基于ARM芯片實現(xiàn)PROFIBUS—DP從站接口電路的設計

【摘要】 本文提出以ARM芯片和PROFIBUS—DP協(xié)議芯片為核心的從站接口設計，采用STM32F103處理用戶程序，由VPC3+C協(xié)議芯片實現(xiàn)PROFIBUS—DP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。從硬件和軟件設計兩個方面闡述從站接口的設計和實現(xiàn)方法。

【關鍵詞】 現(xiàn)場總線 PROFIBUS-DP從站 VPC3+C STM32F103

一、引言

現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，近年來得到了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)場總線有三種形式：Profibus—DP、Profibus—FMS、Profibus—PA，其中Profibus-DP以其靈活性和可靠性等優(yōu)點得到了世界范圍內(nèi)的廣泛應用，但并不是每個設備都可以接到Profibus網(wǎng)絡中，這就使得為工業(yè)設備開發(fā)Profibus通信接口顯得尤為重要。

二、PROFIBUS-DP從站接口設計的整體思路

PROFIBUS—DP用于分散外設間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領域。Profibus的傳輸速率為96～12kbps，最大傳輸距離在12kbps時為1000m，可用中繼器延長至10km，最多可接 127個站點。Profibus協(xié)議模型中第一層是物理層，第二層是數(shù)據(jù)鏈路層，三至六層未使用，第七層是應用層，最后是用戶層。Profibus—DP從站接口選用STM32F103處理用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，協(xié)議芯片VPC3+C處理Profibus—DP數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，通過RS485實現(xiàn)物理層通信。采用協(xié)議芯片不必去了解PROFIBUS-DP的具體細節(jié)，只要了解協(xié)議的相關內(nèi)容，這樣使我們更方便的設計接口電路。本文設計的PROFIBUS-DP從站接口在總線控制系統(tǒng)中的大體框架。

三、PROFIBUS-DP從站硬件接口的設計

目前Profibus-DP從站開發(fā)有兩種方案：（1）單片機+軟件，但需要了解通信中的大量的協(xié)議；（2）單片機+Profibus通信的專用芯片，該芯片集成了Profibus通信所有的協(xié)議，避免對大量協(xié)議的掌握。本文選用第二種方案，設計的從站接口主要包括以下五部分：電源模塊、AD/DA轉(zhuǎn)換模塊、STM32F103與VPC3+C接口模塊、RS485轉(zhuǎn)換模塊和從站地址選擇電路。從站采用反激式開關電源供電，可提供3.3V和5V兩路隔離的電源。PROFIBUS-DP 從站通采用4～20mA/1～5V 模擬信號傳輸方式，對4～20mA 的輸入信號通過AD轉(zhuǎn)換進行校準和量程變換后將其轉(zhuǎn)換為DP 總線輸入數(shù)據(jù)，對DP 總線輸出數(shù)據(jù)通過DA進行校準和量程變換轉(zhuǎn)換為1～5V 的輸出信號。PROFIBUS-DP支持的站地址由0到126共127，采用一個八位撥碼開關防止尋址過程發(fā)生地址的沖突。

3.1微處理器與VPC3+C接口

STM32F103是增強型32位Cortex-M3，6K字節(jié)至20K字節(jié)SRAM，多達80個快速IO口，所有IO口可以影像到16個外部中斷。VPC3是用于從站開發(fā)的通信協(xié)議芯片，它支持3.3V和5V電壓的供電，并且包含Profibus通信的全部協(xié)議，即不用考慮電源轉(zhuǎn)換問題也減少對協(xié)議的掌握。VPC3內(nèi)部集成4KB的雙口RAM，有16個沒有優(yōu)先級的中斷存儲。VPC3與STM32F103的通信有兩種模式：Intel模式和Motorola模式。本文選擇Intel模式，VPC3相當于STM32F103的外部RAM，通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，VPC3內(nèi)部有地址解碼器，所以AB8—AB10接地。DB7—DB0可用作數(shù)據(jù)地址復用總線產(chǎn)生低八位數(shù)據(jù)和地址，AB0—AB3產(chǎn)生高四位地址，VPC3的片選信號由AB4—AB7控制，當AB4—AB7全為零時，選中VPC3。由于VPC3的AB0—AB7是地址數(shù)據(jù)復用總線，所以與STM32F103的IO連接是通過鎖存器相連，鎖存器的時鐘控制端通過反相器與VPC3的ALE控制，地址總線直接與STM32F103的IO口相連。VPC3的復位引腳與STM32F103的PC9相連，可以通過軟件復位VPC3。VPC3與STM32F103進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)時，VPC3的引腳XDATAEXCH輸出低電平，利用這個特點在該引腳與VDD直接接個LED指示燈，當進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)時，指示燈就會被點亮。電路圖如1所示。

3.2VPC3與RS485接口

Profibus通信的物理層為RS485，VPC3芯片本身不帶RS485接口，所以本設計中采用IL3685芯片實現(xiàn)RS485信號轉(zhuǎn)換。IL3685是現(xiàn)場總線隔離收發(fā)器芯片，具有RS485收發(fā)和隔離功能。使用一片IL3685設計方法可替代光耦+ RS485通訊芯片，簡化了電路設計。IL3685一側(cè)與VPC3相連，另一側(cè)通過DB9與Profibus—DP電纜相連。VPC3的請求發(fā)送端口、串行發(fā)送端口、串行接收端口與IL3685直接相連。IL3685有一個特殊的引腳ISODE與DB9的DTR相連。

四、PROFIBUS-DP從站軟件的設計

PROFIBUS-DP從站的軟件設計主要是完成現(xiàn)場總線通信控制和處理用戶數(shù)據(jù)，VPC3中集成的Profibus—DP狀態(tài)機，可以描述Profibus—DP站的各種情況下的行為，STM322F103的主要任務是初始化和啟動VPC3+C以及處理中斷診斷事務，轉(zhuǎn)存通過VPC3接收來自主站的數(shù)據(jù)，同時把外圍設備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過VPC3反饋給主站，然后通過主站的組態(tài)參數(shù)發(fā)送控制命令給外圍設備，使得外圍設備發(fā)生相應的變化，從而完成一個程序的循環(huán)過程。該軟件部分主要有以下幾個模塊組成：

（1）主程序：主要完成STM32F103初始化設置波特率、系統(tǒng)時鐘、中斷方式等；VPC3+C初始化設置中斷允許、設置地址/參數(shù)/配置緩沖區(qū)及長度；ADC、DAC初始化，設置從站地址；

（2）A/D、D/A調(diào)整模塊：主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結束讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；

（3）通信模塊：主要指的是VPC3+C通過RS485與主站之間的通信；

（4）時鐘設置程序：包括串口波特率時鐘、AD/DA采樣時鐘；

（5）中斷模塊：主要是處理從站參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)檢測和從站地址選擇；

（6）頭文件：定義一些變量和宏接口，使得訪問VPC3寄存器更加方便。

主程序和中斷程序流程圖如下圖2所示。

五、結論

Profibus—DP用于主從設備間進行快速、簡單的數(shù)據(jù)交換過程。本設計是為電源系統(tǒng)設計的，當電源數(shù)值變化時，會把這種變化數(shù)據(jù)發(fā)送給VPC3，VPC3把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過RS485傳送給主站S7-300，S7-300接到信息后，經(jīng)行處理，將處理的結果反饋給VPC3，VPC3轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的數(shù)據(jù)，微處理器接到數(shù)據(jù)，發(fā)送給電源設備發(fā)生相反的變化，從而達到穩(wěn)定電源的目的。