PROFIBUS現(xiàn)場總線從站開發(fā)文檔

1、AT200開發(fā)技術文檔第1章 綜述隨著3C（Computer、Control、Communication）技術的發(fā)展，數(shù)字化、網絡化和智能化已經成為電子信息領域的發(fā)展方向。在工業(yè)自動化領域體現(xiàn)為現(xiàn)場總線的興起?；诂F(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網絡構成現(xiàn)場級及車間級自動化監(jiān)控和信息集成系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)也由分散式控制系統(tǒng)（DCS） 向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）發(fā)展1?；诂F(xiàn)場總線的FCS是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的420mA 模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結構帶來革命性的變化。由于現(xiàn)場總線技術適應了控制系統(tǒng)向數(shù)字化、網絡化

2、、智能化和分散化發(fā)展的趨勢，得到了迅速的發(fā)展，已經成為了自動化領域的熱點技術。1.1 現(xiàn)場總線發(fā)展歷程1.1.1 現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是 80 年代末、90 年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設備與高層設備之間互連，是全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)。按照國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡?，F(xiàn)場總線的含義表現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 現(xiàn)場通信網絡:現(xiàn)場總線把通訊線一直衍生到生產現(xiàn)場或生產設備，構成了現(xiàn)場總線網絡。（2） 現(xiàn)場設備互連：實現(xiàn)了過程控制自動化

3、，制造自動化現(xiàn)場中的現(xiàn)場設備，現(xiàn)場儀表的互連。（3） 互操作性：現(xiàn)場設備種類繁多，沒有一家生產商能夠提供用戶所有的設備儀表，用戶希望對所有的不同廠家的設備進行統(tǒng)一的組態(tài)，自由的組合自己的系統(tǒng)，這就要求設備之間能進行可互操作。（4） 分散功能塊：在基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)中控制功能做到了徹底分散，簡單的控制功能任務可以就地完成，復雜的控制任務可以通過高性能的現(xiàn)場控制器完成。（5） 通訊線供電：現(xiàn)場總線除了傳輸信息之外，還可以完成現(xiàn)場設備供電的功能，不但可以簡化安裝布線，還可以通過配套的安全柵實現(xiàn)本質安全系統(tǒng)。（6） 開放式互聯(lián)網絡：現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網絡，即可與同層網絡互聯(lián)，也可與不同層網絡互聯(lián)。1

4、.1.2 國際上現(xiàn)場總線技術的發(fā)展現(xiàn)狀目前國際上沒有統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，一方面是因為沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用和產品，各個現(xiàn)場總線在不同的應用場合各有特色；另一方面各公司都想占領市場，都不愿妥協(xié)，結果是現(xiàn)場總線的數(shù)目還在不斷的增長。根據(jù)現(xiàn)場總線技術概念，面對自動化行業(yè)千變萬化的現(xiàn)場儀表設備，要實現(xiàn)不同廠家不同種類產品的互連，現(xiàn)場總線技術標準化工作至關重要。為此，國際IEC委員會于1984年提出制定現(xiàn)場總線技術標準IEC1158（即IEC61158）。 IEC61158目標：IEC1158的目標是制定面向整個工業(yè)自動化的現(xiàn)場總線標準。IEC61158是要制定出一部滿足工業(yè)自動化五大行業(yè)

5、不同應用需求的現(xiàn)場總線技術標準。1999年12月，IEC61158 通過妥協(xié)方案，即： 以IEC61158（TS）+ Add.Protocols作為IEC61158技術標準的方案；其中IEC61158（TS）只包含了Process Control部分，Add.Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP和Interbus總線。自動化行業(yè)將面臨一個多種總線技術標準并存的現(xiàn)實世界。IEC61158說明了兩點：工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術不可能滿足所有行業(yè)的技術要求，現(xiàn)場總線不同于計算機網絡，人們

6、將會面對一個多種總線技術標準共存的現(xiàn)實世界；技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約，技術標準不單是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產物?？刂葡到y(tǒng)領域的技術創(chuàng)新主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的網絡化與體系的開放性，目前，現(xiàn)場總線的發(fā)展不盡如人意的根本原因在于現(xiàn)場總線的開放性是有限制的，有條件的，不徹底的，而網絡化與開放性是控制系統(tǒng)的最終發(fā)展方向，發(fā)展共同遵守的統(tǒng)一該領域的標準規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)的最終統(tǒng)一該領域的標準，是現(xiàn)場總線發(fā)展的必然趨勢。在現(xiàn)在的工控世界里，各種不同的標準構成了不同的現(xiàn)場總線，如何使不同的標準能綜合在一起，構成一個通用的現(xiàn)場工控網絡，解決網絡的擴展性和兼容性的問題，這

