PROFIBUS DP多功能从站设计

电子测量技术　第２９卷第３期　２００６年６月　ＥＬＥＣｒＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ多功能从站设计　粱传波赵敏胡鹤立　（南京航空航天大学自动化学院南京２１００１６）　摘要：本文主要介绍了ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ从站的多功能化设计方案。该方案使用Ｃ８０５１Ｆ０２１和智能接口心－Ｎ－片ｓＰＣ３　作为硬件平台构建从站。从站在实现ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ总线协议的基础上，既可以采集数字量信号，也可以采集模拟　信号，从站还具有信号处理功能，提高了抗干扰能力，保证了传输信号质量。从站能独立完成系统的测控任务，　较好地满足分布式控制要求。　关键词：ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ；ＳＰＣ３；Ｃ８０５１Ｆ０２１；多功能从站　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓｌａｖｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　Ｌｉａｎｇ　Ｃｈｕａｎｂｏ　Ｚｈａｏ　Ｍｉｎ　Ｈｕ　Ｈｅｌｉ　（Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＰＲ０ＦⅢＵＳ　ＤＰ　ｓｌａｖｅ　ｎｏｄｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｃＩｒｍ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ＭＩＣＵ　Ｃ８Ｏ５１Ｆｌ０２１　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｈｉｐ　ＳＰＣ３．Ｂｏｔｈ　ｄｉｇｉａｌｔ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｏｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓａｍｐｌｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＲ０ＦⅢＵＳ　ＤＰ　ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｓｌａｖｅ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ　ｃ￣ｔａｌ　ｓｉｇｒ￣ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔＯ　ｅｎｈａｎｃｅｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｔｉｊａｍｍ．ｍｇ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｙｏｆｔ　ｓｉｇｎａＬ　Ａｓ　ａｗｈｏｌｅ，ｔｈｅ　ｓｌａｖｅ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｂｓｅｒｖｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　ｔＯ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．　Ｋｅｙｗｏｒｆｌｓ：ＰＲ０ＦⅢＵＳ　ＤＰ；ＳＰＣ３；Ｃ８０５１Ｆ０２１；ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓｌａｖｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　０　引　言　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ是一种高速低成本总线，用于　设备级控制系统与分散式Ｉ／Ｏ的通信。数据传输　速率为９．６ｋｂｉｔ／ｓ～１２Ｍｂｉｔ／ｓ，传输的数据容量为　每个报文多达２４４个字节，传输技术采用ＲＳ４８５，　传输介质为屏蔽双绞线。　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ总站的开发，原则上可以有两　的输入输出字节数。当参数化与组态正确后，从站　进人数据交换状态，与主站进行数据传输。　２从站协议芯片ＳＰＣ３　ＳＰＣ３是一款智能型的ＡＳＩＣ，专用于　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从站的开发，其内部完全集成了　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从站通讯协议，可以独立地实现从　站的各个状态机。　种方法：一种是单片机加软件的方法，另一种是采　图１完整地表示了ＳＰＣ３的内部结构。ＳＰＣ３　内部集成了１＿５Ｋ的双口ＲＡＭ作为ＳＰＣ３与软件　的接口。总线接口是一个参数化的８位同步／异步　接口，可使用各种Ｉｎｔｅｌ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ的微控制器。　