基于Profibus-DP现场总线的气体质量流量控制器设计

赵 迪，张 征

（北京七星华创流量计有限公司，北京 100176）

随着制造自动化和过程自动化中分散化结构设计数量的迅速增长，现场总线的应用日益广泛。Profibus是由Siemens等公司组织开发的一种国际化的、开放的和不依赖于设备生产商的现场总线标准，可用于有严格时间要求、高速数据传输的场合，也可用于大范围复杂通信的场合。既适用于工业自动化中离散加工过程的应用，也适用于流程自动化中连续和批处理过程的应用，现已广泛应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇自动化以及交通、电力等其他自动化领域。目前世界上许多自动化设备制造商都为他们生产的设备提供了Profibus接口，根据应用特点和用户需要的不同，Profibus现场总线包括 Profibus-FMS、Profibus-DP和 Profibus-PA这3种主要规范子集[1]。

气体质量流量控制器MFC用于对气体的质量流量进行精密的测量与控制，在半导体集成电路工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等各领域的科研和生产中有着重要的应用。北京七星华创流量计有限公司的CS200 Profibus MFC正是基于Profibus-DP协议，以实现其在Profibus-DP工业控制网络中的应用。

1 硬件电路设计结构

Profibus协议作为开放的、与制造商无关、无知识产权保护的标准，原则上在任何微处理器上都可以实现，本设计采用“微控制器MCU+Profibus通信专用芯片”的解决方案，由协议芯片实现Profibus-DP的数据链路层协议，MCU对协议芯片进行基本的初始化并进行后续的数据交互，异步串行通信接口完成物理层通信[2]。从硬件设计结构上来讲，MFC主要包括MCU控制模块、Profibus-DP智能从站接口模块、从站地址设定模块、传感器模块、电磁阀模块和电源模块等，产品硬件结构如图1所示。

图1 产品硬件结构示意Fig.1 Product hardware structure diagram

1.1 MCU控制模块

MFC的微处理器采用Microchip公司的16位高性能DSP芯片dsPIC30F6012A，它拥有8 KB的SRAM，4 KB的E2PROM，满足Profibus-DP与RS-485通信过程中交换数据量比较大的特点。144 KB高可靠性和稳定性的Flash程序存储器，满足流量计功能多的特点要求。采用低功耗高速闪存技术，最高工作速度可达30 MIPs。该芯片接口类型完备，支持SPI同步串行接口方式，满足微处理器与VPC3+S协议芯片间快速通信的要求。

1.2 Profibus-DP总线接口模块

该部分硬件设计框图如图2所示，Profibus协议芯片采用VIPA公司为智能Profibus-DP从站提供的专用芯片VPC3+S，它是Siemens公司的SPC3芯片的更新替代产品，兼容了SPC3的全部功能，可直接与各种微处理控制器连接，以满足用户的需要。它支持Profibus-DP协议中的DP-V0、DP-V1和DP-V2子协议类型，内部集成4 KB的双口RAM，使其能独立处理更为复杂的通信数据流，支持3.3 V和5 V电压源，在功能上更为经济、安全，采用SPI模式实现VPC3+S协议芯片与MCU主控芯片的通信。VPC3+S芯片主要完成Profibus-DP总线接收数据，并完成基本数据处理，判断是否是主站对该从站的操作，如果是就把信息存入相应的缓冲区并通知MCU，同时VPC3+S还可以根据MCU所发出的指令把从站数据传送给主站。

图2 Profibus-DP总线接口硬件结构框图Fig.2 Hardware structure diagram of Profibus-DP fieldbus

Profibus-DP协议的物理层采用RS-485通信的方式，它是一种差动半双工通信，VPC3+S本身不带RS-485接口，需要外设电路来完成RS-485信号的转化。本设计选用ADM2486芯片作为485通信接口驱动芯片，它是主站和从站之间的桥梁，一侧通过D型插座与主站连接，另一侧与协议芯片VPC3+S相连。ADM2486是电气隔离的高速差分总线收发器，用于平衡传输线的双向数据通信，它自身具有隔离和RS-485收发能力，隔离电压最高可达2.5 kV，ADM2486数据传输速率可达20 Mbps，满足Profibus-DP最高传输速率12 Mbps的要求。MIC5205用来提供稳定的5 V电压源，AD809用于监控电路电压，避免在上电、关断和掉电时，A、B端总线信号的抖动。

1.3 从站地址设定模块

在Profibus-DP现场总线网络中，主站可以与多个从站进行通信，主站在数据帧中表明要通信的从站地址，通过设置从站地址，主站就可以自动访问从站，因此在Profibus-DP网络中每个从站都要设定唯一的地址号。本设计采用如图3所示硬件电路实现从站地址的设定，通过2个旋转拨码转换开关分别确定从站地址的高字节位和低字节位，在CP端时钟脉冲信号的控制下，通过移位寄存器M74HC165的Q7口串行输入给主控制器。

