PROFIBUS-DP總線I/O設備的開發(fā)——基于XGate-DPS10的應用——上篇(硬件設計)

總線I/O是“現(xiàn)場總線遠程I/O”的簡稱，是基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS中的主要設備，PROFIBUS-DP是總線I/O的主流通信協(xié)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(xiàn)場模擬信號(如4～20 mA)和開關量信號(如24 V DC)轉換成為數(shù)字量并按照通信協(xié)議傳送到現(xiàn)場總線。輸出是將現(xiàn)場總線通信數(shù)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。

1 總線I/O設備結構

總線I/O的開發(fā)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(fā)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(fā)各種通信接口，勢必會分散設備開發(fā)人員的精力，增加開發(fā)成本和開發(fā)周期。另外，通信協(xié)議的一致性認證也是一個比較費時和麻煩的事情。使用現(xiàn)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(yōu)點。

2 XGate-DPS10簡介

XGate-DPS10是小體積串行接口的嵌入式DP從站模塊，采用DIP24封裝，體積小，成本低，是非常適合嵌入式設計的工業(yè)級總線模塊。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(xié)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(shù)化功能,提高總線效率，最大用戶參數(shù)長度238 B；

·支持最大244 B用戶診斷；

·3.3 V～5 V系統(tǒng)兼容，配套RSM485P隔離收發(fā)器使用；

·可選的串行UART/SPI接口，支持波特率自設置；

·數(shù)據交換CRC檢驗功能，保證數(shù)據安全可靠；

·提供完整的開發(fā)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(huán)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(yè)現(xiàn)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(yōu)點是可以集成第三方產品，使整體PLC的性價比達到最優(yōu)；另一個優(yōu)點是I/O的遠程布置，可以組成分布式系統(tǒng)。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(fā)計數(shù)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(tài)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(fā)器，并提供總線終端電源?？偩€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(yè)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(xiàn)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(shù)器使用MCU內部計數(shù)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(shù)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

圖5 操作軟件包基本步驟

GSD文件是設備描述文件，當一個設備確定了其功能和參數(shù)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(fā)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(fā)總線I/O設備可以有效地縮短開發(fā)周期、節(jié)省成本投入，并在可靠性上得到了保障。XGate-DPS10符合大多數(shù)應用場合，其高可靠性、方便性、低成本性使其成為開發(fā)DP從站設備的首選。

廣州致遠電子有限公司致力于嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)通訊網絡的技術研發(fā)與應用推廣，自主研發(fā)了一系列PROFIBUS-DP網絡產品，包括嵌入式模塊、通訊卡、調試工具、PC軟件、OPC服務器等，并提供基于PROFIBUS總線的整套組網方案及應用集成。

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