摘要：本文針對(duì)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，剖析西門子PROFIBUS-DP智能從站協(xié)議芯片，提出了一種從RS-232到PROFIBUS-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口的軟硬件設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)過程。

　　關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議接口SPC3

　　前言

　　PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)要求現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備必須具有現(xiàn)場(chǎng)通信能力，而我國目前的實(shí)際情況是：多數(shù)傳統(tǒng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口，而完全使用國外進(jìn)口設(shè)備將會(huì)使系統(tǒng)成本過高。如何將大量的傳統(tǒng)儀器設(shè)備連接到PROFIBUS總線上，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS主站與傳統(tǒng)設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)透明傳送，成為廣大用戶急于要解決的問題。如：具有RS-232接口的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備及儀表等，如何使其成為PROFIBUS總線上的一個(gè)從站。本文所講述的這個(gè)接口產(chǎn)品就是處理從RS-232到PROFIBUS-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，起到一個(gè)橋的作用，我們稱之為總線橋。

　　1.PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡化。它的三種模塊（FMS、DP和PA）可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對(duì)象和通信速率方面的要求，開放性也好。但它們均使用一致的總線存取協(xié)議，該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的，它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。

　　數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（TokenBus）和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或與其他主站進(jìn)行通信。主從方式用于主站和從站間通信，其工作特點(diǎn)是：總線上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路；主站發(fā)出命令（Command），從站給出響應(yīng)（response）；從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的應(yīng)用層，而是自行設(shè)置一用戶層。該層定義了DP的功能、規(guī)范與擴(kuò)展要求等。DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用RS-485傳輸技術(shù)。

　　2.RS-232設(shè)備通信協(xié)議

　　RS-232只是設(shè)備通信物理層的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此PROFIBUS主站必須向RS-232設(shè)備傳送它能夠理解的數(shù)據(jù)，這就是RS-232設(shè)備的通信協(xié)議。所以，為實(shí)現(xiàn)PROFIBUS主站與RS-232設(shè)備的有效數(shù)據(jù)通信，PROFIBUS主站編程人員應(yīng)該了解RS-232設(shè)備的通信協(xié)議。RS-232設(shè)備的通信協(xié)議通常有以下兩類：

　?。?）具有應(yīng)答關(guān)系和若干通信指令的通信協(xié)議

　　這是應(yīng)用比較廣泛的通信格式，通信數(shù)據(jù)可以是ASIIC碼或二進(jìn)制數(shù)據(jù)。對(duì)于這種設(shè)備，既有發(fā)送又有接收。用戶在主

　　站編程，按照協(xié)議規(guī)定的報(bào)文格式將通信數(shù)據(jù)填入RS-232總線橋的PROFIBUS數(shù)據(jù)輸出區(qū)，通過所產(chǎn)生的中斷啟動(dòng)轉(zhuǎn)換接口將通信數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備，然后總線橋自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。當(dāng)總線橋數(shù)據(jù)全部接收完RS-232設(shè)備的回答報(bào)文數(shù)據(jù)后，將回答報(bào)文數(shù)據(jù)自動(dòng)填入PROFIBUS數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)，這樣，PROFIBUS主站可以在PROFIBUS數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)得到RS-232設(shè)備的回答報(bào)文數(shù)據(jù)。

　　（2）無應(yīng)答關(guān)系、單純接收或發(fā)送數(shù)據(jù)（ASIIC碼或二進(jìn)制數(shù)據(jù)）的通信協(xié)議

　　此類設(shè)備（如條碼掃描器）只通過RS-232接口向PROFIBUS主站發(fā)送數(shù)據(jù)，也有的設(shè)備（如顯示屏）只通過RS-232接收PROFIBUS主站發(fā)送的數(shù)據(jù)。PROFIBUS主站實(shí)現(xiàn)這類簡單通信協(xié)議的原理與第一種協(xié)議相同，只是不會(huì)出現(xiàn)沖突，編程更為簡單。

　　3.RS232總線橋硬件設(shè)計(jì)

　　RS232總線橋系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　　3.1SPC3說明

　　西門子公司提供的SPC3是用于DP智能從站的協(xié)議專用芯片，也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件。SPC3具有1.5K字節(jié)的報(bào)文幀存儲(chǔ)器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器及緩沖區(qū)等，各部分地址分配如表1。

