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1、第第 30 章章 PROFIBUS-DP 现场总线智能节点的设计现场总线智能节点的设计本章主要内容包括： 任务描述及设计方案 SPC3 芯片简介 系统软硬件设计 随着当今工业的发展，其复杂化程度日益提高，在工业控制过程中需要对现场信号进 行大量的采集，而且随数据的传递与转换以及对系统的控制精度、可靠性都提出了更新、 更高的要求，因此产生了新型的现场总线控制系统 FCS。一个现场总线控制系统中需要有 很多现场总线智能仪表，本章基于西门子公司的智能化芯片 SPC3 设计了一款能把现场检 测 420mA 到的模拟信号转换为符合 PROFIBUS-DP 传输协议的仪表，来作为 PROFIBUS- DP
2、 的现场总线网络中的一个智能节点使用。 30.1 系统设计要求及设计思路系统设计要求及设计思路 现场总线控制系统是一种权分散的、全数字化的、串行的总线控制系统。现场仪表、 执行器、阀门等提供的应是符合现场总线协议标准的信号。在众多的现场总线中， PROFIBUS 以其优异的性能在工业控制系统中被广泛应用，因此有必要设计一个智能节点， 以微控制器为核心，能够使现场控制器与底层传感器和执行器进行双向通信，来完成任务。 这一小节将介绍一个基于 AT89S52 单片机和 SPC3 的智能节点系统设计，系统的具体功能 如下： 能够完成 4-20mA 模拟信号到串行信号的转换； 能完成节点地址的设定； 可
3、以实现检测数据的显示，数据交换过程的指示，超限警报等； UART 到 PROFIBUS 总线的转换。 本文采用 AT89S52 片机和西门子的 SPC3 协议芯片来完成现场总线通信接口的设计， 数据采集部分采用线性光电隔离器对模拟信号进行隔离，通过 12 位串行 A/D 转换器 MAX186 将现场信号转换为数字信号后输入到单片机，单片机经过数字滤波后经 SPC3 发 送到 PROFIBUS-DP 总线上，单片机同时通过 SPC3 接收 PROFIBUS-DP 主站指令和数据， 将诊断数据发送给主站。结构框图如图 30-1 所示。现场信号模拟光隔A/D 转 换 器光电隔离单片机DIPRom m
4、Ram复位电 路RS-485 接口SPC3光电隔离RS-485驱动器PROFIBUS-DP图 30-1 系统结构框图 30.2 PROFIBUS-DP 现场总线及其通信协议简介现场总线及其通信协议简介 PROFIBUS（Process Fieldbus）是由西门子等公司开发的一种国际化的、开放的、不依 赖于设备生产商的现场总线标准，先后成为德国和欧洲的现场总线标准（DIN19245 和 EN5017），并于 2000 年成为 IEC61158 国际现场总线标准之一，2001 年成为我国机械行 业标准 JB/T10308.3-2001. 30.2.1 PROFIBUS 现场总线简介现场总线简介
5、PROFIBUS 现场总线是一个开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的国际标准， 任何人都可以获得这个标准并设计各自的软、硬件解决方案。PROFIBUS 包括三个兼容部 分：PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-PA，它们分别适用于不同领域。 PROFIBUS-DP 采用数字化、开放式通信，稳定可靠，使用 PROFIBUS-DP 可取代昂贵 的 24V 或 420mA 的并行信号传输线，改变了传统控制系统中每个仪表都需要一条线连接 到中央控制室的局面，大量节约了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。 目前，PROFIBUS-DP 是在欧洲乃至全球应用最为广
