Profibus總線的無線網關設計

張建奇 李墨翰 張建鋒 王安民

(西安航天自動化股份有限公司1，陜西 西安 710065;中國市政工程西北設計研究院有限公司2，陜西 西安 730000)

0 引言

隨著物聯網技術的興起，無線技術開始越來越受到人們的重視。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。它依據IEEE 802.15.4標準，能夠在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，具有非常高的通信效率，應用前景廣泛。Profibus是現在應用最廣泛的開放工業現場總線之一。將ZigBee無線通信技術接入Profibus現場總線，可以方便地將無線技術融入到工業控制當中，如電力系統自動化等行業［1］，從而實現無線生產過程控制以及監控等功能［2－3］。

1 網關的總體設計

Profibus總線的無線網網關能夠將Profibus總線及帶路由功能的無線采集模塊(即路由I/O模塊)透明連接到一起，通過PLC可以實現對每一個路由I/O的配置以及數據的采集、指令的下發和報警的處理。整個無線采集系統如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

Profibus總線無線網網關可以劃分為ZigBee模塊、協議轉換模塊、Profibus總線協議模塊和供電模塊4個部分。ZigBee模塊核心采用TI公司的CC2530芯片，主要完成無線網絡的組網管理以及數據采集的工作。協議轉換模塊使用ATMEL公司的8位單片機Atmega128A。Profibus總線協議及接口模塊通過使用PROFICHIP公司的VPC3+C和ADI公司的ADM2486來實現。電源模塊采用NI的LM25575芯片，其將24 V的輸入電壓轉換成5 V電壓供系統使用。

2 網關硬件設計

系統協議轉換單元Atmega128A起到承上啟下的作用，它既可以對VPC3+C進行配置管理，與Profibus總線進行數據交換，又可以通過串口和網絡協調器CC2530通信，采集終端數據，并將PLC發送的數據傳送給CC2530，最終傳送到指定的路由 I/O。其中，CC2530使用了TI的 Z-STACK協議棧［4］。

系統協議轉換單元Atmega128A在傳輸數據的同時對數據進行校檢，從而保證數據的可靠性，實現Profibus總線到無線網絡數據的無縫交換［5］。

2.1 無線網絡協調器部分

系統無線網絡協調器采用TI的CC2530實現。CC2530 是用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的片上系統解決方案，它結合了領先的RF收發器的優良性能，是業界標準的增強型8051 CPU。系統內具有8 kB RAM和最大256 kB閃存，以及許多其他強大的功能，最高通信速度可達250 kbit/s。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統。

網關中的CC2530作為無線網絡的網絡協調器，是整個無線網絡的中心，它負責自組網管理以及I/O數據的采集、傳輸、路由、匯聚、下發等多種工作。給CC2530加入射頻前端CC2591，可以大幅提高無線網絡覆蓋范圍。

無線網絡協調器電路如圖2所示。

圖2 無線網絡協調器電路Fig.2 Circuit of wireless network coordinator

2.2 Profibus部分

系統采用VPC3+C實現Profibus-DP的從站功能，與Profibus總線的接口芯片使用Profibus兼容芯片ADM2486。Profibus接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 Profibus接口電路Fig.3 Interface circuit of Profibus

VPC3+C集成了全部的Profibus協議，可以方便地實現各種 Profibus總線功能［6］，最高速度可達 12 Mbit/s。VPC3+C支持4種通信模式，這里Atmega128A采用同步Intel模式與VPC3+C通信。ADM2486為半雙工隔離式的RS-485收發器，具有25 kV/μs的高共模瞬變抗擾度及熱關斷保護功能［7］。

3 系統軟件設計

系統軟件分為網關協議轉換和ZigBee無線網絡兩個部分。

3.1 網關協議轉換部分

在本方案的設計中，網關軟件的協議轉換子程序為主程序模塊/中斷處理模塊的形式。Atmega128A單片機使用同步Intel模式與VPC3+C芯片通信。主程序模塊主要負責系統初始化和寄存器狀態查詢，并根據寄存器狀態進行相應操作［8］。

①初始化

在VPC3+C芯片正常工作之前，首先需要對其進行初始化，對寄存器進行配置。這包括設置協議芯片的中斷允許，寫入從站識別號和地址，設置VPC3+C方式寄存器，設置診斷緩沖區、參數緩沖區、配置緩沖區、地址緩沖區、初始化長度等;并根據以上初始值得出各個緩沖區的指針和輔助緩沖區的指針;根據傳輸的數據長度，確定輸出緩沖區以及輸入緩沖區和指針。

VPC3+C初始化流程圖如圖4所示。

圖4 VPC3+C初始化流程圖Fig.4 Flowchart of VPC3+C initialization

②外部存儲器映射

VPC3+C芯片的內部RAM作為Atmega128A單片機的外部擴展存儲器，因此，Atmega128A可以直接以訪存的形式訪問VPC3+C芯片上的存儲器。按照硬件設計，Atmega128A單片機的PA0～PA7引腳作為外部8位數據總線，PC0～PC7引腳作為外部8位地址總線，且地址最高位通過取反后接到VPC3+C芯片上，形成片選信號。當地址最高位為1時，表示訪問外部存儲器，即VPC3+C芯片內部的存儲器;反之訪問Atmega128A內部存儲器。

