PROFIBUS-DP總線I/O設備開發及應用

總線I/O是現場總線遠程I/O的簡稱，是基于現場總線控制系統FCS中的主要設備，PROFIBUS-DP是總線I/O的主流通信協議。總線I/O的主要功能分為輸入、輸出兩部分。輸入是采集現場模擬信號(如4~20 mA)和開關量信號(如24 V DC)轉換成為數字量并按照通信協議傳送到現場總線。輸出是將現場總線通信數據轉換成模擬輸出和開關量輸出。PROFIBUS-DP總線I/O設備以從站的形式存在。

PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery.它具有高速低成本，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。它與PROFIBUS-PA(Process Automation )、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同組成了PROFIBUS標準。用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站(PLC)程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態。診斷和報警處理。

1 總線I/O設備結構

總線I/O的開發可分為兩大部分，一是從站功能單元，該部分是設備的主體;另一部分是通信接口單元。圖 1是典型開關量總線I/O的結構圖。一個總線I/O設備可能需要多種總線接口，對于設備的開發人員來講，他們專注于設備功能單元的核心技術，如果讓他們從頭開發各種通信接口，勢必會分散設備開發人員的精力，增加開發成本和開發周期。另外，通信協議的一致性認證也是一個比較費時和麻煩的事情。使用現有的成熟的通信接口模塊無疑是解決這一問題的最好選擇，它具有設計快捷、成本低廉、安全可靠等優點。

2 XGate-DPS10簡介

XGate-DPS10嵌入式從站模塊適用于自主開發PROFIBUS-DP從站設備，且不需要掌握PROFIBUS-DP相關理論知識。 XGate-DPS10模塊提供一個全隔離PROFIBUS通訊接口，支持高達12Mbps通訊速率，集成增強的ESD保護，可以保護用戶設備在網絡中可靠工作。用戶通過串行UART/SPI接口來訪問XGate-DPS10模塊，實現高速實時的數據傳輸。 XGate-DPS10提供中斷指示，大大減輕用戶MCU負擔，有效增強總線的實時性。 XGate-DPS10模塊提供有配套的編程示例(C代碼)、GSD配置文件、電路實例等開發資料，可以幫助用戶快速完成PROFIBUS產品項目。 XGate-DPS10及其接口如圖2所示。

XGate-DPS10的主要功能特點如下：

· PROFIBUS-DP 協議，符合EN50170 V2 和IEC61158標準，支持DP-V1;

· 總線傳輸率自適應，最大傳輸率12 Mb/s,支持最大244 B I/O;

· 支持用戶參數化功能， 提高總線效率，最大用戶參數長度238 B;

· 支持最大244 B用戶診斷;

· 3.3 V~5 V系統兼容，配套RSM485P隔離收發器使用;

· 可選的串行UART/SPI接口，支持波特率自設置;

· 數據交換CRC檢驗功能，保證數據安全可靠;

· 提供完整的開發包和應用解決方案;

· 單電源5 V供電，最大工作電流≤75 mA;

· 工作環境溫度：-40 ℃~+85 ℃;

· 外形尺寸：DIP24封裝，32 mm×20.4 mm×11 mm.

3 硬件設計

工業現場中，總線I/O的另一種應用是作為PLC的I/O擴展，總線I/O顯著優點是可以集成第三方產品，使整體PLC的性價比達到最優;另一個優點是I/O的遠程布置，可以組成分布式系統。本期及下期將以XGate-DPS10的應用為例設計具有8路開關量輸入、8路開關量輸出、16位觸發計數器的總線I/O設備。

圖3是XGate-DPS10的外圍連接電路。U3是XGate-DPS10的引腳分配，本例使用UART接口(默認接口)，傳輸率19 200 b/s.如果使用其他傳輸率或接口需要使用軟件配置，此時ISP/CFG引腳電路是必需的，ISP/CFG引腳同時用于在線升級固件;不使用ISP /CFG,則必須上拉到VCC.模塊指示燈指示了模塊的狀態及通信的狀況，也可以根據實際情況來設置指示燈。RSM485P是隔離收發器，并提供總線終端電源。總線端ESD保護器件不是必須的，RSM485P提供了增強的ESD保護。如圖2所示，引腳TXD/MOSI、RXD/NSS分別連接到MCU的 RXD、TXD,INT連接到MCU的外部中斷，注意RXD和TXD的交叉，這與XGate-DPS10與RSM485P的RXD和TXD連接法是不同的。PROFIBUS總線連接器為DB9頭，RxD/TxD-P和RxD/TxD-N分別接3、8腳，方向控制信號CNTR-P接4腳。

工業產品中，開關量I/O設備一般都是采用了隔離+驅動電路來實現的。本文旨在介紹如何設計設備通信接口，對功能單元硬件只做了示例性的設計，為方便演示，開關量輸入使用8位撥碼開關代替，開關量輸出使用8位LED燈代替，16位計數器使用MCU內部計數器模擬，如圖 4所示。主MCU部分可以使用撥碼開關等來獲取從站的地址設置，該參數作為網絡標識將傳輸給XGate-DPS10模塊，最簡單的一種方式是直接將撥碼開關連接到MCU的GPIO,當然，可以使用圖 4的方式合理利用MCU的外部存儲器擴展端口(EMC)。

4 GSD及軟件設計簡介

GSD文件是設備描述文件，當一個設備確定了其功能和參數后，GSD文件也就確定了。使用XGate-DPS10模塊設計的設備的GSD文件和軟件設計比較簡單，下期將詳細介紹如何編寫GSD文件及使用軟件包開發設備代碼，操作軟件包的基本步驟如圖5所示。

PROFIBUS-DP從站應用廣泛，使用通信接口模塊來開發總線I/O設備可以有效地縮短開發周期、節省成本投入，并在可靠性上得到了保障。XGate-DPS10符合大多數應用場合，其高可靠性、方便性、低成本性使其成為開發DP從站設備的首選。