基于Profibus总线技术的智能从站设计

李俊湘

（广东省高级技工学校，广东 惠州 516100）

1 引言

现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是一种串行的数字数据通信链路，是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。P rofibus现场总线由P rofibus-DP，P rofibus-FMS，P rofibus-PA组成，其中DP用于分散外设间的高速数据传输，是一种经济的设备级网络，数据传输速率9.6Kbit/s～12Mbit/s，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求，特别适合于加工自动化领域的应用。FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器（PLC）、低压开关等，PA型采用了OSI模型的物理层，数据链路层、适用于过程自动化的总线类型［1］。P rofibus现场总线系统中，DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，能够接收P rofibus的PLC主站或PC主站的控制数据，构成一个数字化、智能双向、多点的现场总线通信网络，实现最优控制；而且DP智能从站执行器具有可靠性高、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，因此开发智能化DP从站具有巨大的前景。

2 P rofibus总线MAC协议

3种系列的P rofibus（DP、PA和FMS）使用同一种总线存取协议，也就是说具有相同的现场总线数据链路（FDL，Fieldbus Data Link）,该通信协议的介质存取控制（MAC,Medium Access Control）采用两种存取方式，即主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式，其中令牌传递控制如图1所示。

在图1中，P rofibus总线上的主设备M3获得令牌，即获得了总线控制权，此时，主设备M3与M5进行数据传递，同时M3也可以与从设备S1、S2、S3等进行通信，M3对从设备进行循环查询。当M3主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者M3的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之间进行传递。

P rofibus-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA-RS485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质，P rofibus—DP数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（T oken B us）和主从方式。令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或其它主站进行通信。令牌传递在主站间的总线结构基础上形成逻辑令牌环，保证每个主站在确定时间内能够取得总线使用权（令牌），并且任一时刻只能有一个主站发送数据，完全避免了冲突；令牌在所有主站间循环一周的最长时间是预先规定好的，保证报文传递的实时性［2－3］。

图1 PROFIBUS总线存取方法

3 P rofibus从站硬件设计

P rofibus-DP区分主动和被动两种总线节点。主动节点为主设备，被动节点为从设备。运行过程中，网络中的各节点共享传输介质，系统需要控制对网络的访问。在图1中，按主从令牌方式访问网络的原则，只有主动节点才有接受访问网络的权利。通过从一个主站将令牌传递给下一个主站来获得访问网络的权利。如果不需要发送，令牌就传递给下一个主站。被动的总线节点是直接通过主模块的轮询来分配的。

如果采用一般的标准网络部件就不能满足通信协议的实时性。因此，DP从站必须采用相应的接口模板来实现其通信的性能。

3.1 ASIC芯片的选取

P rofibus通信接口芯片有很多种，各种芯片有各自的连接方法和工作特性，本系统选用ASIC SPC3芯片，SPC3是一种用于从站的智能通信芯片，具有1.5Kbyte的信息报文存储器，采用44管脚的PQFP封装；可独立完成全部P rofibus-DP通信功能，这样可加速通信协议的执行，而且可减少接口模板微处理器中的软件程序。其总线存取由硬件驱动，与应用对象之间通信采用数据接口，因此数据的交换独立于总线周期。在与应用对象之间硬件连接方面，微处理器提供了方便的接口。SPC3主要技术指标为：在P rofibus上自动检测并调整数据传输速率，最大数据传输速率12Mbit/s。外部时钟接口24MH z或48MH z；集成的看门狗，RS485传输，完整的P rofibus-DP协议集成于芯片中。其结构如图2所示。

在图2中，总线接口单元（BIU）是可参数化的8位同步/异步数据接口，用户可以通过11位地址总线（AB）存取1.5KRAM或数据所存器。方式寄存器（Mode Register）在SPC3启动后，加载过程指定参数（例如从站地址、缓冲器地址、控制位信息等）。过程指定参数和数据缓冲器都存放在1.5KRAM中，RAM和RAM控制器组成双口RAM。状态寄存器（Status Register）存放从站的状态信息，以便在任何时间能扫描现场总线的介质访问子层（MAC）。中断控制器接收不同事件的中断请求，由SPC3一个共同的中断输出口输出。内置的看门狗定时器有3种工作状态：Baud-Search、Baud-Control、DP-Control。串行通讯接口（UART）把并行数据流转换为串行数据流输出到RS485总线上，并自动识别波特率；总线定时器直接控制串行总线电缆上的时序。微处理控制器是本系统的核心［4－5］。

3.2 从站硬件构成

智能化DP从站的硬件系统由SPC3芯片、8032微处理器、扩展接口芯片8255和8279、外部EPROM组成，系统通过并行接口8255的PA接收反馈信号，经过微处理器8032的程序控制，再由8255的PB口输出驱动信号；同时8032通过SPC3使用RS-485与外界通信，获得数据，调整控制参数，使系统实现最优控制。系统的组成结构如图3所示。

