移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)器的PROFIBUS-DP接口設(shè)計(jì)

摘要：PB-OEM2-SE是一種用于PROFIBUS-DP開(kāi)放式工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的智能化嵌入式總線僑。文中簡(jiǎn)要介紹了PROFIBUS-DP總線的特點(diǎn)，闡述了如何利用PB-OEM2-SE嵌入式總線橋設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)器的PROFIBUS-DP總線接口，給出一種基于PB-OEM2-SE將第三方設(shè)備接入到Profibus總線中的設(shè)計(jì)方案，這種方案具有開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；PB-OEM2-SE；PROFIBUS總線；數(shù)據(jù)通信

0 引言
    工業(yè)有軌作業(yè)機(jī)車的自動(dòng)行走，自動(dòng)定位，要求機(jī)車控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)作業(yè)機(jī)車的行走位置。所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)器能夠精確地、快速地檢測(cè)機(jī)車的行走位置，并通過(guò)PROFIBUS-DP接口將位置檢測(cè)器變成機(jī)車上PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)，機(jī)車主控PLC能夠隨時(shí)獲取機(jī)車行走位置。
    PROFIBUS是以德國(guó)西門子公司為主研究推出的一種國(guó)際化的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，這是目前我國(guó)唯一批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。其中PROFIBUS-DP主要用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，有較高的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳送速率可在9．6kb／s～12Mb／s范圍內(nèi)選擇，響應(yīng)時(shí)間為幾百μs到幾百ms，傳輸技術(shù)主要用RS485，傳輸介質(zhì)是雙絞線和光纖，廣泛應(yīng)用于電氣自動(dòng)化、工業(yè)控制和數(shù)控加工等領(lǐng)域?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
    為位置檢測(cè)器設(shè)計(jì)PROFIBUS-DP接口，如果采用西門子公司的PROFIBUS-DP接口芯片SPC3進(jìn)行設(shè)計(jì)，則需要深入了解PROFIBUS總線協(xié)議，熟悉SPC3芯片，這種做法開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)技術(shù)要求較高，需要投入大量的人力物力。位置檢測(cè)器采用第三方接口板PB-OEM2-SE設(shè)計(jì)PROFIBU S-DP接口，這種做法不需要深入了解PROFIBUS開(kāi)發(fā)技術(shù)，不需要購(gòu)買PROFIBuS開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，并且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1 PB-OEM2-SE嵌入式總線橋
1．1 PB-OEM2-SE介紹
    PB-OEM2-SE是專為PROFIBUS-DP通信功能產(chǎn)品所提供的嵌入式總線橋，它以O(shè)EM的方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口。
    PB-OEM2-SE內(nèi)部集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，符合GB／T20540-2006：測(cè)量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線第3部分：PROFIBUS規(guī)范；標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP驅(qū)動(dòng)接口，波特率自適應(yīng)，最大波特率12M；PROFIBUS輸入／輸出數(shù)量可自由設(shè)定，最大200字節(jié)輸入+200字節(jié)輸出；PB-OEM2-SE接口板與用戶模板之間數(shù)據(jù)交換報(bào)文長(zhǎng)度可由用戶設(shè)定，最大為202字節(jié)；可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能；接口板與用戶板接口為TTL異步串口，可以自動(dòng)適應(yīng)用戶模板的5種波特率。

    用戶模板的CPU通過(guò)串行接口向PB-OEM2-SE讀／寫(xiě)輸入／輸出數(shù)據(jù)，PB-OEM2-SE自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議報(bào)文與PROFIBUS-DP主站進(jìn)行通信。用戶可以自由設(shè)定PROFIBUS-DP輸入／輸出的數(shù)量以及PB-OEM2-SE與用戶模板之間數(shù)據(jù)交換報(bào)文的長(zhǎng)度。此外，PB-OEM2-SE實(shí)現(xiàn)PROFIB US-DP用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)，如溫度上限報(bào)警值等在主站配置中設(shè)定；主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，避免將一次性設(shè)置參數(shù)作為PROFIBUS的I／O數(shù)據(jù)，占用周期性數(shù)據(jù)通信時(shí)間和空間資源。

2．PB-OEM2-SE的硬件原理框圖與對(duì)外連接
2. 1 PB-OEM2-SE的硬件原理框圖
    PB-OEM2-SE接口板硬件原理框圖如圖2所示。

