您的位置:首页 > 了解荣信 > 刊物
刊物
科研
  发布时间:2009-09-23 阅读: 下载次数:  
基于 DSPIC30F 数字信号控制器的嵌入式PROFIBUS智能从站
The Embedded Type PROFIBUS Intelligent Slave based on the DSPIC30F Digital Signal Controller
[摘    要]电机起动装置作为工业现场设备需要提供丰富的工业总线接口,以满足与客户端设备通信、远程控制等功能的需要, 针对这一需要,设计了一种基于DSPIC30F数字信号控制器的嵌入式PROFIBUS智能从站。本文介绍了PROFIBUS智能从站的软硬件设计、工作原理。使之嵌入到本公司高压有级变频起动装置当中,满足电机高压有级变频起动装置PROFIBUS工业总线通信功能的需要,并且作为嵌入式产品也可应用于其他工业产品中。
Abstract: As the industrial site equipment, the motor starter device is requested to provide abundant INTERBUS to meet the need of the customer communication, remote control and other functions. Therefore, the embedded type PROFIBUS based on the DSPIC30F digital signal controller. The paper introduces the design of the software, hardware and working principle of PROFIBUS. The requirements of variable frequency high-voltage motor driver PROFIBUS INTERBUS communication function are met by embedding, which can also be used in other industrial products.
Key Words: Intelligent Slave, PROFIBUS , SPC3
1引言
    现如今软启动器作为电机的起动装置,在冶金、钢铁、煤炭等多个领域得到了广泛的应用。与此同时,随着工业产品的网络化发展,对工业现场设备的通信需求逐渐增加,软启动器带有功能丰富的总线接口成为必然。本文介绍的基于DPSIC5011+SPC3的PROFIBUS智能从站可以嵌入到高压有级变频起动装置中,弥补传统软启动器现场通信功能的不足,促进工业现场的网络建设,来满足客户端的远程控制、数据交换的需要。
2 PROFIBUS简介
    PROFIBUS现场总线是完整、开放、稳固的工业现场总线标准。它作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线,目前已成为了中国国际标准的现场总线。
    PROFIBUS现场总线的开放性和不依赖于厂商的通信的设想,使其在加工制造、过程控制、楼宇自动化、仪器仪表等众多领域得到了广泛的应用。
    PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本,PROFIBUS-DP适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间的通讯设计,是PROFIBUS现场总线中广泛应用的标准之一,主要应用于现场设备级。经过优化的高速、廉价的通信连接,使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0~20mA并行信号线。具有传输速度快、能自动调整9.6K到12M波特率,传输的数据容量为每个报文多达244个字节,传输介质为屏蔽双绞线或光缆,被广泛应用于楼宇自动化、水电厂管理和工业过程自动化控制系统中。
3 PROFIBUS智能从站的硬件设计

