基于VPC3的PROFIBUS-DP智能从站设计

　　摘要：本文根据PROFIBUS-DP总线的应用情况， 提出了PROFIBUS-DP智能从站的设计和实现方法。从电子产品设计角度介绍了使用VIPA公司的PROFIBUS-DP协议芯片VPC3和C8051单片机进行PROFIBUS-DP智能从站的开发方法，给出了详细的电路图和软件设计流程。系统简化了硬件电路，可以把普通电子产品联入到PROFIBUS-DP总线网络，实现工业网络控制，具有很好的市场前景。

　　关键词：PROFIBUS;VPC3;智能从站ROFIBUS-DP作为一种国际标准现场总线，以其灵活性、可靠性等优点，在世界范围内得到了广泛的应用，是一种高性能的工业控制网络。但不是所有的控制设备都能接入到总线中，必须通过智能从站接口装置实现，通过智能从站的开发，可以把非总线的电子设备接入到总线网络中。目前，我国对于 PROFIBUS-DP 的应用和研究主要以国外大公司的成套设备为主，而自主研究开发通信接口的却比较少。虽有公司针对PROIFBUS-DP 协议转换问题已开发出相应网关类产品，但价格昂贵，与实际应用有一定距离，因此深入研究该技术对该技术的国产化有非常现实的意义[1~2]。

　　开发方案的选用

　　PROFIBUS-DP 是开放的、无知识产权保护的标准。原则上，PROFIBUS-DP协议在任何微处理器上都可以实现，在微处理器内部或外部安装异步串行通信接口(UART)即可完成。基于上述特点，目前在开发 PROFIBUS-DP 从站时有以下方案可供选择[3]：(1)单片机+软件的解决方案;(2)单片机+PROFIBUS 通信专用芯片的解决方案;(3)采用专用开发工具。其中以方案2最为方便。

　　本文采用单片机加PROFIBUS-DP通信专用芯片的解决方案。其中微控制器的选取是实现智能从站开发的关键，因为DP智能从站的控制芯片需要有足够大的RAM来配置VPC3及实现数据交换，并且也需要较高的运行速率。我们选取Cygnal 公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片C8051F020，其突出的优点是具有很高的运算速度，非常合适开发PROFIBUS-DP从站。VPC3芯片是VIPA公司为优化的智能PROFIBUS-DP从站提供的专用芯片，集成了PROFIBUS-DP协议，可以替代西门子SPC3，同时具有工作电压低、RAM大等优点，具有很高的性价比。

　　硬件电路设计

　　硬件电路主要采用VIPA的PROFIBUS-DP协议芯片VPC3和Cygnal C8051单片机。C8051器件是完全集成的混合信号系统级芯片，具有64个数字I/O 引脚 。兼容的CIP-51内核，4352(4096+256)字节(B)的片内M，可寻址64k字节地址空间的外部数据存储器接口特别适合本设计使用。工作过程单片接口转换电路机自动识别不同的非总线设备，把数据交换到VPC3里，由VPC3负责协议的转换，把转换后的数据传送到总线里。整个过程可是逆的。所有功能的实现由我们固化在单片机里的程序实现。同时实现自适应功能，即自动识别不同的非总线带通讯的控制设备。

　　VPC3是用于从站开发的智能通信芯片，它支持PROFIBUS-DP 协议。VPC3内部集成4kB的双口RAM。内部锁存器/ 寄存器位于前2 1 个地址单元，主要包括：方式寄存器1 、0 ，中断控制寄存器，状态寄存器以及输入、输出缓冲器和诊断缓冲器各自的状态寄存器。组织参数位于RAM中从16H开始的单元。整个缓冲器结构(属于DP-SAPS)就是基于这些参数来写的。此外，普通参数在这些单元设置数据(包括站地址、地址允许改变、用户看门狗值和设备标识号等)，状态显示存储在这些单元(通用控制命令等)。

　　PROFIBUS-DP智能转换接口的主要功能是利用VPC3 协议芯片作为数据采集和发送单元实现与PROFIBUS-DP 现场总线之间的通信，从而能使用户数据传送到主站并接收来自主站的数据。DP智能转换接口用C8051 作为处理器单元管理通信事务，VPC3协议芯片则完成数据的转换和收发功能。扩展的数据存储器完成数据的存储和处理功能，C8051与VPC3之间通过双口RAM交换数据，VPC3的双口RAM在C8051地址空间中统一分配地址，C8051将VPC3的双口RAM作为自己的外部RAM，通过P6和P7口与双口RAM连接，P6口作为数据线和低8位地址线，P7口作为高8位地址线。从站接口的总体设计方案，我们采用C8051作为主控芯片，结合PROFIBUS-DP从站接口芯片VPC3以及ADM2486 485接口芯片设计了整体的解决方案。

　　因为C8051和VPC3+均为3.3V供电，所以可以直接连接。对于C8051来说VPC3就是它的一个外置RAM。SPC3有内部地址解码电路，所以AB8～AB10接地。此时DB7~DB0是数据地址复用总线，可以产生低8位的数据和地址，高4位地址由AB0～AB3产生，AB4～AB7产生SPC3的片选信号，只有AB4～AB7同时为0时才选中SPC3。单片机P7口的P7.0~P70.7接VPC3的DB0~DB7端，既作为VPC3的数据线，也作为VPC3地址总线的低8位。P7口作为数据线和低8位地址线，P6口作为高8位地址线C8051。 P6口的P6.0~ P6.2接VPC3的AB0~ AB2端，作为VPC3地址总线的高3位，同时要使VPC3的高5位AB7..3=00000。在软件程序的设计中，VPC3的数据存储器的地址区被强制在1000H~15FFH，这要求P7.7~7.4=0001，要想AB4仍为0，就必须将P6.0通过一个非门MM74HC接VPC3的AB4端。在实际电路中，VPC3的AB8~10通过一个接地电阻接地，使得AB8..10=000，AB3接P6.3始终给出低电平信号即AB3=0，AB4的输入端通过非门MM74HC接P6.4，只要P6.4始终为1，从而保证VPC3的数据存储器的地址范围为1000H~15FFH。

　　现场总线接口电路是VPC3与现场总线侧连接的电路，因为Profibus-DP可以达到12Mbit/s的速率，因此对已接口电路的要求是非常高的。在此我们选用Profibus接口专用芯片AMD2486，ADM2486是ADI公司生产的半双工、隔离RS-485收发器。其内部含有保护隔离电路，减少了硬件电路的布线，提高了通信的稳定性。