【文章內(nèi)容簡介】 點及其優(yōu)缺點，并給出了PROFIBUS協(xié)議的三種模型及其技術(shù)結(jié)構(gòu)，分別進行了分析比較，提出選擇PROFIBUSDP的思路，接下來介紹了PROFIBUSDP的基本原理、基本功能，給出了PROFIBUSDP報文結(jié)構(gòu)及設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件。第3章 PROFIBUS－DP從站總線橋技術(shù)解決方案PROFIBUS標準EN50170是完整的開放的、與制造商無關(guān)的、無知識產(chǎn)權(quán)保護的標準。原則上，PROFIBUS協(xié)議在任何微處理器(MCU)上都可以實現(xiàn)。建立PROFIBUSDP可以有多種形式來實現(xiàn)，本章將對方案的選擇與確定進行詳細闡述。 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在很大程度上嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)改變了人們的生活方式，這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)在諸如工業(yè)自動化、國防、運輸?shù)群芏囝I(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[3336]。 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)一般被定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”。其中包括三個基本要素：“嵌入性”、 “計算機系統(tǒng)”與“專用性”。 嵌入式系統(tǒng)的特點“嵌入性”的特點：因為是控制芯片是嵌入到對象的系統(tǒng)里面，所以芯片必須要滿足被嵌入對象系統(tǒng)本身的環(huán)境要求，如物理、電氣環(huán)境、成本等要求。嵌入式設(shè)備指的是內(nèi)部嵌入智能芯片的設(shè)備，比如：內(nèi)含單片機的手機、儀器儀表、家用電器、機器人、工控單元、PDA等。 嵌入式系統(tǒng)的分類(1) 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)部件就是通用PC中的CPU，在應(yīng)用中，一般是將微處理器安裝在專門設(shè)計的線路板上，同時，為了最大限度的減小系統(tǒng)體積和功耗，只保留和應(yīng)用有關(guān)的功能。需要指出的是，雖然在功能上與標準微處理器基本相同，但為了滿足應(yīng)用場合的特殊要求，嵌入式微處理器在工作溫度、可靠性及抗電磁干擾等多方面都做了很大的增強。(2) 嵌入式微控制器 又稱單片機，一般是以某一種微處理器的內(nèi)核為核心，在芯片內(nèi)部集成有RAM、ROM/EPROM,、總線、定時/計數(shù)器、A/D、D/A等各種必要外設(shè)。與嵌入式微處理器相比，單片化是它的最大特點，因為體積減小，功耗和成本也隨之下降，而可靠性得到了大大的提高，目前它是嵌入式系統(tǒng)的主流。(3) 嵌入式DSP處理器 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，DSP處理器進行了特殊的設(shè)計，使它適合于執(zhí)行DSP算法，這樣編譯的效率較高，同時相對指令執(zhí)行的速度也高，基于DSP的算法正在大量的進入嵌入式領(lǐng)域，尤其是在FFT、數(shù)字濾波及頻譜分析等方面，同時，DSP應(yīng)用也逐漸過渡到采用嵌入式的DSP處理器。 (4) 嵌入式片上系統(tǒng)(SoC) 隨著半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上可以實現(xiàn)更為復雜的系統(tǒng)，這就是SoC。 