基于Profibus-DP現場總線的氣體質量流量控制器設計

趙 迪，張 征

（北京七星華創流量計有限公司，北京 100176）

隨著制造自動化和過程自動化中分散化結構設計數量的迅速增長，現場總線的應用日益廣泛。Profibus是由Siemens等公司組織開發的一種國際化的、開放的和不依賴于設備生產商的現場總線標準，可用于有嚴格時間要求、高速數據傳輸的場合，也可用于大范圍復雜通信的場合。既適用于工業自動化中離散加工過程的應用，也適用于流程自動化中連續和批處理過程的應用，現已廣泛應用于制造自動化、流程工業自動化、樓宇自動化以及交通、電力等其他自動化領域。目前世界上許多自動化設備制造商都為他們生產的設備提供了Profibus接口，根據應用特點和用戶需要的不同，Profibus現場總線包括 Profibus-FMS、Profibus-DP和 Profibus-PA這3種主要規范子集[1]。

氣體質量流量控制器MFC用于對氣體的質量流量進行精密的測量與控制，在半導體集成電路工藝、特種材料學科、化學工業、石油工業、醫藥、環保和真空等各領域的科研和生產中有著重要的應用。北京七星華創流量計有限公司的CS200 Profibus MFC正是基于Profibus-DP協議，以實現其在Profibus-DP工業控制網絡中的應用。

1 硬件電路設計結構

Profibus協議作為開放的、與制造商無關、無知識產權保護的標準，原則上在任何微處理器上都可以實現，本設計采用“微控制器MCU+Profibus通信專用芯片”的解決方案，由協議芯片實現Profibus-DP的數據鏈路層協議，MCU對協議芯片進行基本的初始化并進行后續的數據交互，異步串行通信接口完成物理層通信[2]。從硬件設計結構上來講，MFC主要包括MCU控制模塊、Profibus-DP智能從站接口模塊、從站地址設定模塊、傳感器模塊、電磁閥模塊和電源模塊等，產品硬件結構如圖1所示。

圖1 產品硬件結構示意Fig.1 Product hardware structure diagram

1.1 MCU控制模塊

MFC的微處理器采用Microchip公司的16位高性能DSP芯片dsPIC30F6012A，它擁有8 KB的SRAM，4 KB的E2PROM，滿足Profibus-DP與RS-485通信過程中交換數據量比較大的特點。144 KB高可靠性和穩定性的Flash程序存儲器，滿足流量計功能多的特點要求。采用低功耗高速閃存技術，最高工作速度可達30 MIPs。該芯片接口類型完備，支持SPI同步串行接口方式，滿足微處理器與VPC3+S協議芯片間快速通信的要求。

1.2 Profibus-DP總線接口模塊

該部分硬件設計框圖如圖2所示，Profibus協議芯片采用VIPA公司為智能Profibus-DP從站提供的專用芯片VPC3+S，它是Siemens公司的SPC3芯片的更新替代產品，兼容了SPC3的全部功能，可直接與各種微處理控制器連接，以滿足用戶的需要。它支持Profibus-DP協議中的DP-V0、DP-V1和DP-V2子協議類型，內部集成4 KB的雙口RAM，使其能獨立處理更為復雜的通信數據流，支持3.3 V和5 V電壓源，在功能上更為經濟、安全，采用SPI模式實現VPC3+S協議芯片與MCU主控芯片的通信。VPC3+S芯片主要完成Profibus-DP總線接收數據，并完成基本數據處理，判斷是否是主站對該從站的操作，如果是就把信息存入相應的緩沖區并通知MCU，同時VPC3+S還可以根據MCU所發出的指令把從站數據傳送給主站。

圖2 Profibus-DP總線接口硬件結構框圖Fig.2 Hardware structure diagram of Profibus-DP fieldbus

Profibus-DP協議的物理層采用RS-485通信的方式，它是一種差動半雙工通信，VPC3+S本身不帶RS-485接口，需要外設電路來完成RS-485信號的轉化。本設計選用ADM2486芯片作為485通信接口驅動芯片，它是主站和從站之間的橋梁，一側通過D型插座與主站連接，另一側與協議芯片VPC3+S相連。ADM2486是電氣隔離的高速差分總線收發器，用于平衡傳輸線的雙向數據通信，它自身具有隔離和RS-485收發能力，隔離電壓最高可達2.5 kV，ADM2486數據傳輸速率可達20 Mbps，滿足Profibus-DP最高傳輸速率12 Mbps的要求。MIC5205用來提供穩定的5 V電壓源，AD809用于監控電路電壓，避免在上電、關斷和掉電時，A、B端總線信號的抖動。

1.3 從站地址設定模塊

在Profibus-DP現場總線網絡中，主站可以與多個從站進行通信，主站在數據幀中表明要通信的從站地址，通過設置從站地址，主站就可以自動訪問從站，因此在Profibus-DP網絡中每個從站都要設定唯一的地址號。本設計采用如圖3所示硬件電路實現從站地址的設定，通過2個旋轉撥碼轉換開關分別確定從站地址的高字節位和低字節位，在CP端時鐘脈沖信號的控制下，通過移位寄存器M74HC165的Q7口串行輸入給主控制器。

