摘  要:从开发的角度讨论了利用西门子公司的Development Kit 4开发包" title="开发包">开发包实现PROFIBUS-DP" title="PROFIBUS-DP">PROFIBUS-DP现场总线通讯接口" title="通讯接口">通讯接口硬件和软件的方法，并介绍了PROFIBUS-DP开发包中的一些重要组件和DPS2的使用。

　　关键词: PROFIBUS-DP  IM183-1  SPC3  DPS2  接口

　　现场总线技术是实现现场级设备数字化的工业现场层网络通信技术，它具有较强的现场信息集成能力，组成的系统可靠性高、可维护性好，而且总线协议是开放的。在现有的各种现场总线标准中，PROFIBUS现场总线是一种很流行的现场总线标准，占有很大的市场份额，而且在逐年地增加。鉴于这种情况，如何为一个设备开发一个PROFIBUS的通讯接口，使设备能接到PROFIBUS现场总线的网络中就显得尤为重要，而且近年来国内关于这方面的系统介绍很少。

1 PROFIBUS现场总线

　　PROFIBUS 是一种开放式现场总线系统，应用领域包括工业、加工制造、过程控制和楼宇自动化等各个领域。PROFIBUS是国际化的现场总线标准，即EN50170欧洲现场总线标准。该标准保证了PROFIBUS不依赖于个别厂商的开放性。

　　PROFIBUS由3部分组成:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、ROFIBUS-PA，FMS主要用于车间级控制网络，是一种令牌结构和实时的多主网络;DP是一种高速的低成本通讯连接，用于设备级控制系统与分散式I/O通信;PA是专为过程化而设计的，可将传感器和执行机构连在一根总线上，具有本征安全规范。

　　PROFIBUS-DP主要用于现场设备，有较高的实时性，数据传输速率" title="传输速率">传输速率为9.5kbit/s~12Mbit/s，响应时间为几百微秒到几百毫秒，传输技术主要用RS485，传输介质是双绞线和光纤。

PROFIBUS的协议实现可通过PROFIBUS的专用协议芯片与微处理器的结合来完成，本文主要讨论利用PROFIBUS-DP专用开发包来实现DP从站的硬件和软件。

2 PROFIBUS-DP通讯接口开发工具

　　PROFIBUS现场总线通讯接口开发工具是西门子公司的Development Kit 4开发包，它可使用户将所选设备连接到PROFIBUS-DP上，进行通信原理级测试，开发包主要由硬件组件和软件组件组成，硬件组件包括IM183-1从站接口模块" title="接口模块">接口模块、IM180主站接口模块、IM184从站接口模块及总线连接器等附件。使用这些主站和从站接口模块及设备可组成具有完整的总线功能的网络。软件组件包括IM183-1模块的固态程序、COM PROFIBUS总线组态软件及演示软件。在接口开发包中，IM183-1从站接口模块、COM PROFIBUS总线组态软件及ASIC协议芯片SPC3是最重要的。

2.1 IM183-1从站接口模块

　　IM183-1从站接口模块可将第三方设备作为智能从站连接到PROFIBUS-DP上，最大数据传输速率为12Mbit/s，可自动检测总线数据传输速率。IM183-1从站接口模块主要由ASIC芯片SPC3、80C32微处理器、EPROM、RAM和一个用于PROFIBUS-DP的RS-485接口组成，还包括一个RS232接口和连接设备的接口，PROFIBUS协议由ASIC芯片SPC3来处理。

2.2 COM PROFIBUS总线组态软件

　　COM PROFIBUS是用于PROFIBUS现场总线的组态软件，可以组成PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS总线系统的控制网络，可以配置主站与从站，直接读取从站与主站的输出、输入数据，设置总线数据传输速率等功能，更重要的是它可以测试带有自主开发的通讯接口的设备。

　　COM PROFIBUS和其它一些组态软件的不同之处是:组建控制网络的设备都是通过读取GDS文件将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。GDS文件是电子设备数据文件，为了将不同厂家的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件方式提供这些产品的功能参数。GSD文件应该包括三个部分:总体规范(生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率等)、与DP有关的规范(主站的各项参数)、与DP从站有关的规范(输入输出通道数、类型、诊断数据等)。目前有专用PROFIBUS GDS编辑器软件。

2.3 SPC3协议专用芯片

　　ASIC协议芯片SPC3是一种用于从站的智能通讯芯片，它支持PROFIBUS-DP协议，IM183-1接口模块用的就是SPC3。SPC3集成了1.5Kbyte的信息报文存储器、方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器以及各种缓存器指针和缓冲区等，采用44管脚PQFP封装，SPC3可独立完成全部PROFIBUS-DP通讯协议，可减少接口模块微处理器中的软件程序。总线存取由硬件驱动，而且数据的交换独立于总线周期。SPC3最大数据传输率为12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输率，与80C32、80X86、80C166、80C167及HC16、HC11、HC916系列微处理器兼容。SPC3的方式寄存器0设置PROFIBUS-DP的操作方式，如SYNC、FREEZE等，方式寄存器1可动态改变状态。SPC3中还集成了保护监视定时器(Watchdog)，防止微处理器出现故障而危及外围设备，SPC3有一个公共的中断输出，可以通过读取中断寄存器来判断中断源的性质。SPC3有较多的中断源，如NEW_SSA_DATA、NEW_CFG_DATA，NEW_PRM_DATA、NEW_GC_COMMAND等，作为SPC3的核心，微顺序控制器会控制整个过程。SPC3的UART可将并行数据流变换成串行数据流，也可以将串行数据流变换成并行数据流。