PROFIBUSDP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理如圖31所示為PROFIBUS－DP從站接口的雙向數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換原理，不論是實現(xiàn)RS232到PROFIBUS－DP通信轉(zhuǎn)換，還是實現(xiàn)I/O到PROFIBSU－DP之間的通信轉(zhuǎn)換，都是通過在RAM區(qū)中所建立的數(shù)據(jù)緩沖來進行的，MCU通過對兩個通信數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)據(jù)交換的控制來實現(xiàn)PROFIBUS到I/O的雙向數(shù)據(jù)之通信。MCURAM區(qū)PROFIBUSDP數(shù)據(jù)緩沖區(qū)I/O或RS232數(shù)據(jù)緩沖區(qū)PROFIBUSDPI/O、RS232接口圖31 PROFIBUSDP從站接口轉(zhuǎn)換原理 The conversion Principle diagram of PROFIBUSDP slave station interface protocol PROFIBUSDP智能從站方案比較PROFIBUS協(xié)議只要在微處理器(MCU) 外部或內(nèi)部安裝上異步串行的通信接口即可完成，但當數(shù)據(jù)傳輸速率較高（超過500Kbit/s）或需要使用IEC11582傳輸技術(shù)來進行傳輸時，建議使用專用芯片。設(shè)計PROFIBUSDP智能從站一般有三種方案：單片機加軟件解決方案、PROFIBUS通信專用ASIC解決方案以及應(yīng)用總線橋技術(shù)解決方案[3740]。 單片機+軟件的解決方案單片機上一般都安裝UART，所以數(shù)鏈路層協(xié)議可以由軟件實現(xiàn)，如圖32所示。但PROFIBUS的通信協(xié)議比較復雜，軟件實現(xiàn)是使用MCU微控制器，完全利用軟件實現(xiàn)PROFIBUSDP協(xié)議，軟件實現(xiàn)包括在MCU中進行編程來實現(xiàn)PROFIBUS－DP的全部功能，諸如PROFIBUS－DP通信協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層FDL服務(wù)存取點SAP程序編寫等，有相當開發(fā)難度，而且受到單片機波特率的限制：按波特率的計算(32位或16位)：波特率=或者，由此得：；波特率=12M,T=65535；單片機主頻f=384M；波特率=12M，T=1；單片機主頻=92M而對于一般我們的單片機來說：=24M，T=65535。 ==750K ==。但實際上，這種方法做不到，它不僅對開發(fā)人員的要求較高，而且程序編寫工作量很大，開發(fā)周期也較長，需要開發(fā)者對PROFIBUS－DP的協(xié)議有一個非常透徹的了解。軟件實現(xiàn)方式雖較簡單，只需要外部加上總線接驅(qū)動的芯片、晶振等，但也有一個突出的問題，就是傳輸速率受MCU芯片工作頻率的限制，所以軟件實現(xiàn)傳輸速率仍達不到理想速度，這樣開發(fā)出來的產(chǎn)品技術(shù)指標較低?？偩€接驅(qū)動芯片8051MCUI/OPROFIBUSDP總線圖32 使用單片機的PROFIBUSDP從站接口框圖 The interface using SCM diagram of PROFIBUSDP slave Station 使用PROFIBUS通信專用ASIC方案采用單片機、用PROFIBUS通信專用ASIC，如：SPM2，LSPM2，SPC3，SPC4，DPC31，ASPC2等芯片和一些外圍電路來實現(xiàn)。通常采用智能從站通信接口芯片SPC3，如圖33所示。RS485驅(qū)動帶電流隔離DP現(xiàn)場總線SPC3芯片微處理器80C3280X8680C166HC11HC16HC91648MHZRESETDATA/ADDRINTWR/RDReset圖33 使用SPC3的PROFIBUSDP從站接口框圖 The interface using SPC3 diagram of PROFIBUSDP Slave Station復雜的PROFIBUS總線協(xié)議不需要單片機處理，因而開發(fā)難度將大大降低。這種開發(fā)方案需要的工作主要是諸如電路設(shè)計制作、Firmware編程、編寫GSD文件、最后調(diào)試。開發(fā)者是協(xié)議的應(yīng)用者，不必詳細了解協(xié)議的相關(guān)細節(jié)，可實現(xiàn)PROFIBUSDPPA主/。