基于80C166單片機(jī)PEC服務(wù)的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議實(shí)現(xiàn)

摘要：在詳細(xì)分析西門子８０Ｃ１６６單片機(jī)ＰＥＣ服務(wù)工作機(jī)制和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀格式的基礎(chǔ)上，提出了基于該種單片機(jī)ＰＥＣ服務(wù)機(jī)制的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并在實(shí)際工作中得到成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞：８０Ｃ１６６ ＰＥＣ服務(wù) ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ 當(dāng)前工業(yè)設(shè)備制造技術(shù)正向高性能、專用化、分布式、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。以前，大量使用ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明雖然安全可靠，但由于ＰＬＣ本身的技術(shù)原因，很難達(dá)到更快速的實(shí)時(shí)控制要求它們正被高性能的嵌入式專用控制器替代。這種專用控制器的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的控制性能；引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，保證專用控制器的系統(tǒng)可集成性，以適應(yīng)當(dāng)前分布式、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用趨勢(shì)。 本文是在研制棒材生產(chǎn)線飛剪的專用控制器時(shí)涉及的一個(gè)子課題。為保證該控制器能與現(xiàn)有ＰＬＣ網(wǎng)連接以及與遠(yuǎn)程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎(chǔ)上，利用核心ＣＰＵ——西門子８０Ｃ１６６所具有的一個(gè)類似ＤＭＡ的功能高效率地實(shí)現(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議。 １ 西門子８０Ｃ１６６單片機(jī) ８０Ｃ１６６單片機(jī)是西門子Ｃ１６６系列１６位嵌入式微控制器的第一代產(chǎn)品。其體系結(jié)構(gòu)如圖１所示。它結(jié)合ＲＩＳＣ處理器的優(yōu)點(diǎn)，克服了ＣＩＳＣ處理器在嵌入式應(yīng)用中的瓶頸；在２５ＭＨｚ時(shí)鐘頻率下，可達(dá)到１２．５ＭＩＰＳ，幾乎所有的指令執(zhí)行時(shí)間小于８０ｎｓ；在指令處理上，采用四級(jí)指令流水線管道結(jié)構(gòu)；在存儲(chǔ)管理上，統(tǒng)一線性地址空間可達(dá)２５６ＫＢ，具有段代碼、頁數(shù)據(jù)式管理機(jī)制；采用寄存器池，上下文切換時(shí)間只要８０ｎｓ；１６位乘法４００ｎｓ，３２位除法８００ｎｓ，中斷響應(yīng)時(shí)間最慢４００ｎｓ；外部事件控制器ＰＥＣ服務(wù)具有類似ＤＭＡ的功能，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；豐富的在片外設(shè)：１ＫＢ ＲＡＭ、１０路Ａ／Ｄ、７６路Ｉ／Ｏ、７個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、１６個(gè)比較／捕獲單元、２個(gè)串行通信接口、在片的ＷＡＴＣＨＤＯＧ等。圖1 西門子80C166體系結(jié)構(gòu)２ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù) ２．１ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù)機(jī)制 ＰＥＣ是外部事件控制器的英文縮寫。ＰＥＣ服務(wù)是８０Ｃ１６６提供的一種特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。其目的是在原有的中斷控制器基礎(chǔ)上，用較小的硬件代價(jià)、盡可能少占用處理機(jī)周期實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外部設(shè)備的快速數(shù)據(jù)交換類似ＤＭＡ，但無需專用的ＤＭＡ控制器。８０Ｃ１６６有８路ＰＥＣ服務(wù)通道。用ＰＥＣ服務(wù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，僅占用處理機(jī)一個(gè)機(jī)器周期２０ＭＨｚ時(shí)１００ｎｓ，且不影響當(dāng)前程序的執(zhí)行。 ２．２ ＰＥＣ服務(wù)的工作過程 通常，當(dāng)普通中斷事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將保存當(dāng)前ＣＰＵ狀態(tài)ＰＳＷ和程序的地址；然后，根據(jù)不同的中斷源，進(jìn)行上下文切換，裝載相應(yīng)的中斷矢量，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；執(zhí)行完后，恢復(fù)被中斷程序的上下文，繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。 對(duì)于某一ＰＥＣ服務(wù)，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務(wù)相聯(lián)系。在８０Ｃ１６６中，當(dāng)一個(gè)中斷的中斷優(yōu)先級(jí)為最高級(jí)１４或１５且定義了與之相關(guān)聯(lián)的ＰＥＣ服務(wù)通道時(shí)，該中斷就具有ＰＥＣ服務(wù)功能。