌入式應(yīng)用中的瓶頸;在25MHz時(shí)鐘頻率下，可達(dá)到12.5MIPS，幾乎所有的指令執(zhí)行時(shí)間小于80ns;在指令處理上，采用四級(jí)指令流水線管道結(jié)構(gòu);在存儲(chǔ)管理上，統(tǒng)一線性地址空間可達(dá)256KB，具有段?代碼、頁(yè)?數(shù)據(jù)式管理機(jī)制;采用寄存器池，上下文切換時(shí)間只要80ns;16位乘法400ns，32位除法800ns，中斷響應(yīng)時(shí)間最慢400ns;外部事件控制器PEC服務(wù)具有類似DMA的功能，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸;豐富的在片外設(shè)：1KB RAM、10路A/D、76路I/O、7個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、16個(gè)比較/捕獲單元、2個(gè)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(wù) 2.1 80C166的PEC服務(wù)機(jī)制 PEC是外部事件控制器的英文縮寫。PEC服務(wù)是80C166提供的一種特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。其目的是在原有的中斷控制器基礎(chǔ)上，用較小的硬件代價(jià)、盡可能少占用處理機(jī)周期實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外部設(shè)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(wù)通道。用PEC服務(wù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，僅占用處理機(jī)一個(gè)機(jī)器周期?20MHz時(shí)100ns，且不影響當(dāng)前程序的執(zhí)行。 2.2 PEC服務(wù)的工作過程 通常，當(dāng)普通中斷事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將保存當(dāng)前CPU狀態(tài)PSW和程序的地址;然后，根據(jù)不同的中斷源，進(jìn)行上下文切換，裝載相應(yīng)的中斷矢量，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序;執(zhí)行完后，恢復(fù)被中斷程序的上下文，繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。 對(duì)于某一PEC服務(wù)，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務(wù)相聯(lián)系。在80C166中，當(dāng)一個(gè)中斷的中斷優(yōu)先級(jí)為最高級(jí)14或15且定義了與之相關(guān)聯(lián)的PEC服務(wù)通道時(shí)，該中斷就具有PEC服務(wù)功能。這時(shí)，當(dāng)該中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，將不觸發(fā)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，而是觸發(fā)PEC服務(wù)。當(dāng)PEC服務(wù)經(jīng)過設(shè)定的若干次的外部事件觸發(fā)后，再觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(一個(gè)普通中斷過程)。

如圖2所示。一次PEC服務(wù)的工作過程是由PEC控制寄存器定義的，其中計(jì)數(shù)位域(8位傳送計(jì)數(shù)器)COUNT定義了PEC服務(wù)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(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過程完全由硬件執(zhí)行：當(dāng)中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，由硬件將源指針?biāo)竼卧膬?nèi)容傳給目的指針?biāo)傅膯卧?，然后由PEC控制寄存器相應(yīng)定義位控制是源指針還是目的指針增加1或2，同時(shí)COUNT值減1;當(dāng)多次中斷請(qǐng)求使COUNT減為0時(shí)，PEC服務(wù)完成，觸發(fā)與之關(guān)聯(lián)的中斷服務(wù)程序。 2.3 PEC服務(wù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 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(gè)中斷;在中斷服務(wù)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(yīng)單元中;當(dāng)接收滿16字節(jié)后，進(jìn)行幀處理。 如果采用PEC服務(wù)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(jí)為14或15以及與之相關(guān)聯(lián)的PEC通道。即定義相應(yīng)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(wù)，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(yīng)單元中，但當(dāng)前執(zhí)行的程序并不被中斷;當(dāng)16字節(jié)完全接收完成后，觸發(fā)串口接收中斷服務(wù)程序，進(jìn)行幀的處理。 與傳統(tǒng)的串口接收方式相比較，PEC服務(wù)方式在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，因此節(jié)省了大量的上下文切換時(shí)間，處理機(jī)效率得到大大提高。 下面討論采用80C166的PEC服務(wù)實(shí)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(duì)于從站來說，只要處理三種幀即可。 .無數(shù)據(jù)且長(zhǎng)度固定的幀：

.帶數(shù)據(jù)域且長(zhǎng)度固定的幀:

