1、引言

Profibus技術以其卓越的性能在全世界贏得了廣泛的用戶群。Profibus技術及其產品已經進入中國，在我國的制造業、流程工業、冶金、電力、交通、水利、食品加工、環保、樓宇和鐵路自動化領域都有應用實例。國外先進技術和產品進入中國市場在一定程度上帶動了我國儀表技術的發展。我國參與 Profibus總線技術研究開發應用的企業和科研機構有二十多家。研究Profibus總線協議和開發技術，開發Profibus產品，在中國的市場有著較大的發展前途。

Profibus總線標準包括3個方面內容：FMS，DP，PA;適用于不同的應用領域。DP是目前歐洲乃至全球應用最廣泛的總線系統;安裝簡單、拓撲結構多樣、易于實現冗余、通信實時可靠、功能比較完善，卓越的性能使得它適用于各種工業自動化領域，DP協議規定了用戶數據怎樣在總線各站之間進行傳遞，而DP行規具體說明用戶數據的含義，并規定了DP如何在應用領域使用。利用行規，設備操作者和最終用戶可以互換不同生產廠商生產的設備，甚至還允許互換不同廠商生產的部件，這大大降低了用戶的工程和維護成本。DP從站只使用了DP協議的很小一部分，開發起來十分經濟。

2、智能從站通信接口芯片SPC3

Profibus的通信協議比較復雜。從原則上講，它可以在任何微處理器上由軟件實現，只需安裝異步串行收發器（UART）。但現在開發人員只要使用專用的通信處理芯片，完全可以將復雜協議撇開。Profibus通信協議芯片已形成廣泛系列，使用這些協議芯片使Profibus協議的具體實現簡單、方便、省時、省力，還可達到快速提供產品的目的。適合于智能從站的ASIC種類較多，如IAM公司的PBS，Motorola公司的68302、 68360，SIEMENS公司的SPC4、SPC3，VIPA公司的VPC3+、VPM2L等，其中的SPC3通信協議芯片比較有代表性。想利用其它芯片的開發人員可以參考Profibus組織的網站。

SPC3的內部結構示意圖見圖2—1。SPC3集成了DP協議中的FDL層，可以承擔通信部分的微處線接口是個可參數化的同步/異步8位接口，適合于Motorola和Intel的微控制器/處理器。內部集成了1.5K的雙口RAM，整個 RAM采用8字節的段結構方式，分成192段，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開頭。DP通信的服務存取點由SPC3自動建立，各種報文信息呈現在用戶面前的是不同BUF的內部數據。用戶可以通過總線接口訪問SPC3內部RAM。

SPC3內部集成一個看門狗定時器，操作于3種不同的狀態：波特率監測，波特率控制和DP控制。內部的UART實現串并數據流的相互轉變，SPC3可以自動標識總線的波特率（9.6K～12M）。空閑定時器控制串行總線電纜上的總線定時。微序列器（MS，Micro Sequencer）控制整個SPC3的工作過程。

在SPC3的內部1.5KRAM中，自己用到了64個字節。這64個字節大多需要用戶設定，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長度和指針、標識字等;還有一部分是SPC3的各種狀態指示用寄存器，如中斷字、輸入BUF狀態、輸出BUF狀態、診斷BUF狀態等。還有些寄存器在寫入時作為工作模式設定寄存器，而讀出時作為狀態指示用寄存器，如中斷請求寄存器。RAM的其它1472 個字節是提供給各種BUF的空間。SPC3具有3個輸入BUF，3個輸出BUF，2個診斷BUF，2個輔助BUF，1個配置BUF，1個參數BUF和1個地址設置BUF。當SPC3工作前，過程特定的參數（如站地址、標識號、各種控制位等）要輸入到特定的寄存器單元之后SPC3才能正常。（具體的過程見 SPC3初始化程序）［page］

3、通信接口的硬件設計

SPC3 可以與各種的微處理器連接使用，如Mo-torola的HC11、HC16及HC916，Intel的51、96系列。總線接口單元形成SPC3到各種微處理器的接口，它是一個有11條地址線的8位數據接口，可以通過配置與上述兩種類型的處理器匹配。配置是借助于SPC3的兩個輸入引腳—— XINT/MOT和MODE進行的。XINT/MOT表示Intel和Motorola芯片類別。MODE表示SPC3的工作模式，包括同步和異步。工作于同步模式時，SPC3的XREADY（請求外部等待）引腳無效。

