1　引　言

　　Profibus技術(shù)以其卓越的性能在全世界贏得了廣泛的用戶群。Profibus技術(shù)及其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)，在我國(guó)的制造業(yè)、流程工業(yè)、冶金、電力、交通、水利、食品加工、環(huán)保、樓宇和鐵路自動(dòng)化領(lǐng)域都有應(yīng)用實(shí)例。國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)在一定程度上帶動(dòng)了我國(guó)儀表技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)參與 Profibus總線技術(shù)研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有二十多家^［3］。研究Profibus總線協(xié)議和開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)Profibus產(chǎn)品，在中國(guó)的市場(chǎng)有著較大的發(fā)展前途。

　　Profibus總線標(biāo)準(zhǔn)包括3個(gè)方面內(nèi)容：FMS，DP，PA；適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。DP是目前歐洲乃至全球應(yīng)用最廣泛的總線系統(tǒng)；安裝簡(jiǎn)單、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣、易于實(shí)現(xiàn)冗余、通信實(shí)時(shí)可靠、功能比較完善，卓越的性能使得它適用于各種工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，DP協(xié)議規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間進(jìn)行傳遞，而DP行規(guī)具體說(shuō)明用戶數(shù)據(jù)的含義，并規(guī)定了DP如何在應(yīng)用領(lǐng)域使用。利用行規(guī)，設(shè)備操作者和最終用戶可以互換不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的設(shè)備，甚至還允許互換不同廠商生產(chǎn)的部件，這大大降低了用戶的工程和維護(hù)成本。DP從站只使用了DP協(xié)議的很小一部分，開(kāi)發(fā)起來(lái)十分經(jīng)濟(jì)。

2　智能從站通信接口芯片SPC3

　　Profibus的通信協(xié)議比較復(fù)雜。從原則上講，它可以在任何微處理器上由軟件實(shí)現(xiàn)，只需安裝異步串行收發(fā)器（UART）。但現(xiàn)在開(kāi)發(fā)人員只要使用專用的通信處理芯片，完全可以將復(fù)雜協(xié)議撇開(kāi)。Profibus通信協(xié)議芯片已形成廣泛系列，使用這些協(xié)議芯片使Profibus協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便、省時(shí)、省力，還可達(dá)到快速提供產(chǎn)品的目的。適合于智能從站的ASIC種類(lèi)較多，如IAM公司的PBS，Motorola公司的68302、 68360，SIEMENS公司的SPC4、SPC3，VIPA公司的VPC3＋、VPM2L等，其中的SPC3通信協(xié)議芯片比較有代表性。想利用其它芯片的開(kāi)發(fā)人員可以參考Profibus組織的網(wǎng)站。

　　SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2—1。SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，可以承擔(dān)通信部分的微處線接口是個(gè)可參數(shù)化的同步／異步8位接口，適合于Motorola和Intel的微控制器／處理器。內(nèi)部集成了1．5K的雙口RAM，整個(gè) RAM采用8字節(jié)的段結(jié)構(gòu)方式，分成192段，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開(kāi)頭。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，各種報(bào)文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)總線接口訪問(wèn)SPC3內(nèi)部RAM。

　　SPC3內(nèi)部集成一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，操作于3種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測(cè)，波特率控制和DP控制。內(nèi)部的UART實(shí)現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)變，SPC3可以自動(dòng)標(biāo)識(shí)總線的波特率（9．6K～12M）?？臻e定時(shí)器控制串行總線電纜上的總線定時(shí)。微序列器（MS，Micro Sequencer）控制整個(gè)SPC3的工作過(guò)程。

　　在SPC3的內(nèi)部1．5KRAM中，自己用到了64個(gè)字節(jié)。這64個(gè)字節(jié)大多需要用戶設(shè)定，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長(zhǎng)度和指針、標(biāo)識(shí)字等；還有一部分是SPC3的各種狀態(tài)指示用寄存器，如中斷字、輸入BUF狀態(tài)、輸出BUF狀態(tài)、診斷BUF狀態(tài)等。還有些寄存器在寫(xiě)入時(shí)作為工作模式設(shè)定寄存器，而讀出時(shí)作為狀態(tài)指示用寄存器，如中斷請(qǐng)求寄存器。RAM的其它1472 個(gè)字節(jié)是提供給各種BUF的空間。SPC3具有3個(gè)輸入BUF，3個(gè)輸出BUF，2個(gè)診斷BUF，2個(gè)輔助BUF，1個(gè)配置BUF，1個(gè)參數(shù)BUF和1個(gè)地址設(shè)置BUF。當(dāng)SPC3工作前，過(guò)程特定的參數(shù)（如站地址、標(biāo)識(shí)號(hào)、各種控制位等）要輸入到特定的寄存器單元之后SPC3才能正常。（具體的過(guò)程見(jiàn) SPC3初始化程序）

3　通信接口的硬件設(shè)計(jì)

    SPC3 可以與各種的微處理器連接使用，如Mo－torola的HC11、HC16及HC916，Intel的51、96系列。總線接口單元形成SPC3到各種微處理器的接口，它是一個(gè)有11條地址線的8位數(shù)據(jù)接口，可以通過(guò)配置與上述兩種類(lèi)型的處理器匹配。配置是借助于SPC3的兩個(gè)輸入引腳—— XINT／MOT和MODE進(jìn)行的。XINT／MOT表示Intel和Motorola芯片類(lèi)別。MODE表示SPC3的工作模式，包括同步和異步。工作于同步模式時(shí)，SPC3的XREADY（請(qǐng)求外部等待）引腳無(wú)效。

