1 序言
隨著通信技術 ,計算機網(wǎng)絡技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的不斷推廣和應用 ,工業(yè)控制過程對現(xiàn)場信號的采集、傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提出了更新更高的要求 ,現(xiàn)有的 DCS 系統(tǒng)和 PLC 系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這些要求。由于數(shù)字通信技術、網(wǎng)絡技術和微處理器技術的迅猛發(fā)展 ,把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號混合的系統(tǒng)變成全數(shù)字信號系統(tǒng)成為可能 ,現(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的 ,并成為當前工業(yè)過程控制領域的焦點。PROFIBUS 是德國開發(fā)的一種現(xiàn)場總線標準 ,得到歐洲許多大制造商的支持 ,并在國際上得到越來越多的推廣和應用。然而 ,在工業(yè)過程控制現(xiàn)場 ,原有設備大多只具有RS2 3 2 通信接口 ,因此 ,為了在原有設備的基礎上實現(xiàn)現(xiàn)場分布式控制 ,必須開發(fā) RS232與PROFIBUS 現(xiàn)場總線的接口單元。本文詳細論述了接口單元的硬件實現(xiàn)和軟件結構。
2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的基本特性
PROFIBUS 現(xiàn)場總線具有物理層 ,數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。它基于令牌協(xié)議加主從總線的介質(zhì)存取方式 ,主站以主從方式與從站通信 ,各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權 ,令牌協(xié)議的制定包含優(yōu)先級、狀態(tài)轉(zhuǎn)移和令牌移交等技術問題。網(wǎng)絡結構如圖 2— 1 所示。
圖 2— 1 PROFIBUS 網(wǎng)絡結構
PROFIBUS 現(xiàn)場總線的物理層遵循 RS485 標準 ,數(shù)據(jù)傳輸速率為 9. 6 ～ 50 0 k Baud, 傳輸最長距離為4800 m,最多可支持120個站點的可靠數(shù)據(jù)通信 3 接口單元的主要功能特性接口單元的主要功能是使具有RS232接口的現(xiàn)場設備作為從站與 PROFIBUS 現(xiàn)場總線連接 ,從而使各個不相容的現(xiàn)場設備實現(xiàn)開放互連通信 ,接口單元遵循 PROFIBUS 的物理層 ,數(shù)據(jù)鏈路層和應用層標準 ,并給用戶提供應用層接口。
3 接口單元的主要功能特性
接口單元的主要功能是使具有 RS232接口的現(xiàn)場設備作為從站與 PROFIBUS 現(xiàn)場總線連接 ,從而使各個不相容的現(xiàn)場設備實現(xiàn)開放互連通信 , 接口單元遵循 PROFIBUS 的物理層 ,數(shù)據(jù)鏈路層和應用層標準 ,并給用戶提供應用層接口。
4 硬件實現(xiàn)
接口單元的硬件原理如圖 4— 1 所示 ,接口單元的核心為intel 公司生產(chǎn)的16位微處理器 80 C1 96,主頻為 12 MHz; 用 82 51 USART 和 MAX2 3 2 發(fā)送 / 接收器產(chǎn)生 RS232接口,并用 751 76 光電耦合發(fā)送 / 接收器產(chǎn)生與 PROFIBUS 現(xiàn)場總線相連的 RS485 接口,考慮到標準PROFIBUS 的傳輸速率,微處理器外部時鐘輸入通過82 54 定時器接入8MHz 的外部時鐘 ; 時鐘例行程從64K 的EPROM裝入16K的RAM 。從站接口單元用一片2K的 ZPRAM 來存儲通信參數(shù)設置,比如總線參數(shù) ,通信關系表和重要事件等。參數(shù)的設置可以由 PC 機或便攜式電腦通過 RS2 3 2 接口來實現(xiàn)。在參數(shù)設置期間 ,使用跨接線關閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 運行方式 , 從站和 PROFIBUS 的狀態(tài)可以分別由一個兩位數(shù)字顯示器和一個LED來實現(xiàn)。
5 從站接口單元的軟件結構
