摘 要：針對傳統的現場儀表無法與先進的現場總線控制系統進行通訊問題，采用凌陽單片機SPCE061A和西門子SPC3協議芯片設計了一種經濟型PROFIBUS-DP通訊轉換接口模塊。給出了主體部分電路原理圖和軟件流程圖。 關鍵詞：PROFIBUS-DP總線;接口模塊;凌陽單片機 Abstract：Because of the communication transform problem between traditional field instruments and FCS, an economical Profibus-DP communication transform interface module using Sunplus SPCE061A microprocessor and Siemens SPC3 protocol chip was designed in the paper. The schematic of main circuit and flowchart of software were given. Keywords：PROFIBUS-DP bus;Interface Module;Sunplus Single-chip Microcomputer 0 引言 　　PROFIBUS（Process Fieldbus的縮寫）是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準[1]。根據應用領域分為PROFIBUS-FMS、PA、DP三個兼容部分。其中，DP是用于裝置級和現場級的制造業自動化，技術相對成熟，應用范圍廣，通用性強[2]。 　　目前，國外一些大的儀表制造廠商（如著名的SIEMENS，AEG，ABB公司等）分別推出了自己的PROFIBUS-DP現場總線控制系統及相應的現場總線產品，他們的DP開發技術已經相當成熟，其產品銷量很好;但這些成績主要來源于PLC系統的市場份額，而DP技術在現場總線智能儀表級的應用方面尚需提高。目前，我國在PROFIBUS-DP技術研究及DP產品開發方面起步較晚，一些自動化企業和科研院所主要以系統集成和工程應用為主，以SIEMENS的PLC系統為基礎，借助于成熟的開發包技術，或者直接利用國外大公司提供的DP底層設備和智能儀表來構建自己的控制系統。這樣做的缺點是：開發成本高，系統缺乏靈活性。 　　為了降低成本并盡可能減少來自DP開發者在技術方面的制約和限制，我們采用整體保留，局部改造的設計思想來開發具有PROFIBUS-DP接口的經濟型總線儀表。按照新型DP系統的結構特征來設計滿足用戶需求的局部DP系統;依照DP技術規范和用戶需求，用比較經濟的開發模式，為原有的現場儀表配備具有接入DP網絡功能的通訊接口，從而將原有儀表改造成總線儀表。 1 總線儀表接口模塊的硬件設計 　　經濟型總線儀表的硬件結構比較簡單，主要由傳統儀表和PROFIBUS-DP接口模塊組成。如果將接口模塊放入傳統儀表內，則需重新設計儀表外殼;如果分開放置，則只需設計DP接口模塊。該接口硬件設計采取分塊設計模式，即單片機控制和隔離驅動兩部分電路。下面以普通電壓表為例，來描述DP接口的設計過程。 　　1.1 單片機控制電路 　　在DP系統中通常是多個主站和從站的結構，這個從站指的就是帶有DP接口的總線儀表，其經濟性在接口設計方面主要體現在：控制電路采用了凌陽61開發板。它已經包括了最小系統和外圍擴展電路，體積小，價格相對便宜，功能比較完善。SPCE061A是其核心單片機，16位μ’nSPTM微處理器;內置2K字靜態內存（SRAM）和32K字閃存（FLASH）;32個通用I/O口;1個10位ADC（模擬數字轉換器）mic-in輸入通道，內置麥克風放大器和自動增益（AGC）功能;7個10位ADC（模擬數字轉換器）line-in輸入通道;2個10位DAC（數字模擬轉換器）輸出通道;具有watchdog功能;可編程音頻處理[3]。單片機對外進行數據交換就是通過它的32個通用I/O端口實現的。協議芯片SPC3對它來說就是其擴展的外部RAM。它與SPC3引腳的連接示意圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 SPCE061A與SPC3連接示意圖 圖2 SPC3引腳外擴示意圖[/align] 　　1.2 DP協議芯片SPC3 　　SPC3是西門子公司研制生產的一種用于開發DP智能從站的用戶專用集成電路芯片，它遵照EN50170標準，集成了完整的PROFIBUS-DP協議[4]。其44個引腳在DP接口設計中的外擴方法如圖2所示。 　　1.3 隔離驅動電路 　　這部分電路結構與SPC3說明書上所推薦的電路結構相似，但其中的隔離芯片用的是一片6N137和兩片HCPL7721。在實驗階段，用直插式芯片要比貼片式芯片方便一些。下面只簡要敘述其內部工作原理。 　　SPC3的XCTS腳是清除發送信號，當其為“1”時，表示清除發送信號;當其為“0”時，表示發送使能。SPC3的RTS腳是請求發送信號，與RS-485的4針腳對應;SPC3的TXD腳是串行發送端口，RXD腳是串行接收端口，這兩個端口分別與RS-485的3針腳和8針腳對應。第一路是請求發送信號，所以單獨走線。當高電平送到6N137的A腳時，從VO腳輸出低電平;經過74HC132與非門后變成高電平;這個信號送到SN75ALS176的DE端。第二路和第三路是收發信號，所以走線相反。當SPC3的TXD發出高電平時，送到HCPL7721的VI端，其VO腳輸出高電平，接著送到75176的D腳。這時，75176的A腳輸出高電平，B腳輸出低電平。當總線向SPC3發送信號時的原理與之類似，不再敘述。 2 軟件設計 　　DP接口的硬件組成相對簡單，這就給軟件設計帶來了一定的困難。因為硬件中具有通信功能的芯片只有SPC3，它集成了全部DP協議，但第二層的軟件功能和管理需要用戶通過軟件來實現。所以軟件設計是重點也是難點。我們采用模塊化設計思想，使整體結構緊湊，條理清晰，易于調試和修改。