3 PROFIBUS-DP通讯接口开发的实现

　　利用西门子公司的Development Kit 4PROFIBUS-DP开发包来实现PROFIBUS-DP通讯接口，包括软件和硬件两部分。

3.1  硬件部分的实现

　　针对智能PROFIBUS-DP从站，有两种实现方法，一种是利用开发包中所带的IM183-1从站接口模块来实现，这种方法能减少自主开发时间，但灵活性不高，不能满足复杂智能从站;另一种方法是直接用微处理器、SPC3芯片及一些外设来实现通讯接口，这种方法较复杂，但较为灵活，能满足各种需要，下面分别介绍这两种方法。

　　利用IM183-1接口模块实现，要清楚模块对设备的接口以及它自身的结构。模块对设备的接口原理框图如图1所示，其中最主要的是IM183-1对设备的接口情况，对设备的接口为一个50针的连接口，主要包括12条地址线ABD(11:0)、8条高位地址线ABD(7:0)、两条片选信号线(XCS1，XCS2)、读写信号线(XRD，XWR)、设备复位输入和IM183-1复位输出信号线(XREDIN，XREOUT)、设备的中断输入线(XINT)以及URAT信号线(RXD，TXD，RTS，CTS)等，其中有些线是复用的。

　　另一种方法是直接用微处理器、SPC3芯片及一些外设来实现通讯接口。图2所示为从站的硬件框图，其中较重要的是SPC3与微处理器的连接。图3是80C32微处理器与SPC3的连接，它们之间是通过16位地址线和8位数据线进行数据交换，外扩了程序存储器(EPROM)和数据存储器(RAM)，数据线和地址线复用，通过地址锁存器完成。RS485总线驱动一侧与主站连接，另一侧通过光耦与SPC3连接，必须满足PROFIBUS-DP的最大数据传输速率为12Mbit/s这一要求。能满足这一要求的总线驱动芯片有SN65ALS1176、SN75ALS176等，光耦有HCPL7101、HCPL7721、HCPL0721等。采用双口RAM(DPRAM)连接微处理器和从站设备，可节省微处理器的资源，提高接口的通讯速度，而且通过双口RAM内部的仲裁机制可防止对同一地址同时进行读和写的操作。双口RAM可采用MB8441-55、CY7C130/CY7C131等，如果是十六位数据时，可采用两片并联。另外，PROFIBUS-DP采用的是屏蔽双绞线，推荐使用具有下面参数的电缆:阻抗为135~165Ω;电容<30pF/m;回路电阻110Ω;导线面积>0.34mm2;线规为0.64mm，这有助于改善电磁兼容性。

3.2  软件部分的实现

　　PROFIBUS-DP的状态机构能保证DP站在每种情况下行为的一致性，SPC3内部集成了状态机构，用户对状态机构的控制是很有限的。下面对PROFIBUS-DP的状态机构做简单的介绍。

　　在POWER-ON状态，从站能从两类主站接收Set_Slave_ Add电文来改变它的地址，然后从站进入WAIT-PRM状态，等待参数化。另外，此状态从站还可以接收Get_Cfg、Slave_Diag电文。参数化完成后，从站进入WAIT-CFG状态，等待Chk_Cfg电文，另外还可以接收Slave_Diag、Set_Prm、Get_Cfg电文。如果Chk_Cfg完成后，从站将进入DATA-XCHG状态，进行数据通讯，此时从站还可以接收Writing_Outputs Reading_Inputs、Global_Control、Slave_Diag、Chk_Diag、Get_Cfg电文。若组态和数据交换不成功，就会返回到参数化阶段(WAIT-PRM)。

　　PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP协议，并能完全处理PROFIBUS-DP状态机构，因此微处理器不需要考虑状态机构，主要任务是根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站输出数据进行处理，还要处理通过SPC3发给主站的数据，以及完成各种外部诊断等。

　　在Development Kit 4PROFIBUS-DP开发包中，包括DPS2固态程序，利用它可以方便地设置方式寄存区、状态寄存区、中断寄存区以及各个缓冲区，并能根据初始化求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针等功能。图4给出了利用DPS2实现的主程序的流程图。首先利用开发包中的DPS2对SPC3进行初始化，然后启动SPC3，通过SPC3进行主站和从站的数据交换，处理外部诊断。

　　本文从开发的角度讨论了利用Development Kit 4开发包来实现PROFIBUS-DP现场总线通讯接口硬件和软件的方法。PROFIBUS-DP对数据传输速度有较高的要求，在器件的选用上，要给予充分的考虑。在进行软件的设计中，必须非常清楚各个模块和芯片的内部机理及DPS2的使用。使用本文所讨论的方法，在自主开发的设备配上PROFIBUS-DP接口，很好地满足了相关行业的需要，具有广泛的应用前景。

参考文献

1 IM 183-1 PROFIBUS Interface Module.Siemens，1996

2 SPC3 and DPS2 User Description.Siemens，1996

3 PROFIBUS Development Kits Manuals.Siemens，1998

4 COM PROFIBUS  Manual.Siemens，1999 

5 Germany PRIFIBUS Interface Center/Lab.Manfred Popp The Rapid Way to PROFIBUS-DP，1997

6 唐济扬.现场总线(PROFIBUS)技术应用指南.中国现场总线(PROFIBUS)专业委员会，1998

7 郝 丽，王兴东.PROFIBS-DP从站开发研究.机械工业学院学报，2000；15(1)