該方案開發(fā)成本較低，技術(shù)指標高，要求開發(fā)人員了解一定的PROFIBUS技術(shù)細節(jié)，70%的首次開發(fā)產(chǎn)品第一次認證測試不合格。 應(yīng)用總線橋技術(shù)的解決方案PROFIBUS總線橋有三大系列，如圖34所示。嵌入式PROFIBUS總線橋是快速、簡便開發(fā)PROFIBUS產(chǎn)品的一個解決方案，將不具有PROFIBUS通信功能的產(chǎn)品接入PROFIBUS總線系統(tǒng)[41]。PROFIBUS總線橋產(chǎn)品系列B系列PROFIBUS協(xié)議總線橋OEM系列嵌入式PROFIBUS接口G系列PROFIBUS網(wǎng)關(guān)RS232：到RS232總線橋RS485：到RS485總線橋MODMUS：到MODBUS總線橋SCANER到條碼掃描器總線橋CAN：到CAN總線橋OEM1：高速雙口RAM連接OEM2：通用型，串口連接OEM3：I/O型OEM4：PCI接口TCP/IP：PROFIBUS到TCP/IP網(wǎng)關(guān)LON：PROFIBUS到LONWORKS網(wǎng)關(guān)圖34 PROFIBUS總線橋產(chǎn)品系列框圖 The diagram of PROFIBUSBridge Products 方案確定通過對三種方案進行比較，單片機+軟件的解決方案技術(shù)指標低，開發(fā)周期長；PROFIBUS通信專用ASIC方案開發(fā)成本較低，技術(shù)指標高，自主性高，但開發(fā)周期和產(chǎn)品成熟時間較長；PROFIBUS總線橋技術(shù)方案的特點是開發(fā)周期短、開發(fā)成本低產(chǎn)品技術(shù)指標高，開發(fā)技術(shù)要求不高。進一步對PROFIBUS總線橋系列產(chǎn)品的比較，本課題選擇OEM系列嵌入式PROFIBUS接口。 本章小結(jié)本章首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的特點，介紹了PROFIBUSDP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理，本章提出設(shè)計PROFIBUSDP智能從站一般有：單片機加軟件解決方案、PROFIBUS通信專用ASIC解決方案以及應(yīng)用總線橋技術(shù)解決方案三種方案，對PROFIBUSDP智能從站方案進行比較，從而確定出嵌入式總線橋PROFIBUS接口的方案：PROFIBUS總線橋技術(shù)方案由于開發(fā)周期短、開發(fā)成本低產(chǎn)品技術(shù)指標高，開發(fā)技術(shù)要求不高的特點而被采用。最后通過進一步對PROFIBUS總線橋系列產(chǎn)品的比較，選擇OEM系列嵌入式PROFIBUS接口。第4章 PROFIBUSDP從站硬件選用PROFIBUS－DP從站總線橋技術(shù)解決方案接口確定為OEM(original equipment manufacturer)系列嵌入式PROFIBUS接口。所以從站硬件從OEM類產(chǎn)品中選擇。 總線橋特點及選用嵌入式PROFIBUS總線橋，是總線橋系列產(chǎn)品中的OEM類產(chǎn)品，專為自主開發(fā)PROFIBUS產(chǎn)品(如自動化儀表、驅(qū)動器、智能測量設(shè)備等)的廠家制作，以O(shè)EM方式提供嵌入式PROFIBUS接口；使用本產(chǎn)品，開發(fā)工程師不必了解PROFIBUS技術(shù)細節(jié)，便可以在短時間內(nèi)(如二個月)推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PROFIBUS產(chǎn)品。嵌入式PROFIBUS總線橋是一個嵌入用戶產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu)中的PROFIBUS從站接口；它一端通過雙口RAM、異步串口或TTLI/O，實現(xiàn)與用戶產(chǎn)品電路的數(shù)據(jù)交換，另一端是標準PROFIBUS從站接口?？蓪⒂脩舢a(chǎn)品與PROFBUS總線連接，實現(xiàn)用戶產(chǎn)品數(shù)據(jù)到PROFIBUS的通信[4247]。 