基于PROFIBUS總線的控制器智能從站設計

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(北京精密機電控制設備研究所,北京 100076)

基于PROFIBUS總線的控制器智能從站設計

劉海山,宋茜，喬森,樊茜，焦震

(北京精密機電控制設備研究所,北京100076)

針對控制器智能化、網絡化的發展趨勢,為了使具有RS485/RS232接口的控制器方便地接入PROFIBUS現場總線網絡,基于C8051F020單片機,研制了以西門子公司的協議芯片SPC3為基礎的PROFIBUS-DP從站。首先介紹了PROFIBUS通信的基本原理,然后詳細論述了硬件的幾個組成部分的功能,對軟件的整體結構及部分模塊進行了論述,同時還給出了抗干擾的幾種措施,最后給出了實驗結果。實驗結果表明設備間通信正常,可以應用于設備數據采集、執行和控制等,實現RS485/RS232設備與PROFIBUS現場總線的無縫互聯。

PROFIBUS-DP從站;SPC3;C8051F020

0 引言

現場總線是具有實時通信能力的分布式控制網絡,是當前最受關注的工業控制網絡形式,己經成為當今工業自動化領域技術發展的熱點之一?，F場總線技術具有豐富的內涵,涉及智能儀表技術、網絡通信技術、實時控制技術、集成電路技術和計算機技術等諸多領域。PROFIBUS作為工業界最具代表性的現場總線,應用非常廣泛。PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速通信連接,是專為自動控制系統和設備分散I/O之間的通信設計的,其傳輸速率可達12Mbit/s。

PROFIBUS現場總線早在1989年就已經成為德國國家標準DIN19245,隨著進一步的推廣和完善,在1996年PROFIBUS被批準成為歐洲現場總線標準EN50170。在2000年頒布的現場總線國際標準IEC61158中,PROFIBUS成為該國際標準定義的8種類型現場總線之一。在國際許多高端的工業生產過程控制底層進行數據采集、執行和控制的設備(如控制器,變頻器、電機啟動保護裝置、智能高低壓電器、電量測量裝置、各種變送器、智能現場測量設備及儀表等)和產品中，現場總線接口已經成為標準配置。Siemen公司在其驅動產品中采用了PROFIBUS現場總線,Rockwell的電機控制產品則使用了Device Net現場總線,Schneider公司的Lexium 05系列的中高端通用型伺服驅動器中提供了PROFIBUS現場總線和CAN總線接口,瑞士Infranor公司的部分伺服驅動器集成了PROFIBUS和CAN總線接口。德國Beckhoff公司也為其伺服驅動器提供了SERCOS、PROFIBUS、Device Net等現場總線接口模塊。

而在我國,PROFIBUS則在2006年10月才成為國家標準GB/T20540-2006。因此目前為止，由于技術和成本方面的考慮，國內大部分企業的工業生產過程控制設備大多都只具有RS232或RS485串行口,都不具備現場總線接口的能力。本文正是基于以上國產控制設備現狀,設計了以C8051F020單片機為控制芯片,SPC3為通信芯片的PROFIBUS-DP從站,重點闡述了PROFIBUS-DP從站在硬件和軟件上的設計思路和實現方法。本文設備具有高速傳輸工業現場設備的數據功能,能夠很方便地與使用RS232或RS485串口的接口設備相連,實現RS232設備和PROFIBUS-DP總線之間協議轉換功能,較好地解決了現有國產產品的總線接入問題。

1 硬件電路設計

電路上采用以“RS232/RS485接口電路+從站地址設備電路撥碼開關+微控制器C8051F020+PROFIBUS-DP智能從站ASIC協議處理芯片SPC3+帶電流隔離485驅動電路”為框架構成,其系統硬件結構框圖如圖1所示。C8051F020微控制器用來實現用戶數據的讀入和通信芯片的控制,SPC3用來完成通信協議的轉換和數據的收發。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 The system hardware structure

1.1 C8051F020與SPC3的接口電路

微控制器選用Cygnal公司的C8051F020單片機,它的內核速度可達25MIPS,具有4352B內部數據RAM,64KB FLASH存儲器,已經能滿足本設計數據通信對內存的要求,故電路設計中省略了原參考電路中外接的74LS573鎖存器和片外RAM。C8051F020存儲芯片可以在系統編程,調試方便;8個8位的端口I/O,所有口線都耐5V電壓,可以很容易接八位的撥碼開關和驅動數碼管;可同時使用的2個增強UART串口,分別用作RS232和RS485的接口;專用的看門狗定時器,可省略復位電路等。

