北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、北京國電智深控制技術(shù)有限公司的研究人員李明強(qiáng)、劉小河、田雨聰，在2015年第4期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，針對(duì)實(shí)際PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)中測(cè)量點(diǎn)數(shù)較少，數(shù)據(jù)復(fù)雜程度中等以下的從站應(yīng)用環(huán)境，在保證可靠和完善的工作能力下，文章提出了一種基于國產(chǎn)廉價(jià)協(xié)議芯片APC3和STM32控制芯片構(gòu)建PROFIBUS-DP智能從站設(shè)備的方案，以有效控制成本。
首先分析了常見PROFIBUS-DP智能從站設(shè)計(jì)的方案，然后從軟硬件兩方面介紹了采用STM32芯片和APC3芯片實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP智能從站的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP智能從站能被主站正確地配置和組態(tài)，并能順利進(jìn)入與主站的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，將其測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)正確及時(shí)地傳送給主站。
隨著先進(jìn)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到世界工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域之中。在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議中，PROFIBUS-DP協(xié)議的應(yīng)用最為廣泛，各類用途和型號(hào)的PROFIBUS-DP從站設(shè)備占據(jù)著巨大的市場(chǎng)份額。本文旨在設(shè)計(jì)一款成本低廉，性能穩(wěn)定的PROFIBUS-DP智能從站，并能將通過壓力傳感器得到的壓力數(shù)據(jù)正確傳送至主站。
1從站的實(shí)現(xiàn)方式及芯片選擇[1]
1.1 從站的實(shí)現(xiàn)方案
最常見的PROFIBUS-DP智能從站的實(shí)現(xiàn)有兩種方式。
第一種：單純“MCU+UART”方式?？偩€數(shù)據(jù)通過UART進(jìn)入MCU，MCU通過完全的軟件編程和必需的外圍硬件接口(存儲(chǔ)器等)來實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP從站協(xié)議規(guī)定的狀態(tài)機(jī)。硬件上，這種方式需要有高性能的MCU的支持；軟件上，PROFIBUS-DP從站狀態(tài)機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)需要花費(fèi)程序員大量復(fù)雜的工作。此方法設(shè)計(jì)的從站站點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活，可以完全按照用戶的要求來實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)核小巧的、特定的通信平臺(tái)。
第二種：使用專門的PROFIBUS-DP從站ASIC芯片。這類芯片內(nèi)部已經(jīng)搭建了完整的SAP通信結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)處理與通信有關(guān)的狀態(tài)機(jī)控制、將數(shù)據(jù)打包成規(guī)定的幀格式、從總線上截取幀以及令牌環(huán)的管理等，使所有與總線通信有關(guān)的任務(wù)在ASIC上得以完成，用戶便不再需要將過多的精力放在協(xié)議狀態(tài)機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)上，從而可以專注于應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的特定功能設(shè)計(jì)。這種方式極大地減少了處理器和開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。
綜上考慮，本文選用方案二所述方法來完成PROFIBUS-DP智能從站的設(shè)計(jì)。
1.2 ASIC芯片的選擇
適合構(gòu)建從站的ASIC芯片分為智能型和簡單型從站芯片兩種，智能型有APC3、SPC3、VPC3、SPC4-2、SIM11、DPC31等，簡單型有LSPM2和SPM2等。本文設(shè)計(jì)的為智能型從站，所選擇的芯片為國產(chǎn)的APC3。
APC3是一款用于PROFIBUS-DP智能從站開發(fā)的ASICs芯片，支持PROFIBUS-DP標(biāo)準(zhǔn)中的DPV0部分，可以自動(dòng)識(shí)別9.6Kbps~12Mbps范圍內(nèi)的波特率。在3.3V工作電壓情況下，與工作在DPV0模式下的VPC3完全兼容，除工作電壓不同之外，與工作在DPV0模式下的SPC3完全兼容。