③產品識別ID號及從站地址的設置

產品識別ID號在從站設備描述文件(general station device，GSD)中加以設置。程序在初始化VPC3+C芯片時，同樣要設置產品識別ID號，且必須與GSD文件里描述的一致。從站地址在PLC配置程序里設定。考慮到一個Profibus總線上可以同時掛接多個網關，因此，網關的從站地址必須方便用戶修改。

④設置VPC3+C芯片輸入輸出緩沖區大小

VPC3+C芯片內部設有專門的用戶I/O數據緩沖區，在使用前需要對其進行配置。在配置VPC3+C芯片前，需要先對GSD文件輸入輸出大小的定義作修改，如:Module=“100 Byte In，40 Byte Out”0x6f，0x63，0x5f，0x5f，0x5f，0x51。

該設置表示從站輸入緩沖區為100 B、輸出緩沖區為40 B。接下來配置VPC3+C芯片。配置前，首先需取得其配置緩沖區指針，并依次把配置數據寫入配置緩沖區(需與GSD文件中的一致)。

然后根據緩沖區大小便可計算出輸入輸出緩沖區指針。對于該指針的讀寫操作，其會被VPC3+C芯片轉換成Profibus協議上傳到PLC中，實現數據的傳輸。

⑤ZigBee協議數據與Profibus協議數據映射轉換

當Atmega128A接收到無線網絡協調器發送的數據時，需要根據數據中的幀類型、站號、站類型字段計算出VPC3+C中輸入緩沖區指針，并將數據按格式寫入輸入緩沖區中對應的位置。

同樣當接收到PLC從Profibus總線發送的數據時，需要根據開關量所在地址計算出實際對應的站號與站類型，并且封裝成規定的幀結構，通過網絡協調器發送給對應的路由I/O設備［9］。

3.2 ZigBee無線網絡

ZigBee無線網絡協議通過TI的Z-STACK協議棧來實現。Z-STACK采用操作系統的思想來構建，采用事件輪詢的方式來對事件進行處理。當各層完成初始化后，系統進入低功耗模式，當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，則判斷優先級，逐次處理事件。這種軟件構架可以極大地降低系統功耗［10］。此外，只需要編寫應用層程序就可以實現ZigBee無線網絡的應用開發，不需要將過多的精力投入到網絡協議的具體細節當中。

協調器與路由I/O通過以下數據結構組織通信數據。

系統上電后，根據程序配置數據，在指定的信道中建立網絡號為PANID的網絡。部分源代碼如下。

此時，只要網絡中有路由I/O設備上電，由于有相同的信道號與網絡標志號，路由I/O設備會自動加入到該網絡。若加入網絡成功，則會觸發協議棧中的ZDO_STATE_CHANGE消息，應用程序在應用層接收到該消息并確認后，便可以正式開始路由I/O的工作流程。

當路由I/O設備加入網絡后，需要先與協調器實施綁定。綁定過程在協議棧應用層實現，路由I/O設備讀取自身的撥碼值與短地址，并按照上述協議數據結構，封裝成命令幀發送給協調器。部分源代碼如下。

協調器接收到命令幀，經確認無誤后，在本地RAM中記錄站號與短地址的對應關系，并回復命令應答幀給相應的路由I/O設備。至此，路由I/O設備的綁定過程結束。如當協調器有控制數據需要下發時，只需要先查表，根據站號查出對應的短地址，便可發送至目的路由I/O設備。

4 結束語

對西門子S7-300 PLC進行編程。實際運行測試結果表明，無線模塊的發射功率、接收靈敏度、通信距離、誤包率和速度均滿足工業應用的實時性和安全性要求。網關可以通過工業現場總線Profibus加入到工業應用當中，具有功耗低、布置方便、編程使用簡單可靠等優點，可以替代原來有線傳輸的方式。隨著工業物聯網技術的興起和發展，此無線模塊具有良好的應用前景。

［1］張高群.電力系統應用ZigBee技術初步研究［J］.電子測量技術，2008(11):20－22.

［2］梁湖輝，張峰，常沖，等.基于ZigBee的變電站監測報警系統［J］.電力系統保護與控制，2010(12):33－34.

［3］何杏宇，張浩，彭道剛.ZigBee技術在工業環境監測系統中的應用研究［J］.機電一體化，2008(7):111－112.

［4］杜煥軍，張維勇，劉國田.ZigBee網絡的路由協議研究［J］.合肥工業大學學報:自然科學版，2008(10):79－80.

［5］楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網的無線網關設計［J］.計算機系統應用，2010(1):43－45.

［6］王保永，汪鵬，盧宏軍.基于PROFIBUS的智能接口芯片SPC3及其應用［J］.國外電子元器件，2005(3):23－25.

［7］張婕，王征，郭天樂.SPC3在現場總線智能從站設計中的應用［J］.現代電子技術，2008(3):5－7.

［8］李孝輝，張慧慧，孫樹文.基于C8051和SPC3的PROFIBUS智能從站設計［J］.微計算機信息，2007(26):120－123.

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［10］胡鴻豪，林程，宋麗平.基于S3C2410的ZIGBEE無線傳感器網絡網關的設計［J］.大眾科技，2008(12):43 －45.