用户可通过地址总线直接访问１．５Ｋ的双口ＲＡＭ。　用单片机配合协议芯片的方法。第一种方法在实际　应用中实现起来非常繁琐，而且具有局限性，如波　特率不会很高。利用单片机配合协议芯片可以很方　便地实现ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从站协议，而且具有很　强的可靠性。　参数寄存器和方式寄存器用于存放应用程序传递的　参数（如站地址、控制位等），状态寄存器用于监　视ＳＰＣ３的５１２作状态。各种事件（如新的参数化数　据、新的组态数据等）都能进入中断寄存器，屏蔽　寄存器使能，然后通过响应寄存器清除已经响应的　中断。在ＵＡＲＴ中，并行、串行数据相互转换，　１　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从站的状态机　在Ｐｏｗｅｒ—Ｏｎ状态，从站可以接收来自二类主　站的“Ｓｅｔ—Ｓｌａｖｅ—Ａｄｄｒｅｓｓ”报文，从而改变从站　地址，之后进入Ｗａｉｔ—Ｐｒｒｎ状态。等待Ｓｅｔ—Ｐｒｍ报　文，同时也可以接受Ｇｅｔ—Ｃｆｇ和Ｓｌａｖｅ—Ｄｉａｇ报文。　ＳＰＣ３通过看门狗能自动调整波特率。总线定时器　直接控制串行总线的时序。微序列器控制整个　ＳＰＣ３的工作过程。　・　】０７・　如果参数设置成功，从站将进入Ｗａｉｔ—Ｃｆｇ状态，　此时从站接收主站对它的组态信息，即数据交换中　维普资讯 http://www.cqvip.com

梁传波等：ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ多功能从站设计　控制信号数据地址　１ｆ　　Ｉ总线接口单元　Ｉ　Ｉ１Ｉ．５Ｋ字节　Ｉ瓜控制器Ｉｌ　Ｉ模式，状态，ｌ　参数寄存器ｌｌ看『ｌＪ　狗Ｉ　ｌ　ＲＡＭ　Ｉ　・‘ｒ｝　Ｉ‘ｍ　Ｉ●ｎ…．ｂ　　ｌｌ　＿ｒ　Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ异步收发器Ｉ　ｌ定时器Ｉ　Ｉ波特率发生器Ｉ　ｌＩ　Ｉ　ｌ图１　ＳＰＣ３内部结构图　３从站硬件设计　从站单片机采用Ｃｙｇｎａｌ公司的Ｃ８０５１Ｆ０２１。　这种单片机使用ＣＩ￣５１微控制器其内核具有标准　８０５２的所有外设部件，ＣＩＰ－５１与ＭＣ￣５１指令集　完全兼容。　图２　ＰＲＯＮＢＵ￣ＤＰ从站硬件原理框图　图２为从站设计结构框图。同普通的单片机不　同的是Ｃ８０５１Ｆ０２１的Ｐ３口为数据和地址的复用端　口，Ｐ２口提供地址的高８位。ＳＰＣ３工作在Ｉｎｔｅｌ　模式以及同步模式。由于ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ总线的　传输速率要求很高，所以在此，隔离器件采用高速　光耦ＨＣＰＬ７７２１，驱动器件选用高速ＲＳ４８５总线　驱动器ＳＮ６５ＡＬＳ１７６ＤＲ。　利用Ｃ８０５１Ｆ０２１控制ＳＰＣ３首先实现单片机自　身与ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ主站之间的通讯。在此基础　上利用Ｃ８０５１Ｆ０２１丰富的片内资源可实现以下多　种功能：　①单片机外接ＲＳ２３２驱动器，实现　・　１Ｏ８・　第３期　ＰＲｏＦＩＢＵ　ＤＰ协议到普通ＲＳ２３２协议之间的转　换。此功能使从站作为主站的一个普通数字接口，　可外接ＲＳ２３２串口的数字设备。　②通过片内１２位ＡＤＣ，单片机可以对输入的　模拟量进行数据采集，并将结果送往主站。此功能　可以使从站成为主站的一个数据采集卡。　③通过片内１２位ＤＡｃ，单片机将主站传来的　数据转换为模拟量输出。此功能可以使从站成为主　站的一个波形发生器。　④由于单片机的指令执行速度快，且片内有充　足的ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ，可以利用ＡＤＣ对输入的模拟　信号进行采样，然后用软件地对采样结果进行　ＦＦＴ变化，再将变换结果送往主站。这样就使从　站带有了简单的信号处理功能。　以上各个功能之间的切换通过图２所示的拨码　开关来实现。另外单片机内部还集成了一个温度传　感器，通过内部ＡＤＣ可以对其输出进行采样。由　此可以限定单片机工作的最高温度，使从站具有自　我保护功能。　４　软件设计　ＳＰＣ３完全集成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从站协议。　单片机的主要任务是：根据ＳＰＣ３产生的中断，转　存主站的输出数据；将需要输入的数据写入ＳＰＣ３　等待主站来读取；组织外部诊断。图３是编写的主　程序流程图。　图３主程序流程图　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　从站上电后执行单片机中的应用程序。程序　梁传波等：ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ多功能从站设计　中断，当中断到来时应用程序通过读取ＳＰＣ３的中　断寄存器来判断触发中断的原因并进行相应的中断　处理。　中，在对ＳＰＣ３的初始化阶段单片机将参数传递给　ＳＰＣ３，这里包括从站的设备号、从站地址以及组　态信息，之后单片机设置各个缓冲区的长度，并将　它们的段基址放入相对应的寄存器。　对单片机和ＳＰＣ３初始化后，程序进入主循　此外，上位机以ＶＣ＋＋６．