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1、SPC3芯片在DP从站接口开发中的应用摘要：随着现场总线在工业领域应用的发展，越来越多的智能仪表带启PROFIBUS总线 接口。开发人员通常采用单片机与AS1C芯片和结合的方案实现设备从站接口。集成了完整 V0通信状态机制的SPC3是由西门子公司推出的可用于从站接口开发的智能芯片。熟悉 SPC3的内部结构及各个寄存器的工作机制，根据用户的需要以及相关规范对芯片内部寄存 器进行直接设置，可以使开发工作顺利进行并大大提高从站通信中的相关性能。关键词：DP从站；从站接口; SPC3;智能芯片0引言单片机附加协议芯片是常用的从站实现方案之一，与单片机附加内部软件的方案相比，用于 控制通信状态机制的内部
2、程序已经大大减少。SPC3芯片是西门子公司向用户推出的功能强大的协议芯片Z-,其通信机制是由其内部各 个寄存器完成，通常单片机处理的内部程序都用于芯片内部RAM空间分配的计算以及对 SPC3进行设HS熟悉SPC3的内部结构及各个寄存器的工作机制，掌握了芯片寄存器初始 化以及为数据交换配置通信缓冲区的方法，开发人员就可以脱离对开发包中功能强人但计算 过于繁琐的FW固件的依赖，自行根据从站的需求对SPC3芯片进行设置。1 SPC3芯片应用由于已经集成了大部分的通信状态机制，应用了 SPC3芯片的从站只需要针对数据传输部分 进行便件及内部程序的开发。SPC3芯片内部的双口 RAM可作为单片机的外部R
3、AM使用，用于与微处理器进行数据交 换。在芯片内部已经搭建了完整的SAP通信结构，用户可以直接从各个缓冲区中直接获取 报文中的相关数据。简单來说，内部程序设计的主要任务就是SPC3芯片的初始化、数据传 输、从站诊断以及中断程序的处理。在内部程序中搭建完整的SPC3芯片寄存器数据结构后, 以上问题都可以轻松解决。2芯片初始化芯片的初始化要在SPC3尚处于offline状态时完成，是从站接口的所冇程序中比较重要R繁 杂的一部分。在初始化过程中需要完成从站基本信息及功能相关寄存器的配置，SPC3内部 数据缓冲区指针的计算以及外部中断相关的各种定义。2. 1功能性设置SPC3内部寄存器中有数个字节用于
4、保存从站的ID号，地址，中断屏蔽以及硬件模式等基 本信息。通过对这些奇存器的设置，可以使从站拥有相关的功能。用户可以根据开发需要直 接对SPC3寄存器内各位进行设置。卜-面针对各个寄存器不同的功能，对如何进行设登进行 详细的介绍。2. 1. 1从站信息相关寄存器在从站上电初始化时，要确定一些与从站木身相关的信息，如从站ID号，与硬件地址等。 和这些信息有关的寄存器分别位于SPC3芯片内部RAM的3A、3B以及16H,只要将产品 ID号以及用户设定的从站地址写入相应的寄存器即町。2. 1. 2中断屏蔽寄存器SPC3智能芯片中的中断控制器由中断请求寄存器，中断屏蔽寄存器与中断响应寄存器三部 分组成
5、，具体结构如图1所示。用户可以口由选择从站所需的外部中断功能，并由中断屛蔽 奇存器使之有效。图1中断控制器结构中断屏蔽寄存器IMR占用地址04、05H,其中各位与其它寄存器不同，为逻辑0侑效。试 举例说明，根据中断屏蔽寄存器中各位的含义，一个在V0通信中支持 GO_LEAVE_DATA_EX、 WD_DP_MODE_TIMEOUT、 NEW_GC_COMMAND、 NEW_SSA_DATA、NEW_CFG_DATA、NEW_PRM_DATA、BAUDRATE_DETECT 外部中 断的从站，其中断屏蔽寄存器中应写入的值为OxFIFOo2. 1. 3模式寄存器SPC3芯片有两个内部模式寄存器mo