圖3 從站地址設定模塊電路結構Fig.3 Address setting module circuit structure diagram of slave station

2 軟件設計

MFC作為Profibus-DP的從站，軟件上需要等待主站的指令，需要主站對從站進行參數化報文配置、組態報文配置，然后才能進入數據交換狀態，軟件主循環的流程如圖4所示。其中VPC3初始化部分是在MFC上電初始化時執行，其余部分都是在主程序中循環執行。

圖4 軟件主循環的流程Fig.4 Software flow chart of main loop

2.1 VPC3上電初始化

軟件的第一部分為VPC3上電初始化，此部分主要工作包括在MCU中定義VPC3各寄存器名稱與地址并賦初值、復位VPC3、讀取MFC硬件旋轉撥碼開關并計算從站地址、啟動VPC3、復位診斷等操作。

2.2 參數化報文配置

軟件的第二部分為參數化報文配置，此部分對MFC的參數進行相應的配置。七星華創CS200 Profibus MFC產品的參數設置包括安全狀態，即如果通訊中斷，MFC狀態可選擇（0=無影響；1=閥關閉；2=設定為0；3=閥全開）；各種報警（環境溫度報警、傳感器漂移報警、閥報警等）的使能；軟啟動設置（使真實流量按照一定斜率緩慢地接近設定值）；瞬時流量單位設置（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）；溫度單位設置（0=K；1=℃；2=F）；累計流量的單位設置（0=mL；1=L；2=m3；3=ft3）；設定源選擇（1=RS485；2=0-5 Vdc；3=Profibus）；閥控模式選擇等等。

2.3 組態報文配置

軟件的第三部分為組態報文配置，七星華創CS200 Profibus MFC產品的組態方式有3種，組態代碼如表1所示，具體含義如表2～4所示。

2.4 數據交換

軟件的第四部分為數據交換，需要將主站發給MFC的數據，包括流量設定值、CMD命令讀出并讓MFC執行相應指令。MFC發給主站的數據包括MFC的真實流量設定值、流量檢測值、溫度、累計流量值、MFC閥電流值、CMD命令，這些數據也需要根據三種不同的組態方式發送給主站。此外還需要處理診斷信息，如果有診斷事件發生，MFC需要將診斷信息發送給主站。

表1 CS200 Profibus MFC的3種組態方式組態代碼Tab.1 Three kinds of configuration code of CS200 Profibus MFC

表2 CS200 Profibus MFC組態方式一的定義Tab.2 First kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表3 CS200 Profibus MFC組態方式二的定義Tab.3 Second kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表4 CS200 Profibus MFC組態方式三的定義Tab.4 Third kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

3 樣機測試

基于以上部分硬件和軟件的設計，使用Step7軟件對七星華創CS200 Profibus MFC進行測試。

3.1 MFC組態及輸入輸出數據測試

當將GSD文件拖到總線上時將彈出如圖5所示的提示對話框，3種組態方式任選一種，之后出現如圖6所示的Step7總線示意圖。在3種組態方式下分別測試的輸入輸出數據如圖7所示，可以看出在3種組態方式下MFC均可以正常工作。

圖5 提示對話框Fig5 Prompt dialog box

圖6 Step7總線示意Fig.6 Step7 fieldbus schematic diagram

圖7 三種組態方式下MFC的輸入輸出數據Fig.7 MFC input/output data of three kinds of configuration mode

3.2 參數化配置測試

在圖6中雙擊MFC圖標，在彈出的屬性對話框中找到Parameter Assignment選項卡，如圖8所示，此處可以對MFC的各種參數進行設置，編譯下載后由Profibus主站通過參數化報文發送給MFC。以圖8中圈出的軟啟動項為例，將“Softstart selection”設置為Enabled來激活軟啟動功能，“Softstart data”設為20，表示每秒流量變化滿量程的20%，然后通過圖9所示的Profibus變量表分別給出流量設定信號20%FS——100%FS——20%FS變化，同時用CS上位機軟件監控實際的流量檢測值如圖10所示，可以看出當流量設定變化時，實際流量以每秒滿量程的20%來變化，軟啟動功能工作正常。

圖8 MFC的參數設置Fig.8 MFC parameter settings

圖9 MFC的變量表Fig.9 MFC variables table

圖10 MFC軟啟動測試Fig.10 MFC start test

4 結語

本文以dsPIC30F6012A為MCU，以VPC3+S為Profibus-DP從站專用芯片，設計了一種基于Profius-DP現場總線的MFC，可以實現對MFC的安全狀態、報警選項、軟啟動、瞬時流量和累計流量的單位、設定源和閥控模式等多項參數進行參數化配置，并且可以提供由簡到繁的3種不同從站組態方式供客戶選擇，方便客戶靈活配置。經過批量產業化驗證，證明七星華創CS200 Profibus MFC是一款可以滿足Profius-DP總線要求的成熟可靠工業領域流量測量與控制產品。