7、是一個緊要的問題。 以太網及TCP/IP通信技術在IT行業(yè)獲得了很大的成功, 成為IT行業(yè)應用中首選的網絡通信技術。近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術標準化工作沒有達到人們理想中的結果，以太網及TCP/IP技術逐步在自動化行業(yè)中得到應用，并發(fā)展成為一種技術潮流。以太網在工廠自動化管理層和車間監(jiān)控層已得到廣泛應用和用戶認可，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用；如果以太網希望走的更遠，能夠全面進入工廠底層成為設備連接的主要網絡技術，那么，以太網必須進行技術改進，如物理層的改進，實時性的改進，成本的降低等。1.1.3 現(xiàn)場總線技術在國內發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術，我國在這一技術領域還

8、剛剛起步?？傮w說來，自動化系統(tǒng)與設備將朝著現(xiàn)場總線體系結構的方向前進?，F(xiàn)場總線智能儀表與系統(tǒng)作為關鍵技術進入國家九五科技攻關計劃，浙大中控于1996年承接并開發(fā)完成了基于HART協(xié)議的一系列產品，但HART協(xié)議屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變的過渡性產品，還不是真正的現(xiàn)場總線，我國的現(xiàn)場總線市場是巨大的，積極的吸收和引進國外現(xiàn)場總線的先進技術和管理經驗，加強與國外大公司的合作，這在一開始無疑是一條行之有道的正確之路。 我國相關部門也對此采取積極的姿態(tài)，做出了一系列措施，成立了相應的現(xiàn)場總線技術委員會：1：中國儀器儀表行業(yè)成立了中國現(xiàn)場總線專委會簡稱 CFC2：中國機電一體化應用協(xié)會成立了PROFIB

9、US簡稱CPO3：建設部成立了LONWORKS協(xié)作網4：WORLD FIP將在中國設立信息中心5：P-NET在中國成立聯(lián)絡處由于不同的現(xiàn)場總線技術均具有自己的特點，已在不同應用領域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅使，它們都在十分激烈的競爭中求發(fā)展，有理由認為，在從現(xiàn)在起的未來十年內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內，幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現(xiàn)信息共享的局面。1.2 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術1.2.1 PROFIBUS概述PROFIBUS是現(xiàn)場總線國際標準之一。ROFIBUS技術是1987年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機構聯(lián)合開發(fā)；1989年批準

10、為德國工業(yè)標準DIN 19245（PROFIBUS-FMS/-DP）；1996年批準為歐洲標準EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；1999年PROFIBUS成為國際標準 IEC61158 的組成部分(Type III)。由 PROVIRUS-DP、PROVIRUS-FMS、PROVIRUS-PA 組成了 PROFIBUS 系列。（1） PROFIBUS-DP: 是設備層現(xiàn)場總線, 用于控制器(如PLC、PC、NC)與現(xiàn)場控制設備（如驅動器、檢測設備、HMI等）之間的通信總線；設備層現(xiàn)場總線技術具有高速（12M）、實時、確定、可靠特點（如-DPV2可用于運動控制），傳

11、輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小。（2） PROFIBUS-PA: 也是設備層總線，具有IEC61158-2的物理層，可實現(xiàn)總線供電，并有本質安全技術。（3） PROFIBUS-FMS: 車間級現(xiàn)場總線，主要用于車間級設備監(jiān)控。主要完成車間生產設備狀態(tài)及生產過程監(jiān)控、車間級生產管理、車間底層設備及生產信息集成。車間級現(xiàn)場總線具有傳輸數(shù)據(jù)量大、應用層信息規(guī)范完整等特點，對網絡實時性要求不高。順應以太網潮流和信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線正在逐步開始支持以太網技術。PROFIBUS用戶組織將以太網、TCP/IP和具有PROFIBUS的web協(xié)議棧組合在一起，2001年推出了PROFInet。PROFIBUS現(xiàn)場

12、總線技術通過多年的實際應用，實現(xiàn)了不同設備的數(shù)字網絡互聯(lián)，使得制造、設計和應用方面都獲得方便和好處，因而成為更大范圍上的協(xié)議歐洲標準EN50170。這就說明了它的成熟性和規(guī)范能力，歸結起來它有以下幾大優(yōu)勢：（1） 由于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術投運時間較長，因而它的應用范圍已滲透擴散到電力拖動的電力電子技術方面(如變頻調速器)等領域中。（2） 因為PROFIBUS的網絡協(xié)議以ISO頒布的0SI標準七層參考模型為基礎，對第三層到第六層進行了簡化，可以說它的標準適應性強。此外，它的3種模塊(FMS，DP和PA)可以適應不同的應用對象和通信速率方面的要求，開放性好。（3） 鑒于現(xiàn)在PROFIBUS

13、已成為國際化的開放現(xiàn)場總線標準，因此得到了眾多生產廠家的支持。目前有許多公司可以提供取PROFIBUS協(xié)議芯片，如摩托羅拉、西門子等。眾多PLC廠家在其產品中(如S5及S7系列、歐姆龍系列、三菱系列)提供了與PROFIBUS的接口，從而擴大了工業(yè)現(xiàn)場用戶的選擇余地，客觀上保護了用戶的利益，鞏固了PROFIBUS在應用領域的地位。PROFIBUS占有歐洲40% 以上的市場份額；近年來，在北美、日本和南非的發(fā)展情況也相當不錯。目前，PROFIBUS國際組織在22個工業(yè)國家成立了地區(qū)性組織，會員超過1000家，有250多家企業(yè)生產1900多種符合PROFIBUS標準的產品，已有20多萬個應用實例，2

