摘? 要:從開發的角度討論了利用西門子公司的Development Kit 4開發包" title="開發包">開發包實現PROFIBUS-DP" title="PROFIBUS-DP">PROFIBUS-DP現場總線通訊接口" title="通訊接口">通訊接口硬件和軟件的方法，并介紹了PROFIBUS-DP開發包中的一些重要組件和DPS2的使用。
關鍵詞: PROFIBUS-DP? IM183-1? SPC3? DPS2? 接口
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現場總線技術是實現現場級設備數字化的工業現場層網絡通信技術，它具有較強的現場信息集成能力，組成的系統可靠性高、可維護性好，而且總線協議是開放的。在現有的各種現場總線標準中，PROFIBUS現場總線是一種很流行的現場總線標準，占有很大的市場份額，而且在逐年地增加。鑒于這種情況，如何為一個設備開發一個PROFIBUS的通訊接口，使設備能接到PROFIBUS現場總線的網絡中就顯得尤為重要，而且近年來國內關于這方面的系統介紹很少。
1 PROFIBUS現場總線
PROFIBUS 是一種開放式現場總線系統，應用領域包括工業、加工制造、過程控制和樓宇自動化等各個領域。PROFIBUS是國際化的現場總線標準，即EN50170歐洲現場總線標準。該標準保證了PROFIBUS不依賴于個別廠商的開放性。
PROFIBUS由3部分組成:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、ROFIBUS-PA，FMS主要用于車間級控制網絡，是一種令牌結構和實時的多主網絡;DP是一種高速的低成本通訊連接，用于設備級控制系統與分散式I/O通信;PA是專為過程化而設計的，可將傳感器和執行機構連在一根總線上，具有本征安全規范。
PROFIBUS-DP主要用于現場設備，有較高的實時性，數據傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率為9.5kbit/s~12Mbit/s，響應時間為幾百微秒到幾百毫秒，傳輸技術主要用RS485，傳輸介質是雙絞線和光纖。
PROFIBUS的協議實現可通過PROFIBUS的專用協議芯片與微處理器的結合來完成，本文主要討論利用PROFIBUS-DP專用開發包來實現DP從站的硬件和軟件。
2 PROFIBUS-DP通訊接口開發工具
PROFIBUS現場總線通訊接口開發工具是西門子公司的Development Kit 4開發包，它可使用戶將所選設備連接到PROFIBUS-DP上，進行通信原理級測試，開發包主要由硬件組件和軟件組件組成，硬件組件包括IM183-1從站接口模塊" title="接口模塊">接口模塊、IM180主站接口模塊、IM184從站接口模塊及總線連接器等附件。使用這些主站和從站接口模塊及設備可組成具有完整的總線功能的網絡。軟件組件包括IM183-1模塊的固態程序、COM PROFIBUS總線組態軟件及演示軟件。在接口開發包中，IM183-1從站接口模塊、COM PROFIBUS總線組態軟件及ASIC協議芯片SPC3是最重要的。
2.1 IM183-1從站接口模塊
IM183-1從站接口模塊可將第三方設備作為智能從站連接到PROFIBUS-DP上，最大數據傳輸速率為12Mbit/s，可自動檢測總線數據傳輸速率。IM183-1從站接口模塊主要由ASIC芯片SPC3、80C32微處理器、EPROM、RAM和一個用于PROFIBUS-DP的RS-485接口組成，還包括一個RS232接口和連接設備的接口，PROFIBUS協議由ASIC芯片SPC3來處理。
2.2 COM PROFIBUS總線組態軟件
COM PROFIBUS是用于PROFIBUS現場總線的組態軟件，可以組成PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS總線系統的控制網絡，可以配置主站與從站，直接讀取從站與主站的輸出、輸入數據，設置總線數據傳輸速率等功能，更重要的是它可以測試帶有自主開發的通訊接口的設備。
COM PROFIBUS和其它一些組態軟件的不同之處是:組建控制網絡的設備都是通過讀取GDS文件將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。GDS文件是電子設備數據文件，為了將不同廠家的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件方式提供這些產品的功能參數。GSD文件應該包括三個部分:總體規范(生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率等)、與DP有關的規范(主站的各項參數)、與DP從站有關的規范(輸入輸出通道數、類型、診斷數據等)。目前有專用PROFIBUS GDS編輯器軟件。
2.3 SPC3協議專用芯片
ASIC協議芯片SPC3是一種用于從站的智能通訊芯片，它支持PROFIBUS-DP協議，IM183-1接口模塊用的就是SPC3。SPC3集成了1.5Kbyte的信息報文存儲器、方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器以及各種緩存器指針和緩沖區等，采用44管腳PQFP封裝，SPC3可獨立完成全部PROFIBUS-DP通訊協議，可減少接口模塊微處理器中的軟件程序。總線存取由硬件驅動，而且數據的交換獨立于總線周期。SPC3最大數據傳輸率為12Mbit/s，可自動檢測并調整數據傳輸率，與80C32、80X86、80C166、80C167及HC16、HC11、HC916系列微處理器兼容。SPC3的方式寄存器0設置PROFIBUS-DP的操作方式，如SYNC、FREEZE等，方式寄存器1可動態改變狀態。SPC3中還集成了保護監視定時器(Watchdog)，防止微處理器出現故障而危及外圍設備，SPC3有一個公共的中斷輸出，可以通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源的性質。SPC3有較多的中斷源，如NEW_SSA_DATA、NEW_CFG_DATA，NEW_PRM_DATA、NEW_GC_COMMAND等，作為SPC3的核心，微順序控制器會控制整個過程。SPC3的UART可將并行數據流變換成串行數據流，也可以將串行數據流變換成并行數據流。
