基于16位DSP的PROFIBUS-DP從站系統(tǒng)設計

核心器件的選擇

SPC3協(xié)議芯片

SPC3是專用于從站開發(fā)的智能通訊芯片，它支持PROFIBUS-DP協(xié)議。圖1為SPC3結構圖，其主要性能如下：44腳、PQFP封裝；在PROFIBUS上自動檢測波特率，自9. 6kbps至12Mbps；RS-485傳輸；完整的PROFIBUS-DP協(xié)議；內部集成監(jiān)視定時器；5V DC電源。

圖1　SPC3結構圖

SPC3內部集成了1. 5KB的雙口RAM，其地址空間從00H到5FFH。內部以8字節(jié)為一單元，分為192個段。根據功能可分為3個區(qū)域：
00H到015H為方式設定和狀態(tài)指示寄存器區(qū)。016H到03FH為參數配置區(qū)，各種BUF的指針與長度在此區(qū)域設置。040H到5FFH為用戶區(qū)，用來接收來自IO應用和主站的數據。這些BUF的配置，包括BUF的長度和初始地址必須在SPC3的“離線”狀態(tài)下完成；在操作過程中除輸入輸出BUF的長度可變外，其他的配置不能更改。此外，SPC3內部還集成了一個看門狗定時器，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。

TMS320F206

TMS320F206是16位定點DSP，運算速率為40MIPS。它采用靜態(tài)CMOS集成電路工藝制造，其結構以‘C5x為基礎，采用改進的哈佛結構，有一條程序總線和3條數據總線，流水線操作，有并行32bit算術邏輯單元、16×16bit并行的硬件乘法器、片內存貯器、片內外設和高度專業(yè)化的指令集。片內資源還有:內部時鐘發(fā)生器，可外接時鐘源進行×1、×2、×4和/2來產生CPU時鐘；片內還有RAM4.5KB， FLASH32KB，能夠適合于許多工程應用， 32KB FLASH可作為程序存貯器，給系統(tǒng)的設計和程序的調試帶來很大的方便;3個外部中斷INT1、INT2、INT；1個同步串口和一個異步串口；1個軟件可編程定時器；4個獨立可編程的I/O引腳，1個輸出引腳XF和1個輸入引腳B IO；JTAG掃描仿真接口，用來實現(xiàn)在線仿真測試。

硬件系統(tǒng)構成

圖2 為PROFIBUS-DP 從站的硬件框圖，系統(tǒng)由MAX125、TMS320F206、SPC3、EPM7128SQC100、DS1286、HK1225、外部RAM以及地址撥碼開關組成一個PROFIBUS-DP從站，用于鐵路信號電源故障的診斷。三相交流電壓和電流信號經MAX125同步采樣，DSP通過一定的算法進行數據處理和數據運算，再綜合相關開關量信號情況作出診斷，對電力設備進行控制。同時將根據PROFIBUS主站的要求把必要的數據與故障信息通過協(xié)議芯片SPC3傳送至主站。主站也通過SPC3對從站進行設置和電力設備的遠程控制。

圖2　硬件電路圖

設計中8位的SPC3使用TMS320F206的低8位數據線，并將其映射到全局數據空間;同時也將DS1286、HK1225數字輸入和數字輸出映射到全局數據空間。這樣，DSP對它們的操作，就象操作外部RAM那樣簡便。程序設計中16位的DSP對SPC3、DS1286、HK1225進行寫操作時，先寫低8位再寫高8位。
系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

PROFIBUS-DP 從站(即故障診斷的終端單元) 主要完成數據采集、數據處理、故障判斷以及將必要的電能參數與故障信息根據主站的要求傳送到主站，同時主站能夠對從站進行賦值。

SPC3通信軟件的設計

設計中將電能參數看作是從站的輸入數據，主站對從站的賦值看作是輸出數據，而把故障信息當作外部診斷處理。對于主站賦值的處理采用SPC3中斷的方式，以便能達到實時性。除此之外，參數化報文、配置報文的處理也在SPC3中斷程序中完成。SPC3中斷程序流程圖如圖3。

3　SPC3中斷程序流程圖

由于SPC3集成了完整的DP協(xié)議，標準的診斷信息由SPC3自動形成并傳輸，因此用戶將與DP主站通信的信息存放到指定的緩沖器中即可;當用戶需接收主站傳來的信息時，也只需訪問指定的緩沖區(qū)。

TMS320F206的智能軟件的設計

數據采集、數據處理、故障判斷、以及必要信息的記錄在TMS320F206程序中完成。為了連續(xù)的對系統(tǒng)監(jiān)測，數據采集采用中斷的方法，不間斷的采集數據。對于故障信息則采用軟中斷的方法，將故障報警信息盡快的送到SPC3的診斷緩沖區(qū)，以便能及時的等待主站的輪詢。圖4給出了系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖4　主程序流程圖

SPC3的軟件操作

由于TMS320F206的速度快，在與SPC3進行數據交換時需速度一致。我們通過軟件設置F206的等待時間使兩者的速度相匹配。設計中對SPC3采用結構體類型的寄存器的方法，對其進行操作。首先定義一個與1. 5KB的雙口RAM相對應的結構體類型數據“SPC3”，然后F206寄存器的頭文件中定義一個“SPC3 ”類型的寄存器“spc3”，這樣就可方便靈活地對其進行操作了。軟件使用C語言編寫， SPC3的初始化部分程序如下:

頭文件中定義“spc3”寄存器
.
#define spc3 ( ＊ ( ( volatile SPC3) 0xE800) )
/＊SPC3影射到全局數據空間的0xE800＊ /
.
初始化操作:

GREG = GLOBAL 16K;/ ＊映射到16KB全局數據空間＊ / .
spc3. mode_ reg0_ L = 0x00d3;
spc3. mode _reg0 _H = 0x0003; /＊設置SPC3的工作方式＊ /
spc3. is reg. mask[ 0 ] = 0x001e;
spc3. is reg. mask[ 1 ] = 0x002d;/ ＊設置SPC3的中斷源，設置輸出數據處理為SPC3硬件中 斷＊ /
spc3. r len diag buf[ 0 ] = 16;
spc3. r len diag buf[ 1 ] = 16;
spc3. r len p rm buf = 10;
spc3. r len cfg buf = 2;
spc3. r len read cfg buf = 2;
spc3. r len din buf = 244;
spc3. r len dout buf = 244; /＊初始化各緩沖器的長度/＊
UserInputBufferPtr =DPS2 GET D IN BUF PTR ( ) ; / ＊獲取第一個輸入緩沖器的地址＊ /
UserDiagBufferPtr =DPS2 GET D IAG BUF PTR ( ) ; /＊ 獲取第一個診斷緩沖器的地址＊/
UserDiagFlag = TRUE;
......

本文采用運算速度快的16 位DSP設計了一個PROF IBUS2DP智能從站，這使得現(xiàn)場總線的應用更加廣泛。