在上述硬件的基礎上,我們就可以著手開發(fā)從站單元的軟件,這里必須申明 ,上述的硬件結構同樣支持主站 ,從站接口單元軟件包除包含PROFIBUS現(xiàn)場總線的物理層、鏈路層和應用層外,還包括應用層接口。整個軟件包由以下
圖 4— 1 接口單元的硬件結構
3 個模塊組成。
· 物理層 , 鏈路層和應用層的協(xié)議軟件 ;
· 初始化設定 , 事件記錄和顯示模塊 ;
· 應用層接口模塊。
下面對每個模塊的功能與結構予以闡述。
5.1 協(xié)議軟件
由于所開發(fā)的接口單元在網(wǎng)絡中處于從站的位置 , 因此它沒有直接訪問總線權。協(xié)議軟件實現(xiàn)了所有 FDL (Fieldbus Data L ink) 服務功能 , 它是映射應用層 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 服務所不可缺少的。總線參數(shù)諸如地址、波特率和槽時間等均可在協(xié)議安裝時由用戶設定。微處理器的計時器用于從站的空閑、超時和同步計時。報文的發(fā)送和接收是通過中斷進行控制的。由于 PROFIBUS 總線的最高傳輸速率為 50 0 k Baud, 在 FDL 層上 , 總是在收到報文的 STOP 字節(jié)標志后 , 才對報文進行處理的。在空報文的情況下 , 處理過程需要 80 0 ～ 90 0 μS, 一般情況下 , 處理過程需要 1 ～ 4ms, 例如初始化服務就需要 4ms, 因此 , 整個系統(tǒng)的槽時間最少需要 5-1 0 ms 。應用層模塊包括 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 和 LL I(Low L evel Interface) 兩個子層模塊。 FMS 模塊的主要功能是對來自 AL I(Aplication L ayer Interface) 的服務請求進行處理并將其傳送給 PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡 ; 同時 , 對來自網(wǎng)絡底層的報文進行譯碼處理并將其傳送給 AL I 。通常 , 從站接口單元的應用層軟件只實現(xiàn)了 FMS 所規(guī)定的部分服務功能 , 但可以根據(jù)用戶的需要進行有選擇性的擴充。除規(guī)定的上下文管理服務 ( 初啟、異常終止、拒收等 ) 外 , 一般還包括變量存取服務 ( 讀、寫、情況匯報等 ) 、事件管理服務 ( 事件通知及確認事件通知 ) 和對象目錄管理服務。雖然象事件管理服務等并不是從站必須具有的服務功能 , 但考慮到實際應用的需要 , 在 L L I 子層模塊內(nèi) , 允許從站具有一定的主動性 , 因為這樣避開了令牌管理機制的限制 , 在從站內(nèi)實現(xiàn)比在主站內(nèi)實現(xiàn)具有更大的方便性和靈活性。從站一定限度的主動性是通過附加功能塊來實現(xiàn)的。如果從站接到主站的輪詢請求 , 它將主動為主站提供必要的服務。不過 , 在這種情況下 , 只有那些超越 FMS 規(guī)定的服務功能才是有效的。
5.2 初始化設定 , 事件記錄和顯示模塊
為了方便用戶安裝從站單元 , 在關閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 的情況下 , 用戶可以通過 RS2 3 2 接口用 PC 機對其進行初始化。初始化設定模塊完成必要的參數(shù)設置和事件管理 , 并在 ZPRAM 內(nèi)設置通信關系表和總線參數(shù)。事件記錄模塊主要完成對過去一定數(shù)量的事件進行跟蹤記錄 , 比如 RS2 3 2 和 RS485 通信錯誤 ( 奇偶校驗錯誤、幀錯誤和溢出 ) 及其發(fā)生時間。顯示模塊負責通過 L ED 和數(shù)顯對總線和從站單元的狀態(tài)進行顯示。
5.3 應用層接口模塊
應用層接口負責把實際現(xiàn)場對象映射為 PROFIBUS 能辨認的通信對象 , 并把服務請求發(fā)送給通信系統(tǒng)。
6 結束語
針對現(xiàn)存現(xiàn)場設備大多只具有 RS2 3 2 通信接口 , 為使它們能以節(jié)點的方式與現(xiàn)場總線連接 , 本文以 PROFIBUS 現(xiàn)場總線為例 , 設計開發(fā)了一種從站接口單元。在實際中 , 用它對多臺擁用 MPDC 型驅(qū)動器 ( 具有 RS2 3 2 接口 ) 的鉆床控制系統(tǒng)進行了改造 , 完成了預定的通信和控制功能 , 取得了滿意的效果。筆者相信 , 這對在原有設備的基礎上實現(xiàn)現(xiàn)場總線分布式控制具有重要參考意義。
（轉(zhuǎn)載）
