ＳＰＣ３在現場總線智能從站設計中的應用

摘 要：工控現場設備與總線相連，實現現場總線分布式控制離不開Profibus接口。介紹了Profibus現場總線的基本特征和智能從站通訊接口芯片SPC3，闡述了SPC3與AT89C52的接口設計和智能從站的軟件設計。以SPC3芯片為核心開發的智能從站能很好地實現數據的采集和控制，在工控現場具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：SPC3；現場總線；智能從站；AT89C52

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0314902

Application of SPC3 in Design of Profibus—DP Intelligent Slave Station

ZHANG Jie1，WANG Zheng2，GUO Tianle3

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，650093，China；

2.China Tobacco Yunnan Industrial Corporation，Kunming，650011，China；

3.Kunming Roleeteen Electronics System Company Limited，Kunming，650032，China)

Abstract：Profibus interface to connect field equipment with field bus in industrial control field and to realize distributed control.This paper introduces the basic characteristics of Profibus field bus and the communication interface chip of intelligent slave，and describes the interface design between SPC3 and AT89C52 and the software design of the intelligent slave.The intelligent slave based on SPC3 has the data acquisition and transfer function，and it has a broad application prospect in industrial control field.

Keywords：SPC3；field—bus；intelligent slave；AT89C52

現場總線控制系統是信息數字化、控制分散化、開放互操作性的新一代工業自動化控制系統[1]。Profibus作為最有代表性的現場總線廣泛應用于車間級監控和現場設備層數據通訊與控制，現場設備要實現數據傳輸與控制也需提供Profibus接口。同時，國內產品進入國際市場也必須帶有國際標準接口[2]。基于通訊接口芯片SPC3開發的現場總線智能從站，能很好地實現工控現場的數據傳輸與控制，為現場分布式控制創造了條件，同時智能從站的開發也為打破國外總線網關產品壟斷和國內產品進入國際市場奠定了基礎。

1 Profibus現場總線的基本特征

Profibus根據應用特點分為Profibus—DP，Profibus—FMS和Profibus—PA三個兼容版本[3]。Profibus—DP用于設備級控制系統與分散式I/O間的通訊，具有速度高、成本低的優點[4]。Profibus—DP采用了OSI模型的物理層和數字鏈路層，同時隱去了第3～7層，實現更高的網絡傳輸速度，增加了直接數據連接擬合作為用戶接口。Profibus總線存取協議包括主站之間的令牌傳遞方式和從站之間的主從方式，如圖1所示。Profibus用差分電壓輸出的RS 485實現電流的連接。Profibus—DP使用發送和請求數據需應答服務和發送數據不需應答服務。在發送和請求數據需應答服務中，主站發送輸出數據到從站和主站接收從站數據的輸入，在規定時間內應答。

圖1 Profibus總線存取協議

2 智能從站通訊接口芯片SPC3

Profibus具有較為復雜的通訊協議，這使得智能從站的開發具有相當的難度。智能從站通訊接口芯片SPC3集成了Profibus—DP/DPV1的全部協議，可以極大減輕相連的微控制器負荷。SPC3的應用使得智能從站的開發不必關注復雜協議，減輕了開發技術難度、節省了時間和資金。SPC3數據存取由硬件驅動，數據交換獨立于總線周期，所以具有較好的穩定性。他可滿足報文的一致性數據交換，保障數據的有效性，同時，可以自動建立Profibus—DP通訊的服務存取點，通過自動識別與接收，SPC3可以獲取傳送給本站的數據報文。用戶可以通過總線接口訪問SPC3的內部RAM，而呈現在用戶面前的各種報文信息是不同BUF的內部數據。SPC3內部集成了1.5 kB的雙口RAM，其存儲分配表如表1所示。SPC3有14個中斷源，中斷無優先級，主要是通過中斷屏蔽寄存器和中斷響應寄存器來實現中斷且共用一個中斷輸出。同時，SPC3集成的看門狗計數器可以工作于波特率監測、波特率控制和DP控制3種狀態。

表1 SPC3存儲分配表

3 SPC3與AT89C52的接口設計

SPC3具有8根數據線和11根地址線[5]。基于SPC3開發現場總線智能從站具備的主要功能為：使具有RS 232接口的現場設備能與Profibus現場總線實現數據傳輸與控制，各個單列的現場設備間實現開放互連通訊。在硬件設計上，我們選用AT89C52八位MCU控制通信過程。SPC3完成Profibus—DP協議處理工作，他與AT89C52的接口設計圖如圖2所示。SPC3通過地址線和數據線同MCU的P0口和P2口相連，同時設定為同步工作方式。AT89C52的8位地址線直接與SPC3連接，這樣低8位地址線和8位數據線共用。AT89C52的高8位地址線與SPC3的AB0～AB7數據線相連，并將SPC3內部1.5 kBRAM作為自己外部RAM，統一分配地址空間，并通過雙端口完成對SPC3的初始化和數據交換。外部設備通過標準RS 232接口處理芯片進行電平轉換后接入AT89C52的P0口。

圖2 SPC3與AT89C52的接口設計圖

4 智能從站的軟件設計

現場總線智能從站的軟件設計包括主程序和中斷程序的設計。首先是對AT89C52和SPC3的初始化。AT89C52負責存儲和處理主站發送的數據以及組織發送給主站的數據，不參與處理DP狀態機。對SPC3內部RAM的000H～03DH進行初始化，為指針變量賦值應考慮指針是斷序號并且能被8整除。根據SPC3初始值求出各個緩沖區的指針及輔助緩沖區的指針，依據數據長度確定輸入緩沖區、輸出緩沖區及指針。主站檢查參數是否與主站配置參數表一致，當雙方完全一致時，從站才能配置

輸入輸出字節數、診斷字節數和各類數據指針。再次比較，主從站配置參數完全一致時，可以進行數據交換。用戶設備通過I/O程序實現報文數據處理。SPC3產生的中斷信號引發AT89C52中斷處理程序，中斷處理程序主要用來處理PRM報文、CFG報文、SSA報文。主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 中斷程序流程圖

5 結 語

工業控制現場設備往往只具備RS 232通訊接口，本文以SPC3芯片為核心，設計并實現了Profibus—DP和RS 232數據通信智能從站。智能從站可嵌入具有RS 232接口的現場設備，實現數據采集，開關量控制，AI，AO，DI，DO等多種功能。基于SPC3開發的智能從站具有較強的可控、可操作能力，能方便接入主站與上位機和其他總線系統通信，實現生產過程控制層PCS和制造執行層MES的數據通信。

參考文獻

[1]王東云，凌德麟，黃建萍.西門子PROFIBUS—DP現場總線及應用[J].航天控制，2002(4):69—73.

[2]滿慶豐，韓鋒，夏繼強.開發 PROFIBUS—DP智能從站[J].電測與儀表，2003(3):37—40.

[3]陽憲惠，魏慶福，徐用懋.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[4]郭偉東，曹寧.PROFIBUS—DP現場總線的應用[J].河海大學常州分校學報，2005(3):61—64.

[5]Siemens Simatic—Net SPC3 and DPS2 User Description (Siemens PROFIBUS Controller According to IEC 61158)Version: 2.0，2002：38—46.

作者簡介

張 婕 女，1976年出生，貴州遵義人，碩士，講師。主要研究方向為車輛調度系統計算機仿真和可視化建模、機電課程教學等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。