14、00多萬個設備已安裝運行，涉及到工業(yè)自動化的各個主要領域。在中國PROFIBUS也已擁有眾多用戶，如玉溪卷煙廠、青島卷煙廠、青島啤酒廠、海爾冰箱廠、西安楊森制藥廠、北京隆福大廈樓宇空調工程等。中國的PROFIBUS用戶組織(CPO) 也已于1997年7月在北京成立，隸屬于中國機電一體化技術應用協(xié)會。由此可以認為，普遍性是PROFIBUS與其它規(guī)范相比最重要的優(yōu)點4。從以上的PROFIRUS的優(yōu)勢和發(fā)展現(xiàn)狀，可以看出PROFIRUS還會有更進一步的發(fā)展，滿足市場的需要。 1.2.2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術概括PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。在這一級，中央處理器（如 P

15、LC，PC）通過高速串行數(shù)據(jù)線同分散的現(xiàn)場設備，如 I/O，驅動器、閥門等，進行通訊。一般情況下，DP 構成單主站系統(tǒng)，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信，以進行組態(tài)、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP 具有以下特性：用 RS485 雙絞線，雙線電纜或光纜傳輸，波特率從 9.6KBPS 12MBPS。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送，并支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點（主-從設備）數(shù)為 126。通信為點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣

16、播（控制指令）方式；循環(huán)主從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主主數(shù)據(jù)傳送。運行模式有運行、清除，停止。DP主站和DP從站間執(zhí)行循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送，各DP從戰(zhàn)可動態(tài)激活，并可檢查組態(tài)；經過擴展的 DP 診斷能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級：本站診斷操作；模塊診斷操作；通道診斷操作。所有信息的傳輸按照海明距離HD 進行；DP從站帶有看門狗定時器（WATCH TIMER），對 DP 從站的輸入輸出進行存取保護；DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程控制器，如 PLC，PC 等。第二類DP 主站（DPM2）是可編程，組態(tài)，診斷的設備。1

17、.2.3 PROFIBUS-DP 實現(xiàn)方案自主開發(fā)PROFIBUS-DP接口從站產品有三種實現(xiàn)方案：（1） 單片機+軟件實現(xiàn)PROFIBUS協(xié)議。PROFIBUSDP的物理層使用單片機的UART串口，在單片機里用軟件實現(xiàn)鏈路層的協(xié)議。即單片機包含了PROFIBUSDP協(xié)議的全部功能。要進行PROFIBUSDP通信只需外加總線接口驅動裝置、晶振等。軟件實現(xiàn)的DP從站的傳播速率受單片機的晶振的限制，采用40MHZ晶振其傳播速率可達500kbits，能滿足大多數(shù)工業(yè)應用場合。技術局限性：波特率受單片機的晶振的限制；實現(xiàn)波特率自適應比較難；產品不易通過測試。此方案優(yōu)點：產品成本低 。此方案缺點：開發(fā)周

18、期長；要求開發(fā)人員透徹了解PROFIBUS技術細節(jié)；開發(fā)產品技術指標低；（2）使用PROFIBUS通信專用芯片、開發(fā)包。實現(xiàn)方法：PROFIBUS通信專用芯片包含了PROFIBUS的所有協(xié)議（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層）；但是對于有些PROFIBUS通信專用芯片需要在單片機編寫Firmware軟件，包括PROFIBUS通信專用芯片的初始化程序和中斷處理程序，如VPC 3B、VPC4、DPC31、AVPC2需要外接單片機，并需要在單片機中編程（Firmware軟件）；對有些芯片如SPM2、LSPM2，不需要外接單片機，但功能有限?？梢詫崿F(xiàn)：PROFIBUS-DP/-PA、主站/從站、波特率9.6

19、K12M。技術局限性：取決于芯片的選擇 ；取決于Firmware ；取決于帶有光電耦合隔離的RS-485驅動。 此方案優(yōu)點：產品成本較低；技術指標高；自主性高。此方案缺點：開發(fā)周期長；要求開發(fā)人員了解一定的PROFIBUS技術細節(jié)；根據(jù)國外PROFIBUS產品測試實驗室統(tǒng)計：6070%的首次開發(fā)產品第一次認證測試不合格；產品成熟需要較長時間。（3）使用嵌入式PROFIBUS接口。實現(xiàn)方法：使用嵌入式PROFIBUS接口；按照接插件和管腳定義，改產品電路板(可能涉及結構的調整) ；將用戶樣板源程序，連接到用戶產品軟件中；按照一個推薦的調試系統(tǒng)和GSD文件調試產品。技術局限性: 僅取決于選擇使用嵌