軟件開發環境是凌陽61開發板自帶的IDE。 　　2.1 SPC3初始化 　　SPC3的內部集成了1.5KB雙端口RAM，地址為000H～5FFH。內部RAM以8字節為1個單元（段），共分成192段。RAM空間按功能可分為處理器參數區、組織參數區和DP緩沖區三個區域。SPC3初始化就是在其上電后對內部寄存器各個地址進行對應賦值。這些數值要根據用戶對參數區地址的每一位進行具體設置而定。 [align=center] 圖3 SPC3初始化程序流程圖 圖4 DP接口主程序流程圖[/align] 　　2.2 主程序及中斷處理程序設計 　　SPCE061A的主要任務是初始化和啟動SPC3、采集數據和顯示數值、數據的發送和接收、根據主站要求處理外部中斷。 　　當上位機或主站向現場總線儀表發送命令時，此儀表的DP接口要對此進行響應。此時的主程序就會跳到中斷程序來處理這些突然事件。外部中斷程序具體包括：處理新的全局控制命令、新的參數報文、新的I/O配置、新的地址、看門狗超時、用戶時鐘和查詢波特率等。 　　2.3 SPC3寄存器讀寫功能測試 　　在整體軟件開發完成后，需要編寫一個測試程序來檢驗以前的設計工作。凌陽61開發板與SPC3內部寄存器交換數據只靠32個I/O端口。SPC3的初始化就是一個向其寄存器不斷寫入數據的過程。軟件開發環境IDE的編程特點是通信數據要先通過I/O端口才能發送或接收，而且其開發界面里可以看到通用寄存器的變化值。所以，判斷DP接口是否可以通信的一個重要標志就是單片機是否可以讀、寫SPC3內部寄存器的數據。 [align=center] 圖5 SPCE061A與SPC3內部寄存器數據交換測試程序流程圖[/align] 3 編寫GSD文件 　　PROFIBUS-DP主站能夠與各種DP從站（從簡單的I/O從站到復雜的智能從站）交換數據，為了能夠安全方便地識別種類眾多的DP從站，需要得到從站的技術特性數據，描述這些數據的文件稱為設備數據庫文件（Device Description Data file，GSD）[5]。 　　GSD文件用標識符“#Profibus_DP”開始，每一句都以符合PROFIBUS GSD文件標準的關鍵詞開始，不區分大小寫，分號后面是注釋語句。PROFIBUS-DP智能從站只是包含了DP從站設備的一些基本功能，如從站支持的波特率、交換的輸入/輸出數據長度和從站所屬的類型等[6]。下面是編寫從站GSD文件的部分內容。 　　#Profibus_DP 　　;Unit-Definition-List： 　　GSD_Revision =2 ;GSD格式標識符版本號 　　Model_Name =“SPC3_intelligent_slave” ;模塊名（控制器類型） 　　Protocol_Ident =0 ;DP設備使用的協議：PROFIBUS-DP 　　Station_Type =0 ;DP設備類型，從站 　　…… 　　9.6_supp =1 ;支持波特率9.6Kbit/s 　　…… 　　MaxTxdr_9.6 =60 ;9.6Kbit/s時最大延遲（響應）時間 　　…… 　　;Slave-Specification： 　　OrderNumber =“SPC3_intelligent_slave” ;產品訂貨號 　　Implementation_Type =“SPC3 solution” ;使用芯片SPC3來開發DP從站 　　Max_User_Prm_Data_Len =5 ;最大用戶參數數據長度 　　Set_Slave_Add_supp =0 ;從站地址不可設置 　　Modular_Station =0 ;緊湊型從站 　　…… 　　;Module-Definition-List： 　　Module =“8 Byte in，8 Byte out” ;I/O配置數據 　　EndModule 4 結束語 　　凌陽61開發板的性價比高，穩定性好，DP總線儀表采用凌陽單片機和協議芯片SPC3會使硬件電路簡單緊湊，從而大大降低開發成本，加快開發進程。通過軟件調試，智能從站基本功能已實現，但此接口加到電壓表里會使體積增大，所以要想開發外型美觀并且具有自主知識產權的經濟型總線電壓表，需要在傳統儀表基礎上設計嵌入式DP接口，分別將其裝進現場儀表和上一級控制設備中，從而使整個DP系統結構緊湊，成本低廉，具有很好的市場應用前景。 　　本文作者創新點：拋開目前比較流行的DP產品開發包和總線橋技術，采用性價比高的凌陽61開發板作為DP接口開發平臺;從經濟性角度出發，為傳統儀表設計DP總線接口，并將其改造成經濟型總線儀表;從而降低整個DP系統的成本，使其具有更廣闊的應用前景。 　　項目經濟效益：如果一個小型PROFIBUS-DP控制系統的現場層分為10段，每段30個從站;那么預計采用上述設計方案比采用開發包設計方案大約節省25萬元，比采用嵌入式設計方案大約節省35萬元，比直接采用國外DP儀表大約節省60萬元。 參 考 文 獻 　　[1] 李正軍.現場總線及其應用技術.第一版.北京：機械工業出版社，2005. 　　[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999. 　　[3] 羅亞非等.凌陽16位單片機應用基礎.第一版.北京：北京航空航天大學出版社，2005. 　　[4] SIEMENS AG.SPC3 Siemens PROFIBUS Controller User Description.Germany：the Fed.Rep.of Germany，2002. 　　[5] 夏繼強，邢春香.第一版.北京：北京航空航天大學出版社，2005. 　　[6] SIEMENS AG.PROFIBUS-DP Device Description Data Files GSD.Version：2.2.Germany：Certification Center of Germany，2003. 　　[7] 李曉冬，孫鶴旭，云利軍，梁濤.PROFIBUS-DP在網絡化過程控制系統中的應用.微計算機信息（測控自動化），2005，21（5），22～23