P89V51RD2單片機在PROFIBUS-DP智能*

　　引言

　　PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線，目前已成為中國國家標準GB/T20540-2006的現場總線。PROFIBUS作為一種不依賴于制造廠家的開放式現場總線標準，已廣泛應用于制造加工自動化、過程自動化和樓宇自動化領域中。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本[1]。其中PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速且廉價的通信連接，專門為自動控制系統與在設備分散的I/O之間的通信設計，為工廠自動化提供了很好的解決方案。

　　印刷設備中存在大量的外圍I/O信號，如何保證外圍設備與控制主機之間的實時通訊，使得印刷機可靠運行，采用采用傳統的PLC構成集散型控制系統(DCS)，存在系統不開放、硬件投資大、布線復雜、維修不便的缺點，具有明顯的局限性[2]。而采用基于現場總線的分布式I/O系統，基本局限于國外產品，如西門子公司的基于PROFIBUS分布式I/O系統，WAGO公司基于CANbus、DeviceNET、PROFIBUS分布式I/O系統，但價格較高。因此我們設計了基于P89V51RD2單片機的PROFIBUS-DP智能從站，應用于印刷設備的現場總線分布式控制系統中。

　　智能從站的硬件電路設計

　　PROFIBUS智能從站采用功能模塊化設計，系統主要由P89V51RD2 [2]微控制器和封裝了PROFIBUS-DP協議的芯片SPC3構成其核心部分，其他還有數字量輸入輸出口、基于SPC3的PROFIBUS總線驅動器、擴展模塊接口、及電源模塊等部分組成，詳見圖1。

　　智能從站由24V直流電源供電，而從站中的芯片都采用5V的電源。所以選用了DC/DC電源模塊將24V轉換成5V。總線驅動器(RS-485)及光電隔離電路是SPC3與PROFIBUS-DP總線之間的接口。它對通訊信號進行光電隔離，用以消除來自總線的干擾，所以采用了雙路電源供電，進行了完全的輸入/輸出通道上的電氣上的隔離。電氣隔離采用ADUM1301芯片，該芯片采用了AD公司最新的iCoupler隔離技術，與傳統的光耦器件相比優勢非常明顯：完全滿足工業現場寬范圍的溫智能從站由24V直流電源供電，而從站中的芯片都采用5V的電源。所以選用了DC/DC電源模塊將24V轉換成5V。總線驅動器(RS-485)及光電隔離電路是SPC3與PROFIBUS-DP總線之間的接口。它對通訊信號進行光電隔離，用以消除來自總線的干擾，所以采用了雙路電源供電，進行了完全的輸入/輸出通道上的電氣上的隔離。電氣隔離采用ADUM1301芯片，該芯片采用了AD公司最新的iCoupler隔離技術，與傳統的光耦器件相比優勢非常明顯：完全滿足工業現場寬范圍的溫度要求(-40℃~105℃)，低功耗，最高可達90Mbps的傳輸速率，所需的外圍元件少。從站還采用了MAX705構成看門狗電路，對單片機提供了獨立的保護系統。當系統出現故障時，MAX705將以RESET信號做出響應，從站地址開關用于手動設置從站地址。

　　微控制器芯片P89V51RD2介紹

　　本設計采用的微處理器是NXP公司的單片機P89V51RD2[3]。它是80C51微控制器的派生器件，其指令系統與80C51完全相同，采用先進CMOS工藝制造，具有64K字節非易失性FLASH程序存儲器和1K字節的RAM。P89V51RD2的片上資源很豐富，具有4組8位I/O口、3個16位定時/計數器、多中斷源(4個中斷優先級，嵌套的中斷結構)、1個增強型UART、片內振蕩器及時序電路。該存儲器支持ISP(In System Programming)功能，ISP的優點是支持在系統編程，即不需要移出為控制器，只需要通過串行接口(RXT和RXD)，結合上位機軟件就可以實現PC對MCU的重復編程，而且硬件電路連接簡單，這樣方便了程序調試，縮短了設計開發周期，提高了系統的可靠性和穩定性。

　　協議芯片SPC3介紹

　　SPC3(Siemens PROFIBUS Controller)是西門子公司設計的一款ASIC芯片，專用于PROFIBUS從站或從設備的開發，可以和多種單片機(51系列、80C32, 80C165, HC916)配合使用滿足PROFIBUS-DP的高速數據傳輸。SPC3其內部完全集成了PROFIBUS-DP從站通信協議，最大傳輸速率可達12Mbps，可以自動檢測總線上傳輸速率，內部具有1.5K字節的RAM、方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器，及各種緩沖器指針和緩沖區等，其內部結構如圖2所示。此外，SPC3從初始化到正常工作，都由芯片內部集成的狀態機來控制，不需要人為的過多干預。只要按正確方法對SPC3中的寄存器和數據區進行初始化后，對其雙口RAM進行數據的讀寫操作即可完成從站與主站間的通訊。

