发表于：2010/1/19 6:48:54
#0楼
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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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，PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP二类主站的网络结构，另一种是由具有PROFIBUS-DP接口的硬件PLC构成的PROFIBUS-DP一类主站结构，还有一种是基于PC+软 PLC构成的PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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，PROFIBUS-DP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。
参考文献：
1. 现场总线(Profibus)专业委员会(CPO),现场总线PROFIBUS标准(中文版)[S]．CPO，2000．
2. 阳宪惠,现场总线技术及其应用[M],北京：清华大学出版社,1999.
3. Philips Semiconductors,P89V5lRD2 Datasheet[Z]，2004
4. SIEMENS,DPC31 HARDWARE DESCRIPTION[Z]，2002
5. 3S公司．CoDeSys User Manual[Z]，2003
6. 孙树文，张慧慧，杨建武，李屹,CAN总线在潜水电机分布式监控系统中的应用[J],计算机测量与控制，2006年第11期
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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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，PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP二类主站的网络结构，另一种是由具有PROFIBUS-DP接口的硬件PLC构成的PROFIBUS-DP一类主站结构，还有一种是基于PC+软 PLC构成的PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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，PROFIBUS-DP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。
参考文献：
1. 现场总线(Profibus)专业委员会(CPO),现场总线PROFIBUS标准(中文版)[S]．CPO，2000．
2. 阳宪惠,现场总线技术及其应用[M],北京：清华大学出版社,1999.
3. Philips Semiconductors,P89V5lRD2 Datasheet[Z]，2004
4. SIEMENS,DPC31 HARDWARE DESCRIPTION[Z]，2002
5. 3S公司．CoDeSys User Manual[Z]，2003
6. 孙树文，张慧慧，杨建武，李屹,CAN总线在潜水电机分布式监控系统中的应用[J],计算机测量与控制，2006年第11期