图2 SPC3 ASIC芯片结构图

图3 智能DP从站硬件组成图

在图3中，通过在扩展8255上连接不同的外围电路（A/D或D/A），可以实现执行器、变送器等多个智能化从站。SPC3的RAM空间地址分配情况如下，处理器参数锁存/寄存器地址为：000H～015H；中断控制器地址为：00H～03H；04H、05H为状态寄存器；06H、07H为方式寄存器0；08H、09H为方式寄存器1；016H～039H为组织参数，用来存放缓冲器的长度和地址结构信息；040H以上为DP缓冲器，如数据输入/输出缓冲、诊断缓冲、辅助缓冲等等，该段内存包含了SPC3的服务存取点（SAP55～62），能完成DP从站与主站的通信任务。

本系统中，DP从站的过程参数主要有两类：一是从站自身的传感器输入的参数；一类是主站通过P rofibus现场总线传送给从站的参数，如控制指令等等，这些参数都必须通过微处理器8032进行智能化运算。

4 程序设计

SPC3协议芯片主要功能如下：在SPC3支持的DP主站一从站服务中，诊断处理、参数化、检查组态数据和从设备地址设置4种协议报文是开发人员必须了解的。①诊断处理：当从设备发生异常时，可以通过诊断报文向主站传递相关信息，此信息是从设备主动发送的；②参数化（PRM）：参数化报文主要是主站用来设置从设备的工作参数。从站的参数化在DP系统的建立阶段首先完成，也可在用户数据交换模式中完成；③检查组态数据（CFG）：此功能允许DP主站传送组态数据到DP从站以便检查.它们包括输入输出区域的范围，也包括关于数据连续性的信息。DP从站中的用户程序会对接收到的组态数据进行检查，将结果通知SPC3；④变更DP从站的地址（SSA）：此功能允许DP主站（2类）变更DP从站的地址，如DP从站没有存储能力（EEPROM，FLASH）或如果地址设置是以一个开关来实施的，则此功能以RS出错报文来拒绝。

在实际设计过程中，将软件结构设计成主程序模块和中断处理模块，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的操作，这一过程主要处理一些对时间关键性要求相对较低的操作，如IN/OUT数据的处理、诊断报文的处理等；中断处理模块主要处理对时间关键性要求较高的操作，如设备的上/下线处理、参数化报文处理、从设备通道配置报文处理、设备地址报文和设备波特率变更报文处理等过程。

图4、图5所示分别为主程序模块和中断处理模块的工作流程。

在图4主程序模块的工作流程中，SPC3初始化是非常关键的一个环节，SPC3的初始化过程主要包括以下内容。

SPC3中断配置。SPC3最多支持11种类型的中断，用户程序可以对SPC3需要响应的中断进行设置。

图4 主程序模块流程图

图5 中断模块流程图

用户定时器配置。在用户定时器超时后，SPC3会认为用户程序发生错误，会自动切换其工作状态，以防止设备发生故障时影响整个系统的安全。

设备地址设置。SPC3内0xl6H为写入设备地址的地方。

SPC3内各种缓冲区地址及长度计算。需要注意的是，最后的长度值是以段为单位的。需要计算的内容包括：输入/输出缓冲区的长度和指针，存放诊断处理、参数化、组态数据检查和从设备地址设置等多种协议报文的缓冲区长度及指针等。SPC3只提供一个中断，用户程序在响应中断后，根据中断请求寄存器（IRR）中的内容来判断具体发生何种类型的中断事件，中断处理模块主要完成以下工作：①检查并处理新的PRM报文；②检查并处理新的CFG报文；③检查并处理新的SSA报文。

5 结束语

P rofibus现场总线技术的主要目标是满足工业控制现场快速、高效的数据通信要求，通过P rofibus网和软件的对策可实现真正的快速，包括快速采集大量的常规通道信号及现场数据。智能从站是P rofibus网的重要组成部分，DP的从站设计方法有多种，在实际设计时，应根据具体要求，选择合适的芯片；同时设计出的从站产品，经过必要的测试，如数据采集、网络通讯、可靠性和抗干扰性等，方可投入使用。本文提出的DP从站，可实现整个现场总线控制过程的最优化，是目前较为先进和可靠的产品。

［1］刘美俊.西门子PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］单志华，周炎涛，王兴仙.基于PROFIBUS智能断路器通信模块设计与实现［J］.计算机系统应用，2011，20（8）：138－141.

［3］杜大军，费敏锐，宋 杨等.网络控制系统的简要回顾及展望［J］.仪器仪表学报，2011，32（3）：713－720.

［4］PROFIBUSspecification No.0.032 ，PROFIBUS specification Normative Parts，Part8：user specification［S］.

［5］PROFIBUSspecification No.0.032，PROFIBUS specification Normative Parts，Part 4：Data Link Layer Protocol specification［S］.