　　I/O從站的軟件設計

　　智能從站的主程序流程如圖3所示，包括：系統初始化，I/O控制程序和PROFIBUS-DP總線通信程序。初始化程序完成對P89V51RD2微處理器和SPC3協議芯片的初始化，PROFIBUS-DP通信程序實現I/O從站與監控主站間的通信。

　　在SPC3正常工作之前，微控制器需要對其進行初始化以配置所需要的寄存器，SPC3的的初始化流程如圖4所示，包括設置協議芯片的中斷允許、寫入從站識別號和地址、設置SPC3方式寄存器、設置診斷緩沖區、參數緩沖區、配置緩沖區、地址緩沖區、初始化長度，并根據以上初始值得出各個緩沖區的指針和輔助緩沖區的指針。根據傳輸的數據長度，確定輸出緩沖區、輸入緩沖區及指針。由于SPC3內部集成了完整的PROFIBUS-DP協議，因此用戶不用參與處理PROFIBUS狀態機制，P89V51RD2根據SPC3產生的中斷，對SPC3接收到的主站發出的輸出數據轉存，將計算出的工程量數據通過SPC3發給主站，并根據要求進行外部診斷等。

　　智能從站的調試

　　調試與檢驗PROFIBUS-DP產品前必須組建總線網絡，并進行網絡組態。通常的網絡組態方法有三種：一種是基于組態軟件(如WINCC)+主站卡(CP5611或CP5613)構成的PROFIBUS-DP二類主站的網絡結構，另一種是由具有PROFIBUS-DP接口的硬件PLC構成的PROFIBUS-DP一類主站結構，還有一種是基于PC+軟 PLC構成的PROFIBUS-DP一類主站結構。本文調試所采用的就是最后一種方式，其網絡結構如圖5所示。

　　監控計算機運行德國3S公司的CoDeSys[5]軟PLC軟件及RTE實時程序組件，作為PROFIBUS-DP總線網絡的主站(相當于一臺高性能可編程控制器)，通過CP5613卡與自行設計開發的智能從站進行數據通信，構成了基于軟PLC和PROFIBUS-DP現場總線的分布式I/O控制系統。

　　在控制系統的硬件連接完成后，還需要在監控計算機上通過CoDeSys軟件對整個網絡進行組態，包括安裝系統支持的CP5613卡的驅動程序(由3S提供)，并加載到RTE中；加載從站設備的GSD文件；設置PROFIBUS-DP總線相關參數(如通訊波特率，從站ID號等)。軟PLC組態及監控界面如圖5所示，可以看出掛接在網絡系統上的主從設備都會在組態界面上顯示出來，PROFIBUS-DP從站節點的各個端口狀態一目了然，可以實時監控輸入／輸出點的狀態，并可以強制置位和復位輸出點。

　　結語

　　本文設計的基于P89V51RD2和SPC3的PROFIBUS-DP智能從站，通過現場總線與軟PLC構成分布式控制系統調試，實現了監控主站與智能從站的正常通信，并與其他公司的產品進行了兼容性實驗，運行良好，可靠性高。通過編寫軟PLC的測試程序，檢查了整體方案的可行性；驗證了整個系統信息傳遞及控制的可靠性、準確性和實時性，所設計的智能從站可以很好的滿足了印刷設備控制系統的要求。開發過程中所提出的技術方案和實現方法可以在電力系統、工業測控、冶金等自動化領域中推廣應用。
　　
　　參考文獻：

　　1. 現場總線(Profibus)專業委員會(CPO),現場總線PROFIBUS標準(中文版)[S]．CPO，2000．

　　2.  陽憲惠,現場總線技術及其應用[M],北京：清華大學出版社,1999.

　　3.  Philips Semiconductors,P89V5lRD2 Datasheet[Z]，2004

　　4.  SIEMENS,DPC31 HARDWARE DESCRIPTION[Z]，2002

　　5.  3S公司．CoDeSys User Manual[Z]，2003

　　6.  孫樹文，張慧慧，楊建武，李屹,CAN總線在潛水電機分布式監控系統中的應用[J],計算機測量與控制，2006年第11期