1 序言
隨著通信技術(shù) ,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的不斷推廣和應(yīng)用 ,工業(yè)控制過(guò)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,把傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)混合的系統(tǒng)變成全數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)成為可能 ,現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下產(chǎn)生的 ,并成為當(dāng)前工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的焦點(diǎn)。PROFIBUS 是德國(guó)開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) ,得到歐洲許多大制造商的支持 ,并在國(guó)際上得到越來(lái)越多的推廣和應(yīng)用。然而 ,在工業(yè)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng) ,原有設(shè)備大多只具有RS2 3 2 通信接口 ,因此 ,為了在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分布式控制 ,必須開(kāi)發(fā) RS232與PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線的接口單元。本文詳細(xì)論述了接口單元的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件結(jié)構(gòu)。
2 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線的基本特性
PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線具有物理層 ,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(quán) ,令牌協(xié)議的制定包含優(yōu)先級(jí)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移和令牌移交等技術(shù)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2— 1 所示。
圖 2— 1 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層遵循 RS485 標(biāo)準(zhǔn) ,數(shù)據(jù)傳輸速率為 9. 6 ～ 50 0 k Baud, 傳輸最長(zhǎng)距離為4800 m,最多可支持120個(gè)站點(diǎn)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(chǎng)設(shè)備作為從站與 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線連接 ,從而使各個(gè)不相容的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn) ,并給用戶提供應(yīng)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(chǎng)設(shè)備作為從站與 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線連接 ,從而使各個(gè)不相容的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn) ,并給用戶提供應(yīng)用層接口。
4 硬件實(shí)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(chǎng)總線相連的 RS485 接口,考慮到標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS 的傳輸速率,微處理器外部時(shí)鐘輸入通過(guò)82 54 定時(shí)器接入8MHz 的外部時(shí)鐘 ; 時(shí)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(lái)存儲(chǔ)通信參數(shù)設(shè)置,比如總線參數(shù) ,通信關(guān)系表和重要事件等。參數(shù)的設(shè)置可以由 PC 機(jī)或便攜式電腦通過(guò) RS2 3 2 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。在參數(shù)設(shè)置期間 ,使用跨接線關(guān)閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 運(yùn)行方式 , 從站和 PROFIBUS 的狀態(tài)可以分別由一個(gè)兩位數(shù)字顯示器和一個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5 從站接口單元的軟件結(jié)構(gòu)
在上述硬件的基礎(chǔ)上,我們就可以著手開(kāi)發(fā)從站單元的軟件,這里必須申明 ,上述的硬件結(jié)構(gòu)同樣支持主站 ,從站接口單元軟件包除包含PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層、鏈路層和應(yīng)用層外,還包括應(yīng)用層接口。整個(gè)軟件包由以下
圖 4— 1 接口單元的硬件結(jié)構(gòu)
3 個(gè)模塊組成。
· 物理層 , 鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)議軟件 ;
· 初始化設(shè)定 , 事件記錄和顯示模塊 ;
· 應(yīng)用層接口模塊。
下面對(duì)每個(gè)模塊的功能與結(jié)構(gòu)予以闡述。
5.1 協(xié)議軟件
由于所開(kāi)發(fā)的接口單元在網(wǎng)絡(luò)中處于從站的位置 , 因此它沒(méi)有直接訪問(wèn)總線權(quán)。協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)了所有 FDL (Fieldbus Data L ink) 服務(wù)功能 , 它是映射應(yīng)用層 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 服務(wù)所不可缺少的?？偩€參數(shù)諸如地址、波特率和槽時(shí)間等均可在協(xié)議安裝時(shí)由用戶設(shè)定。微處理器的計(jì)時(shí)器用于從站的空閑、超時(shí)和同步計(jì)時(shí)。報(bào)文的發(fā)送和接收是通過(guò)中斷進(jìn)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(bào)文的 STOP 字節(jié)標(biāo)志后 , 才對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理的。在空?qǐng)?bào)文的情況下 , 處理過(guò)程需要 80 0 ～ 90 0 μS, 一般情況下 , 處理過(guò)程需要 1 ～ 4ms, 例如初始化服務(wù)就需要 4ms, 因此 , 整個(gè)系統(tǒng)的槽時(shí)間最少需要 5-1 0 ms 。應(yīng)用層模塊包括 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 和 LL I(Low L evel Interface) 兩個(gè)子層模塊。 FMS 模塊的主要功能是對(duì)來(lái)自 AL I(Aplication L ayer Interface) 的服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行處理并將其傳送給 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò) ; 同時(shí) , 對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)底層的報(bào)文進(jìn)行譯碼處理并將其傳送給 AL I 。通常 , 從站接口單元的應(yīng)用層軟件只實(shí)現(xiàn)了 FMS 所規(guī)定的部分服務(wù)功能 , 但可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行有選擇性的擴(kuò)充。除規(guī)定的上下文管理服務(wù) ( 初啟、異常終止、拒收等 ) 外 , 一般還包括變量存取服務(wù) ( 讀、寫(xiě)、情況匯報(bào)等 ) 、事件管理服務(wù) ( 事件通知及確認(rèn)事件通知 ) 和對(duì)象目錄管理服務(wù)。雖然象事件管理服務(wù)等并不是從站必須具有的服務(wù)功能 , 但考慮到實(shí)際應(yīng)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(dòng)性 , 因?yàn)檫@樣避開(kāi)了令牌管理機(jī)制的限制 , 在從站內(nèi)實(shí)現(xiàn)比在主站內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有更大的方便性和靈活性。從站一定限度的主動(dòng)性是通過(guò)附加功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果從站接到主站的輪詢請(qǐng)求 , 它將主動(dòng)為主站提供必要的服務(wù)。不過(guò) , 在這種情況下 , 只有那些超越 FMS 規(guī)定的服務(wù)功能才是有效的。
5.2 初始化設(shè)定 , 事件記錄和顯示模塊
為了方便用戶安裝從站單元 , 在關(guān)閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 的情況下 , 用戶可以通過(guò) RS2 3 2 接口用 PC 機(jī)對(duì)其進(jìn)行初始化。初始化設(shè)定模塊完成必要的參數(shù)設(shè)置和事件管理 , 并在 ZPRAM 內(nèi)設(shè)置通信關(guān)系表和總線參數(shù)。事件記錄模塊主要完成對(duì)過(guò)去一定數(shù)量的事件進(jìn)行跟蹤記錄 , 比如 RS2 3 2 和 RS485 通信錯(cuò)誤 ( 奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤和溢出 ) 及其發(fā)生時(shí)間。顯示模塊負(fù)責(zé)通過(guò) L ED 和數(shù)顯對(duì)總線和從站單元的狀態(tài)進(jìn)行顯示。
5.3 應(yīng)用層接口模塊
應(yīng)用層接口負(fù)責(zé)把實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象映射為 PROFIBUS 能辨認(rèn)的通信對(duì)象 , 并把服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給通信系統(tǒng)。
6 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)現(xiàn)存現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大多只具有 RS2 3 2 通信接口 , 為使它們能以節(jié)點(diǎn)的方式與現(xiàn)場(chǎng)總線連接 , 本文以 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線為例 , 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種從站接口單元。在實(shí)際中 , 用它對(duì)多臺(tái)擁用 MPDC 型驅(qū)動(dòng)器 ( 具有 RS2 3 2 接口 ) 的鉆床控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造 , 完成了預(yù)定的通信和控制功能 , 取得了滿意的效果。筆者相信 , 這對(duì)在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線分布式控制具有重要參考意義。
（轉(zhuǎn)載）