6、deeg 0/1,分别占用了 06,07H与08,09H四个字节的 空间。位于06, 07H的模式寄存器（）只能在SPC3芯片的offline状态下设置。各种选择性功能以 及用户时基都应在模式寄存器0中进行定义。一个支持同步冻结功能，中断优先级为低，并 要求用户WD吋基为10 ms的简单从站I/O的模式寄存器内应写入数值为0xC005o与其它 可选择性的功能设置不同，DP_MODE这一位始终要求置为逻辑1,表示支持DP通信。与模式寄存器0不同，位于08, 09H的模式寄存器1中的各控制位都可以独立的进行设直 或解除，不仅限于offline状态才可以设置。SPC3芯片完成初始化之后，山offli
7、ne至 passive-idle状态Z间的转换就是通过将模式寄存器1中的START-SPC3位置为逻辑1而实 现的。其它各位的设置，如重置看门狗定时器Res user WD等等，都可以根据从站的需要灵 活应用。2. 2内部空间分配计算完成DP通信设置相关的初始化之后，开始进行DP通信数据缓冲区的相关设置。主站与从 站Z间的交换数据并不一定会占用芯片内部所冇的空间。但是，当所盂传输的数据氏度过氏 时（如，输入输出各244字节，过大的用户参数），可能会出现1.5K的内部RAM无法满足 通信需要的情况。这种情况是不允许的，要求用户在初始化时就根据各个报文传输数据的长 度进行相关的空间计算，以排除类似
8、的错误。空间占用数据总长度的计算十分容易，其公式如下：数据总长度=（输出缓冲区+输入缓冲区）X3 +诊断缓冲区X2 +配置缓冲区X2 +站地址 改变缓冲区+参数化缓冲器+AUX 1+AUX 2需要注意的是，SPC3芯片是将数据进行分段存储的。1.5K的空间被分为192段，每段为8 个字节。因此，一个标准长度为7字节的参数化报文，它在SPC3内部实际占用的字节长度 为：（7 + 7） &0xf8 = 8个字节，也即占用了 SPC3芯片中1段共8字节的空间。参见图1中的SAP结构可以发现，各个缓冲区的长度即为相关报文中DU部分在SPC3芯 片内占用的段空间长度。但是，两个辅助缓冲区AUX 1/2的
9、长度设定稍有特殊。AUX 1/2 两个寄存器用于暂存获得的配置，参数化数据（如果支持站地址改变，还应加入SSA数据）, 它们所需的长度耍保证数据传输的完整性，同时也应最大限度的节省空间。因此在配置长 度时对参数化报文和配置报文的DU部分长度进行反复比较，将最小值赋给AUX1,最人值 赋给AUX2o这样，辅助缓冲区的长度计算就会出现两种情况：参数化数据长度与配置数据长度不相同。如，用户参数化数据48字节，配置数据6字节, 不支持站地址改变的从站AUX辅助缓冲区长度设置为：AUX1缓冲器长度8字节，而AUX2 实占48字节。当出现参数化和配置数据在SPC3内部占用段空间札I同时，实际利用的AUX寄
10、存器只有 一个，也即AUX1长度设置，而将AUX2配置为0,在通信中并不使用。如，参数化数据 长度为7,配置数据长度为6的情况下，AUX1的长度为8,而AUX2设置为0。为了设置不同的功能，某些从诂可能会定义很长的用户参数。如果想利用辅助寄存器完整的 转移这些用户参数，则需要SPC3从内部RAM中为具留出不小的空间，这样可能会造成空 间不足。这种情况下建议在模式寄存器0中(07H, bit 12)设置Spcc_Prm_Puf_Modc,使 得参数化数据不通过辅助寄存器，而是肓接写入参数化缓冲区中。这样可以保证辅助寄存器 的简洁，最大限度的节省空间。根据以上的说明进行举例计算，一个48字节输入输
11、出，无用户参数，不支持站地址改变， 不使用spec_prm的从站需要在SPC3内部占用的空间长度为8X3 + 8+8X2+104X3 = 360 个字节，即SPC3应为从站DP通信留卜至少360个字节的空间大小。2. 3通信缓冲区相关设置在计算完实际占用内部空间长度，并判断未超出SPC3内部RAM后，将DP通信相关的缓 冲区长度和指针信息存入相应的寄存器中。根据用户规定从站的输入输出数据，川户参数等 各相关长度的不同，相应的指向各个缓冲区首地址的段地址指针也会随之改变。因此，在 SPC3脱离offline状态进入passive-idle状态Z前，应该对占用空间分配进彳亍计算。SPC3的用户数据
