基于89C52的PROFIBUS-DP智能从站的设计

摘　要:PROFIBUS 现场总线技术随着其卓越的技术性能,在全世界范围得到广泛的应用。它已经成为国际八种标准现场总线之一。研究PROFIBUS技术,开发PROFIBUS 现场总线产品具有重大的意义。本文主要介绍了PROFIBUS - DP 从站通过SPC3 协议芯片的实现。包括硬件设计和软件设计,希望对研究PROFIBUS 技术的人员提供参考。

关键词:89C52 ;SPC3 ;Profibus - DP 从站

PROFIBUS 简介

现场总线是在现场设备之间实现串行,双向和多节点数字通信的系统,被称为开放式,数字化,多点通信的底层控制网络和全分布式现场控制系统。

PROFIBUS 以其卓越的性能在全世界得到了广泛的应用,PROFIBUS 技术及其产品进入中国,在我国的制造业,流程工业,电力,冶金,水电站监控,交通,食品加工,楼宇自动化领域都有应用实例。国外先进技术和产品进入中国市场在一定程度上带动了我国仪表技术的发展。研究PROFIBUS 总线协议和开发技术,开发PROFIBUS 产品在中国市场有着较大的发展前途。PROFIBUS 总线标准共包括3 个方面的内容: FMS ,DP ,PA。适用于不同的应用领域: FMS 用于车间级监控网络。PA ,专为过程自动化设计,可以使传感器和执行器接在一根共用的总线上,实现了IEC1158 —2 中规定的通信规程。DP 是目前欧洲乃至全球应用最广泛的总线系统,它是一种高速低成本总线,用于设备级控制系统与分散式I/ O 的通信。它安装简单,拓扑结构多样,易于实现冗余,通信实时可靠,功能比较完善,卓越的性能使得它适用于各种工业自动化领域。DP 协议规定了用户数据怎样在总线各站之间进行传递,而DP 行规具体说明用户数据的含义,并规定了DP 如何在应用领域使用。利用行规,设备操作者和最终用户可以互换不同生产厂商生产的设备,甚至还允许互换不同厂商生产的部件,这大大降低了用户的工程和维护成本。DP 从站只使用了DP 协议的很小部分,开发起来十分方便。

智能从站通信接口协议芯片SPC3

PROFIBUS 的通信协议很复杂。从原则上讲,它可以在任何微处理器上由软件实现,只需安装异步串行收发器(UART) 。但是现在开发人员只要使用专门的通信处理芯片,完全可以将复杂的通信协议抛开。PROFIBUS 通信协议芯片已经形成广泛系列,使用这些协议芯片使得PROFIBUS 协议的实现变的简单,方便,省时,省力,还可以达到快速提供产品的目的。适合于智能从站的ASIC种类较多,如IAM公司的PBS ,MOTOROLA 公司的68303 ,68360。SIEMENS 公司的SPC4 ,SPC3 ,VIPA 公司的VPC3+ ,VPM2L 等等,其中SIEMENS 公司的SPC3 通信协议芯片比较有代表性。SPC3 的内部结构如图1。

SPC3 集成了DP 协议中的FDL 层,可以承担通信部分的微处理器负载,实现DP 从站通信处理。微处理器操作SPC3 芯片就像操作它的内部RAM。SPC3 保障报文的有效性,可满足整个报文的一致性数据交换。总线接口是个可参数化的同步/ 异步8 位接口, 适合于MO2TOROLA 和INTEL 的微控制器/ 处理器。内部集成了115K的双口RAM,整个RAM采用8 字节的段结构方式,分成192 段,所有需要分配地址的BUP 指针,必须指向段的开头。DP 通信的服务存取点由SPC3 自动建立,各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF 的内部数据。用户可以通过总线接口访问SPC3 内部RAM。

SPC3 内部集成了一个看门狗定时器,操作于3 种不同的状态:波特率监测,波特率控制和DP 控制。内部的UART实现串并数据流的相互转变,SPC3 可以自动标识总线的波特率(916K～12M) 。空闲定时器控制串行总线电缆上的总线定时。微序列器控制整个SPC3 的工作过程。在SPC3 的内部115KRAM 中,自己用到了64 个字节。在这64 个字节大多需要用户设定,如中断屏蔽字,硬件模式寄存器0 和1 ,各种BUF 长度和指针,标识字等。还有一部分是SPC3 的各种状态指示寄存器,如中断字,输入BUF 状态,输出BUF 状态,诊断BUF 状态等。还有些寄存器在写入时作为工作模式设定寄存器,而读出时作为状态指示用寄存器,如中断请求寄存器。RAM 的其他1472 个字节是提供给各种BUF 的空间。SPC3 具有3 个输入BUF ,3 个输出BUF ,2 个辅助BUF ,1 个配置BUF ,1 个参数BUF 和1 个地址设置BUF。当SPC3 工作前,过程特定的参数(如站地址,标识号,各种控制位等)要输入到特定的寄存器单元之后SPC3 才能正常工作。

硬件设计

在实际设计中, 微处理器采用了INTEL 系列的89C52 ,因为它具有很强的通用性和实用性,而且有较大的程序存储空间(8KB) 。SPC3 与89C52 的接线如图2。

由图2 可以看出,SPC3 具有并行的8 位数据线和11位地址线,采用48M 的晶振,同时可以对48M 晶振进行二分之一和四分之一分频输出,89C52 的晶振是通过SPC3 四分之一分频得来的。SPC3 内部有1. 5K的双口RAM,单片机可以像读写外部RAM 一样访问SPC3。SPC3 内部的1. 5KRAM的片选信号是通过地址信号AB3- 7 同时置0 产生的。XINT/MOT接地表明选择的是IN2TEL 接口模式,MODE 信号接电源表明选择地址数据线分时复用。而DP 另一个通信接口电路是SPC3 的RS485接口电路。对于该电路只要注意一点:为了消除来自零线的干扰,在SPC3 和RS485 收发器之间要加入光电隔离器,因此,需要采用直流电源隔离器。

(DC/ DC) 将光电隔离器两边的电源进行隔离。具体电路如图3 所示。

软件设计

智能从站软件设计包括两个部分,一个是外围电路操作软件,一个是Profibus - DP 通信接口软件,负责智能从站与主站之间的通信。主程序流程图如图4 所示。

结束语

由于SPC3 的应用使得Profibus - DP 从站开发显得容易和快捷。Profibus - DP 总线已经成为八种标准的国际现场总线之一,但是目前国内带有Profibus - DP 接口,并且通过国际认证的产品还很少,因此加强对Profibus -DP 接口产品的研发是目前的重要任务。