20、入式PROFIBUS接口型號。此方案優(yōu)點：開發(fā)人員不必了解PROFIBUS技術細節(jié)；開發(fā)周期短，一般不超過1個月；技術指標高；技術升級快; 擁有產品的自主知識產權；產品符合技術標準，測試認證快。此方案缺點：產品結構固定；成本高。根據(jù)以上三種實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點，選擇第二種方案即使用PROFIBUS通信專用芯片、開發(fā)包方案，進行PROFIBUSDP通信從站接口卡開發(fā)。三種方案的比較如下表所示：方案序號方案簡介所需主要設備預計成本要做主要工作方案優(yōu)劣性1CPU 軟件很低編軟件實現(xiàn)鏈路層協(xié)議開發(fā)周期長,技術難度大,需清楚PROFIBUS細節(jié),產品技術指標低2使用PROFIBUS專用ASIC+單片機VPC

21、3+B, RS-485驅動電路,EEPOM( 或移位寄存器)500元電路板設計制作;編寫GSD文件;單片機軟件；應用端軟件（DSP）件；開發(fā)周期長,技術有一定難度,需了解一定的PROFIBUS細節(jié)3使用通訊模塊ANYBUS模塊2000元應用端軟件使用此方案可以降低技術風險，縮短開發(fā)周期，需要購買模塊，增加了成本。第2章 硬件設計AT200有如下一些特點：4 機械尺寸 161mm x 121mm4 電源 24 VDC4 8路開關量輸入；4 8路繼電器輸出；4 10路3線制熱電阻溫度檢測輸入，并可測量其他電阻信號；4 Profibus 波特率 9.6 k 12M bit/s4 自動波特率搜索4 遵

22、循EN50170標準4 最多輸入輸出數(shù)據(jù)244字節(jié)4 參數(shù)可重配置4 指示燈顯示通訊狀態(tài)2.1總體結構AT200硬件結構如下圖所示圖2.1板上核心處理器為Philips的51單片機P89C58,內部集成有一個32k FLASH,提供了足夠的程序空間；還有一個32k的RAM作為數(shù)據(jù)空間； VPC3+C為Profibus協(xié)議芯片，一端與單片機相連，另一端與RS485驅動電路相連；EEPROM用于存儲一些重要參數(shù)；DIP用于設置從站地址；板上還有8路開關量輸入、8路繼電器輸出、10路3線制熱電阻溫度檢測輸入、74HCT573鎖存器、看門狗復位電路和指示燈等電路單元。AT200智能從站的功能是將8路開

23、關量輸入和10路3線制熱電阻溫度檢測結果輸入到PROFIBUS DP主站中，并將主站發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)傳送給8位繼電器輸出。2.2 PROFIBUSDP通信智能從站AT200硬件設計在進行PROFIBUSDP通信從站硬件設計時，我們采用PROFIBUS通信專用芯片方案。此PROFIBUS通信專用芯片是Profichip公司的VPC 3+ B芯片。2.2.1 VPC 3+ B 芯片簡介Profichip公司的VPC 3+ B是帶有處理器接口的PROFIBUS通信專用芯片，可設計成智能從站。VPC 3+ B可以執(zhí)行PROFIBUS-DP的信息和地址識別，數(shù)據(jù)的安全傳輸和協(xié)議的處理。另外，支持PROFI

24、BUS-DPV1和PROFIBUS-DPV2擴展，前者特點是非周期的通訊和報警信息，后者特點是從從通訊，數(shù)據(jù)交換廣播和同步網絡模式。VPC 3B集成了ISO/OSI參考模型中的物理層MAC和數(shù)據(jù)鏈路層FDL兩層（不包括模擬的RS485驅動），可以承擔通信部分的微處理器負載，實現(xiàn)DP從站通信處理。VPC 3B通過它的4 KByte雙口RAM與微處理器交換數(shù)據(jù)，微處理器操作VPC 3B芯片就像操作它的外部RAM。VPC 3B的總線接口是個可參數(shù)化的同步異步8位接口，適合于Motorola和Intel的微控制器處理器。DP通信的服務存取點(DP-SAPs)由VPC 3B自動建立，各種報文信息呈現(xiàn)在用

25、戶面前的是不同buffer的內部數(shù)據(jù)。用戶可以通過總線接口訪問這些內部數(shù)據(jù)。VPC 3B的內部結構示意圖如圖2.1所示。VPC 3B內部結構示意圖VPC 3B內部結構說明如下：u 總線接口單元是可參數(shù)化的8位同步異步數(shù)據(jù)接口。用戶可以通過11/12位地址總線存取2/4 KByte RAM或參數(shù)鎖存器和控制寄存器。u 方式寄存器(Mode Register)和參數(shù)寄存器（Parameter Register）在VPC 3B啟動后,加載過程指定參數(shù)(例如從站地址，緩沖器地址,控制位信息等)。u 狀態(tài)寄存器(Status Register)存放從站的狀態(tài)信息，以便在任何時間能掃描現(xiàn)場總線的介質訪問子

