基于PROFIBUS-DP協議模塊的智能執行器

引言
在眾多的工業現場總線中，Profibus總線由于有眾多廠商的支持，且產品比較豐富，在制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力自動化等領域有著廣泛的應用。而對于很多不具備Profibus接口的傳統設備，要使其接入總線網絡、達到自動控制的目的，就必須在該設備和Profibus總線之間做一個協議接口模塊。
本文結合對傳統電動執行器升級改造的工程實踐，介紹了一種基于Profibus-DP的接口模塊的具體設計。Profibus-DP作為Profibus現場總線標準的子集，主要用于設備級控制系統與分散式I／0的通信。它具有傳輸介質簡單、安裝維護方便、安全性高等優點。RS485傳輸是最常用的一種傳輸技術，本設計也采用這種傳輸方式。整個系統的傳輸介質為屏蔽雙絞線。本文主要討論采用專用協議芯片VPC3開發從站接口的方案。該方案需要在深入了解VPC3的工作原理及DP狀態機原理的基礎上進行開發。

1 硬件設計
系統主要包括指令處理部分和接口部分，如圖1所示。指令處理部分完成協議轉換以及通信處理；接口部分完成模擬到數字的轉換、PROFIBUS-DP接口等。下面簡單介紹主要模塊的功能。

調試(JTAG)：M16C／62P通用通信模塊的設計提供一個JATG仿真器，它可以用來進行配置或者是編程。
SRAM模塊：當編寫比較大的程序(如操作系統)時，M16C的內部RAM可能不夠用，此時就可以用外接的SRAM(128K×16位)。
撥碼開關：撥碼開關用于通信地址方案的實施。PROFIBUS-DP支持的站地址為0～126(共127個)，同時為了防止尋址過程發生地址的沖突，所以采用一個8位的撥碼開關，用后7位進行128位的尋址。閥門控制器作為PROFIBUS-DP通信的從站，必須有不與其他站沖突的地址。PR-OFIBUS-DP從站通信地址的設計方案有兩種：一種是由遠程的PROFIBUS-DP主站通過特定的數據通信設定或修改從站地址；另一種是禁止PROF-IBUS-DP主站設定和修改從站地址，從站的地址由從站本地設定。本設計采用的是后一種設計方案，通過一個8位的撥碼開關手動設定閥門控制器的地址，然后由中央處理器讀入并寫入VPC3特定的存儲位置。
A／D、D／A等模塊：PROFIUBS-DP智能從站通信卡采用4～20 mA／1～5 V模擬信號傳輸方式，對4～20mA的輸入信號(閥位反饋信號)進行校準和量程變換后，將其轉換為DP總線輸入數據，DP總線輸出數據經過校準和量程變換后轉換為1～5 V的輸出信號(控制輸出信號)。由于PROFIUBS-DP通信卡在工作過程中共有兩個數據需要在DP總線上傳輸，因此需要兩個數據通道，一個用于16位模擬量輸入(A／D)，另一個用于16位模擬量輸出(D／A)。其中模擬與數字電路之間采用PC417進行光耦隔離。
本設計一共有兩個時鐘：一個是M16的時鐘，M16本身有兩個時鐘(分別為主時鐘和副時鐘)，但是由于VPC3的特殊性使得M16的時鐘必須由VPC3提供；另一個是VPC3的時鐘，直接由48 MHz的有源晶振提供。其中，M16的時鐘是由VPC3對48 MHz的時鐘進行1／4分頻得到的12 MHz。
總線接口引腳如表1所列，VPC3的數據傳輸是在RS485模式下進行的。VPC3通過表1中的信號與光耦隔離驅動相連接。

按鍵復位：其作用是對M16和VPC3進行復位。該電路用于監視M16的核電壓，當核電壓低于3．3 V時，該電路產生一個低脈沖信號傳送到M16的RESE(10)引腳。除了監視的功能以外，還可以通過按鍵的閉合來產生一個低脈沖的復位信號。