图1 硬件结构图
    PROFIBUS智能从站采用功能模块设计。考虑到在本公司产品高压有级变频起动装置中的应用,从站微控制器采用片内资源充足、系统更稳定的Microchip公司的新一代DSPIC30F5011数字信号控制器,并以西门子PROFIBUS总线协议芯片SPC3作为硬件主体架构。在总线隔离、驱动方面选用性价比更高的ADI公司ADM2486磁耦合器。
    Microchip的16位数字信号控制器DSPIC,采用了改良过的哈佛总线结构,充分融合了高性能16位MCU的控制优势和完全实现的DSP高运算速度,形成了适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令解决方案。SPC3芯片是西门子提供的用于从站开发的智能通信芯片,它支持PROFIBUS—DP协议。同时SPC3内部集成了1.5K的双口RAM,内部锁存器/寄存器位于前21个地址单元。在这里数字信号控制器通过软件编程,利用I/O口来模拟数据总线来实现对SPC3芯片内部RAM的读写操作。磁耦是一种基于芯片尺寸的变压器的隔离技术,该技术集成变压器驱动和接收电路,从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势。ADM2486磁耦合器是兼容PROFIBUS总线协议的485收发器。集成度更高,改善了性能,节省了成本。此外,磁耦产品的性能在温度、电压和整个寿命中是极稳定的,能够被快速地被应用到任何设计中而不需要复杂联合的光耦。
    在实际的PROFIBUS工业通信网络中,出于对信号传输过程中阻抗匹配的考虑,在网络的末端需要并接阻值为220欧姆的终端电阻。为此本应用在硬件上做了兼容性设计,通过在RS485A、B线上并接拨码开关来实现对终端电阻的选择性接入,使本从站可以作为通信网络中的中间节点弃掉终端电阻,也可以作为末端节点而接入终端电阻,而无需在硬件上做任何改动,使之具有一定的通用性。
    作为PROFIBUS工业通信网络的物理层RS485,在没有任何信号驱动总线的情况下,使A和B之间的电平趋近于0,此时收发器的输出状态不确定,为此设法让总线保持定态,本应用采取的解决方案是增加偏置电阻,使B线上拉,A线下拉,如图1的R19和R20,目的是在网络上产生足够的直流偏差电流来维持B和A之间最小200mV电压。
    考虑到工业现场设备需要长期、高可靠的运行在电、磁等多种干扰强烈的恶劣工况环境下,尤其作为工业总线需要长距离、大范围的进行网络搭建,受各种干扰几率大大增加,所以在接口处进行了两级的防雷击浪涌设计。在第一级采用防雷管,其快速反映特性可以使雷击过电压被迅速释放;中间采用热敏电阻对第二级进行有效的隔离;第二级采用瞬态电压抑制器,利用其反向击穿特性来保证电路内部芯片不被损坏。
4 PROFIBUS智能从站的软件设计
    软件上采用ANSIC语言,在Microchip公司的MPLAB8.0开发环境下完成了全部程序的编制。主程序实现了数字信号控制器的初始化、SPC3芯片的寄存器配置、并对总线上发来的数据进行判别读取,并发送应答数据。主程序流程图及中断程序流程图如下:
      

       图2 主程序流程图                   图3 中断程序流程图
    数字信号控制器通过连接外部中断到SPC3芯片,来识别外部中断。在中断程序中,通过读取SPC3内部中断请求寄存器来判断当前中断内容,并做出相应处理,以确保从站在依照状态机工作流程的前提下,顺利进入数据交换状态,并正常工作。
5 PROFIBUS智能从站的工作原理
    PROFIBUS工业通信网络具有主从结构,主站之间通过令牌传递规程,主站与从站之间通过轮询方式进行周期性数据交换(DPV0协议)。根据PROFIBUS-DP协议可知,PROFIBUS-DP的状态机决定了DP从站在每种情况下的行为以保证它符合一致性,SPC3芯片内部完全集成了状态机,如图4所示


    图4   PROFIBUS-DP状态机模型
    在Power-On状态,数字信号控制器对SPC3芯片进行初始化、寄存器配置,随后从站将被“激活”,之后从站能从二类主站接收Set_Slave_Addr报文来改变它的地址,然后从站进入Wait_Prm状态,等待参数化,此状态从站还可以接收Slave_Diag,Get_Cfg报文。完成参数化后,从站进入Wait_Cfg状态,等待Chk_Cfg报文,另外还可以接收Slave_Diag,Set_Prm,Get_Cfg报文。如果Chk_Cfg完成后,从站将进入DATA_EXCH状态,与主站进行周期性数据交换。此时从站还可以接收Slave_Diag,Chk_Diag,Get_Cfg等报文,若组态和数据交换不成功,就会返回到参数化阶段,重新执行以上过程。
6 结束语
    本文简要介绍了PROFIBUS工业总线的发展和特点,并将笔墨着重放在PROFIBUS智能从站的软硬件设计上,尽量让大家对从站的开发有一个系统的了解。笔者先前进行了基于51单片机+SPC3的从站开发,随后将全部软件移植到DSPIC5011数字信号控制器下,在整个开发过程中,软件调试的工作量较大,也相对要复杂一些,硬件设计相对要简单得多。同时工业总线接口作为工业产品的通用性需求,在公司其他产品上亦会得到应用,如对本文感兴趣者,欢迎交流,相互促进,共同提高。
 


社会责任
振兴民族装备制造业,提升我国国际竞争力