6、泛的现场总线之一，它的技术性 能使其可以应用于全球的制造业、楼宇、过程自动化及电站自动化，使用该总线不但可以 提高通信能力及系统运行的可靠性，大大节省系统安装时的布线费用和硬件费用，而且更 加容易对系统进行管理和维护。 PROFIBUS-DP 的基本功能和特征： 远距离高速传输。PROFIBUS-DP 的通信介质有两种：一种是采用屏蔽绞线，通信速 率为 9.6Kbit/s/1200m12Mbit/s/100m，每段最多节点数为 32；另一种是采用光纤，用于电 磁兼容性要求高和长距离要求的场合。 51 单片机典型应用开发范例大全单片机典型应用开发范例大全 分布式结构。各主站间令牌传递，主站与从站
7、为主从传递，每段可达 32 个站，用于中 继器连接段，最多可达 126 个站。 易于安装。总线结构使得 1 个站点的安装、卸载不影响其他站点的正常工作。 诊断功能。诊断功能能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传递并由主站采集。 灵活的配置。1 类主站可以完成调节控制功能，并通过循环和非循环的报文对现场的 从站节点进行访问和控制；2 类主站在需要时可以通过非循环报文同 1 类主站以及现场从 站节点交换数据。 硬件支撑。原则上，PROFIBUS-DP 协议可以在任何具有内部或外部异步串行端口的 微处理器上实现，但这种方法会引起对 CPU 资源的争夺和冲突，影响通信状态机制的实时 控制，当传输速度
8、超过 500kbit/s 传输技术时就需要使用专门的协议芯片，西门子公司的 SPC3 正是这种芯片。 总线存取协议。各主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用主从方式。 为了更好地理解后面介绍的软件程序这里先介绍一类主站与从站的通信过程。系统从 上电到正常的数据交换工作状态的整个过程可以概括为以下四个阶段： 主站与从站的初始化。上电后主站和从站进入 Offline 状态，执行自检。当所需要的参 数都被初始化后，主站开始监听总线令牌，从站开始等待主站对其设置参数。 总线上令牌环的建立。在一定的时间内主站如果没有听到总线上有信号传输，就开始 自己生成令牌并初始化令牌环，然后改主站做一次对全体可
9、能主站地址的状态询问，根据 收到的应答结果确定活动主站表。 主站与从站通信的初始化。在主站和从站设备通信之前，主站必须设置 DP 从站的参 数并配置从站通信接口。主站通过请求从站的诊断数据来检查从站的准备情况。如果从站 报告它已经准备好接收数据，则从站参数数据并检查通信接口配置，收到从站的确认回答后，主站在请求从站的诊断数据已查明从站是否准备好进行用户数据交换。只有这些工作 完成后主站才能开始循环的与从站交换数据。 用户的交换数据通信。 30.2.2 PROFIBUS-DP 通信模型通信模型 PROFIBUS-DP 使用了 OSI 模型的第 1、2 层和用户接口，第 3 到第 7 层未用，这种
10、精 简的结构确保了高速数据传输。物理层采用了 RS-485 标准，规定了传输介质和电气特性。 PROFIBUS-DP 的数据链路层称为现场总线数据链路层 FDL，包括总线介质访问控制 MAC 以及现场总线链路控制 FLC，FLC 向上层提供服务存取点的管理和数据缓存。第 1 层和第 2 层的现场总线管理 FMA1/2 完成待定总线参数的设定，它还完成这两层出错信息的上传。 PROFIBUS-DP 的用户层包括直接数据链路映射 DDLM、DP 基本功能、扩展功能以及设备 运行行规。DDLM 提供访问 FDL 的接口，DP 设备行规是对用户数据含义的具体说明，规 定了各种应用系统和设备的行为特征。
11、协议结构如图 30-2 所示。 PROFIBUS-DP 的物理层实现对称数据的传输，一个总线内的导线是屏蔽双绞电缆， 段的两端各有一个中端器。传输速率从 9.6kibt/s 到 12Mbit/s 可选，所选用的波特率适用于 连接到总线上的所有设备，可实现半双工、异步、无间隙同步数据传输，采用 NRZ（非归 零）编码。 数据链路层（FDL）规定了总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理， 规定了数据帧格式。FDL 向上一层提供的四种服务包括：发送数据需应答（SDA）、发送 数据无需应答（SDN）、发送并请求数据需回答（SRD）、循环地发送并请求数据需回答 （CSRD）。用户想要 FDL