    CPU通過(guò)Txd端口和Rxd端口與用戶模塊進(jìn)行通信，然后CPU與芯片SPC3進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣，SPC3將通信得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PROFIBUS-DP協(xié)議，通過(guò)與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接使用戶模塊變成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)站點(diǎn)。
    PB-OEM2-SE接口板與外界的接口集成為一個(gè)16針的插件J1，其排列見(jiàn)圖3，其意義見(jiàn)表1。[!--empirenews.page--]
2．2 PB-OEM2-SE的對(duì)外連接
    PB-OEM2-SE接口板對(duì)外連接具有3種方式：
    (1)方式0。此種方式，PROFIBUS的D型插座安裝在用戶模塊，PROFIBUS信號(hào)來(lái)自J1-16，J1-16上的B、A、RTS信號(hào)線應(yīng)在用戶PCB模板上走線，避免跨越接插件；避免受到臨近信號(hào)線的干擾。用戶模板上的VCC／GND和5V／0V在進(jìn)入J1-16之前要加退耦電容。這種方式比較簡(jiǎn)單。
    (2)方式1與方式2。如果用戶PROFIBUS的D型插座與PB-OEM2-SE塊連接需要較長(zhǎng)的軟線，則需要采用方式1或方式2，這時(shí)需要用戶設(shè)計(jì)外接口轉(zhuǎn)接板，PROFIBUS的D型插座安裝在外接口轉(zhuǎn)接板上。方式1，PROFIBUS信號(hào)線從PB-OEM2-SE板上J2-10上引出使用較長(zhǎng)的軟線連接到外接口轉(zhuǎn)接板。方式2，用戶將J1-16中的PROFIBUS信號(hào)引至用戶模板自定義插座，從此插座上引出使用較長(zhǎng)的軟線連接到外接口轉(zhuǎn)接板。

3 位置檢測(cè)器與PB-OEM2-SE硬件連接
    位置檢測(cè)器采用AT89S51單片機(jī)為核心，采用方式0與PB-OEM2-SE接口板連接，如圖4所示。盡管J1-16上有眾多的信號(hào)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，并不需要都用上。

    PB-OEM2-SE上有一個(gè)功能選擇開(kāi)關(guān)SW1，要按照說(shuō)明書(shū)定義和用戶要求進(jìn)行設(shè)置，位置檢測(cè)器使用接口板時(shí)SW1設(shè)置如表2，其意義為：波特率為9．6k，使用連接方式0，用戶模板可通過(guò)管腳對(duì)SE模塊硬件復(fù)位。

4 位置檢測(cè)器相關(guān)軟件設(shè)計(jì)
    位置檢測(cè)器的軟件包括：PB-OEM2-SE接口板初始化模塊、檢測(cè)信號(hào)PGA控制模塊、位置檢測(cè)運(yùn)算模塊、輸出模塊、顯示模塊等。軟件流程如圖5所示。

4．1 對(duì)接口板初始化的程序設(shè)計(jì)
    位置檢測(cè)器的AT89S51單片機(jī)程序在設(shè)置堆棧后，立即通過(guò)P1．3輸出低電平對(duì)PB-OEM2-SE接口板復(fù)位，再系統(tǒng)初始化設(shè)置，設(shè)定通信波特率9．6kb／s。然后，位置檢測(cè)器的AT89S51輸出49個(gè)字節(jié)，格式如表3所示，對(duì)PB-OEM2-SE接口板進(jìn)行初始化。輸出的49個(gè)字節(jié)除byte0外，都用偽指令的定義字節(jié)命令寫(xiě)在程序存儲(chǔ)器中，只需逐一取出發(fā)送即可。發(fā)送完畢后，等待接收接口板的回應(yīng)。[!--empirenews.page--]
    對(duì)PB-OEM2-SE接口板進(jìn)行初始化的報(bào)文中，I／O配置數(shù)據(jù)采用代碼的方式。PB-OEM2-SE接口板接收到初始化報(bào)文之后，回答初始化成功／失敗報(bào)文給用戶模板，其格式如表4所示。程序中，將接收的回應(yīng)報(bào)文存放在AT89S51片內(nèi)RAM，盡管占了眾多的RAM單元，但初始化結(jié)束后，即可釋放這些單元。

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    byte0字節(jié)是接口板返回的檢測(cè)到用戶模板串口波特率編號(hào)：1=9．6k，2=19．2k，3=38．4k，4=57．6k，5=115．2k，6=460．8k，7=1．8432M。
    byte1字節(jié)是初始化報(bào)文錯(cuò)誤號(hào)，其意義如表5所示。