０为开发工具采用　ＭＦＣ编程，根据所提供的静态链接库以及相应的　头文件编写界面，成功实现了上位机（即主站）与　从站之间的数据收发功能。　环：应用程序通过读取ＳＰＣ３内中断请求寄存器的　内容，来判断ＳＰＣ３中是否有从主站发来的输出数　据。如果有，将数据转发至外围设备。之后程序进　入数据采集环节并对采集的数据进行相应处理，将　结果写入ＳＰＣ３，等待主站读取输入数据。最后，　程序处理外部诊断数据（诊断数据的功能可由用户　自然定义），并写入ＳＰＣ３的诊断寄存器。　程序进入主循环的同时ＳＰＣ３的初始化已经完　成，ＳＰＣ３可以自主实现从站状态机的转换，同主　５　结束语　本文主要从开发的角度阐述了如何利用单片机　Ｃ８Ｏ５１Ｆ０２１协议同ＳＰＣ３构建ＦＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ从　站，从而同主站（插有ＣＰ５６１１的ＰＣ机）组成一　个单主的最小化的ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＤＰ总线系统。如　果要将其产品化并用于工业现场，还需在硬件和软　件的抗干扰、容错等方面再加以改进。　参考文献　口　］　］　］　站进行通讯。主站可以读取ＳＰＣ３输入缓冲区的数　据或向输出缓冲区内写入要输出的数据。可以通过　ＳＰＣ３的引脚ｘＤＡＴＡＥｘｃＨ来判断其是否进入数　据交换状态。只有当ＳＰＣ３进入了数据交换状态，　对其输入输出缓冲区的读写才有意义。　ＳＰＣ３处于数据交换状态时，除了同主站进行　［１］　潘琢金．Ｃ８０５１Ｆ０２１混合信号ＩＳＰ　ＦＬＡＳＨ微控制器　数据手册．沈阳新华龙电子有限公司，２００２．　［２］　测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线，　第３部分：Ｐｒｏｆｉｂｕｓ规范中国机械工业联合会，　２００２．　输入输出数据交换外，还可以接收新的参数化报　文、组态报文、从站地址设置报文以及全局控制命　令报文等，这些报文的到来都可以触发一个公用的　［３］　李正军．现场总线及其应用技术［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２００５．　（上接第１０４页）　对获得的可见度函数采样值分别进行直接插零后用　逆傅里叶变换以及用立方卷积插值后使用傅里叶逆　变换。图４的第一行采用的是带状的Ｔ型阵列，　第二行采用的是圆盘阵列。仅仅从视觉的角度上来　说，采用立方卷积插值算法产生的噪声要比采用直　接补零的方法产生的噪声小很多，也就是说大大改　参考文献　Ｙｕｊｉｌｉ，Ｌ　Ｓｈｏｕｃｒｉ，Ｍ，Ｍｏｆｆａ，Ｐ．Ｐａｓｓｉｖｅ　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　ｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＭａｇａｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ，２００３，　４（３）：３９—５０．　Ｒｕｆ，Ｃ．ｓ．，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｔｅｒ￣ｅｒｏｍｅｔｒｉｅ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｒａｄｉｏｍｅｔｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　善了信噪比，此外，图像的边缘也较清晰。　Ｅａｒｔｈ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｇｅｏｓｃｉ．Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓ．，　１９８８，２６（５）：５９７－６１１．　一■■　一■■　图４采用直接插零和立方卷积插值的结果比较　Ｃａｍｐｓ，八ａｎｄ　Ｊ．Ｂａｒａ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｅ　ＣＬＥＡＮ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔＯ　Ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　ｂｙ　Ｍｅａｎｓ　ｏｆ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　Ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８（１８）：６７—８３．　Ｋｅｙｓ，Ｒ　Ｃｕｂｉｃ　ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｇ．Ａｃｏｕｓｔｉｎｃｓ，Ｓｐｐｅｅｃｈ，ａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｇ［Ｊ］，ＩｎＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ，１９８１，２９　（６）：１１５３—１１６０．　尢玉虎，周孝宽．数字图像最佳插值算法研究［Ｊ］．　中国空间技术，２００５，３：１４—１８．　・１０９・