3 PROFIBUS-DP通訊接口開發的實現
利用西門子公司的Development Kit 4PROFIBUS-DP開發包來實現PROFIBUS-DP通訊接口，包括軟件和硬件兩部分。
3.1? 硬件部分的實現
針對智能PROFIBUS-DP從站，有兩種實現方法，一種是利用開發包中所帶的IM183-1從站接口模塊來實現，這種方法能減少自主開發時間，但靈活性不高，不能滿足復雜智能從站;另一種方法是直接用微處理器、SPC3芯片及一些外設來實現通訊接口，這種方法較復雜，但較為靈活，能滿足各種需要，下面分別介紹這兩種方法。
利用IM183-1接口模塊實現，要清楚模塊對設備的接口以及它自身的結構。模塊對設備的接口原理框圖如圖1所示，其中最主要的是IM183-1對設備的接口情況，對設備的接口為一個50針的連接口，主要包括12條地址線ABD(11:0)、8條高位地址線ABD(7:0)、兩條片選信號線(XCS1，XCS2)、讀寫信號線(XRD，XWR)、設備復位輸入和IM183-1復位輸出信號線(XREDIN，XREOUT)、設備的中斷輸入線(XINT)以及URAT信號線(RXD，TXD，RTS，CTS)等，其中有些線是復用的。
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另一種方法是直接用微處理器、SPC3芯片及一些外設來實現通訊接口。圖2所示為從站的硬件框圖，其中較重要的是SPC3與微處理器的連接。圖3是80C32微處理器與SPC3的連接，它們之間是通過16位地址線和8位數據線進行數據交換，外擴了程序存儲器(EPROM)和數據存儲器(RAM)，數據線和地址線復用，通過地址鎖存器完成。RS485總線驅動一側與主站連接，另一側通過光耦與SPC3連接，必須滿足PROFIBUS-DP的最大數據傳輸速率為12Mbit/s這一要求。能滿足這一要求的總線驅動芯片有SN65ALS1176、SN75ALS176等，光耦有HCPL7101、HCPL7721、HCPL0721等。采用雙口RAM(DPRAM)連接微處理器和從站設備，可節省微處理器的資源，提高接口的通訊速度，而且通過雙口RAM內部的仲裁機制可防止對同一地址同時進行讀和寫的操作。雙口RAM可采用MB8441-55、CY7C130/CY7C131等，如果是十六位數據時，可采用兩片并聯。另外，PROFIBUS-DP采用的是屏蔽雙絞線，推薦使用具有下面參數的電纜:阻抗為135~165Ω;電容<30pF/m;回路電阻110Ω;導線面積>0.34mm2;線規為0.64mm，這有助于改善電磁兼容性。
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3.2? 軟件部分的實現
PROFIBUS-DP的狀態機構能保證DP站在每種情況下行為的一致性，SPC3內部集成了狀態機構，用戶對狀態機構的控制是很有限的。下面對PROFIBUS-DP的狀態機構做簡單的介紹。
在POWER-ON狀態，從站能從兩類主站接收Set_Slave_ Add電文來改變它的地址，然后從站進入WAIT-PRM狀態，等待參數化。另外，此狀態從站還可以接收Get_Cfg、Slave_Diag電文。參數化完成后，從站進入WAIT-CFG狀態，等待Chk_Cfg電文，另外還可以接收Slave_Diag、Set_Prm、Get_Cfg電文。如果Chk_Cfg完成后，從站將進入DATA-XCHG狀態，進行數據通訊，此時從站還可以接收Writing_Outputs Reading_Inputs、Global_Control、Slave_Diag、Chk_Diag、Get_Cfg電文。若組態和數據交換不成功，就會返回到參數化階段(WAIT-PRM)。
PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協議，并能完全處理PROFIBUS-DP狀態機構，因此微處理器不需要考慮狀態機構，主要任務是根據SPC3產生的中斷，對SPC3接收到的主站輸出數據進行處理，還要處理通過SPC3發給主站的數據，以及完成各種外部診斷等。
在Development Kit 4PROFIBUS-DP開發包中，包括DPS2固態程序，利用它可以方便地設置方式寄存區、狀態寄存區、中斷寄存區以及各個緩沖區，并能根據初始化求出各個緩沖區的指針及輔助緩沖區的指針等功能。圖4給出了利用DPS2實現的主程序的流程圖。首先利用開發包中的DPS2對SPC3進行初始化，然后啟動SPC3，通過SPC3進行主站和從站的數據交換，處理外部診斷。
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本文從開發的角度討論了利用Development Kit 4開發包來實現PROFIBUS-DP現場總線通訊接口硬件和軟件的方法。PROFIBUS-DP對數據傳輸速度有較高的要求，在器件的選用上，要給予充分的考慮。在進行軟件的設計中，必須非常清楚各個模塊和芯片的內部機理及DPS2的使用。使用本文所討論的方法，在自主開發的設備配上PROFIBUS-DP接口，很好地滿足了相關行業的需要，具有廣泛的應用前景。
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參考文獻
1 IM 183-1 PROFIBUS Interface Module.Siemens，1996
2 SPC3 and DPS2 User Description.Siemens，1996
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