這時(shí)，當(dāng)該中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，將不觸發(fā)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，而是觸發(fā)ＰＥＣ服務(wù)。當(dāng)ＰＥＣ服務(wù)經(jīng)過設(shè)定的若干次的外部事件觸發(fā)后，再觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(一個(gè)普通中斷過程)。如圖２所示。一次ＰＥＣ服務(wù)的工作過程是由ＰＥＣ控制寄存器定義的，其中計(jì)數(shù)位域(８位傳送計(jì)數(shù)器)ＣＯＵＮＴ定義了ＰＥＣ服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)；源指針、目的指針指明具體的數(shù)據(jù)傳輸來源和目的；ＰＥＣ服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過程完全由硬件執(zhí)行：當(dāng)中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，由硬件將源指針?biāo)竼卧膬?nèi)容傳給目的指針?biāo)傅膯卧?，然后由ＰＥＣ控制寄存器相?yīng)定義位控制是源指針還是目的指針增加１或２，同時(shí)ＣＯＵＮＴ值減１；當(dāng)多次中斷請(qǐng)求使ＣＯＵＮＴ減為０時(shí)，ＰＥＣ服務(wù)完成，觸發(fā)與之關(guān)聯(lián)的中斷服務(wù)程序。 ２．３ ＰＥＣ服務(wù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 以串口接收一幀１６字節(jié)的數(shù)據(jù)為例。若采用傳統(tǒng)的串口接收方式，每接收到一字節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)中斷；在中斷服務(wù)程序中，要將它從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應(yīng)單元中；當(dāng)接收滿１６字節(jié)后，進(jìn)行幀處理。 如果采用ＰＥＣ服務(wù)的方式，只要事先定義好ＰＥＣ通道就可以了。首先，定義串口接收中斷優(yōu)先級(jí)為１４或１５以及與之相關(guān)聯(lián)的ＰＥＣ通道。即定義相應(yīng)ＰＥＣ通道控制寄存器為：ＣＯＵＮＴ為１６字節(jié)傳輸，源指針為串口接收緩沖器，目的指針為幀接收緩沖區(qū)首址且每次傳輸完成后，目的指針加１。這樣，串口每接收到一字節(jié)，將觸發(fā)一次ＰＥＣ服務(wù)，由硬件將數(shù)據(jù)從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應(yīng)單元中，但當(dāng)前執(zhí)行的程序并不被中斷；當(dāng)１６字節(jié)完全接收完成后，觸發(fā)串口接收中斷服務(wù)程序，進(jìn)行幀的處理。 與傳統(tǒng)的串口接收方式相比較，ＰＥＣ服務(wù)方式在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，因此節(jié)省了大量的上下文切換時(shí)間，處理機(jī)效率得到大大提高。 下面討論采用８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù)實(shí)現(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的方法。 ３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結(jié)構(gòu)分析 ３．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結(jié)構(gòu) ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀的格式有多種形式，但對(duì)于從站來說，只要處理三種幀即可。 ．無數(shù)據(jù)且長度固定的幀： ．帶數(shù)據(jù)域且長度固定的幀: ． 帶數(shù)據(jù)域且長度可變的幀: 其中，各字段說明如下： ＳＤ１：無數(shù)據(jù)幀的開始定界符，＃１０Ｈ； ＳＤ２：可變長度幀的開始定界符，＃６８Ｈ； ＳＤ３：固定長度幀的開始定界符，＃Ａ２Ｈ； ＥＤ：結(jié)束定界符，＃１６Ｈ； ＬＥ與ＬＥｒ：ＬＥ與ＬＥｒ相同，都表示長度占一個(gè)字節(jié)，它是ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ的字節(jié)數(shù)總和； ＤＡ與ＳＡ：ＤＡ目的站地址與ＳＡ源站地址各占一個(gè)字節(jié)； ＦＣＳ：校驗(yàn)段，占一個(gè)字節(jié)，它采用不計(jì)進(jìn)位的求和運(yùn)算得到校驗(yàn)碼。校驗(yàn)域?yàn)椋模粒樱粒疲茫煟模粒裕粒眨危桑裕牐? ＦＣ：幀控制字字段，占一個(gè)字節(jié)； ＳＹＮ：同步字段，至少３３空閑位(邏輯電平１)，但僅在請(qǐng)求幀及令牌幀前出現(xiàn)，不允許在字符之間出現(xiàn)。 ３．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 從上面的幀格式可以看出幀的長度不固定。發(fā)送時(shí)，幀的長度是已知的；但接收時(shí)，幀的長度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，隨時(shí)解析和保存關(guān)鍵信息，并確定隨后接收的字節(jié)數(shù)。