　　SPC3需外接48MHZ晶振，能自動(dòng)檢測(cè)波特率從9.6K到12M?？偩€訪問是由硬件驅(qū)動(dòng)的，與應(yīng)用對(duì)象之間通信采用數(shù)據(jù)接口，因此數(shù)據(jù)的交換獨(dú)立于總線周期。SPC3的方式寄存器０用于設(shè)置PROFIBUS-DP的操作方式，如minTSDR、SYNC、FREEZE等，方式寄存器1設(shè)置可動(dòng)態(tài)改變的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器存放從站的狀態(tài)信息，以便在任何時(shí)間能掃描總線的介質(zhì)訪問子層（MAC）。集成的監(jiān)視定時(shí)器（WatchDog），可自動(dòng)識(shí)別波特率，并防止出現(xiàn)故障危及外圍設(shè)備。一個(gè)公共的中斷輸出，CPU可以通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源并執(zhí)行相應(yīng)中斷。在UART中，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流的變換。在第一個(gè)字符發(fā)送前，SPC3生成發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)RTS。它集成了完整的DP從站狀態(tài)機(jī)，PROFIBU協(xié)議的周期性循環(huán)部分?jǐn)?shù)據(jù)通信由SPC3中預(yù)先分配的各緩沖區(qū)指針的來回切換完成，其余非循環(huán)部分?jǐn)?shù)據(jù)通信則需要由微處理器中的軟件來實(shí)現(xiàn)。

　　SPC3自身帶有1.5KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，至少需要11位地址線。單片機(jī)P0口的P0.0~P0.7接SPC3的DB0~DB7端，既作為SPC3的數(shù)據(jù)線，也作為SPC3地址總線的低8位。單片機(jī)P2口的P2.0~P2.2接SPC3的AB0~AB2端，作為SPC3地址總線的高3位，同時(shí)要使SPC3的高5位AB7..3=00000。在軟件程序的設(shè)計(jì)中，SPC3的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址區(qū)被強(qiáng)制在1000H~15FFH，這要求P2.7~2.4=0001，要想AB4仍為0，就必須將P2.4通過一個(gè)非門接SPC3的AB4端。在實(shí)際電路中，SPC3的AB7~5通過一個(gè)接地電阻接地，使得AB7..5=000，AB3接P2.3始終給出低電平信號(hào)即AB3=0，AB4的輸入端通過一個(gè)可編程邏輯芯片對(duì)P2.7~2.4的編碼電路來實(shí)現(xiàn)(AB4=P2.7|P2.6|P2.5|非P2.4)，這樣只要使P2.7~2.4=0001，AB4始終為1，從而保證SPC3的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址范圍為1000H~15FFH。

　　3.2PROFIBUS總線接口

　　PROFIBUS接口是PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路，由由兩個(gè)輸入光電隔離電路（6N137，10ＭBit/s）、一個(gè)輸出光電隔離電路（6N136）、一個(gè)RS-485驅(qū)動(dòng)芯片（SN75LS176）、一個(gè)D型9針插頭組成及輔助電路組成。光隔是用以消除來自零線的干擾，如果現(xiàn)場(chǎng)通信的波特率需要到12M，在光隔選用時(shí)還需要考慮更高的性能，如HCPL7720等。

　　3.3RS-232接口

　　RS232接口電路RS-232驅(qū)動(dòng)電路，由一個(gè)輸入光電隔離電路（6N136）、一個(gè)輸出光電隔離電路（6N136）、一個(gè)串口處理芯片（MAX232）、D型9針插頭及輔助電路組成，實(shí)現(xiàn)串口TTL信號(hào)到RS-232信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

　　3.4撥碼開關(guān)

　　一方面用作設(shè)置從站地址，另一方面用作RS-232接口設(shè)置。上電時(shí)，使D7=1，D5~D0作為串口配置數(shù)據(jù)存入EEPROM，然后將D0撥到0，D6~D0共7位作為設(shè)置的從站地址。D2D1D0：串口波特率設(shè)置；D4D3：是否有奇/偶校驗(yàn)；D5：接收/發(fā)送允許。