图3 从站地址设定模块电路结构Fig.3 Address setting module circuit structure diagram of slave station

2 软件设计

MFC作为Profibus-DP的从站，软件上需要等待主站的指令，需要主站对从站进行参数化报文配置、组态报文配置，然后才能进入数据交换状态，软件主循环的流程如图4所示。其中VPC3初始化部分是在MFC上电初始化时执行，其余部分都是在主程序中循环执行。

图4 软件主循环的流程Fig.4 Software flow chart of main loop

2.1 VPC3上电初始化

软件的第一部分为VPC3上电初始化，此部分主要工作包括在MCU中定义VPC3各寄存器名称与地址并赋初值、复位VPC3、读取MFC硬件旋转拨码开关并计算从站地址、启动VPC3、复位诊断等操作。

2.2 参数化报文配置

软件的第二部分为参数化报文配置，此部分对MFC的参数进行相应的配置。七星华创CS200 Profibus MFC产品的参数设置包括安全状态，即如果通讯中断，MFC状态可选择（0=无影响；1=阀关闭；2=设定为0；3=阀全开）；各种报警（环境温度报警、传感器漂移报警、阀报警等）的使能；软启动设置（使真实流量按照一定斜率缓慢地接近设定值）；瞬时流量单位设置（0=%FS；1=mL/s；2=mL/min；3=mL/h；4=L/s；5=L/min；6=L/h；7=m3/s；8=m3/min；9=m3/h；10=ft3/s；11=ft3/min；12=ft3/h）；温度单位设置（0=K；1=℃；2=F）；累计流量的单位设置（0=mL；1=L；2=m3；3=ft3）；设定源选择（1=RS485；2=0-5 Vdc；3=Profibus）；阀控模式选择等等。

2.3 组态报文配置

软件的第三部分为组态报文配置，七星华创CS200 Profibus MFC产品的组态方式有3种，组态代码如表1所示，具体含义如表2～4所示。

2.4 数据交换

软件的第四部分为数据交换，需要将主站发给MFC的数据，包括流量设定值、CMD命令读出并让MFC执行相应指令。MFC发给主站的数据包括MFC的真实流量设定值、流量检测值、温度、累计流量值、MFC阀电流值、CMD命令，这些数据也需要根据三种不同的组态方式发送给主站。此外还需要处理诊断信息，如果有诊断事件发生，MFC需要将诊断信息发送给主站。

表1 CS200 Profibus MFC的3种组态方式组态代码Tab.1 Three kinds of configuration code of CS200 Profibus MFC

表2 CS200 Profibus MFC组态方式一的定义Tab.2 First kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表3 CS200 Profibus MFC组态方式二的定义Tab.3 Second kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表4 CS200 Profibus MFC组态方式三的定义Tab.4 Third kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

3 样机测试

基于以上部分硬件和软件的设计，使用Step7软件对七星华创CS200 Profibus MFC进行测试。

3.1 MFC组态及输入输出数据测试

当将GSD文件拖到总线上时将弹出如图5所示的提示对话框，3种组态方式任选一种，之后出现如图6所示的Step7总线示意图。在3种组态方式下分别测试的输入输出数据如图7所示，可以看出在3种组态方式下MFC均可以正常工作。

图5 提示对话框Fig5 Prompt dialog box

图6 Step7总线示意Fig.6 Step7 fieldbus schematic diagram

图7 三种组态方式下MFC的输入输出数据Fig.7 MFC input/output data of three kinds of configuration mode

3.2 参数化配置测试

在图6中双击MFC图标，在弹出的属性对话框中找到Parameter Assignment选项卡，如图8所示，此处可以对MFC的各种参数进行设置，编译下载后由Profibus主站通过参数化报文发送给MFC。以图8中圈出的软启动项为例，将“Softstart selection”设置为Enabled来激活软启动功能，“Softstart data”设为20，表示每秒流量变化满量程的20%，然后通过图9所示的Profibus变量表分别给出流量设定信号20%FS——100%FS——20%FS变化，同时用CS上位机软件监控实际的流量检测值如图10所示，可以看出当流量设定变化时，实际流量以每秒满量程的20%来变化，软启动功能工作正常。

图8 MFC的参数设置Fig.8 MFC parameter settings

图9 MFC的变量表Fig.9 MFC variables table

图10 MFC软启动测试Fig.10 MFC start test

4 结语

本文以dsPIC30F6012A为MCU，以VPC3+S为Profibus-DP从站专用芯片，设计了一种基于Profius-DP现场总线的MFC，可以实现对MFC的安全状态、报警选项、软启动、瞬时流量和累计流量的单位、设定源和阀控模式等多项参数进行参数化配置，并且可以提供由简到繁的3种不同从站组态方式供客户选择，方便客户灵活配置。经过批量产业化验证，证明七星华创CS200 Profibus MFC是一款可以满足Profius-DP总线要求的成熟可靠工业领域流量测量与控制产品。