26、層(MAC)。u 中斷控制器(Interrupt Controller)接收不同事件的中斷請求，靠一個計時寄存器（mask register）來使能，VPC 3B有一個共同的中斷輸出。u 內置的看門狗定時器(Watchdog Timer)操作于三種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測、波特率控制和DP控制。u 串行通訊接口(UART)把并行數(shù)據(jù)流轉換為串行數(shù)據(jù)流輸出到RS485總線上，并自動識別波特率。VPC 3B可以自動標識總線的波特率(9.6K12M)。u 總線定時器(Idle Timer)直接控制串行總線電纜上的時序。u 微順序控制器(Micro Sequencer)作為VPC 3B的心臟，微順序控制

27、器控制整個過程，它包括有完整的PROFIBUS-DP協(xié)議。u 4 KByte雙口RAM作為與應用對象進行數(shù)據(jù)接發(fā)的接口。在默認情況下，是2 KByte模式，通過附加的地址線A11來擴展到4 KByte。由于VPC 3B與應用對象之間通信采用了此數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)的交換就獨立于總線周期。VPC 3B的內部集成的2/4 KByte雙口RAM，其地址空間從000H到7FFH。內部以8/16字節(jié)為一個單元，分成256段。RAM空間以功能區(qū)分，可分為三個區(qū)域。從00H到015H或為方式設定(只寫)或為狀態(tài)指示（只讀）寄存器區(qū)域。中斷請求寄存器可讀可寫，寫時主要用于調試。必須配置的還有中斷屏蔽寄存器，工作模式

28、寄存器0、1和2?？撮T狗用于波特率控制的定時值寄存器。還有從站最小延遲時間寄存器。用于指示VPC 3B工作情況的寄存器有：中斷請求和中斷發(fā)生寄存器；狀態(tài)寄存器；輸入buffer、輸出buffer和診斷buffer的狀態(tài)寄存器。從016H到03FH為配置參數(shù)區(qū)域，各種buffer的指針與長度(包括本站地址、地址允許改變變量、用戶看門狗值和設備標識號)在此區(qū)域設置。這些buffer包括三個輸入buffer、三個輸出buffer、兩個診斷buffer、兩個輔助buffer、一個配置buffer、一個參數(shù)buffer和一個地址設置buffer。這里的輸入輸出是相對于主站而言。值得注意的是各個buffe

29、r的指針定義。從040H到7FFH為用戶區(qū)域，它們用來接收來自IO應用和主站的數(shù)據(jù)（包括PROFIBUS-DPV2的buffer）。這些buffer的配置，包括buffer的長度和初始地址必須在VPC 3B的“離線”狀態(tài)下完成。在操作過程中，除了Dout-buffer和 Din-buffer的長度可變外，其它配置不能更改。用戶IO應用可以通過中斷或者輪循方式與VPC 3B交互數(shù)據(jù)，具體操作參見?？偩€上的串行數(shù)據(jù)經過UART轉換為并行數(shù)據(jù)進入VPC 3B。VPC 3B自動識別并接收傳送給本站的數(shù)據(jù)報文。它根據(jù)報文結構的不同，識別出不同的服務訪問點，將數(shù)據(jù)存進對應的buffer。圖中三個Dout_

30、buffer具有相同長度，其中的D對應于數(shù)據(jù)傳輸，U對應于用戶應用，而N為中間buffer。當VPC 3B接收到新的Dout報文后，VPC迫使D與N相互交換。當中斷請求寄存器置位后，用戶可以通過輪循診斷標志或通過中斷進行U與N的交換，從而完成Dout數(shù)據(jù)的傳送。 U，N和D由Dout_buffer_SM寄存器決定對應于哪一個Dout_buffer_ptr交換,實際上是Dout_buffer_SM中相應位的改變。當用戶應用有新的數(shù)據(jù)需要傳送到主站時，用戶將數(shù)據(jù)傳到Din_buffer中的U，然后請求數(shù)據(jù)傳送,主站相應這個請求并迫使VPC 3B進行D與N的交換，從而達到數(shù)據(jù)輸入目的。這里的D，N和

31、U由Din_buffer_SM決定。對于診斷信息，標準的診斷信息由VPC 3B自動的形成并傳送，有關用戶的診斷必須由用戶輸入到診斷buffer，由用戶請求數(shù)據(jù)傳送。用戶進行診斷信息輸入前必須檢查是否有可用的診斷buffer。 Cfg_buffer,SSA_buffer和Prm_buffer的數(shù)據(jù)傳送必須借助于輔助buffer，由Aux_buffer_sel寄存器決定借助于哪個輔助buffer。當VPC 3B工作于特定參數(shù)模式時，參數(shù)buffer跳過輔助buffer與UART相連。輔助buffer與配置、參數(shù)化和地址設置buffer的數(shù)據(jù)交換由VPC 3B自動完成，用戶只需在相應的中斷請求字節(jié)置

