Profibus总线的无线网关设计

张建奇 李墨翰 张建锋 王安民

(西安航天自动化股份有限公司1，陕西 西安 710065;中国市政工程西北设计研究院有限公司2，陕西 西安 730000)

0 引言

随着物联网技术的兴起，无线技术开始越来越受到人们的重视。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，能够在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，具有非常高的通信效率，应用前景广泛。Profibus是现在应用最广泛的开放工业现场总线之一。将ZigBee无线通信技术接入Profibus现场总线，可以方便地将无线技术融入到工业控制当中，如电力系统自动化等行业［1］，从而实现无线生产过程控制以及监控等功能［2－3］。

1 网关的总体设计

Profibus总线的无线网网关能够将Profibus总线及带路由功能的无线采集模块(即路由I/O模块)透明连接到一起，通过PLC可以实现对每一个路由I/O的配置以及数据的采集、指令的下发和报警的处理。整个无线采集系统如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

Profibus总线无线网网关可以划分为ZigBee模块、协议转换模块、Profibus总线协议模块和供电模块4个部分。ZigBee模块核心采用TI公司的CC2530芯片，主要完成无线网络的组网管理以及数据采集的工作。协议转换模块使用ATMEL公司的8位单片机Atmega128A。Profibus总线协议及接口模块通过使用PROFICHIP公司的VPC3+C和ADI公司的ADM2486来实现。电源模块采用NI的LM25575芯片，其将24 V的输入电压转换成5 V电压供系统使用。

2 网关硬件设计

系统协议转换单元Atmega128A起到承上启下的作用，它既可以对VPC3+C进行配置管理，与Profibus总线进行数据交换，又可以通过串口和网络协调器CC2530通信，采集终端数据，并将PLC发送的数据传送给CC2530，最终传送到指定的路由 I/O。其中，CC2530使用了TI的 Z-STACK协议栈［4］。

系统协议转换单元Atmega128A在传输数据的同时对数据进行校检，从而保证数据的可靠性，实现Profibus总线到无线网络数据的无缝交换［5］。

2.1 无线网络协调器部分

系统无线网络协调器采用TI的CC2530实现。CC2530 是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的片上系统解决方案，它结合了领先的RF收发器的优良性能，是业界标准的增强型8051 CPU。系统内具有8 kB RAM和最大256 kB闪存，以及许多其他强大的功能，最高通信速度可达250 kbit/s。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适用于超低功耗要求的系统。

网关中的CC2530作为无线网络的网络协调器，是整个无线网络的中心，它负责自组网管理以及I/O数据的采集、传输、路由、汇聚、下发等多种工作。给CC2530加入射频前端CC2591，可以大幅提高无线网络覆盖范围。

无线网络协调器电路如图2所示。

图2 无线网络协调器电路Fig.2 Circuit of wireless network coordinator

2.2 Profibus部分

系统采用VPC3+C实现Profibus-DP的从站功能，与Profibus总线的接口芯片使用Profibus兼容芯片ADM2486。Profibus接口电路原理图如图3所示。

图3 Profibus接口电路Fig.3 Interface circuit of Profibus

VPC3+C集成了全部的Profibus协议，可以方便地实现各种 Profibus总线功能［6］，最高速度可达 12 Mbit/s。VPC3+C支持4种通信模式，这里Atmega128A采用同步Intel模式与VPC3+C通信。ADM2486为半双工隔离式的RS-485收发器，具有25 kV/μs的高共模瞬变抗扰度及热关断保护功能［7］。

3 系统软件设计

系统软件分为网关协议转换和ZigBee无线网络两个部分。

3.1 网关协议转换部分

在本方案的设计中，网关软件的协议转换子程序为主程序模块/中断处理模块的形式。Atmega128A单片机使用同步Intel模式与VPC3+C芯片通信。主程序模块主要负责系统初始化和寄存器状态查询，并根据寄存器状态进行相应操作［8］。

①初始化

在VPC3+C芯片正常工作之前，首先需要对其进行初始化，对寄存器进行配置。这包括设置协议芯片的中断允许，写入从站识别号和地址，设置VPC3+C方式寄存器，设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区、初始化长度等;并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针;根据传输的数据长度，确定输出缓冲区以及输入缓冲区和指针。

VPC3+C初始化流程图如图4所示。

图4 VPC3+C初始化流程图Fig.4 Flowchart of VPC3+C initialization

②外部存储器映射

VPC3+C芯片的内部RAM作为Atmega128A单片机的外部扩展存储器，因此，Atmega128A可以直接以访存的形式访问VPC3+C芯片上的存储器。按照硬件设计，Atmega128A单片机的PA0～PA7引脚作为外部8位数据总线，PC0～PC7引脚作为外部8位地址总线，且地址最高位通过取反后接到VPC3+C芯片上，形成片选信号。当地址最高位为1时，表示访问外部存储器，即VPC3+C芯片内部的存储器;反之访问Atmega128A内部存储器。

