发表于：2008/8/11 11:29:00
#0楼
p89v51rd2单片机在profibus-dp智能*
作者：北京工业大学 机械工程与应用电子学院 孙树文 杨建武 李孝辉 时间：2008-04-17 来源: 电子产品世界
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引言
profibus是作为德国国家标准din19245和欧洲标准en50170的现场总线，目前已成为中国国家标准gb/t20540-2006的现场总线。profibus作为一种不依赖于制造厂家的开放式现场总线标准，已广泛应用于制造加工自动化、过程自动化和楼宇自动化领域中。profibus根据应用特点分为
profibus-dp
、profibus-fms、profibus-pa三个兼容版本[1]。其中
profibus-dp
是一种经过优化的高速且廉价的通信连接，专门为自动控制系统与在设备分散的i/o之间的通信设计，为工厂自动化提供了很好的解决方案。
印刷设备中存在大量的外围i/o信号，如何保证外围设备与控制主机之间的实时通讯，使得印刷机可靠运行，采用采用传统的plc构成集散型控制系统(dcs)，存在系统不开放、硬件投资大、布线复杂、维修不便的缺点，具有明显的局限性[2]。而采用基于现场总线的分布式i/o系统，基本局限于国外产品，如西门子公司的基于profibus分布式i/o系统，wago公司基于canbus、devicenet、profibus分布式i/o系统，但价格较高。因此我们设计了基于p89v51rd2单片机的
profibus-dp
智能从站
，应用于印刷设备的现场总线
分布式控制系统
中。
智能从站
的硬件电路设计
profibus
智能从站
采用功能模块化设计，系统主要由p89v51rd2 [2]微控制器和封装了
profibus-dp
协议的芯片spc3构成其核心部分，其他还有数字量输入输出口、基于spc3的profibus总线驱动器、扩展模块接口、及电源模块等部分组成，详见图1。
智能从站
由24v直流电源供电，而从站中的芯片都采用5v的电源。所以选用了dc/dc电源模块将24v转换成5v。总线驱动器(rs-485)及光电隔离电路是spc3与
profibus-dp
总线之间的接口。它对通讯信号进行光电隔离，用以消除来自总线的干扰，所以采用了双路电源供电，进行了完全的输入/输出通道上的电气上的隔离。电气隔离采用adum1301芯片，该芯片采用了ad公司最新的icoupler隔离技术，与传统的光耦器件相比优势非常明显：完全满足工业现场宽范围的温
智能从站
由24v直流电源供电，而从站中的芯片都采用5v的电源。所以选用了dc/dc电源模块将24v转换成5v。总线驱动器(rs-485)及光电隔离电路是spc3与
profibus-dp
总线之间的接口。它对通讯信号进行光电隔离，用以消除来自总线的干扰，所以采用了双路电源供电，进行了完全的输入/输出通道上的电气上的隔离。电气隔离采用adum1301芯片，该芯片采用了ad公司最新的icoupler隔离技术，与传统的光耦器件相比优势非常明显：完全满足工业现场宽范围的温度要求(-40℃~105℃)，低功耗，最高可达90mbps的传输速率，所需的外围元件少。从站还采用了max705构成看门狗电路，对单片机提供了独立的保护系统。当系统出现故障时，max705将以reset信号做出响应，从站地址开关用于手动设置从站地址。
微控制器芯片p89v51rd2介绍
本设计采用的微处理器是nxp公司的单片机p89v51rd2[3]。它是80c51微控制器的派生器件，其指令系统与80c51完全相同，采用先进cmos工艺制造，具有64k字节非易失性flash程序存储器和1k字节的ram。p89v51rd2的片上资源很丰富，具有4组8位i/o口、3个16位定时/计数器、多中断源(4个中断优先级，嵌套的中断结构)、1个增强型uart、片内振荡器及时序电路。该存储器支持isp(in system programming)功能，isp的优点是支持在系统编程，即不需要移出为控制器，只需要通过串行接口(rxt和rxd)，结合上位机软件就可以实现pc对mcu的重复编程，而且硬件电路连接简单，这样方便了程序调试，缩短了设计开发周期，提高了系统的可靠性和稳定性。
协议芯片spc3介绍
spc3(siemens profibus controller)是西门子公司设计的一款asic芯片，专用于profibus从站或从设备的开发，可以和多种单片机(51系列、80c32, 80c165, hc916)配合使用满足
profibus-dp
的高速数据传输。spc3其内部完全集成了
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从站通信协议，最大传输速率可达12mbps，可以自动检测总线上传输速率，内部具有1.5k字节的ram、方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器，及各种缓冲器指针和缓冲区等，其内部结构如图2所示。此外，spc3从初始化到正常工作，都由芯片内部集成的状态机来控制，不需要人为的过多干预。只要按正确方法对spc3中的寄存器和数据区进行初始化后，对其双口ram进行数据的读写操作即可完成从站与主站间的通讯。
i/o从站的软件设计
智能从站
的主程序流程如图3所示，包括：系统初始化，i/o控制程序和
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总线通信程序。初始化程序完成对p89v51rd2微处理器和spc3协议芯片的初始化，
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通信程序实现i/o从站与监控主站间的通信。
在spc3正常工作之前，微控制器需要对其进行初始化以配置所需要的寄存器，spc3的的初始化流程如图4所示，包括设置协议芯片的中断允许、写入从站识别号和地址、设置spc3方式寄存器、设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区、初始化长度，并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针。根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针。由于spc3内部集成了完整的
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协议，因此用户不用参与处理profibus状态机制，p89v51rd2根据spc3产生的中断，对spc3接收到的主站发出的输出数据转存，将计算出的工程量数据通过spc3发给主站，并根据要求进行外部诊断等。
智能从站
的调试
调试与检验
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产品前必须组建总线网络，并进行网络组态。通常的网络组态方法有三种：一种是基于组态软件(如wincc)+主站卡(cp5611或cp5613)构成的
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二类主站的网络结构，另一种是由具有
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接口的硬件plc构成的
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一类主站结构，还有一种是基于pc+软 plc构成的
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一类主站结构。本文调试所采用的就是最后一种方式，其网络结构如图5所示。
监控计算机运行德国3s公司的codesys[5]软plc软件及rte实时程序组件，作为
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总线网络的主站(相当于一台高性能可编程控制器)，通过cp5613卡与自行设计开发的
智能从站
进行数据通信，构成了基于软plc和
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现场总线的分布式i/o控制系统。
在控制系统的硬件连接完成后，还需要在监控计算机上通过codesys软件对整个网络进行组态，包括安装系统支持的cp5613卡的驱动程序(由3s提供)，并加载到rte中；加载从站设备的gsd文件；设置
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总线相关参数(如通讯波特率，从站id号等)。软plc组态及监控界面如图5所示，可以看出挂接在网络系统上的主从设备都会在组态界面上显示出来，
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从站节点的各个端口状态一目了然，可以实时监控输入／输出点的状态，并可以强制置位和复位输出点。
结语
本文设计的基于p89v51rd2和spc3的
profibus-dp
智能从站
，通过现场总线与软plc构成
分布式控制系统
调试，实现了监控主站与
智能从站
的正常通信，并与其他公司的产品进行了兼容性实验，运行良好，可靠性高。通过编写软plc的测试程序，检查了整体方案的可行性；验证了整个系统信息传递及控制的可靠性、准确性和实时性，所设计的
智能从站
可以很好的满足了印刷设备控制系统的要求。开发过程中所提出的技术方案和实现方法可以在电力系统、工业测控、冶金等自动化领域中推广应用。
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