32、位后，取出相應的數(shù)據(jù)即可。VPC 3+ B主要技術指標： 支持PROFIBUS-DP協(xié)議, 支持PROFIBUS-DPV1和PROFIBUS-DPV2擴展。 最大數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s，可自動檢測并調整數(shù)據(jù)傳輸速率。 與Intel(80C31、80X86)、Simens(80C166/65/67)和Motorola(HC11-,HC16-、HC916系列)芯片兼容。 44管腳的PQFP封裝。 可獨立處理PROFIBUS-DP通信協(xié)議。 集成的看門狗（WATCHDOG TIMER）。 外部時鐘接口48MHZ。 5V DC或者3.3V DC供電。 2.2.2 RS485從圖可以看到，RS48

33、5總線驅動器一側與D型插座相連，另一側通過光耦與VPC 3B相接。目前能滿足12M波特率的驅動器芯片為數(shù)不多，有 SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，采用光耦隔離主要是為了消除來自零線的干擾，能滿足12M波特率的光耦有HCPL7720，HCPL0720， HCPL7721，HCPL0721，HCPL7710等，另外要求電源也要采取隔離措施，如加變壓器隔離或采用兩路電源。RS-485 接口原理圖當信號在總線上傳輸時，如發(fā)生阻抗不連續(xù)，將形成信號反射，導致傳輸信號畸變，因此在傳輸線的末端，需要加電阻來消除這種阻抗不連續(xù)，所加電阻的阻值應盡量接近傳輸線的特性阻抗。另外當總線

34、上沒有站處于發(fā)射狀態(tài)時，發(fā)射器禁止，使其處于高阻狀態(tài)，在這種狀態(tài)下要使總線處于1，因此要在Pin3加一個上拉電阻，Pin8加一個下拉電阻。由于所有的接收器總是處于允許狀態(tài)，因此在空閑狀態(tài)下，每個接收器收到的都是1。另外，PROFIBUS-DP總線電纜一般采用帶屏蔽的雙絞線，這有助于改善電磁兼容性，導線的特性阻抗一般為100165歐姆，截面積0.22mm2。EN50170標準推薦了兩種類型的電纜，類型A：特性阻抗130165歐姆，截面積0.34mm2。類型B：特性阻抗為100130歐姆，截面積0.22mm2。在類型A時，總線終端電阻Ru=390, Rd=390, Rt=220，在類型B時，總線終

35、端電阻Ru=390, Rd=390, Rt=150。2.2.3開關量輸入單元開關量輸入應與該電路板24V電源輸入共地，輸入電壓一般為24V，也可以為其它幅值開關量輸入，當有高電平開關量輸入時，相應通道綠色指示燈會點亮。開關量輸入必須進行光電隔離，否則有可能損壞CPU系統(tǒng)。2.2.4繼電器輸出單元當有繼電器輸出，即繼電器開關閉合時，相應通道綠色指示燈會點亮。端子M為8路繼電器輸出公共端子。輸出電流：1.0A 30VDC0.5A 125VAC0.3A 60VDC由于CPU的I/O口不能直接驅動繼電器，所以必須進行驅動放大。2.2.5溫度檢測單元溫度參數(shù)是目前工業(yè)生產中最常用的生產過程參數(shù)之一，對溫

36、度的測量雖然有許多不同的方法，但熱電阻憑借其優(yōu)良的特性成為目前工業(yè)上溫度測量中應用最廣泛普遍的傳感元件之一。由于金屬鉑優(yōu)良的物理特性，使它成為制造熱電阻的首選材料。它能夠制造成體積微小的薄膜形式，或者纏繞在陶瓷和云母基板上制造出高穩(wěn)定性的溫度傳感器，能夠適應各種復雜的測溫場合。一般在至的溫度范圍內，熱電阻溫度傳感器是首選測溫元件。為了消除導線電阻對測量的影響，在實驗室和工業(yè)應用中，都是采用三線制引線接法來消除導線電阻影響的。溫度檢測單元原理圖如下圖所示：該溫度檢測單元的檢測對象是熱電阻PT100，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值將發(fā)生變化，我們就是通過檢測PT100的阻值來確定PT100

37、周圍環(huán)境的溫度值。首先我們利用一個2.5V的精密電壓基準源和2個運算放大器，產生一個1mA的恒流源，PT100作為恒流源負載，這樣PT100電阻的變化就反映為PT100兩端電壓的變化，這樣我們就可以通過檢測PT100兩端的電壓來檢測溫度。PT100的輸出電壓為mV級的，并很有可能帶有現(xiàn)場的干擾噪聲，首先對其進行濾波處理，然后利用運放將其信號放大，通過A/D轉換芯片傳送給單片機。由于現(xiàn)場檢測點可能距離較遠，這就必須考慮引線電阻帶來的影響。在這里我們采用熱電阻三線制接法，假設三根引線電阻相同，那么三線制接法就可以將導線電阻的影響抵消。電路分析UR5 = U1-U5 =U1-U6 =U1-U7 =2