12、提供服务，必须向 FDL 申请，而 FDL 执行后回想用户提交服 务结果。FDL 的用户除了可以申请 FDL 服务之一外，还可以对 FDL 以及物理层 PHY 进行 一些必要的管理，比如强制复位 FDL 和 PHY、设定参数、读状态、读事件及进行配置等， 在 PROFIBUS-DP 规范中，这一部分叫做 FMA1/2（第 1、2 层现场管理）。DP 设备行规基本功能，扩展功能用户层DP 用户接口，直接数据链 路影射，DDLMFMA7数据链路层现场总线数据链路层 FDL物理层RS-485（PHY）FMA1/2图 30-2 PROFIBUS-DP 协议结构 用户层包括 DDLM 和用户接口/用户等
13、，他们在通信中实现各种应用功能。DDLM 是 预先定义的直接数据链路映射程序，将所有的在用户接口中传送的功能都映射到第 2 层 FDL 和 FMA1/2 服务。它向第 2 层发送功能调用 SSAP、DSAP 和 Serv-class 等必须的参数。 接收来自第 2 层的确认和指示并将它们传送给用户接口/用户。通信模型如图 30-3 所示。User User interface DDLM FDL 和 FMA1/2 PHYUserUser interfaceDDLMFDL 和 FMA1/2PHY主站从站图 30-3 PROFIBUS-DP 通信模型30.3 智能从站专用通信接口芯片智能从站专用通信
14、接口芯片 SPC3 SPC3 是西门子公司用于开发 PROFIBUS-DP 从站的智能通信专用芯片，集成了完整的 PROFIBUS-DP 协议，可以独立完成全部 PROFIBUS-DP 通信功能。 30.3.1 SPC3 技术特点技术特点 SPC3 只继承了传数据输的部分功能，而没有集成模模拟功能（RS-485 驱动器，因此 后面的智能从站设计要专门设计通信接口电路）。SPC3 集成了 1.5KB 的双口 RAM 作为 SPC3 与程序的接口。整个 RAM 被分为 192 段，每个 8 字节。用户寻址是由内部微序列器 MS 通过基址指针来实现。基址指针可位于存储器的任何阶段。所以，任何缓存都必
15、须位 于段首。 如果 SPC3 工作在 DP 方式下，SPC3 将自动完成所有的 DP-SAPs 的设置。在数据缓存 区生成各种报文（如参数数据和配置数据），为数据通信提供三个可变的缓存器，2 个输 入，1 个输出。通信经常用到变化的缓存器，因此不会发生任何资源问题。SPC3 为最佳诊 断提供两个诊断缓存器，用户可存入刷新的诊断数据，在这一过程中，有一诊断缓存总是 分配给 SPC3。 总线接口是一个参数变化的位同步/异步接口，可使用任何 Intel 和 Motorola 处理器/微 处理器。用户可通过 11 位总地址直接访问 1.5KB 的双口 Ram 或参数存储器。 处理器上电后，程序参数（
16、站地址、控制位等）必须传送到参数寄存器和方式寄存器。 任何时候状态寄存器都能监视 MAC 状态。各种事件（诊断和错误等）都能进入中断寄存 器，通过屏蔽寄存器使能，然后通过响应寄存器响应。SPC3 有一个公共的中断输出。 看门狗定时器有 3 种状态，BandSearch、BandControl、DPControl。微序列控制 器（MS）控制整个处理过程。程序参数（缓存器指针、缓存器长度、站地址等）和数据缓 存器包含在内部 1.5KB 的双口 RAM 中。 在 UART 中，并行、串行数据相互转换，SPC3 能自动调整波特，最大数据传输速率 12Mbps；外部时钟接口 24MHz 或 48MHz；5V 直流供电。总线接口单元中断控制器方式状态 寄存器看门狗 定时器微序列器RAM 控制 器SPC3 内部 RAMUART空闲定时器波特率发生器DB7-0 AB7-0RXDTXD2/4 输出CLK30.3.2 SPC3 的内部结构和引脚定义的内部结构和引脚定义 SPC3 的内部结构如图 30-4 所示，引脚说明如表 30-1 所示，其封装形式位 44 引脚的 PQFP 封装。
