從RS-232串口到PROFIBUS-DP總線的轉換接口設計

　　PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化?；诂F場總線的控制系統(tǒng)要求現場儀表及設備必須具有現場通信能力，而我國目前的實際情況是：多數傳統(tǒng)儀表及現場設備并不具備現場總線接口，而完全使用國外進口設備將會使系統(tǒng)成本過高。如何將大量的傳統(tǒng)儀器設備連接到PROFIBUS總線上，實現PROFIBUS主站與傳統(tǒng)設備之間通信數據透明傳送，成為廣大用戶急于要解決的問題。如：具有RS-232接口的現場測量設備及儀表等，如何使其成為PROFIBUS總線上的一個從站。本文所講述的這個接口產品就是處理從RS-232到PROFIBUS-DP的協(xié)議轉換，起到一個橋的作用，我們稱之為總線橋。

　　1. PROFIBUS-DP網絡協(xié)議

　　PROFIBUS的網絡協(xié)議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，只是對第三層到第六層進行簡化。它的三種模塊(FMS、DP和PA)可以適應不同的應用對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(數據鏈路層)來實現的，它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。

　　數據鏈路層協(xié)議媒體訪問控制(MAL)部分采用受控訪問的令牌總線(Token Bus)和主從方式。其中令牌總線與局域網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，該主站依照關系表與從站或與其他主站進行通信。主從方式用于主站和從站間通信，其工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令(Command)，從站給出響應(response);從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的應用層，而是自行設置一用戶層。該層定義了DP的功能、規(guī)范與擴展要求等。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。

　　2. RS-232設備通信協(xié)議

　　RS-232只是設備通信物理層的一個標準，因此PROFIBUS主站必須向RS-232設備傳送它能夠理解的數據，這就是RS-232設備的通信協(xié)議。所以，為實現PROFIBUS主站與RS-232設備的有效數據通信，PROFIBUS主站編程人員應該了解RS-232設備的通信協(xié)議。RS-232設備的通信協(xié)議通常有以下兩類：

　　(1)具有應答關系和若干通信指令的通信協(xié)議

　　這是應用比較廣泛的通信格式，通信數據可以是ASIIC碼或二進制數據。對于這種設備，既有發(fā)送又有接收。用戶在主站編程，按照協(xié)議規(guī)定的報文格式將通信數據填入RS-232總線橋的PROFIBUS數據輸出區(qū)，通過所產生的中斷啟動轉換接口將通信數據發(fā)送到設備，然后總線橋自動轉入接收狀態(tài)。當總線橋數據全部接收完RS-232設備的回答報文數據后，將回答報文數據自動填入PROFIBUS數據輸入區(qū)，這樣，PROFIBUS主站可以在PROFIBUS數據輸入區(qū)得到RS-232設備的回答報文數據。

　　(2)無應答關系、單純接收或發(fā)送數據(ASIIC碼或二進制數據)的通信協(xié)議

　　此類設備(如條碼掃描器)只通過RS-232接口向PROFIBUS主站發(fā)送數據，也有的設備(如顯示屏)只通過RS-232接收PROFIBUS主站發(fā)送的數據。PROFIBUS主站實現這類簡單通信協(xié)議的原理與第一種協(xié)議相同，只是不會出現沖突，編程更為簡單。

　　3. RS232總線橋硬件設計

　　RS232總線橋系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　
圖1：系統(tǒng)框圖

　　3.1 SPC3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，也是本設計的關鍵器件。SPC3具有1.5K字節(jié)的報文幀存儲器、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。

　　表1：SPC3內存單元地址分配

　　SPC3需外接48MHZ晶振，能自動檢測波特率從9.6K到12M?？偩€訪問是由硬件驅動的，與應用對象之間通信采用數據接口，因此數據的交換獨立于總線周期。SPC3的方式寄存器0用于設置PROFIBUS-DP的操作方式，如minTSDR、SYNC、FREEZE等，方式寄存器1設置可動態(tài)改變的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器存放從站的狀態(tài)信息，以便在任何時間能掃描總線的介質訪問子層(MAC)。

　　集成的監(jiān)視定時器(WatchDog)，可自動識別波特率，并防止出現故障危及外圍設備。一個公共的中斷輸出，CPU可以通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源并執(zhí)行相應中斷。在UART中，實現并行數據流和串行數據流的變換。在第一個字符發(fā)送前，SPC3生成發(fā)送請求信號RTS。它集成了完整的DP從站狀態(tài)機，PROFIBU協(xié)議的周期性循環(huán)部分數據通信由SPC3中預先分配的各緩沖區(qū)指針的來回切換完成，其余非循環(huán)部分數據通信則需要由微處理器中的軟件來實現。

　　SPC3自身帶有1.5KB的數據存儲區(qū)，至少需要11位地址線。單片機P0口的P0.0~P0.7接SPC3的DB0~DB7端，既作為SPC3的數據線，也作為SPC3地址總線的低8位。單片機P2口的P2.0~P2.2接SPC3的AB0~ AB2端，作為SPC3地址總線的高3位，同時要使SPC3的高5位AB7..3=00000。在軟件程序的設計中，SPC3的數據存儲器的地址區(qū)被強制在1000H~15FFH，這要求P2.7~2.4=0001，要想AB4仍為0，就必須將P2.4通過一個非門接SPC3的AB4端。在實際電路中，SPC3的AB7~5通過一個接地電阻接地，使得AB7..5=000，AB3接P2.3始終給出低電平信號即AB3=0，AB4的輸入端通過一個可編程邏輯芯片對P2.7~2.4的編碼電路來實現(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的數據存儲器的地址范圍為1000H~15FFH。

