基于赫優訊嵌入式模塊之PROFIBUS-DP主站系統之設計

0引言現場總線是當今自動化領域技術發展之熱點之一，被譽為自動化領域之計算機局域網。陽光電子學校維修專家分析認為：它之出現，標志著工業控制技術領域又一個新時代之開始，并將對該領域之發展產生重要影響。陽光電子學校維修專家分析認為：作為歐洲首屈一指之開放式現場總線PROFIBUS(Process Fieldbus)已經被全世界所接受，成為國際化之開放式現場總線標準，并在中國發展迅速，廣泛應用于加工制造、過程等自動化領域中。陽光電子學校維修專家分析認為：目前，越來越多之國內自動化設備制造商都已開發出了帶有PROFIBUS從站接口之設備，并在市場上獲得廣泛之認可。陽光電子學校維修專家分析認為：然而，自主開發之帶有PROFIBUS主站通訊接口之設備卻很少。陽光電子學校維修專家分析認為：本文介紹了一種基于嵌入式模塊COM-C之PROFIBUS-DP主站系統之設計方案，基于該方案設計之產品已經在浙江中控之WebField ECS-100 DCS系統中得到成功應用。陽光電子學校維修專家分析認為：1 PROFIBUS-DP通訊協議1.1 PROFIBUS之組成PROFIBUS是由西門子公司推出之一種開放式現場總線標準，是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）之現場總線標準，并已納入國際標準IEC 61158中。陽光電子學校維修專家分析認為：它是一種具有廣泛應用范圍之、開放之數字通信系統，特別適用于工廠自動化和過程自動化領域。陽光電子學校維修專家分析認為：PROFIBUS由相互兼容之三個部分組成，即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。陽光電子學校維修專家分析認為：PROFIBUS-FMS：用于車間級通用之控制及通信任務，是一個令牌環結構、實時多主網絡。陽光電子學校維修專家分析認為：PROFIBUS-DP：是一種高速且優化之通信方案，主要用于實現現場級控制與分布式I/O及其他現場級設備之間之通信。陽光電子學校維修專家分析認為：PROFIBUS-PA：專為過程自動化而設計，符合本征安全規范，適用于防爆區之應用。陽光電子學校維修專家分析認為：PROFIBUS這三層協議使其成為能夠提供制造業自動化、工程自動化、樓宇自動化以及電力自動化完整解決方案之唯一之現場總線系統。陽光電子學校維修專家分析認為：1.2 PROFIBUS-DP     PROFIBUS-DP協議設計用于現場層之快速數據交換，中央可編程控制器（如，PLC、PC或過程控制系統）通過快速串行連接與分散之現場設備（如，I/O、驅動器、閥門或變送器）進行通信。陽光電子學校維修專家分析認為：依據各種應用領域之特殊需求，已經用特殊功能逐步地擴展了DP之基本功能，目前有三種版本：DP-V0，DP-V1和DP-V2，每一種版本都有自己專用之關鍵特性，如圖1所示。陽光電子學校維修專家分析認為：版本之這種區別，主要反映了依據不斷增長之應用需求而完成之規范工作之時間順序。陽光電子學校維修專家分析認為：

 圖1 PROFIBUS-DP各版本之主要功能DP-V0提供DP基本功能，括循環之數據交換，以及站診斷、模塊診斷和特定通道之診斷。陽光電子學校維修專家分析認為：DP-V1含依據過程自動化之需求而增加之功能，特別是用于參數賦值、操作、智能現場設備之可視化和報警處理等之非循環之數據通信。陽光電子學校維修專家分析認為：此外，DP-V1有三種附加之報警類型：狀況報警，刷新報警和制造商專用之報警。陽光電子學校維修專家分析認為：DP-V2含主要根據驅動技術之需求而增加之其它功能。陽光電子學校維修專家分析認為：由于增加之功能，如等時同步從站模式和從站與從站通信等，DP-V2也可以被實現為驅動總線，用于控制驅動軸之快速運動時序。陽光電子學校維修專家分析認為：

 