智能從站芯片SPC3支持PROFIBUS-DP協議,可以由硬件完成PROFIBUS-DP通信控制功能,內部具有1.5K RAM的片上數據信息存儲緩沖器,對RS-485總線的存取完全由硬件控制,最大傳輸速率可達12Mbit/s。SPC3上固化有固件,可實現對SPC3內部寄存器與外設應用接口之間的通信連接的控制以及對PROFIBUS狀態機的控制。使用固件可為用戶節省自主開發的時間。

MCU與SPC3的接口電路如圖1所示,SPC3接48MHz有源晶振,通過11條地址線和8條數據線和MCU的P6口和P7口相連。由于MCU選用INTEL微處理器,要注意SPC3應工作于同步模式。由于內部有自己的鎖存及解碼電路,故MCU 8位地址線不經過4LS573鎖存芯片而直接與SPC3連接,這樣低8位地址線和8位數據線共用,而MCU高8位地址線與SPC3的AB0～AB7數據線相連,且AB8～AB10必須為低。MCU將SPC3內部1.5K RAM作為自己外部RAM,為了便于分配地址空間,需將地址線A12加一非門,從而使SPC3的片外地址從0X1000開始,并通過數據的讀寫信號WR、RD對SPC3的初始化和數據進行交換,同時接上復位信號RESET來初始化SPC3清空寄存器,還需接一個外部中斷信號來響應SPC3的中斷程序。SPC3的其他引腳可以參考資料分別接地或電源。

1.2 SPC3的485通信電路

SPC3中的三根信號RTS(請求發送)、TXD(串行發送)、RXD(串行接收)經UART口,把并行數據流變換為串行數據流和將串行數據流變為并行數據流，并經光耦進行電流隔離接入RS485總線驅動芯片中。由于傳輸速率達12Mbit/s,故高速光耦采用25M的HCPL072l和10M的HCPL060l,同時RS485芯片也采用高速通信芯片SN65ALS176,速度可達25M,XCTS(清除發送)接地不用。為提高硬件的抗干擾能力,在電路的設計上必須考慮對光耦兩側的芯片進行電流隔離雙電源供電。我們采用DCPO505進行電源隔離。

1.3 其他電路

從站地址設置單元電路的目的在于,用戶可自由通過從站線路板上的八位地址開關選擇從站地址,靈活組態。

數碼管電路為了檢測通信是否正常,可以通過數碼管來顯示通信數據。

2 軟件編程及GSD文件的編寫

2.1 軟件編程

本程序設計采用結構化設計,整個程序分主程序和調用的子程序。主程序主要包括C8051F020、 SPC3的初始化程序和外部診斷程序等。中斷處理程序作為調用子程序, SPC3產生的中斷接入MCU,使MCU引發中斷處理程序。

程序主要由C8051F020的初始化程序initial.c、用戶程序userspc3.c、spc3結構體及宏操作模塊spc3dps2.h、中斷模塊intspc3.c及子函數模塊dps2spc3.c五個程序文件組成。

其中主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The software main program flow chart

上電后,首先對單片機內部的寄存器進行初始化。首先關閉MCU的看門狗,配置交叉開關來分配通信串口UART、外部中斷、I/O口等資源,同時對各個資源進行配置；然后對SPC3進行初始化,以配置需要的寄存器,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SPC3 方式寄存器,設置診斷緩沖區、地址緩沖區、初始化長度,并根據以上初始值得出各個緩沖區的指針；最后,主站檢查以上參數是否與主站參數表一致,只有一致時,才能進行后續參數的配置。只有當所有參數一致時,才能進行數據交換。中斷程序流程圖如圖3所示,當外部中斷INT0被觸發時,將執行中斷模塊中的子程序。主要處理參數校核中斷事件、組態檢查中斷事件、從站地址設定中斷事件等。

圖3 中斷程序流程圖Fig.3 The system interrupt program flow chart

2.2 GSD文件的編寫

GSD文件為電子設備數據文件,記錄了從站的各種屬性,并隨從設備一起提供給用戶。GSD文件一般分為總規范、與DP有關的規范、與DP從站有關的規范，可從網上下載現有的功能相似產品的GSD文件,根據自己的功能在GSDEDIT軟件中改寫即可。與DP從站有關的屬性應與程序中配置的參數一致,如:是否支持Freeze和SYNC狀態等要設置一樣,同時要保持從站地址與程序中的地址ID號一致。

