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0引言 目前國內對自動化產品（電器、儀表、驅動裝置等）提出Profibus通信功能要求，主要來源于： （1）國外生產設備及技術的引進，特別是從歐洲引進的成套設備通常采用Profibus現(xiàn)場總線，因此對國內配套產品提出了現(xiàn)場總線PROFIBUS通信功能的技術要求； （2）國內自動化系統(tǒng)廠家比較成功的、面向行業(yè)的控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)技術向現(xiàn)場總線技術發(fā)展，同時也要求現(xiàn)場設備向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。 基于上述需求，嵌入式Profibus-DP從站通信接口的設計為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能產品的用戶提供了一種快速、高效的解決方案。 1實現(xiàn)方法 （1）電路設計制作：使用Profibus通信專用ASIC芯片SPC3實現(xiàn)協(xié)議相關內容，選用合適的CPU，外圍加帶光電隔離的RS－485驅動； （2）單片機＋Firmware軟件：需要在單片機中編程（Firmware軟件），實現(xiàn)單片機與ASIC的結合； （3）用戶產品的CPU通過串行接口向Profibus-DP從站通信接口板讀／寫輸入／輸出數(shù)據(jù)；PROFIBUS-DP從站通信接口板自動轉換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信； （4）編寫GSD文件，搭建一個調試與測試平臺進行Profibus系統(tǒng)配置。 2硬件設計 嵌入式Profibus-DP從站通信接口板（以下簡稱接口板）由CPU芯片、PROFIBUS協(xié)議芯片SPC3及光隔RS??485驅動等電路組成，如圖1所示。 接口板與用戶模板采用串口連接，使用波特率選擇開關可選擇指定的7種波特率（9600、19.2K、38.4K、57.4K、115.2K、230.4K、460、8K）中的一種；接口板需要用戶模板提供2組5V電源（VCC／GND150mA和5V／0V-100mA），分別作為接口板的電源及光隔外電源，由16針插座J1引入。信號A、B、RTS及5V、0V可直接引到用戶模板Profibus的D型插頭上（使用PCB布線或軟接線均可）。根據(jù)PROFIBUS產品測試技術規(guī)范，此接法引線或軟接線不宜過長，通常PCB引線不超過20cm、軟接線不超過10cm。 如果Profibus的D型插頭與接口板之間需要更長的引線，可以從接口板上的10針插頭J2引出，此時需要采用外接口轉接板。 用戶模板Profibus插頭為孔型（famel）D型插頭，與接口板16針插座連接如圖2所示。接口板CPU芯片采用普通的51單片機即可，考慮到PROFIBUS對速率的要求，推薦使用高速率、低功耗的8位AVR單片機作為接口板CPU。 3軟件設計 3.1接口板與用戶模板的串口通信設置 接口板與用戶模板通過串口連接，Txd、Rxd為TTL電平，半雙工通信。通信方式采用應答方式：用戶模板主動詢問，接口板被動回答。設定每個字節(jié)用11bits傳送：1個啟始位、8個數(shù)據(jù)位、1個偶校驗位、1個停止位，即51內核單片機的通信方式3。 3.2報文長度 接口模板的初始化報文（發(fā)送、接收）固定長度49字節(jié)；接口板與用戶模板之間數(shù)據(jù)交換報文（發(fā)送、接收），長度由用戶在初始化報文中設定，最大為113字節(jié)；Profibus輸入／輸出數(shù)據(jù)量可自由設定，最大112字節(jié)輸入＋112字節(jié)輸出。 3.3實現(xiàn)功能 （1）可實現(xiàn)Profibus用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設置的參數(shù)在主站配置中設定，主站在與從站連接時一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可利用這些參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化； （2）接口板與用戶模板通信有字符偶校驗和縱向報文校驗和，保證數(shù)據(jù)安全性； （3）接口板內設有備份I／O通信緩沖區(qū)，可保證實現(xiàn)Profibus與串口通信數(shù)據(jù)的完整性（一致性）和同步要求。 