　　3.5微處理器接口

　　微處理器AT89LS8252由以下幾部分組成：一個(gè)8位中央處理器（CPU），片內(nèi)8K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，2K字節(jié)的EEPROM，片內(nèi)256字節(jié)的SRAM，4個(gè)8位的雙向可尋址I/O端口，一個(gè)全雙工UART串行接口，具有SPI接口，含有WATCHDOG、定時(shí)器等，可滿足接口對(duì)程序、配置數(shù)據(jù)、PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)異步通信等的需要。AT89LS8252外接24MHZ晶振。。通過對(duì)SPC3的控制實(shí)現(xiàn)PROFIBUS的通信，并在RAM中建立PROFIBUS通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一方面，通過RS-232接口實(shí)現(xiàn)和外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信，同樣在RAM中建立RS-232通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。CPU通過兩個(gè)通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS到RS-232的通信。

　　4.軟件設(shè)計(jì)

　　在西門子公司的DP從站開發(fā)包PACKAGE４中，包括面向SPC3的C原碼固態(tài)程序DPS2。利用它所提供的用戶宏接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)SPC3中各寄存器及緩沖區(qū)的初始化設(shè)置，根據(jù)中斷源類型實(shí)現(xiàn)與主站通信數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。因此單片機(jī)不需要考慮從站狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)順序。其主程序流程圖如圖2所示，中斷流程如圖3所示。

　　圖2：主程序流程圖

　　圖3：SPC3中斷程序流程圖

　　其中，有以下三個(gè)部分需要重點(diǎn)說明。

　?。?）SPC3初始化

　　微處理器對(duì)SPC3的初始化包括：屏蔽不允許的中斷；設(shè)置用戶WatchDog值；將ID號(hào)、從站地址賦給SPC3對(duì)應(yīng)寄存器，初始化方式寄存器；自定義各buffer長度，初始化spc3中各buffer（地址、長度賦給對(duì)應(yīng)參數(shù)寄存器，并將buffer區(qū)清0）；從read-cfg-buffer中讀入配置數(shù)據(jù)計(jì)算三個(gè)Din-buffer和三個(gè)Dout-buffer各自的實(shí)際長度及地址；獲取三個(gè)Din-buffer中空閑的一個(gè)，其地址賦user_input_buffer_ptr_fb；獲取兩個(gè)診斷buffer中空閑的一個(gè)地址賦user_diag_buffer_ptr_fb，置診斷標(biāo)志user_diag_flag_fb=TRUE；從StatusRegister取波特率賦；給處理器參數(shù)wd_baud_ctrl_val賦值。考慮到在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，一般不需要更改從站地址，初始化中將更改站地址標(biāo)志置為FALSE。

　?。?）數(shù)據(jù)通信過程

　　當(dāng)參數(shù)化、配置完成后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。微處理器根據(jù)SPC3中斷寄存器的狀態(tài)對(duì)SPC3接收到的主站發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，同時(shí)組織需通過SPC3發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷等。

　　在RS-232串口通信程序設(shè)計(jì)中，分別設(shè)有串口接受中斷、發(fā)送中斷程序來處理串口數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。由于PROFIBUS側(cè)的數(shù)據(jù)更新速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于RS-232側(cè)的數(shù)據(jù)更新的速率，為保證由PROFIBUS側(cè)輸入的數(shù)據(jù)能一次性的整塊傳送到RS-23

　　2側(cè)，需在程序中加一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來臨時(shí)存儲(chǔ)PROFIBUS側(cè)輸入的數(shù)據(jù)。在對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)的處理期間，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)加鎖，以防止數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)更新，只有一次處理完成，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)才解鎖，允許再次更新其中數(shù)據(jù)。

　　在每一次程序循環(huán)中，程序一次性的將整塊PROFIBUS側(cè)的輸入數(shù)據(jù)讀入一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中并將其加鎖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出到RS-232側(cè)的設(shè)備中，接受RS-232側(cè)的返回信息；如果數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的PROFIBUS側(cè)的輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理完畢，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)解鎖，將RS-232側(cè)的輸入數(shù)據(jù)及信息傳送到PROFIBUS側(cè)。依次再循環(huán)。

　?。?）在主站配置中要注意，雖然本產(chǎn)品的I/O數(shù)量可根據(jù)PROFIBUS規(guī)范任意設(shè)定，但配置報(bào)文的長度是固定的。

　　結(jié)束語

　　PROFIBUS是世界上最著名的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，并已為愈來愈多的國內(nèi)外用戶所接受和采用。本總線橋產(chǎn)品的開發(fā)，使用戶可以方便地將具有RS-232接口的傳統(tǒng)儀器設(shè)備集成到PROFIBUS總線系統(tǒng)，成為一種符合PROFIBUS總線協(xié)議的新產(chǎn)品。