PROFIBUS是一種開放之標準，原則上，該協議可以在任何處理器上實現。陽光電子學校維修專家分析認為：目前，自動化廠商在開發PROFIBUS-DP主站設備時，主要有以下三種解決方案：1. 軟PROFIBUS主站，該方案完全由軟件來實現PROFIBUS協議，由微處理器來運行完整之協議堆棧。陽光電子學校維修專家分析認為：該方案開發難度和開發風險都特別大，開發周期也長，而且需要開發人員對PROFIBUS協議、框架特別熟悉。陽光電子學校維修專家分析認為：產品開發出來后，需要送歐洲進行協議。陽光電子學校維修專家分析認為：2. 專用ASIC芯片外加擴展固化程序Firmware，該方案是采用較多之一種，由專用之ASIC芯片實現PROFIBUS協議數據鏈路層之介質訪問控制功能；而數據鏈路層之其他功能和應用層之功能則由微處理器運行其擴展固化程序實現。陽光電子學校維修專家分析認為：但是，目前國內市場很難購買到Firmware，如果由用戶自己編寫Firmware則難度增加，開發周期也長，同樣需要送歐洲進行協議一致性測試和認證。陽光電子學校維修專家分析認為：3. 嵌入式模塊主站，該方案是開發PROFIBUS-DP主站設備采用 多之一種，模塊內部已經集成專用之ASIC芯片和固化程序Firmware。陽光電子學校維修專家分析認為：該方案開發難度和開發風險都大大減少，開發周期縮減，并且協議已經通過了一致性測試和認證。陽光電子學校維修專家分析認為：本文采用之是第三種方案——嵌入式模塊主站，使用之是德國赫優訊（Hilscher）自動化系統有限公司之嵌入式模塊COM-CN-DPM（PROFIBUS-DP Master），由該模塊實現PROFIBUS-DP主站協議，主機系統通過嵌入式模塊提供之雙端口內存（Dual-Port Memory，DPM）接口與模塊進行數據通信，用戶不需要關心PROFIBUS協議之具體實現，只需往DPM接口讀/寫數據就可以，因此，該模塊就像一個內存，使用起來非常方便。陽光電子學校維修專家分析認為：2 PROFIBUS-DP主站系統設計硬件設計嵌入式模塊COM-CN-DPM提供給用戶之硬件接口有X1和X2兩個排針連接頭，X1連接頭（50根管腳），即雙端口內存接口，含與主機通信必備之控制線、數據線和地址線。陽光電子學校維修專家分析認為：X2連接頭（30根管腳），即現場總線接口，含PROFIBUS信號線以及LED狀態指示燈。陽光電子學校維修專家分析認為：嵌入式模塊COM-C與主機接口電路如圖2所示。陽光電子學校維修專家分析認為：由于PROFIBUS協議都由模塊內部實現，因此用戶應用程序只需通過提供之API接口和訪問方式，對雙端口內存進行讀/寫操作。陽光電子學校維修專家分析認為：通過現場總線接口，將PROFIBUS信號線引出，只需在母板上連接一個9針D-Sub連接頭，通過此接口將模塊連接到PROFIBUS-DP網絡中。陽光電子學校維修專家分析認為：該模塊同時提供LED狀態指示燈，可將LED信號線引出到母板上，方便用于診斷模塊之通信狀況。陽光電子學校維修專家分析認為：  

圖2 嵌入式模塊與主機接口電路由于該模塊已經集成實現PROFIBUS協議之所有必備電路，因此在外圍電路設計之時候非常簡單方便，其電路連接與MCU和內存之連接相似。陽光電子學校維修專家分析認為：在該主站系統中，同時還設計了以太網接口，方便遠程文件之下載。陽光電子學校維修專家分析認為：2.2 軟件設計嵌入式模塊COM-C提供之主機接口是雙端口內存DPM，用戶應用程序通過DPM接口來訪問該模塊。陽光電子學校維修專家分析認為：同時，為了提高整個系統之實時性和可靠性，主機系統使用之是實時多任務操作系統Linux。陽光電子學校維修專家分析認為：因此，在進行軟件設計時，主要完成驅動程序以及應用程序之編寫。陽光電子學校維修專家分析認為：2.2.1雙端口內存DPM結構嵌入式模塊COM-C提供之雙端口

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