４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的ＰＥＣ服務(wù)實(shí)現(xiàn) ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站的數(shù)據(jù)接收及應(yīng)答過程分三個(gè)階段完成：第一階段，幀的完整接收；第二階段，根據(jù)接收到的ＦＣ幀控制字字段，判斷主站正在進(jìn)行怎樣的數(shù)據(jù)請(qǐng)求；第三階段，從站組織應(yīng)答幀，啟動(dòng)幀的發(fā)送過程。 第二階段的幀控制字處理請(qǐng)參考ＰＲＯＦＩＢＵＳ標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于第三階段的組織和發(fā)送應(yīng)答幀，由于數(shù)據(jù)長度和內(nèi)容已知，只要定義好串口發(fā)送中斷／服務(wù)，定義好相應(yīng)的ＰＥＣ通道：源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址＋１、目的地址為串口發(fā)送緩沖器、ＣＯＵＮＴ域?yàn)榘l(fā)送字節(jié)數(shù)－１，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)寫入串口發(fā)送緩沖器，即可觸發(fā)串口發(fā)送相關(guān)的ＰＥＣ服務(wù)；當(dāng)ＣＯＵＮＴ減為０時(shí)，觸發(fā)串口發(fā)送中斷服務(wù)子程序，完成串口數(shù)據(jù)發(fā)送過程。由于該過程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不作詳細(xì)討論。這里主要討論第一階段的幀完整接收實(shí)現(xiàn)過程。 從上面的幀結(jié)構(gòu)分析可見，幀的長度是不固定的。因此，為提高接收效率，應(yīng)用ＰＥＣ服務(wù)分三步進(jìn)行數(shù)據(jù)的批量接收。 ４．１ 第一步：幀頭接收 首先，初始化時(shí)，定義串口接收ＰＥＣ服務(wù)為連續(xù)接收三字節(jié)，用于接收幀的前三字節(jié)。 由第一個(gè)字符ＳＤｘ(ｘ＝１,２,３)判斷幀類型；對(duì)于不帶數(shù)據(jù)固定長度幀和帶數(shù)據(jù)固定長度幀接下來的兩個(gè)字符是ＤＡ、ＳＡ，判斷ＤＡ是否為本機(jī)地址；而對(duì)于帶數(shù)據(jù)長度可變幀，接下來的兩個(gè)字符是ＬＥ、ＬＥｒ，判斷其是否相等。 若以上判斷都成立，則需定義下一次ＰＥＣ服務(wù)的接收字符數(shù)：對(duì)于固定長度幀，定義ＰＥＣ批量接收三字節(jié)數(shù)據(jù)，并保存ＤＡ、ＳＡ；對(duì)于可變長度幀，定義ＰＥＣ服務(wù)接收四字節(jié)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)第二步； 若ＬＥ≠ＬＥｒ或ＤＡ目的地址非本站地址，則重回到初始狀態(tài)，進(jìn)行幀頭接收。 ４．２ 第二步：幀控制字接收 由于主站幀的連續(xù)發(fā)送，會(huì)再次觸發(fā)ＰＥＣ服務(wù)。由串口接收ＰＥＣ服務(wù)連續(xù)接收三或四字節(jié)后，處理如下： ．不帶數(shù)據(jù)固定長度幀，接收三字節(jié)，分別為ＦＣ、ＦＣＳ、ＥＤ。對(duì)ＦＣＳ和ＥＤ分別完成累加和校驗(yàn)與幀結(jié)束判斷后，將幀控制字ＦＣ保存，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 ．帶數(shù)據(jù)固定長度幀 接收三字節(jié)分別為ＦＣ和數(shù)據(jù)單元的前兩個(gè)字節(jié)，保存ＦＣ，定義ＰＥＣ服務(wù)接收后八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，轉(zhuǎn)第三步。 ．帶數(shù)據(jù)可變長度幀，接收了四字節(jié)，分別為ＳＤ、ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ。對(duì)ＳＤ再進(jìn)行一次判斷，之后判斷ＤＡ是否為本機(jī)地址，保存ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ，定義ＰＥＣ服務(wù)接收余下的數(shù)據(jù)字節(jié)長度由ＬＥ確定，轉(zhuǎn)第三步。 ４．３ 第三步：幀數(shù)據(jù)接收 當(dāng)串口接收ＰＥＣ服務(wù)連續(xù)接收八或更多的字節(jié)后，處理如下： ．帶數(shù)據(jù)固定長度幀，接收八個(gè)字節(jié)，分別為余下的六字節(jié)數(shù)據(jù)和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗(yàn)與幀結(jié)束判斷完畢后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 ．帶數(shù)據(jù)長度可變幀，接收了ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ＋２個(gè)字節(jié)，分別ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗(yàn)與幀結(jié)束判斷完畢后，進(jìn)行協(xié)議要求的目的地址和原地址的地址擴(kuò)展判斷和保存，轉(zhuǎn)去執(zhí)行幀控制字處理。 ４．４ 串口接收中斷服務(wù)子程序 以上三步都由串口接收中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)完成。每一步對(duì)應(yīng)不同的處理狀態(tài)。為提高程序的執(zhí)行效率，用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。以１、２、３分別表示上述幀接收三個(gè)步驟，４表示幀控制字處理狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖３。 采用這種協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，在最近研制的棒材生產(chǎn)線的飛剪控制器中運(yùn)行效果良好。