嵌入式PROFIBUS總線橋OEM產(chǎn)品比較選擇嵌入式PROFIBUS總線橋是PROFIBUS總線橋OEM系列產(chǎn)品；全部OEM系列產(chǎn)品如下：(1) PBOEM1DPRAM 用于高速、運動控制裝置的PROFIBUS接口，如變頻器、伺服定位控制器等。(2) PBOEM2SE SE是SD的升級產(chǎn)品并與SD完全兼容。SE主要用于低成本、通用型PROFIBUS從站開發(fā)，如儀器儀表、PLC、回路調(diào)節(jié)器、顯示設(shè)備等等。(3) PBOEM3IO 是I/O型PROFIBUS接口，主要用于PROFIBUS鍵盤、操作面板、模擬顯示屏的通信接口。(4) PBOEM4PCI 是PCI接口，主要用于帶有PCI插槽的各種機型，如工控機，HMI等。其中，PBOEM2SE是智能從站較為理想的開發(fā)工具，因此在本課題中選用該系列。 PBOEM2SE技術(shù)原理由PBOEM2SE構(gòu)成的從站接口模塊主要由ASIC芯片SPC單片機、EPROM、RAM和一個用于PROFIBUSDP的RS485接口組成，SPC3可獨立處理總線協(xié)議，其原理圖如圖41所示。圖41 PBOEM2SE產(chǎn)品硬件原理框圖 The Principle diagram about PBOEM2SE PBOEM2SE技術(shù)指標（1）PROFIBUSDP/V0協(xié)議符合標準JB/，用于測量和控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線。（2）標準PROFIBUSDP驅(qū)動接口，波特率自適應(yīng)，最大波特率6M/12M。（3）PROFIBUS輸入/輸出數(shù)量可自由設(shè)定，最大200字節(jié)輸入及200字節(jié)輸出。（4）PBOEM2SE接口板與用戶模板之間數(shù)據(jù)交換報文長度可由用戶設(shè)定，最大為202字節(jié)。（5）可實現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能。用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)在主站配置中設(shè)定，如溫度上限報警值等。主站在與從站連接時一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化。用戶參數(shù)化功能的好處是：避免將一次性設(shè)置參數(shù)作為PROFIBUSI/O，占用周期性數(shù)據(jù)通信時間和空間資源。（6）接口板與用戶板接口為TTL異步串口，使用SW1~SW3可選擇：①自動適應(yīng)用戶模板的5種波特率(9600、)，與SD完全兼容。②指定7種波特率：9600、、。（7）接口板與用戶模板通信有字符偶校驗和縱向報文字節(jié)校驗，保證數(shù)據(jù)安全性。（8）接口板內(nèi)設(shè)有備份I/O通信緩沖區(qū)，可保證實現(xiàn)PROFIBUS與串口通信數(shù)據(jù)的完整性、一致性和同步性要求。（9）需用戶板提供2組5VDC供電：VCC/GND150mA和5V/0V100mA。（10）工作環(huán)境溫度為：0～50℃,濕度≤95%。（11）外形尺寸為：PBOEM2SE6/12L=42mm65mm。 PBOEM2SE外形及布局圖PROFIBUS狀態(tài)指示燈PBFJ116針接插件J210針接插件J310針接插件，出廠檢測SE接收初始化數(shù)據(jù)完畢指示燈REDAY.J116可選擇插座或插針圖42 PBOEM2SE外形及布局圖 PBOEM2SE chip exterior fig. J116針接插件管腳定義說明J116是連接用戶模板接口，16針管腳定義見下表41：表41 J116針接插件管腳定義說明 The Note about J116 Pin connector pins管腳I/O說明管腳I/O說明1IVCC，（+5V直流電源）9OGND,(VCC的地)2I/RES(SE復位，低有效)10OGND,(VCC的地)3ORxd,TTL接用戶模板CPU的Rxd11OREQ_IT初始化等待/完畢0：SE初始化完畢（READY燈亮）1：SE等待初始化4OS_RTS接收