　　開(kāi)發(fā)中使用的微處理器是80C196，其與SPC3的接口電路如圖3—1。應(yīng)當(dāng)注意的是SPC3在使用Intel芯片并工作于同步模式時(shí)，內(nèi)部有自己的地址鎖存及解碼電路，所以CPU的低8位地址線不經(jīng)過(guò)573鎖存器直接與 SPC3連接（低8位地址線與8位數(shù)據(jù)線分時(shí)共用傳輸線）。而CPU的高8位地址線直接與SPC3的AB0－AB7相連，且必須為00000XXX（X表示0、1信號(hào)都行），AB8－AB10必須為低。此時(shí)片選信號(hào)輸入引腳不起作用，應(yīng)當(dāng)將其接至高電平。

　　CPU與SPC3通過(guò)SPC3的RAM交換數(shù)據(jù)，SPC3的雙口RAM應(yīng)在CPU地址空間中統(tǒng)一分配地址。CPU把這片RAM當(dāng)作自己的外部RAM。CPU采用P3和P4口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，P3口作為數(shù)據(jù)和低8位地址線，P4口作為高8位地址線。

　　SPC3與通信接口的電路示意圖見(jiàn)圖3—2。SPC3用于串行通信的4個(gè)管腳分別為XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS的含義為清除發(fā)送，是 SPC3的輸入信號(hào)，表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)。此信號(hào)低電平有效，應(yīng)一直接低電平。RTS為SPC3的請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，其最終接到收發(fā)器的輸出使能端。 RXD和TXD分別為串行接收和發(fā)送端口?！　?BR>
　　為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入輸出通道上的電氣隔離，采用了6N137高速光耦。電源的電氣隔離，采用了DCP0505這種5V到5V的隔離轉(zhuǎn)換電源。

　　Profibus通信協(xié)議保障了通信的高可靠性，但這以硬件和軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。在通信接口設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循一定的規(guī)范，如信號(hào)的隔離，總線接口與收發(fā)間避免線路過(guò)長(zhǎng)，電源的濾波處理，收發(fā)器和光耦的限流電阻和負(fù)載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當(dāng)?shù)取?BR>
　　采用的高速光耦為6N137，收發(fā)器為SN75ALS176，通信速率可達(dá)6M波特率，可用于大部分的應(yīng)用系統(tǒng)。如果用戶需要更高的通信速率，可以將光耦換作可達(dá)25M波特率的HCPL_－7720／7721。

4　通信接口的軟件設(shè)計(jì)

　　從站程序包括3個(gè)部分：SPC3的初始化程序，SPC3的中斷處理程序和具體的IO應(yīng)用程序。程序采用結(jié)構(gòu)化編程思想，以便于以后的功能拓展。SPC3 的初始化程序應(yīng)放在具體IO應(yīng)用的前面；SPC3的中斷輸出作為CPU的中斷輸入，對(duì)于C196來(lái)說(shuō)，采用的是外部中斷，中斷入口地址為200EH。

　　在SPC3正常工作之前，必須進(jìn)行初始化，以配置各個(gè)需要的寄存器。初始化程序功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4—1。

　　中斷處理程序用于完成SPC3發(fā)生的各種事件的處理。主要有新的參數(shù)報(bào)文事件，全局控制命令報(bào)文事件，進(jìn)入或退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件，新的配置報(bào)文事件，新的地址設(shè)置報(bào)文事件，監(jiān)測(cè)到波特率事件和看門(mén)狗溢出事件。

　　數(shù)據(jù)輸入和輸出處理（輸入輸出相對(duì)于主站而言）以及用戶診斷數(shù)據(jù)輸入可以放在應(yīng)用程序循環(huán)中。在一個(gè)應(yīng)用循環(huán)中，由應(yīng)用來(lái)刷新輸入BUF中的數(shù)據(jù)，保障所有輸入數(shù)據(jù)是最新更新的數(shù)據(jù)。而SPC3在接收到由Profibus主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輸出標(biāo)志位（同樣位于中斷請(qǐng)求字單元），CPU通過(guò)在應(yīng)用循環(huán)中輪詢標(biāo)志位來(lái)接收主站數(shù)據(jù)。相對(duì)于特定應(yīng)用的診斷信息，需要實(shí)時(shí)傳遞到主站；主應(yīng)用程序在應(yīng)用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在，當(dāng)有空閑BUF時(shí)，應(yīng)用程序輸入診斷信息并請(qǐng)求更新。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，應(yīng)采用中斷方式進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。

5　結(jié)　論

　　為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)從站的Profibus功能及系統(tǒng)性能，需要確定實(shí)驗(yàn)方案并組建實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)中使用的主站采用SIEMENS的IM180主站模塊和 DPMT主站軟件。IM180附以主站軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)從站的狀態(tài)監(jiān)控及控制。實(shí)驗(yàn)還需要建立自定義從站的GSD文件，目的是為了使用開(kāi)放的組態(tài)工具組態(tài)。使用SIEMENS的GSD－EditorV2．1（可以從Profibus用戶組織的網(wǎng)站下載http：∥www．profibus．com）建立定制從站的GSD文件，可以減少定制GSD的周期，并能保證文件格式的正確性。

　　實(shí)驗(yàn)中采用的總線波特率為6M，連接器采用SIEMENS提供的接線器和自己設(shè)計(jì)的連接器。主站與從站可以保持可靠的通信。主站對(duì)從站發(fā)送的“從站地址設(shè)置”命令，從站可以正確的接收并處理，對(duì)從站的特別工作模式設(shè)定是通過(guò)全局命令完成，包括對(duì)從站鎖定和同步的命令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些功能都得到較好實(shí)現(xiàn)。

　　不同波特率下所達(dá)到的通信距離也是Profibus規(guī)范的一個(gè)重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中采用屏蔽雙絞線驗(yàn)證從站的這一特性。表5—1為實(shí)驗(yàn)所達(dá)到的指標(biāo)。