    程序中對(duì)接口板回應(yīng)報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，若對(duì)接口板初始化成功，繼續(xù)程序流程，這時(shí)PB-OEM2-SE接口板上的紅色指示燈滅。
    若檢測(cè)到是初始化失敗的回應(yīng)報(bào)文，則顯示回應(yīng)報(bào)文中初始化報(bào)文錯(cuò)誤號(hào)約2s，然后進(jìn)入死循環(huán)，停止看門狗喂食，讓位置檢測(cè)器的AT89S51自動(dòng)復(fù)位，重新對(duì)接口板進(jìn)行初始化。
    與接口板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換程序設(shè)計(jì)若初始化成功，且PB-OEM2-SE接口板與PROFIBUS-DP主站連通，則接口板上綠色指示燈亮，接口板進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。
    用戶模板的CPU只與PB-OEM2-SE交換數(shù)據(jù)，PB-OEM2-SE按照設(shè)定的數(shù)據(jù)交換報(bào)文長(zhǎng)度自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議報(bào)文與PROFIBUS-DP主站進(jìn)行通信。所以用戶程序只需要考慮與PB-OEM2-SE的數(shù)據(jù)交換，這種數(shù)據(jù)交換是采用用戶模板主動(dòng)詢問(wèn)，接口板被動(dòng)回答的方式。
    在數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下，PB-OEM2-SE接收用戶模板發(fā)送數(shù)據(jù)包括：PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)profibus_input、請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令req_com、一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和。報(bào)文長(zhǎng)度≤202個(gè)字節(jié)。
    在數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下，PB-OEM2-SD向用戶模板發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文包括：PROFIBUS輸出數(shù)據(jù)profibus_output、用戶參數(shù)化標(biāo)記(user_prm_ok)、用戶參數(shù)(user_prm)和一個(gè)字節(jié)的報(bào)文校驗(yàn)和。報(bào)文長(zhǎng)度≤202個(gè)字節(jié)。
    用戶模板發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文如表6所示。若：req_com=00H，表示用戶模板請(qǐng)求讀取PROFIBUS輸出數(shù)據(jù)，接口板將回答“輸出數(shù)據(jù)報(bào)文A”，如表7所示。req_com=01H表示用戶模板請(qǐng)求讀取更新的用戶參數(shù)數(shù)據(jù)，接口板將回答“輸出數(shù)據(jù)報(bào)文B”，如表8所示。

    位置檢測(cè)器每30ms檢測(cè)到一次機(jī)車位置，然后將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給PB-OEM2-SE，發(fā)送報(bào)文共12個(gè)字節(jié)，由于不需要更新的用戶參數(shù)數(shù)據(jù)，所以第1字節(jié)是請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令00H，2-11字節(jié)是位置數(shù)據(jù)，第12字節(jié)是校驗(yàn)和。
    位置檢測(cè)器接收的報(bào)文見(jiàn)表9，第2行00，表示不更改原來(lái)設(shè)定的值，為FFH表示按照本報(bào)文指定的方式進(jìn)行位置檢測(cè)和顯示。

5 GSD文件設(shè)計(jì)
    每一個(gè)PROFIBUS站點(diǎn)設(shè)備都要有一個(gè)GSD文件即“設(shè)備描述文件”，用來(lái)描述該P(yáng)ROFIBS-DP設(shè)備的各種性能參數(shù)的文本文件(類似Windw os的設(shè)備驅(qū)動(dòng))，當(dāng)用PROFIBS組態(tài)工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，需根據(jù)與設(shè)備對(duì)應(yīng)的GSD文件將其設(shè)備集成到總線系統(tǒng)中。
    GSD文件包含了設(shè)備所有定義參數(shù)，包括：支持的波特率、支持的信息長(zhǎng)度、輸入／輸出數(shù)據(jù)數(shù)量、診斷數(shù)據(jù)的含義、可選模塊種類等。GSD文件可以分為3個(gè)部分：1)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、可能的監(jiān)視時(shí)間間隔以及總線插頭的信號(hào)分配；2)與DP主站有關(guān)的規(guī)范，這部分包括只適用于DP主站的各項(xiàng)參數(shù)(如連接從站的最多臺(tái)數(shù)或上裝和下裝能力)，這一部分對(duì)從站沒(méi)有規(guī)定；3)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(cè)試的規(guī)范以及輸入／輸出數(shù)據(jù)的一致性信息)。
    GSD文件是文本類文件，可用西門子GSD文件編輯器GSDedit或其他文本編輯器編輯。
    PB-OEM2-SE產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)際PROFIBS組織PI備案，取得PI授予ID號(hào)：06FA和GSD文件名：DS_06FA．GSD。所以用戶產(chǎn)品的GSD文件可以在PB-OEM2-SE的GSD文件基礎(chǔ)上，在用戶公司名、產(chǎn)品型號(hào)、系列號(hào)等處置換成用戶產(chǎn)品信息，即可成為用戶的GSD文件，這并木復(fù)雜。
    需要注意的是，設(shè)備初始化報(bào)文中的定義的ID號(hào)必須和GSD文件中的ID號(hào)一致。

6 結(jié)束語(yǔ)
    PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用越來(lái)越廣泛。采用PB-OEM2-SE接口模板設(shè)計(jì)的具有PROFIBUS-DP接口的移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)器已經(jīng)在自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用，穩(wěn)定可靠。這種方案，系統(tǒng)具有很好的靈活性、通用性，以及開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。