APC3支持Intel和Motorola兩種處理器接口模式，通過兩個(gè)模式選擇引腳可以進(jìn)行接口模式的配置。通過8位數(shù)據(jù)總線和11位的地址總線，用戶可以直接操作內(nèi)部雙口RAM。APC3需要外部提供固定48MHz的時(shí)鐘，經(jīng)內(nèi)部分頻后能夠輸出24M/12M的時(shí)鐘給外部處理器。通過中斷請(qǐng)求寄存器可以獲各種外部事件，從而得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，如擴(kuò)展參數(shù)數(shù)據(jù)等。
APC3內(nèi)部的雙口RAM可視為MCU的一個(gè)簡單外部RAM，MCU可以直接對(duì)其進(jìn)行尋址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。1.5Kbyte大小的雙口RAM被分為192個(gè)段，每個(gè)段包括8個(gè)字節(jié)。軟件對(duì)雙口RAM的操作以段為單位。PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機(jī)完全由APC3完成，因此用戶可以直接從組態(tài)時(shí)已經(jīng)分配好的各個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中直接獲取報(bào)文中的相關(guān)數(shù)據(jù)，而不必通過花大量時(shí)間分析報(bào)文來獲得。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述
系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制核心為意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6嵌入式控制芯片，該芯片擁有128KByte的程序存儲(chǔ)器，運(yùn)行速度可達(dá)72MHz，片內(nèi)集成了3路波特率可達(dá)4.5Mbit/s的UART接口，內(nèi)存最大可達(dá)20KB，另外芯片I/O接口豐富，具有DMA和FSMC模塊，完全滿足設(shè)計(jì)需求。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)功能框圖
專用的PROFIBUS-DP總線連接器將差分信號(hào)送至485芯片，得到的串行數(shù)據(jù)送至APC3進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)拆分保存，STM32通過操作三種總線按照一定的時(shí)序和周期將APC3內(nèi)的緩沖數(shù)據(jù)取走，繼而使得STM32內(nèi)應(yīng)用層軟件得以運(yùn)行。
在接收到主站指令后，STM32內(nèi)部的A/D模塊讀取壓力傳感器電壓值，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)后通過APC3應(yīng)答給主站。為了使用方便，設(shè)計(jì)放置了一個(gè)8位撥碼鍵盤來設(shè)置從站自身的固定地址，由于PROFIBUS-DP協(xié)議規(guī)定從站地址為0~127，所以只用到了按鍵的低7位，第8位可做擴(kuò)展功能使用。
將STM32芯片的UART1引至RJ11接口，用以在編程時(shí)輸出調(diào)試信息，并在程序運(yùn)行時(shí)不斷輸出自定義的設(shè)備狀態(tài)信息，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。系統(tǒng)供電來自外部輸入的5V電源。
2.2 APC3與控制器的連接[3]
協(xié)議芯片APC3處于磁隔離芯片ADM2486和主控芯片之間，完成報(bào)文的自主發(fā)送和接收工作，硬件連接如圖2所示[4]。
圖2 APC3硬件接線圖
設(shè)計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的ADM2486作為系統(tǒng)與總線的隔離芯片，其具有高達(dá)2500Vrms的高壓隔離性能，最大傳輸速率為20Mbps，可配置為半雙工或全雙工模式，總線最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)50個(gè)，支持PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。將其RE引腳接地，使從站一直處于接收監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)狀態(tài)，另外三個(gè)引腳與APC3相應(yīng)引腳連接，A、B線與DB9規(guī)定的引腳相連。
將APC3的9腳接地，使APC3工作于Intel接口模式，即數(shù)據(jù)總線和地址總線復(fù)用模式，8數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用為地址總線的低8位，原地址總線的高3位接地[5]。APC3的3腳接地，使得7腳可以輸出12MHz的方波作為STM32F103的外部時(shí)鐘源之用。如果APC3正確進(jìn)入DATA_EXCH(數(shù)據(jù)交換)狀態(tài)，13腳連接的發(fā)光二極管將會(huì)亮起以進(jìn)行提示。中斷信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、讀寫控制信號(hào)都與STM32F103相應(yīng)管腳連接。
