基于VPC3的PROFIBUS－DP智能從站設(shè)計(jì)

ROFIBUS－DP作為—種國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，以其靈活性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，是一種高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。但不是所有的控制設(shè)備都能接入到總線中，必須通過智能從站 接口裝置實(shí)現(xiàn)，通過智能從站的拜發(fā)，可以把非總線的電子設(shè)備接入到總線網(wǎng)絡(luò)中。目前，我國對(duì)于PROFIBUS－DP的應(yīng)用和研究主要以國外大公司的成套設(shè)備為主，而自主研究開發(fā)通信接口的卻比較少 。雖有公司針對(duì)PROIFBUSDP協(xié)議轉(zhuǎn)換問題已開發(fā)出相應(yīng)網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴，與實(shí)際應(yīng)用有一定距離，因此深入研究該技術(shù)對(duì)該技術(shù)的國產(chǎn)化有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

　　開發(fā)方案的選用

　　PROFIBUS－DP是開放的、 無知識(shí)產(chǎn)權(quán)倮護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。原則上，PROFIBUS DP協(xié)議在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)，在微處理器內(nèi)部或外部安裝異步串行通信接口（UART）即可完成?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，目前在 拜發(fā)PROFIBUS－DP從站時(shí)有以下方案可供選擇：（1）單片機(jī)＋軟件的解決方案；（2）單片機(jī)＋PROFIBUS通信專用芯片的解決方案；（3）采用專用拜發(fā)工具。其中以方案2最為方便。

　　本文采用單片機(jī)加PROFIBUS－DP通信專用芯片的解決方案。其中微控制器的選取是實(shí)現(xiàn)智能從站開發(fā)的關(guān)鍵，因?yàn)镈P智能從站的控制芯片需要有足夠大的RAM來配置VPC3及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并且也需要較 高的運(yùn)行速率。我們選取Cygnal公司推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片C8051F020，其突出的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的運(yùn)算速度，非常合適拜發(fā)PROFIBUS－DP從站。VPC3芯片是VIPA公司為優(yōu)化的智能 PROFIBUSDP從站提供的專用芯片，集成了PROFIBUS－DP協(xié)議，可以替代西門子SPC3，同時(shí)具有工作電壓低、RAM大等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路主要采用VIPA的PROFIBUS－DP協(xié)議芯片VPC3和CygnalC8051單片機(jī)。C805l器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有64個(gè)數(shù)字IJO引腳。兼容的CI-51內(nèi)核，4352（4096＋156）字節(jié)（B）的片 內(nèi)RAM，可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口特別適合本設(shè)計(jì)使用。工作過程單片接口轉(zhuǎn)換電路機(jī)自動(dòng)識(shí)別不同的非總線設(shè)各，把數(shù)據(jù)交換到VPC3里，由VPC3負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) 傳送到總線里。整個(gè)過程可是逆的。所有功能的實(shí)現(xiàn)由我們固化在單片機(jī)里的程序?qū)崿F(xiàn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，即自動(dòng)識(shí)別不同的非總線帶通訊的控制設(shè)備。

　　VPC3是用于從站開發(fā)的智能通信芯片，它支持PROFIBUS－DP協(xié)議。VPC3內(nèi)部集成4kB的雙口RAM。內(nèi)部鎖存器／寄存器位于前2 1個(gè)地址單元，主要包括：方式寄存器l、0，中斷控制寄存器，狀態(tài)寄存器 以及輸入、輸出緩沖器和診斷緩沖器各自的狀態(tài)寄存器。組織參數(shù)位于RAM中從16H開始的單元。整個(gè)緩沖器結(jié)構(gòu)（屬于DP－SAPS）就是基于這些參數(shù)來寫的。此外，普通參數(shù)在這些單元設(shè)置數(shù)據(jù)（包括站 地址、地址允許改變、用戶看門狗值和設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)等），狀態(tài)顯示存儲(chǔ)在這些單元（通用控制命令等）。

　　PROFIBUS－DP智能轉(zhuǎn)換接口的主要功能是利用VPC3協(xié)議芯片作為數(shù)據(jù)采集和發(fā)送單元實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線之間的通信，從而能使用戶數(shù)據(jù)傳送到主站并接收來自主站的數(shù)據(jù)。DP智能轉(zhuǎn)換接口 用C8051作為處理器單元管理通信事務(wù)，VPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理功能，C8051與VPC3之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，VPC3的雙口RAM在C8051地址 空間中統(tǒng)一分配地址，C8051將VPC3的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過P6和P7口與雙口RAM連接，P6口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P7口作為高8位地址線。從站接口的總體設(shè)計(jì)方案，我們采用C8051作為 主控芯片，結(jié)合PROFIBUS－DP從站接口芯片VPC3以及ADM248*85接口芯片設(shè)計(jì)了整體的解決方案。

　　因?yàn)镃8051和VPC3＋均為3．31／供電，所以可以直接連接。對(duì)于C8051來說VPC3就是它的一個(gè)外置RAM。SPC3有內(nèi)部地址解碼電路，所以ABS～AB10接地。此時(shí)DB7～DB0是數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，可以產(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0～AB3產(chǎn)生，AB4～AB7嚴(yán)生SPC3的片選信號(hào)，只有AB4～AB7同時(shí)為0時(shí)才選中SPC3。單片機(jī)P7口的P7.0 ～P70.7接VPC3的DB0～DB7端，既作為VPC3的數(shù)據(jù)線，也作為VPC3地址總線的低8位。P7口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P6口作為高8位地址線C8051。P6口的P6.0～P6.2接VPC3的AB0～AB2端， 作為VPC3地 址總線的高3位，同時(shí)要使VPC3的高5位AB7…3＝00000。在軟件程序的設(shè)計(jì)中，VPC3的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址區(qū)被強(qiáng)制在1000H～15FFH，這要求P7.7～7.4＝0001， 要想AB4仍為0，必須將P6.0通過一個(gè)非門MM74HC接VPC3的AB4端。在實(shí)際電路中，VPC3的AB8～10通過一個(gè)接地電阻接地，使得AB8..10=000，AB3接P6.3始終給出低電平信號(hào)即AB3＝0，AB4的輸入端通過非門MM74HC接P6． 4，只要P*始終為1，從而保證VPC3的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址范圍為1000H～15FFH。

　　現(xiàn)場總線接口電路是VPC3與現(xiàn)場總線側(cè)連接的電路，因?yàn)镻rofibus－DP可以達(dá)到12Mbit／s的速率，因此對(duì)已接口電路的要求是非常高的。在此我們選用Profibus接口專用芯片AMD2486，ADM2486是ADI 公司生產(chǎn)的半雙工、隔離RS－485收發(fā)器。其內(nèi)部含有倮護(hù)隔離電路，減少了硬件電路的布線，提高了通信的穩(wěn)定性。