基于SPC3的PROFIBUS现场总线智能从站的设计
摘要：介绍了PWM控制电路的基本构成及工作原理，给出了美国Silicon General公司生产的高性能集成PWM控制器SG3524的引脚排列和功能说明，同时给出了其在不间断电源中的应用电路。
关键词：PWM SG3524 控制器
１ 概述
ＰＲＯＦＩＢＵＳ是Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ的缩写，是一种国际性的开放式现场总线标准，即ＥＮ５０１７０欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。ＰＲＯＦＩＢＵＳ已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，目前已发展成为一种成熟技术。
ＰＲＯＦＩＢＵＳ根据应用特点分为ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ三个兼容版本。ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议定向根据ＩＳＯ７４９８国际标准以开放系统互联网络ＯＳＩ为参考模型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ的ＤＰ、ＦＭＳ和ＰＡ均使用单一的总线存取协议，可通过ＯＳＩ参考模型的第２层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。其中ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ用于解决车间级通用性通信任务，能提供大量的通信服务，并可完成中等传输速度的循环和非循环通信任务；ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ则专为过程自动化设计，它采用标准的本质安全传输技术来实现ＩＥＣ１１５８－２中规定的通信规程，适用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点；而ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ在经过优化的高速、廉价的通信连接后，可专用于自动控制系统和设备级分散Ｉ／Ｏ之间的通信设计。使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ模块可取代价格昂贵的２４Ｖ或０～２０ｍＡ并行信号线，用于分散式控制系统的高速数据传输。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ使用ＩＳＯ／ＯＳＩ参考模型的第１层、第２层和用户接口，而第３层到第７层未加描述，这种流水线型结构确保了数据传输的快速和有效。它的直接数据链路映像（DDLM，ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｍａｐｐｅｒ）提供有进入第２层的用户接口。该用户接口规定了用户及系统以及不同设备的调用功能，同时说明了各种不同ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ设备的设备行为，此外，还提供了传输用的ＲＳ－４８５传输技术或光纤。
２ ＳＰＣ３芯片介绍
ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信协议比较复杂。原则上讲，只要安装了异步串行收发器（ＵＡＲＴ），它就可以在任何微处理器上由软件实现。但现在，开发人员却常常使用专用的通信处理芯片来将复杂的协议完全撇开。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可使ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议的实现更加简单、方便、省时、省力，从而达到快速提供产品的目的。适合于智能从站的ＡＳＩＣ种类较多，其中西门子的ＳＰＣ３ 通信协议芯片比较具有代表性。ＳＰＣ３的内部结构示意图如图１所示。
ＳＰＣ３集成了ＤＰ协议中的ＦＤＬ层?它可以承担通信部分的微处理器负载?从而实现ＤＰ从站的通信处理。微处理器操作ＳＰＣ３ 芯片就像操作它的内部ＲＡＭ一样。ＳＰＣ３能保障报文的有效性?并可满足整个报文的一致性数据交换。总线接口是个可参数化的同步／异步８位接口，适合于Ｍｏｔｏｒｏｌａ 和Ｉｎｔｅｌ 微控制器／ 处理器。ＳＰＣ３内部集成了１．５ｋＢ的双口ＲＡＭ，整个ＲＡＭ 采用８字节的段结构方式，共分成１９２段，所有需要分配地址的ＢＵＦ指针必须指向段的开头。ＤＰ通信的服务存取点由ＳＰＣ３自动建立，呈现在用户面前的各种报文信息就是不同ＢＵＦ的内部数据。用户可以通过总线接口访问ＳＰＣ３的内部ＲＡＭ。
ＳＰＣ３的内部看门狗定时器可工作于３ 种不同状态?波特率监测、波特率控制和ＤＰ控制状态。内部的ＵＡＲＴ可实现串并数据流的相互转变。ＳＰＣ３可自动标识总线的波特率（范围为９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ） 。空闲定时器用于控制串行总线电缆上的总线定时，微序列器（ＭＳ ?Ｍｉｃｒｏ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｒ） 则控制整个ＳＰＣ３的工作过程。
