PROFIBUS-DP接口開發(fā)技術(shù)研究和應(yīng)用

1 引言
現(xiàn)場總線被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)，是自動化領(lǐng)域的研究熱點[1]。PROFIBUS-DP是應(yīng)用在現(xiàn)場自動化儀表和設(shè)備領(lǐng)域的一種主要的現(xiàn)場總線并且已經(jīng)成為國際電工委員會制定的國際標(biāo)準(zhǔn)之一（IEC61158 TYPE3）和中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20540-2006）。現(xiàn)場總線技術(shù)是電子技術(shù)，通信技術(shù)，智能儀表技術(shù)和自動控制技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物[2]。
PROFIBUS-DP接口的開發(fā)包括硬件部分、軟件部分和電子設(shè)備數(shù)據(jù) GSD文件部分。

2 基于 PROFIBUS-DP的自動化系統(tǒng)的構(gòu)建
因為是開發(fā) PROFIBUS-DP接口，所以總體結(jié)構(gòu)較為簡單和實用?？傮w體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示。主站和從站通過 PROFIBUS專用網(wǎng)線組成一個單主站 PROFIBUS系統(tǒng)。主站由計算機和SST公司的總線卡 5136-PFB-PCI組成；現(xiàn)場設(shè)備（圖中是智能控制器）和本文開發(fā)的從站總線接口卡組成 PROFIBUS-DP現(xiàn)場智能設(shè)備，作為 PROFIBUS-DP從站。圖中的智能控制器、變頻器和泵共同構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。本文重點介紹總線接口卡的開發(fā)。

3 PROFIBUS-DP接口開發(fā)重點和難點在于：實現(xiàn)狀態(tài)機和服務(wù)訪問點。
3.1開發(fā)方案分析、比較和和選擇 利用單片機的方案需要理解協(xié)議的大部分細(xì)節(jié)，實現(xiàn)的 PROFIBUS-DP站的傳輸速率受單片機晶振的限制，根本無法達到最大傳輸速率12Mbit/s。
通信專用芯片集成了 PROFIBUS-DP協(xié)議和狀態(tài)機，并且給出了具體的服務(wù)訪問點；使用專用芯片開發(fā) PROFIBUS-DP總線接口卡，不再需要考慮的協(xié)議大部分細(xì)節(jié)，重點是熟練使用專用芯片。
與利用單片機的實現(xiàn)方案比較，使用專用芯片可大量地節(jié)約開發(fā)時間和成本，傳輸速率可以達到12Mbit/s。因此，本文使用專用芯片 SPC3進行總線接口卡的開發(fā)。
3.2 SPC3功能介紹 [4]SPC3基本上集成了完整的 PROFIBUS-DP協(xié)議。 SPC3集成有 1.5K字節(jié)的RAM，方式寄存器，狀態(tài)寄存器，中斷控制器，看門狗定時器（保護監(jiān)控定時器）和各種緩沖區(qū)；能夠自動地識別 9.6K到 12M的波特率。微順序控制器控制著 SPC3整個處理過程?？偩€定時器直接控制串行總線上的總線時間。
SPC3包括如下的服務(wù)訪問點（服務(wù)）：缺省SAP（讀寫數(shù)據(jù)交換)，SAP55（改變站地址），SAP56(讀輸入)，SAP57(讀輸出)，SAP58(向 DP從站發(fā)控制命令)，SAP59(讀組態(tài)數(shù)據(jù))，SAP60(讀從站診斷信息)，SAP61(發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù))，SAP62(校驗組態(tài)數(shù)據(jù))。
3.3硬件設(shè)計主要是選用 RS485芯片和光耦芯片，如果從站對傳輸速率的要求可以低于 12M波特率，那么有性能指標(biāo)稍低的 RS485芯片和光耦芯片。另外本文開發(fā)的總線接口卡設(shè)計為可以選擇雙口 RAM或者 RS232接口將總線接口卡與現(xiàn)場設(shè)備連接。
3.4軟件設(shè)計
3.4.1 PROFIBUS-DP狀態(tài)機的實現(xiàn)

軟件設(shè)計依據(jù)是 SPC3中集成的 PROFIBUS-DP狀態(tài)機 [4]，狀態(tài)機用來描述 PROFIBUS-DP站在每種情況下的行為；如圖 2所示。

整個程序采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的方法，依據(jù) PROFIBUS-DP狀態(tài)機提供的流程進行編寫。按照對實時性的不同要求，各個服務(wù)訪問點分別采用查詢或者中斷方式來實現(xiàn)。主函數(shù)主要是完成必要的初始化工作和用查詢方式實現(xiàn)服務(wù)訪問點。中斷函數(shù)，主要是用中斷方式實現(xiàn)服務(wù)訪問點。
3.4.2 PROFIBUS-DP系統(tǒng)主-從通訊中的實時性和時間確定性
令牌是在主站之間傳遞總線控制權(quán)的一種特殊報文。當(dāng)某個主站得到令牌時，它將在一個規(guī)定的時間段內(nèi)獲得總線控制權(quán)，在這段時間內(nèi)該主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有的主站或從站發(fā)送所需要發(fā)送的幀，當(dāng)該主站的控制時間結(jié)束時，它就將令牌傳遞給下一個主站[3]。
在 PROFIBUS-DP主-從通訊中，如果在從站中有新的診斷信息，則在數(shù)據(jù)交換模式下，DP從站將以高優(yōu)先級的報文對主站響應(yīng)，以此來通知主站；在其他情況下，從站都是以低優(yōu)先級的報文回答主站的。可見，從站用診斷報文的方式發(fā)送數(shù)據(jù)相比其他情況，實時性要更好。