③产品识别ID号及从站地址的设置

产品识别ID号在从站设备描述文件(general station device，GSD)中加以设置。程序在初始化VPC3+C芯片时，同样要设置产品识别ID号，且必须与GSD文件里描述的一致。从站地址在PLC配置程序里设定。考虑到一个Profibus总线上可以同时挂接多个网关，因此，网关的从站地址必须方便用户修改。

④设置VPC3+C芯片输入输出缓冲区大小

VPC3+C芯片内部设有专门的用户I/O数据缓冲区，在使用前需要对其进行配置。在配置VPC3+C芯片前，需要先对GSD文件输入输出大小的定义作修改，如:Module=“100 Byte In，40 Byte Out”0x6f，0x63，0x5f，0x5f，0x5f，0x51。

该设置表示从站输入缓冲区为100 B、输出缓冲区为40 B。接下来配置VPC3+C芯片。配置前，首先需取得其配置缓冲区指针，并依次把配置数据写入配置缓冲区(需与GSD文件中的一致)。

然后根据缓冲区大小便可计算出输入输出缓冲区指针。对于该指针的读写操作，其会被VPC3+C芯片转换成Profibus协议上传到PLC中，实现数据的传输。

⑤ZigBee协议数据与Profibus协议数据映射转换

当Atmega128A接收到无线网络协调器发送的数据时，需要根据数据中的帧类型、站号、站类型字段计算出VPC3+C中输入缓冲区指针，并将数据按格式写入输入缓冲区中对应的位置。

同样当接收到PLC从Profibus总线发送的数据时，需要根据开关量所在地址计算出实际对应的站号与站类型，并且封装成规定的帧结构，通过网络协调器发送给对应的路由I/O设备［9］。

3.2 ZigBee无线网络

ZigBee无线网络协议通过TI的Z-STACK协议栈来实现。Z-STACK采用操作系统的思想来构建，采用事件轮询的方式来对事件进行处理。当各层完成初始化后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，则判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降低系统功耗［10］。此外，只需要编写应用层程序就可以实现ZigBee无线网络的应用开发，不需要将过多的精力投入到网络协议的具体细节当中。

协调器与路由I/O通过以下数据结构组织通信数据。

系统上电后，根据程序配置数据，在指定的信道中建立网络号为PANID的网络。部分源代码如下。

此时，只要网络中有路由I/O设备上电，由于有相同的信道号与网络标志号，路由I/O设备会自动加入到该网络。若加入网络成功，则会触发协议栈中的ZDO_STATE_CHANGE消息，应用程序在应用层接收到该消息并确认后，便可以正式开始路由I/O的工作流程。

当路由I/O设备加入网络后，需要先与协调器实施绑定。绑定过程在协议栈应用层实现，路由I/O设备读取自身的拨码值与短地址，并按照上述协议数据结构，封装成命令帧发送给协调器。部分源代码如下。

协调器接收到命令帧，经确认无误后，在本地RAM中记录站号与短地址的对应关系，并回复命令应答帧给相应的路由I/O设备。至此，路由I/O设备的绑定过程结束。如当协调器有控制数据需要下发时，只需要先查表，根据站号查出对应的短地址，便可发送至目的路由I/O设备。

4 结束语

对西门子S7-300 PLC进行编程。实际运行测试结果表明，无线模块的发射功率、接收灵敏度、通信距离、误包率和速度均满足工业应用的实时性和安全性要求。网关可以通过工业现场总线Profibus加入到工业应用当中，具有功耗低、布置方便、编程使用简单可靠等优点，可以替代原来有线传输的方式。随着工业物联网技术的兴起和发展，此无线模块具有良好的应用前景。

［1］张高群.电力系统应用ZigBee技术初步研究［J］.电子测量技术，2008(11):20－22.

［2］梁湖辉，张峰，常冲，等.基于ZigBee的变电站监测报警系统［J］.电力系统保护与控制，2010(12):33－34.

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［5］杨顺，章毅，陶康.基于ZigBee和以太网的无线网关设计［J］.计算机系统应用，2010(1):43－45.

［6］王保永，汪鹏，卢宏军.基于PROFIBUS的智能接口芯片SPC3及其应用［J］.国外电子元器件，2005(3):23－25.

［7］张婕，王征，郭天乐.SPC3在现场总线智能从站设计中的应用［J］.现代电子技术，2008(3):5－7.

［8］李孝辉，张慧慧，孙树文.基于C8051和SPC3的PROFIBUS智能从站设计［J］.微计算机信息，2007(26):120－123.

［9］王学伟.PROFIBUS-DP现场总线智能节点的设计［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2008.

［10］胡鸿豪，林程，宋丽平.基于S3C2410的ZIGBEE无线传感器网络网关的设计［J］.大众科技，2008(12):43 －45.