ＳＰＣ３内部的１．５ｋＢ双口ＲＡＭ的地址空间从００Ｈ到５ＦＦＨ，以８字节为一个单元，共分成１９２段，按其功能可分为以下三个区域：
（１）从００Ｈ到０１５Ｈ为方式设定和状态指示寄存器区域。其中中断请求寄存器可读可写?写时主要用于调试。必须配置的还有中断屏蔽寄存器、工作模式寄存器０和１、用于波特率控制的看门狗定时寄存器以及从站最小延迟时间寄存器。用于指示ＳＰＣ３工作情况的寄存器有中断请求和中断发生寄存器、状态寄存器、输入ＢＵＦ、输出ＢＵＦ 和诊断ＢＵＦ的状态寄存器。
（２）从０１６Ｈ到０３ＦＨ为配置参数区域。各种ＢＵＦ的指针与长度（包括本站地址、地址允许改变变量、用户看门狗值和设备标识号）均在此区域设置。这些ＢＵＦ包括三个输入ＢＵＦ、三个输出ＢＵＦ、两个诊断ＢＵＦ、两个辅助ＢＵＦ、一个配置ＢＵＦ、一个参数ＢＵＦ 和一个地址设置ＢＵＦ。这里的输入输出是相对于主站而言。需注意各个ＢＵＦ的指针定义，此处的指针指的是段序号。由于各个ＢＵＦ 的长度必须是８字节的整数倍?即各ＢＵＦ的起始地址能被８整除?所以可以用段序号?０～１９１?标识出具体的ＢＵＦ 起始地址?例如参数ＢＵＦ的起始地址３Ｅ０Ｈ可以用指针７ＣＨ 表示。这种方法不仅可节约存储空间?而且简洁明了。
（３）从０４０Ｈ到５ＦＦＨ的１４７２字节为用户区域，可用于接收来自Ｉ／Ｏ应用和主站的数据。这些ＢＵＦ的配置（包括ＢＵＦ的长度和初始地址）必须在ＳＰＣ３的“离线（ｏｆｆｌｉｎｅ） ”状态下完成。用户可以采用中断或者轮循方式通过Ｉ／Ｏ与ＳＰＣ３交互数据。
３ ＳＰＣ３与ＡＴ８９Ｃ５１的接口设计
ＳＰＣ３有８根数据线和１１根地址线，其中低８位地址线与数据线复用，可以接８０Ｃ３２ 、８０Ｃ１６６、８０Ｃ１６５、ＨＣ１１、ＨＣ１６、ＨＣ１９６等单片机，ＳＰＣ３本身具有地址锁存功能?不需另加锁存器，自身可以产生片选信号。芯片配置是借助ＳＰＣ３的两个输入引脚ＸＩＮＴ／ＭＯＴ和ＭＯＤＥ 进行的。ＸＩＮＴ／ＭＯＴ表示Ｉｎｔｅｌ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ等芯片类别。ＭＯＤＥ表示ＳＰＣ３的工作模式，其中包括同步和异步。当其工作在同步模式时，ＳＰＣ３的ＸＲＥＡＤＹ（请求外部等待）引脚无效。
本设计中使用的单片机是ＡＴ８９Ｃ５１，其与ＳＰＣ３的接口电路如图２所示。应当注意的是，当ＳＰＣ３采用Ｉｎｔｅｌ芯片工作于同步模式时?内部有自己的地址锁存及解码电路?所以，ＣＰＵ的低８位地址线可不经过５７３锁存器，而是直接与ＳＰＣ３连接?低８位地址线与８位数据线分时共用传输线?。而ＣＰＵ 的高８位地址线则直接与ＳＰＣ３的ＡＢ０～ＡＢ７相连?且必须为０００００ＸＸＸ?Ｘ表示０、１信号都行?，同时ＡＢ８－ＡＢ１０必须为低。此时片选信号输入引脚不起作用?应将其接高电平。
ＳＰＣ３ 用于进行串行通信的４个管脚分别为ＸＣＴＳ、ＲＴＳ、ＴＸＤ和ＲＸＤ。ＸＣＴＳ的含义为清除发送?是ＳＰＣ３的输入信号?表示允许ＳＰＣ３发送数据。此信号为低电平有效?且应一直维持低电平。ＲＴＳ为ＳＰＣ３ 的请求发送信号?通常接到收发器的输出使能端。ＲＸＤ 和ＴＸＤ分别为串行接收和发送端口。
为提高系统的抗干扰性?ＳＰＣ３内部线路必须与物理接口在电气上隔离。输入输出通道上的电气隔离采用的是６Ｎ１３７高速光耦。电源的电气隔离则采用ＤＣＰ０５０５，这是一种５Ｖ到５Ｖ的隔离转换电源。ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信协议可保障通信的高可靠性?但应以硬件和软件设计为基础。在通信接口设计时?必须遵循一定的规范?如信号的隔离、总线接口与收发间应避免线路过长、电源的滤波处理、收发器和光耦的限流电阻及负载电阻必须与收发器光耦配合适当等。本设计选用６Ｎ１３７的高速光耦，ＳＮ７５ＡＬＳ１７６的收发器，通信速率可达６Ｍｂｐｓ，可用于大部分应用系统。如果用户需要更高的通信速率，可以将光耦换成可达２５Ｍ波特率的ＨＣＰＬ－７７２０／７７２１。ＳＰＣ３与收发器的连接图见图３所示。
４ 软件实现
在进行软件设计时，首先要对ＳＰＣ３内部ＲＡＭ的０００Ｈ～０３ＤＨ进行初始化。在为指针变量赋值时要注意：指针是段序号，且应能被８整除。ＳＰＣ３不允许地址溢出。也就是说，如果用户读写超过了存储范围，就要减掉４００Ｈ，从而访问一个新地址。这样可节省存储空间，但禁止覆 过程参数。如果由于缓冲器初始化错误而使微处理器溢出?也要执行同样的过程。初始化时?进行第一次数据配置的数据格式如下?
１７Ｈ＝８字节输入，无连续性?
２７Ｈ＝８字节输出，无连续性。
该数据格式定义了输入和输出数据的长度。而诊断则分为状态诊断和外部诊断，其中状态诊断由ＳＰＣ３自动执行?无需用户考虑。用户只需编写外部诊断程序即可。
５ 结束语
本文主要从研发的角度介绍了ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 智能从站通信接口的硬件和软件设计。其中硬件基本上属于标准线路?只是由于速度的要求?对有些芯片要求较高。如果用户对通信速度没有过高的要求?完全可以选用较普通的芯片。而软件则是开发ＤＰ接口的难点?应在深入了解ＳＰＣ３芯片机理及ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ状态机的基础上进行开发。
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