　　3.2 PROFIBUS總線接口

　　PROFIBUS接口是PROFIBUS標準驅動電路，由由兩個輸入光電隔離電路(6N137，10MBit/s)、一個輸出光電隔離電路(6N136)、一個RS-485驅動芯片(SN75LS176)、一個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，如果現場通信的波特率需要到12M，在光隔選用時還需要考慮更高的性能，如HCPL7720等。

　　3.3 RS-232接口

　　RS232接口電路RS-232驅動電路，由一個輸入光電隔離電路(6N136)、一個輸出光電隔離電路(6N136)、一個串口處理芯片(MAX232)、D型9針插頭及輔助電路組成，實現串口TTL信號到RS-232信號的轉換。

　　3.4 撥碼開關

　　一方面用作設置從站地址，另一方面用作RS-232接口設置。上電時，使D7=1，D5~D0作為串口配置數據存入EEPROM，然后將D0撥到0，D6~D0共7位作為設置的從站地址。D2D1D0：串口波特率設置;D4D3：是否有奇/偶校驗;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8位中央處理器(CPU)，片內8K字節(jié)的Flash存儲器，2K字節(jié)的EEPROM，片內256字節(jié)的SRAM，4個8位的雙向可尋址I/O端口，一個全雙工UART串行接口，具有SPI接口，含有WATCHDOG、定時器等，可滿足接口對程序、配置數據、PROFIBUS標準對異步通信等的需要。AT89LS8252外接24M HZ晶振。。通過對SPC3的控制實現PROFIBUS的通信，并在RAM中建立PROFIBUS通信數據緩沖區(qū)。另一方面，通過RS-232接口實現和外部現場設備的通信，同樣在RAM中建立RS-232通信數據緩沖區(qū)。CPU通過兩個通信緩沖區(qū)的數據交換，實現PROFIBUS到RS-232的通信。

　　4. 軟件設計

　　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，可以方便的實現SPC3中各寄存器及緩沖區(qū)的初始化設置，根據中斷源類型實現與主站通信數據的接受與發(fā)送。因此單片機不需要考慮從站狀態(tài)機的實現順序。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，有以下三個部分需要重點說明。

　　(1)SPC3初始化

　　微處理器對SPC3的初始化包括：屏蔽不允許的中斷;設置用戶WatchDog值;將ID號、從站地址賦給SPC3對應寄存器，初始化方式寄存器;自定義各buffer長度，初始化spc3中各buffer(地址、長度賦給對應參數寄存器，并將buffer區(qū)清0);從read-cfg-buffer中讀入配置數據計算三個Din-buffer和三個Dout-buffer各自的實際長度及地址;獲取三個Din-buffer中空閑的一個，其地址賦user_input_buffer_ptr_fb;獲取兩個診斷buffer中空閑的一個地址賦user_diag_buffer_ptr_fb，置診斷標志user_diag_flag_fb = TRUE;從Status Register取波特率賦;給處理器參數wd_baud_ctrl_val賦值?？紤]到在實際的系統(tǒng)運行中，一般不需要更改從站地址，初始化中將更改站地址標志置為FALSE。

　　(2)數據通信過程

　　當參數化、配置完成后狀態(tài)機進入數據交換狀態(tài)。微處理器根據SPC3中斷寄存器的狀態(tài)對SPC3接收到的主站發(fā)送的輸出數據進行轉存，同時組織需通過SPC3發(fā)送給主站的數據，并根據要求組織外部診斷等。

　　在RS-232串口通信程序設計中，分別設有串口接受中斷、發(fā)送中斷程序來處理串口數據的接受和發(fā)送。由于PROFIBUS側的數據更新速率遠遠快于RS-232側的數據更新的速率，為保證由PROFIBUS側輸入的數據能一次性的整塊傳送到RS-232側，需在程序中加一數據緩沖區(qū)來臨時存儲PROFIBUS 側輸入的數據。在對數據緩沖區(qū)中的數據的處理期間，數據緩沖區(qū)加鎖，以防止數據緩沖區(qū)中數據更新，只有一次處理完成，數據緩沖區(qū)才解鎖，允許再次更新其中數據。

　　在每一次程序循環(huán)中，程序一次性的將整塊PROFIBUS側的輸入數據讀入一數據緩沖區(qū)中并將其加鎖，進行數據處理，輸出到RS-232側的設備中，接受RS-232側的返回信息;如果數據緩沖區(qū)中的PROFIBUS側的輸入數據數據處理完畢，數據緩沖區(qū)解鎖，將RS-232 側的輸入數據及信息傳送到PROFIBUS側。依次再循環(huán)。

　　(3)在主站配置中要注意，雖然本產品的I/O數量可根據PROFIBUS規(guī)范任意設定，但配置報文的長度是固定的。

　　結束語

　　PROFIBUS是世界上最著名的工業(yè)現場總線之一，并已為愈來愈多的國內外用戶所接受和采用。本總線橋產品的開發(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)議的新產品。

　　參考文獻：

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