3 提高系統可靠性措施

工業現場環境惡劣,存在許多干擾因素,其中最主要的有以下幾種:電磁干擾、電源干擾和信號線的干擾等,在設計時須采取措施盡量避免。以下為幾種抗干擾方法。

3.1 硬件設計方面

1)元器件選擇:選用質量可靠的元器件是提高系統可靠性的根本保證,微處理器選用工業極的單片機C8051F020,集成電路的旁路電容應選用質量較好的瓷介電容等。

2)PCB板設計:各功能模塊布局盡量合理,電路板采用四層板,中間兩層為電源和地,頂層和低層為信號線,提高信號抗干擾能力;電源和地線加粗等。

3.2 軟件設計方面

1)為防止系統軟件的死鎖, 啟動C8051F020 微處理器內部的看門狗。

2)在不用的程序存儲區內填寫0x00, 或設置軟件陷阱, 防止程序跑飛。

3)設計軟件時, 該項目采用了模塊化的設計, 各個模塊具有唯一對應的狀態。程序運行相當于狀態機的運行。

4 實驗結果

為了驗證所開發的從站是否與主站連上且具有交換數據的功能,進行以下實驗,試驗實物如圖4所示。該系統采用PLC300為主站,選用CPU為315-2dp,首先用step7進行軟件組態,添加CPU模塊、電源模塊和輸入輸出模塊,設置PLC為DP主站；然后,把改寫的GSD文件導入,再把該模塊掛到DP總線上,設置好從站地址和數據傳輸率；然后選輸入輸出字節模塊,下載到PLC中,看故障燈是否閃爍。程序中的組態配置的從站數據格式與GSD文件中的也要一致,且從站地址要撥到設定的地址位置。經過調試,故障燈變綠(原來是紅燈不斷的閃爍),說明從站已經連上。在PLC用MOVE指令編寫簡單數據傳送程序,可把數據傳送到單片機緩沖區中,且傳輸率可達12Mbit/s,可用數碼管顯示數字,實驗結果表明,通信成功。

圖4 實驗系統實物圖Fig.4 The system experimentation

5 結論

本文基于國產控制設備大都不具備現場總線接口能力的現狀,設計了一款以C8051F020單片機為控制芯片,SPC3為通信芯片的RS232或RS485串行口轉換為PROFIBUS-DP總線的從站設備。該產品采用“RS232/RS485接口電路+從站地址設備電路撥碼開關+微控制器C8051F020+ PROFIBUS-DP智能從站ASIC協議處理芯片SPC3+帶電流隔離485驅動電路”方案。經測試,設計的從站完全滿足PROFIBUS標準,網絡傳輸速率可達12Mbit/s,運行穩定,可滿足大多數應用場合的需求,如變頻器、I/O口設備、執行器等,提供通信基礎,很好地解決了當前國產設備掛到PROFIBUS總線上的技術難題,實現了國產設備控制器RS485/RS232設備與PROFIBUS現場總線的無縫互聯。且又是一個低成本、高性能的嵌入式網絡接入設備,實測數據表明性能達到當前國際同類產品的先進水平,并且在軟件、硬件代價、速度、成本等方面具有較高的競爭力。此款產品的成功開發充分利用現有國產設備資源,減少了投資資金,對積極推動國有控制設備工業網絡自動化具有很強的現實意義。

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DesignofControllerIntelligentSlaveStationBasedonPROFIBUS

LIUHai-shan,SONGQian，QIAOSen，FANQian,JIAOZhen

(BeijingInstituteofPrecisionMechatronicsandControls,Beijing100076,China)

With the development of intelligence and network, and to access controller with RS485/RS232interfaces to PROFIBUS field bus networks expediently, a PROFIBUS-DP slave station based on the C8051F020MCU by using the Siemens protocol chip SPC3is developed.The fundamental of PROFIBUS is introduced first, then the functions of the hardware are discussed in details, and the configuration and some modules of the software are also exposited.Several anti-jamming measures are presented as well.Finally, the experiment result given out indicats that the normal communications are achieved between equipments , and the device can be used on equipments for data collection, control and implement, thus the jointless interconnection between RS485/RS232equipment and PROFIBUS is realized.

PROFIBUS-DP slave station; SPC3; C8051F020single chip

2017-03-30；

：2017-05-10

：劉海山(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向為伺服系統控制技術。

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.007

U666.12

：A

：2095-8110(2017)05-0043-05