3.4用戶模板的通信基本過程 3.4.1初始化 用戶模板按接口板上波特率選擇開關設置的波特率向接口板發(fā)初始化報文，然后等待接收接口板的回答，如圖3所示。接口板回答初始化成功后，進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。 3.4.2數(shù)據(jù)交換狀態(tài) 初始化成功后接口板進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，反復進行數(shù)據(jù)交換。此時，用戶模板主動向接口板發(fā)送“輸入數(shù)據(jù)報文”，其中包含Profibus輸入數(shù)據(jù)；接口板回答“輸出數(shù)據(jù)報文”，其中包含PROFIBUS輸出數(shù)據(jù)，如圖4所示。 數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下接口板的程序流程見圖5。 4系統(tǒng)配置 4.1關于GSD文件 �。�1）每一個PROFIBUS從站或一類主站有一個“設備描述文件”稱為GSD文件，用來描 述該PROFIBUS-DP設備的特性； �。�2）GSD文件包含了設備所有定義參數(shù)，包括：支持的波特率、支持的信息長度、輸入／輸出 數(shù)據(jù)數(shù)量、診斷數(shù)據(jù)的含義、可選模塊種類等； �。�3）無論使用什么樣的系統(tǒng)配置軟件，都要根據(jù)GSD文件來對設備配置。 �。�4）國際PROFIBUS組織PI提供了GSD文件編輯軟件gsdedit.exe，該軟件依照PROFIBUS技術標 準格式規(guī)定，對用戶編輯的GSD文件進行格式檢查。 4.2如何使用“用戶參數(shù)user—prm” 4.2.1“用戶參數(shù)user—prm”的選擇 對于工業(yè)現(xiàn)場設備，常需要用戶根據(jù)現(xiàn)場應用設定一些參數(shù)，其中有些參數(shù)不需要在設備運 行中實時改變，如變頻器的電流上限保護與報警值、溫度傳感器的測量溫度范圍、熱電偶選 型、輸出4～20 mA／1～5 V選擇等。如果這些參數(shù)作為PROFIBUS主站的I／O輸出，將占 用PROFIBUS主站I／O資源和周期性輪循PROFIBUS從站的時間資源。 將這些參數(shù)處理成“用戶參數(shù)”，將會縮短PROFIBUS主站通信時間、減小通信報文長度、提 高總線通信效率。使用“用戶參數(shù)”技術，只需要在主站配置中做出參數(shù)選擇，主站在與從 站連接時，一次性將這些參數(shù)傳送到從站，從站就可以使用這些用戶選擇的參數(shù)對從站進行 參數(shù)化（初始化、參數(shù)設定）。 4.2.2確定“用戶參數(shù)”類型、個數(shù)、字節(jié)長度 以一個4通道模擬量輸入模塊為例，假設需要用戶設置的參數(shù)有： ·輸入類型1～5 V、0～10 V、0～5 V、－10～＋10 V、4～20 mA、0～20 mA共8種選擇 ；占1個字節(jié)，以INPUT＝0～7分別表示這8種輸入類型； ·數(shù)據(jù)類型BCD（0000～9999）、無符號整型（0～65 535）、有符號整型（－32 767～＋32 76 7）共3種選擇；占1個字節(jié)，以VAR＝0～2分別表示這3種數(shù)據(jù)類型； ·輸入模式單端輸入（4通道）、雙端輸入（2通道）共2種選擇；占1個字節(jié)，以CHNO＝0、1分 別表示這2種輸入模式； 由此，用戶參數(shù)長度User—Prm—Data—Len＝3。 4.2.3帶有“用戶參數(shù)”描述的GSD文件 對上例，GSD文件中至少有如下關于“用戶參數(shù)”的描述： 4.2.4在主站配置中選擇用戶參數(shù) 用戶在系統(tǒng)中配置從站參數(shù)，完全靠GSD文件描述。在STEP7的HARDWARE中配置從站，可設定總線波特率及站地址，其中設定的站地址必須與用戶模板上地址設置一致。 帶有“用戶參數(shù)”選擇菜單的GSD文件，可在STEP7中生成更加友好的用戶參數(shù)配置界面。 5結束語 應用嵌入式Profibus-DP從站通信接口的設計方案，用戶不必了解PROFIBUS技術規(guī)范細節(jié)。具有開發(fā)周期短、技術指標高、技術升級快、擁有產品自主知識產權等優(yōu)點，但用戶須有單片機產品開發(fā)經驗及PROFIBUS產品應用經驗。目前國內多家儀表廠商已在此方案的基礎上開發(fā)出了自己的PROFIBUS-DP從站產品。 |