3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成
系統(tǒng)軟件編程的主要任務(wù)是APC3芯片的初始化、電壓采集處理及傳輸、從站的診斷以及中斷程序的處理等。程序流程圖如圖3所示。
初始化分為系統(tǒng)資源初始化和APC3芯片初始化。系統(tǒng)資源初始化主要完成對(duì)本設(shè)計(jì)所用到的系統(tǒng)資源，諸如ADC、UART、GPIO、SYSCLK、TIMER、FSMC等模塊的初始化工作。
圖3 系統(tǒng)整體流程圖
APC3的初始化相對(duì)復(fù)雜，主要需要完成與從站相關(guān)的基本信息及功能相關(guān)寄存器的配置、APC3內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針的計(jì)算以及外部中斷相關(guān)的各種定義。這些配置信息都保存在APC3內(nèi)存中地址從0X00H到0X3FH的區(qū)域中，之后的從0X40H到0X5FFH區(qū)域中以既定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)保存用戶與主站間的交互數(shù)據(jù)。
Intel操作模式下，APC3內(nèi)存中從地址0X00H到0X15H保存處理器參數(shù)，從0X15H到0X3FH存儲(chǔ)組織參數(shù)。處理器參數(shù)包括對(duì)模式寄存器0/1、中斷寄存器和狀態(tài)寄存器等的設(shè)置，組織參數(shù)用以設(shè)置從站的設(shè)備地址、生產(chǎn)廠家ID、輸入輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)指針及長度等信息。這些配置信息都被寫到從站的GSD配置文件中，以便于使用者使用主站對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步配置。
從站配置完成后，主站就可以同從站進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)交換，主要完成以下三種服務(wù)：Read_Inp(讀從站輸入數(shù)據(jù))、Read_Outp(讀從站輸出數(shù)據(jù))、Data_Exchange(發(fā)送和接收被主站初始化的各參數(shù)以及與各從站的用戶數(shù)據(jù))。
MCU內(nèi)部的ADC模塊根據(jù)主站的需求適時(shí)對(duì)壓力傳感器電壓值進(jìn)行采樣，經(jīng)過數(shù)字濾波和模擬量計(jì)算后，計(jì)算得到實(shí)時(shí)的壓力值。隨后，MCU將壓力值數(shù)據(jù)寫入到APC3內(nèi)部的輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，APC3將自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包，以應(yīng)答幀的形式將數(shù)據(jù)送上PROFIBUS-DP總線，繼而送至主站。在APC3初始化和運(yùn)行的階段，主站會(huì)隨時(shí)發(fā)送診斷報(bào)文給從站，因此還要求從站能組織診斷報(bào)文，在需要的時(shí)候送往主站，這些都在MCU中完成。
在設(shè)備的運(yùn)行過程中，隨時(shí)可能出現(xiàn)一些意外的情況導(dǎo)致從站退出DATA_EXCH狀態(tài)而進(jìn)入WAIT_CFG或者WAIT_PRM狀態(tài)，此時(shí)，MCU應(yīng)該重新對(duì)APC3進(jìn)行初始化操作以期回歸正常。
4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論
從站設(shè)計(jì)過程中使用了兩個(gè)輔助設(shè)計(jì)軟件：DPMasterSIM(模擬主站軟件)、PROFIBUSViewer (PROFIBUS-DP總線監(jiān)視軟件)。DPMasterSIM軟件模擬了一個(gè)PROFIBUS-DP主站的DP-V0的功能，能初始化從站并能與從站進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換。PROFIBUSViewer軟件能監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)流。
圖4 測(cè)試結(jié)果
經(jīng)測(cè)試，通過從站配置和組態(tài)，主站和該從站之間能建立起有效的數(shù)據(jù)通信。測(cè)試結(jié)果如圖4，組態(tài)后設(shè)備地址為16，診斷字節(jié)長度為6，輸入和輸出字節(jié)長度均為4。從設(shè)備診斷選項(xiàng)卡的從站狀態(tài)欄可知從站已經(jīng)正確進(jìn)入了DATA_EXCH狀態(tài)，從輸入數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡右側(cè)數(shù)據(jù)欄可知主站能正確接收到從站測(cè)得的壓力值。
同時(shí)，可以在輸出數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)輸出”按鈕來使主站向從站輸出右側(cè)數(shù)據(jù)欄內(nèi)用戶自定義的數(shù)據(jù)，以便獲得更高的應(yīng)用靈活性。
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