基于VPC3的PROFIBUS-DP智能從站設計

　　摘要：本文根據(jù)PROFIBUS-DP總線的應用情況， 提出了PROFIBUS-DP智能從站的設計和實現(xiàn)方法。從電子產(chǎn)品設計角度介紹了使用VIPA公司的PROFIBUS-DP協(xié)議芯片VPC3和C8051單片機進行PROFIBUS-DP智能從站的開發(fā)方法，給出了詳細的電路圖和軟件設計流程。系統(tǒng)簡化了硬件電路，可以把普通電子產(chǎn)品聯(lián)入到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡控制，具有很好的市場前景。

　　關鍵詞：PROFIBUS;VPC3;智能從站ROFIBUS-DP作為一種國際標準現(xiàn)場總線，以其靈活性、可靠性等優(yōu)點，在世界范圍內得到了廣泛的應用，是一種高性能的工業(yè)控制網(wǎng)絡。但不是所有的控制設備都能接入到總線中，必須通過智能從站接口裝置實現(xiàn)，通過智能從站的開發(fā)，可以把非總線的電子設備接入到總線網(wǎng)絡中。目前，我國對于 PROFIBUS-DP 的應用和研究主要以國外大公司的成套設備為主，而自主研究開發(fā)通信接口的卻比較少。雖有公司針對PROIFBUS-DP 協(xié)議轉換問題已開發(fā)出相應網(wǎng)關類產(chǎn)品，但價格昂貴，與實際應用有一定距離，因此深入研究該技術對該技術的國產(chǎn)化有非常現(xiàn)實的意義[1~2]。

　　開發(fā)方案的選用

　　PROFIBUS-DP 是開放的、無知識產(chǎn)權保護的標準。原則上，PROFIBUS-DP協(xié)議在任何微處理器上都可以實現(xiàn)，在微處理器內部或外部安裝異步串行通信接口(UART)即可完成。基于上述特點，目前在開發(fā) PROFIBUS-DP 從站時有以下方案可供選擇[3]：(1)單片機+軟件的解決方案;(2)單片機+PROFIBUS 通信專用芯片的解決方案;(3)采用專用開發(fā)工具。其中以方案2最為方便。

　　本文采用單片機加PROFIBUS-DP通信專用芯片的解決方案。其中微控制器的選取是實現(xiàn)智能從站開發(fā)的關鍵，因為DP智能從站的控制芯片需要有足夠大的RAM來配置VPC3及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并且也需要較高的運行速率。我們選取Cygnal 公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F020，其突出的優(yōu)點是具有很高的運算速度，非常合適開發(fā)PROFIBUS-DP從站。VPC3芯片是VIPA公司為優(yōu)化的智能PROFIBUS-DP從站提供的專用芯片，集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，可以替代西門子SPC3，同時具有工作電壓低、RAM大等優(yōu)點，具有很高的性價比。

　　硬件電路設計

　　硬件電路主要采用VIPA的PROFIBUS-DP協(xié)議芯片VPC3和Cygnal C8051單片機。C8051器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有64個數(shù)字I/O 引腳 。兼容的CIP-51內核，4352(4096+256)字節(jié)(B)的片內M，可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口特別適合本設計使用。工作過程單片接口轉換電路機自動識別不同的非總線設備，把數(shù)據(jù)交換到VPC3里，由VPC3負責協(xié)議的轉換，把轉換后的數(shù)據(jù)傳送到總線里。整個過程可是逆的。所有功能的實現(xiàn)由我們固化在單片機里的程序實現(xiàn)。同時實現(xiàn)自適應功能，即自動識別不同的非總線帶通訊的控制設備。

　　VPC3是用于從站開發(fā)的智能通信芯片，它支持PROFIBUS-DP 協(xié)議。VPC3內部集成4kB的雙口RAM。內部鎖存器/ 寄存器位于前2 1 個地址單元，主要包括：方式寄存器1 、0 ，中斷控制寄存器，狀態(tài)寄存器以及輸入、輸出緩沖器和診斷緩沖器各自的狀態(tài)寄存器。組織參數(shù)位于RAM中從16H開始的單元。整個緩沖器結構(屬于DP-SAPS)就是基于這些參數(shù)來寫的。此外，普通參數(shù)在這些單元設置數(shù)據(jù)(包括站地址、地址允許改變、用戶看門狗值和設備標識號等)，狀態(tài)顯示存儲在這些單元(通用控制命令等)。

　　PROFIBUS-DP智能轉換接口的主要功能是利用VPC3 協(xié)議芯片作為數(shù)據(jù)采集和發(fā)送單元實現(xiàn)與PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線之間的通信，從而能使用戶數(shù)據(jù)傳送到主站并接收來自主站的數(shù)據(jù)。DP智能轉換接口用C8051 作為處理器單元管理通信事務，VPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉換和收發(fā)功能。擴展的數(shù)據(jù)存儲器完成數(shù)據(jù)的存儲和處理功能，C8051與VPC3之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，VPC3的雙口RAM在C8051地址空間中統(tǒng)一分配地址，C8051將VPC3的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過P6和P7口與雙口RAM連接，P6口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P7口作為高8位地址線。從站接口的總體設計方案，我們采用C8051作為主控芯片，結合PROFIBUS-DP從站接口芯片VPC3以及ADM2486 485接口芯片設計了整體的解決方案。

　　因為C8051和VPC3+均為3.3V供電，所以可以直接連接。對于C8051來說VPC3就是它的一個外置RAM。SPC3有內部地址解碼電路，所以AB8～AB10接地。此時DB7~DB0是數(shù)據(jù)地址復用總線，可以產(chǎn)生低8位的數(shù)據(jù)和地址，高4位地址由AB0～AB3產(chǎn)生，AB4～AB7產(chǎn)生SPC3的片選信號，只有AB4～AB7同時為0時才選中SPC3。單片機P7口的P7.0~P70.7接VPC3的DB0~DB7端，既作為VPC3的數(shù)據(jù)線，也作為VPC3地址總線的低8位。P7口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P6口作為高8位地址線C8051。 P6口的P6.0~ P6.2接VPC3的AB0~ AB2端，作為VPC3地址總線的高3位，同時要使VPC3的高5位AB7..3=00000。在軟件程序的設計中，VPC3的數(shù)據(jù)存儲器的地址區(qū)被強制在1000H~15FFH，這要求P7.7~7.4=0001，要想AB4仍為0，就必須將P6.0通過一個非門MM74HC接VPC3的AB4端。在實際電路中，VPC3的AB8~10通過一個接地電阻接地，使得AB8..10=000，AB3接P6.3始終給出低電平信號即AB3=0，AB4的輸入端通過非門MM74HC接P6.4，只要P6.4始終為1，從而保證VPC3的數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍為1000H~15FFH。

　　現(xiàn)場總線接口電路是VPC3與現(xiàn)場總線側連接的電路，因為Profibus-DP可以達到12Mbit/s的速率，因此對已接口電路的要求是非常高的。在此我們選用Profibus接口專用芯片AMD2486，ADM2486是ADI公司生產(chǎn)的半雙工、隔離RS-485收發(fā)器。其內部含有保護隔離電路，減少了硬件電路的布線，提高了通信的穩(wěn)定性。