12、区从40H开始，即真正用于数据交换的段地址从8开始。以40H为起始地 址，Z后依次为输入输出D、N、U各三个缓冲区，诊断D、U两个缓冲区，配置缓冲区，配直数据读取缓冲区,AUXI/2缓冲区,以及SSA缓冲区。根据缓冲区内所存数据的长度计算各个首地址指针:spc3.r_dout_buf_ptr 1 (1BH) = & spc3.r_dout_buf_ptr2 (1CH) =8+ (48+7) &0xf8) 3) =14; spc3.r_dout_buf_ptr3 (1DH) = 14+ (48+7) &0xf8) 3) =20;依此递推，输入数据缓冲区的三个指针指向的段地址分别为26, 32,
13、38。同样，之后的各个缓冲区的指针也以此方法计算出来，并存入相应的寄存器中，在此不再赘述。3外部中断在经过初始化之后，SPC3芯片中已经有了和主站进行正常通信的能力。作为从诂智能芯片, 在SPC3中集成了 V()通信所有的状态机制，阳实现这种机制的手段则是外部中断。与外部 中断相关的中断控制器已经略有介绍，理论上SPC3芯片可以支持16种外部中断，选用何 种小断由开发人员决定并通过中断屏蔽寄存器的设査实现。而外部中断的触发则由位于02, 03H的中断寄存器IR决定。IR寄存器中各个位的含义少IMR的含义相同，逻辑1有效。 当中断处理程序由IR寄存器中读取到中断条件后，会完成单片机对芯片信号的响
14、应，处理 SPC3芯片发主的各种中断事件。其中包扌舌了参数化事件，全局控制事件，进入或退出数据 交换状态事件，配置事件，地址改变事件，监测波特率事件和看门狗溢出事件。在为实现通 信状态机制而必需的中断程序中，用户可以完成在各种不同状态下所盂的处理，以及一些从 站所需的特殊功能。4数据交换DATA-EX在与主站通信,经过参数化、组态配置以及诊断之后，从站会依据状态机制进入数据交换状 态。使用了 SPC3智能芯片的从站接口支持两种数据交换：查询方式及中断方式。不管使用 哪种方式进行数据交换，从站的数据交换都是由输入输出数据在D,N,U三个缓冲区之间的 转换实现的。在输入输出缓冲区中，D缓冲区都是用
15、于存储主站报文中的输出数据以及从站 报文中的输入数据，数据在D缓冲区与N缓冲区Z间的转换由SPC3芯片口动完成，从站 接口单片机需要处理的只是将数据存储至当前U缓冲区中。在处理输出数据的接收时，SPC3芯片占动将数据写入了当前输出指针指向的D缓冲区中， 并最终转移到N缓冲区。用户所要做的只是在中断产生时，通过交换N、U两个缓冲区中 的数据，以得到实时输出数据。同样，在从站接口向主站发送输出数据时，用户只需要取得 当前输入缓冲区的指针，并将要发送的数据存入。为了完成以上工作，在每一个数据交换周期处理新的输入输出数据时，都应先根据SPC3内 部T作单元中next_dout / din_buf_cm
16、d提供的信息确定当前U缓冲区的首地址指针。开发 人员只需在接口中将U指针指向的缓冲区中的输出数据取出，或者将输入数据转入此缓冲 区即町，剩余的工作由SPC3芯片口动完成。5结论SPC3智能协议芯片结构完善，功能强大，非常适用于PROFIBUS DP从站接口的开发并可 以使开发工作简单化，节省了工作人员大量的时间。为了更方便用八対智能芯片进行设置， 西门子公司提供了一套完整的开发包FW固件。但为了保证对于各种功能及报文格式都有很 好的通用性，FW固件中的相关宏定义与通信相关计算綾为繁琐，各种通信参数及缓冲器 指针的计算占用了大部分的运算时间。相对于依赖开发包进行从站接口的开发，由用户口主对SPC3芯片进行设置则稍为复杂，但 同时也冇明显的优势。木文介绍了在SPC3芯片中通信必需的寄存器的设置方法，用户可以 根据从站功能以及传输数据的长度对SPC3直接设