開發中使用的微處理器是80C196，其與SPC3的接口電路如圖3—1。應當注意的是SPC3在使用Intel芯片并工作于同步模式時，內部有自己的地址鎖存及解碼電路，所以CPU的低8位地址線不經過573鎖存器直接與 SPC3連接（低8位地址線與8位數據線分時共用傳輸線）。而CPU的高8位地址線直接與SPC3的AB0-AB7相連，且必須為00000XXX（X表示0、1信號都行），AB8-AB10必須為低。此時片選信號輸入引腳不起作用，應當將其接至高電平。

CPU與SPC3通過SPC3的RAM交換數據，SPC3的雙口RAM應在CPU地址空間中統一分配地址。CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。CPU采用P3和P4口擴展外部存儲器，P3口作為數據和低8位地址線，P4口作為高8位地址線。

SPC3與通信接口的電路示意圖見圖3—2。SPC3用于串行通信的4個管腳分別為XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS的含義為清除發送，是 SPC3的輸入信號，表示允許SPC3發送數據。此信號低電平有效，應一直接低電平。RTS為SPC3的請求發送信號，其最終接到收發器的輸出使能端。 RXD和TXD分別為串行接收和發送端口。

為提高系統的抗干擾性，SPC3內部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入輸出通道上的電氣隔離，采用了6N137高速光耦。電源的電氣隔離，采用了DCP0505這種5V到5V的隔離轉換電源。

Profibus通信協議保障了通信的高可靠性，但這以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口設計時，必須遵循一定的規范，如信號的隔離，總線接口與收發間避免線路過長，電源的濾波處理，收發器和光耦的限流電阻和負載電阻必須與收發器光耦配合適當等。

采用的高速光耦為6N137，收發器為SN75ALS176，通信速率可達6M波特率，可用于大部分的應用系統。如果用戶需要更高的通信速率，可以將光耦換作可達25M波特率的HCPL-7720/7721。

4、通信接口的軟件設計

應用程序。程序采用結構化編程思想，以便于以后的功能拓展。SPC3 的初始化程序應放在具體IO應用的前面;SPC3的中斷輸出作為CPU的中斷輸入，對于C196來說，采用的是外部中斷，中斷入口地址為200EH。

在SPC3正常工作之前，必須進行初始化，以配置各個需要的寄存器。初始化程序功能結構見圖4—1。

中斷處理程序用于完成SPC3發生的各種事件的處理。主要有新的參數報文事件，全局控制命令報文事件，進入或退出數據交換狀態事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，監測到波特率事件和看門狗溢出事件。

數據輸入和輸出處理（輸入輸出相對于主站而言）以及用戶診斷數據輸入可以放在應用程序循環中。在一個應用循環中，由應用來刷新輸入BUF中的數據，保障所有輸入數據是最新更新的數據。而SPC3在接收到由Profibus主站傳送的不同輸出數據時，會產生輸出標志位（同樣位于中斷請求字單元），CPU通過在應用循環中輪詢標志位來接收主站數據。相對于特定應用的診斷信息，需要實時傳遞到主站;主應用程序在應用循環中判斷是否有可用的診斷BUF存在，當有空閑BUF時，應用程序輸入診斷信息并請求更新。對于實時性要求嚴格的系統，應采用中斷方式進行輸出數據和診斷數據處理。

5、結論

為驗證所設計從站的Profibus功能及系統性能，需要確定實驗方案并組建實驗網絡。實驗中使用的主站采用SIEMENS的IM180主站模塊和 DPMT主站軟件。IM180附以主站軟件可以實現對從站的狀態監控及控制。實驗還需要建立自定義從站的GSD文件，目的是為了使用開放的組態工具組態。使用SIEMENS的GSD-EditorV2.1建立定制從站的GSD文件，可以減少定制GSD的周期，并能保證文件格式的正確性。

實驗中采用的總線波特率為6M，連接器采用SIEMENS提供的接線器和自己設計的連接器。主站與從站可以保持可靠的通信。主站對從站發送的“從站地址設置”命令，從站可以正確的接收并處理，對從站的特別工作模式設定是通過全局命令完成，包括對從站鎖定和同步的命令。實驗結果表明這些功能都得到較好實現。

不同波特率下所達到的通信距離也是Profibus規范的一個重要指標。本實驗中采用屏蔽雙絞線驗證從站的這一特性。表5—1為實驗所達到的指標。

以上實驗表明，所設計的從站完全符合Profibus標準。網絡的數據傳送速率可達6Mbps，且運行穩定，可以滿足大多數應用的需求。

開發過程也證明了利用Profibus通信協議進行Profibus產品開發，可以極大地節約時間和人力。 SPC3芯片的使用方法簡單，功能相對完善，可以滿足智能DP從站的通信接口設計。

責任編輯：gt