. 帶數(shù)據(jù)域且長(zhǎng)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(zhǎng)度幀的開始定界符，#68H; SD3：固定長(zhǎng)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(zhǎng)度占一個(gè)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(gè)字節(jié); FCS：校驗(yàn)段，占一個(gè)字節(jié)，它采用不計(jì)進(jìn)位的求和運(yùn)算得到校驗(yàn)碼。校驗(yàn)域?yàn)镈A+SA+FC+?DATA-UNIT; FC：幀控制字字段，占一個(gè)字節(jié); SYN：同步字段，至少33空閑位(邏輯電平1)，但僅在請(qǐng)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(diǎn) 從上面的幀格式可以看出幀的長(zhǎng)度不固定。發(fā)送時(shí)，幀的長(zhǎng)度是已知的;但接收時(shí)，幀的長(zhǎng)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(shí)解析和保存關(guān)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(wù)實(shí)現(xiàn) PROFIBUS-FDL從站的數(shù)據(jù)接收及應(yīng)答過程分三個(gè)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(jìn)行怎樣的數(shù)據(jù)請(qǐng)求;第三階段，從站組織應(yīng)答幀，啟動(dòng)幀的發(fā)送過程。 第二階段的幀控制字處理請(qǐng)參考PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于第三階段的組織和發(fā)送應(yīng)答幀，由于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和內(nèi)容已知，只要定義好串口發(fā)送中斷/服務(wù)，定義好相應(yīng)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?yàn)榘l(fā)送字節(jié)數(shù)-1，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)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(guān)的PEC服務(wù);當(dāng)COUNT減為0時(shí)，觸發(fā)串口發(fā)送中斷服務(wù)子程序，完成串口數(shù)據(jù)發(fā)送過程。由于該過程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不作詳細(xì)討論。這里主要討論第一階段的幀完整接收實(shí)現(xiàn)過程。 從上面的幀結(jié)構(gòu)分析可見，幀的長(zhǎng)度是不固定的。因此，為提高接收效率，應(yīng)用PEC服務(wù)分三步進(jìn)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(shí)，定義串口接收PEC服務(wù)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(gè)字符SDx(x=1,2,3)判斷幀類型;對(duì)于不帶數(shù)據(jù)固定長(zhǎng)度幀和帶數(shù)據(jù)固定長(zhǎng)度幀接下來的兩個(gè)字符是DA、SA，判斷DA是否為本機(jī)地址;而對(duì)于帶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變幀，接下來的兩個(gè)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(wù)的接收字符數(shù)：對(duì)于固定長(zhǎng)度幀，定義PEC批量接收三字節(jié)數(shù)據(jù)，并保存DA、SA;對(duì)于可變長(zhǎng)度幀，定義PEC服務(wù)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(jìn)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(huì)再次觸發(fā)PEC服務(wù)。由串口接收PEC服務(wù)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(zhǎng)度幀，接收三字節(jié)，分別為FC、FCS、ED。對(duì)FCS和ED分別完成累加和校驗(yàn)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(zhǎng)度幀? 接收三字節(jié)?分別為FC和數(shù)據(jù)單元的前兩個(gè)字節(jié)，保存FC，定義PEC服務(wù)接收后八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，轉(zhuǎn)第三步。 .帶數(shù)據(jù)可變長(zhǎng)度幀，接收了四字節(jié)，分別為SD、DA、SA、FC。對(duì)SD再進(jìn)行一次判斷，之后判斷DA是否為本機(jī)地址，保存DA、SA、FC，定義PEC服務(wù)接收余下的數(shù)據(jù)字節(jié)?長(zhǎng)度由LE確定，轉(zhuǎn)第三步。 4.3 第三步：幀數(shù)據(jù)接收 當(dāng)串口接收PEC服務(wù)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(zhǎng)度幀，接收八個(gè)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(yàn)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(zhǎng)度可變幀，接收了DATA-UNIT+2個(gè)字節(jié)，分別DATA-UNIT個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和FCS、ED。在累加和校驗(yàn)與幀結(jié)束判斷完畢后，進(jìn)行協(xié)議要求的目的地址和原地址的地址擴(kuò)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(wù)子程序 以上三步都由串口接收中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)完成。每一步對(duì)應(yīng)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(jī)實(shí)現(xiàn)。以1、2、3分別表示上述幀接收三個(gè)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(shí)現(xiàn)方法，在最近研制的棒材生產(chǎn)線的飛剪控制器中運(yùn)行效果良好。