38、U2-U7 =2U3-U7 =(VREF+U7)-U7 =VREFIR5=UR5/R5 =2.5V/2.5K =1mAIPT100=IR5=1mAU8+U5=2U9 =2U10 =2UAU8=2UA-U5 =UA+(UA-U5)=UA-Urw1=UA-Urw3=UA-UB=UPT100U14=U8*(R11+R10)/R10 =UPT100*(100K+10K)/10K =11UPT100放大倍數(shù)=11精度分析：TLC2543是12位的A/D轉換芯片精度RPT100=1/2122.5V111mA=0.0555TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換

39、過程。由于是串行輸入結構，能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。 TLC2543的特點（1）12位分辯率A/D轉換器；（2）在工作溫度范圍內10s轉換時間；（3）11個模擬輸入通道；（4）3路內置自測試方式；（5）采樣率為66kbps； （6）線性誤差1LSBmax；（7）有轉換結束輸出EOC；（8）具有單、雙極性輸出；（9）可編程的MSB或LSB前導；（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。 TLC2543的引腳排列及說明 TLC2543有兩種封裝形式：DB、DW或N封裝以及FN封裝，這兩種封裝的引腳排列如圖1，引腳說明見表1。圖1 TLC2543的

40、封裝表1 TLC2543引腳說明引腳號名稱I/O說 明19,11,12AIN0AIN10I模擬量輸入端。11路輸入信號由內部多路器選通。對于4.1MHz的I/O CLOCK，驅動源阻抗必須小于或等于50，而且用60pF電容來限制模擬輸入電壓的斜率15I片選端。在 端由高變低時，內部計數(shù)器復位。由低變高時，在設定時間內禁止DATA INPUT和I/O CLOCK17DATA INPUTI串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道16DATA OUTOA/D轉換結果的三態(tài)串行輸出端。 為高時處于高阻抗狀態(tài)， 為低時處于激活狀態(tài)19EOCO轉換結束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之

41、后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成和數(shù)據(jù)準備傳輸為止10GND地。GND是內部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓測量都相對GND而言18I/O CLOCKI輸入/輸出時鐘端。I/O CLOCK接收串行輸入信號并完成以下四個功能：（1）在I/O CLOCK的前8個上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2）在I/O CLOCK的第4個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/O CLOCK的最后一個下降沿為止。（3）將前一次轉換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（4）I/O CLOCK的最后一個下降沿，將轉換的控制信

42、號傳送到內部狀態(tài)控制位14REF+I正基準電壓端。基準電壓的正端（通常為Vcc）被加到REF+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與REF-端的電壓差決定13REF-I負基準電壓端?；鶞孰妷旱牡投耍ㄍǔ榈兀┍患拥絉EF-20Vcc電源接口時序 可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辯率，每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞可以使用12或16個時鐘周期。 一個片選（ ）脈沖要插到每次轉換的開始處，或是在轉換時序的開始處變化一次后保持 為低，直到時序結束。圖2顯示每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入 的時序，圖3顯示每次轉換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個時鐘周期，僅在每次轉換序列開始處插入一次

43、時序。圖2 16時鐘傳送時序圖（使用，MSB在前）圖3 16時鐘傳送時序圖（不使用 ，MSB在前）TLC2543在智能儀器儀表中的應用 TLC2543是12位分辯率，與MAX186在功能上基本相同，但價格比MAX186低得多，因此TLC2543在便攜式數(shù)據(jù)記錄儀、醫(yī)用儀器、電力檢測儀表中具有廣泛的應用。在設計制作時要注意如下三個問題：（1）電源去耦 當使用TLC2543這種12位A/D器件時，每個模擬IC的電源端必須用一個0.1F的陶瓷電容連接到地，用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境中，建議每個電源和陶瓷電容端并一個10F的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。（2）接地 對模擬器件和數(shù)字器件，電源

44、的地線回路必須分開，以防止數(shù)字部分的噪聲電流通過模擬地回路引入，產生噪聲電壓，從而對模擬信號產生干擾。所有的地線回路都有一定的阻抗，因此地線要盡可能寬或用地線平面，以減小阻抗，連線應當盡可能短，如果使用開關電源，則開關電源要遠離模擬器件。（3）電路板布線 使用TLC2543時一定要注意電路板的布線，電路板的布線要確保數(shù)字信號和模擬信號隔開，模擬線和數(shù)字線特別是時鐘信號線不能互相平行，也不能在TLC2543芯片下面布數(shù)字信號線。2.3 硬件設計小結1 B2405S-2W(U30)原理性錯誤，1，2管腳接反了，需要飛線，以后再板時注意更正。1：Vin,2:GND,與B0505S-1W相反。2 B2

45、405S-2W元件不帶穩(wěn)壓，當負載變化時，輸出電壓有小的波動，對溫度檢測部分精度有影響，應換成B2405LS-2W系列。3 模擬電路部分最好使用高精度的電阻，保證溫度檢測精度。4 對于帶極性元件,注意元件正、負極。2.4 硬件原理圖第三章 軟件設計PROFIBUS-DP通信從站軟件設計也可以采用面向過程的單片機C51語言進行模塊化設計。由于ANSI C 語言和C51語言都屬于高級語言，比匯編語言有著更好的可讀性和可移植性，編寫的效率也更加高效。模塊化設計便于進行調試，測試和算法升級。所以在整個課題的軟件設計中，都是采用面向過程高級語言和模塊化設計方法。3.1 PROFIBUSDP通信從站AT2

46、00軟件PROFIBUSDP通信從站AT200的硬件基本上屬于標準的線路，只是由于速度的要求，對于有些芯片要求較高，如果用戶對通訊速度沒有過高的要求，可以選用較為普通的芯片。軟件是開發(fā)DP接口的難點，必須全面掌握VPC 3B芯片的機理，以及PROFIBUS-DP狀態(tài)機的基本原理?！?】3.1.1 軟件設計（一）狀態(tài)機狀態(tài)機（State Machine）用來描述PROFIBUS-DP站在每種情況下的行為以保證它符合一致性。VPC 3B芯片內部已經集成了狀態(tài)機，用戶對狀態(tài)機的控制是很有限的。下面就PROFIBUS-DP的狀態(tài)機以簡單的介紹，有關細節(jié)請參閱EN50170?！?】在Power_On狀態(tài)

47、，從站接收2類主站Set_Slave_Add報文，以改變從站地址，從站應具有非易失性的存儲器存儲從站地址。在內部起動后，從站進入WPRM狀態(tài)，等待Set_Prm報文。Set_Prm報文包括識別號，同步，鎖定等。另外在此狀態(tài)從站還可以接收Get_Cfg和Slave_DIAG報文，但拒絕處理其他報文，不能進行通訊。如果Set_Prm正確，從站進入WCFG，等待Chk_Cfg報文。Chk_Cfg報文規(guī)定輸入和輸出字節(jié)數(shù)。另外也可以接收Slave_DIAG，Get_Cfg報文。如果Chk_Cfg正確，從站進入DXCHG狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)通訊，在此狀態(tài)，從站可以接收DataExchange , Rd_inp

48、ut , Rd_output , Commands(Sync,Freeze,) ,Slave_DIAG, Set_Prm,ok , Chk_Cfg,ok ,Get_Cfg ,MSAC_C1_Read , MSAC_C1_Write 和MSAC_C1_Alarm 等 報文。在進行數(shù)據(jù)通訊時，如接收到Set_Prm,NOT_ok報文, 從站返回到WPRM狀態(tài)；如接收到Chk_Cfg,NOT_ok報文, 從站返回到WCFG狀態(tài)。圖 狀態(tài)機下圖為PROFIBUS DP現(xiàn)場總線主站與從站之間通訊的過程圖： 首先主站不斷地發(fā)送從站診斷請求，直到啟動VPC3,從站才會給主站回復信息，然后主站發(fā)送設置參數(shù)命令

49、和檢查從站配置命令，從站會相應的發(fā)送回復確認信息，如果這兩步沒有問題，現(xiàn)場總線通信進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信可以采用中斷或查詢方式。（二）主程序主程序中的VPC 3B初始化包括設置VPC 3B允許的中斷，寫入從站識別號和地址，設置VPC 3B方式寄存器，設置診斷緩沖區(qū)，參數(shù)緩沖區(qū)，配制緩沖區(qū)，地址緩沖區(qū)，初始長度，并根據(jù)以上初始值求出各個緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸出緩沖區(qū)，輸入緩沖區(qū)及指針。在VPC 3B初始化完成后，如果配置正確，VPC 3B將進入正常數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，這時可對輸入輸出數(shù)據(jù)進行處理，真正實現(xiàn)PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通信。如果有外部診斷，可對診斷進

50、行處理。智能從站主程序流程圖如下：圖 主程序（三）中斷程序中斷程序主要用來處理PRM報文，CFG報文，SSA報文，完成微處理器對VPC 3B的中斷信號的反應。智能從站中斷程序流程圖如下圖：圖 中斷程序3.2 GSD文件設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）的編寫一旦PROFIBUS-DP智能從站硬件設計完成后，首先要做的就是編寫電子設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）。PROFIBUS主站能夠與各種從站（從簡單I/O從站到復雜的智能從站）交換數(shù)據(jù)，為了能夠安全方便的識別種類眾多的PROFIBUS從站，它就需要得到連接從站的技術特性數(shù)據(jù)，這就是設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）。標準化設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）將通信擴大到操作員控制

51、級，是用基于設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）的組態(tài)工具可將不同設備廠商生產的設備集成在同一PROFIBUS總線系統(tǒng)中，可以做到對用戶既簡單又友好。設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）是一種ASCII碼文件，它可以使用任何ASCII碼文本編輯器編寫。國際PROFIBUS用戶組織提供了一種標準的PROFIBUS GSD文件編輯器，它提供了簡單方便友好的編輯環(huán)境，可以方便的編寫文件代碼，用不同的顏色標出關鍵標識符，同時它能夠及時檢查編寫的設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD），給出錯誤的原因。PROFIBUS-DP設備的設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）用標識符“#PROFIBUS_DP”開始，設備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）每一句的編寫都以符合PROFI