摘 要：针对传统的现场仪表无法与先进的现场总线控制系统进行通讯问题，采用凌阳单片机SPCE061A和西门子SPC3协议芯片设计了一种经济型PROFIBUS-DP通讯转换接口模块。给出了主体部分电路原理图和软件流程图。
关键词：PROFIBUS-DP总线;接口模块;凌阳单片机
Abstract：Because of the communication transform problem between traditional field instruments and FCS, an economical Profibus-DP communication transform interface module using Sunplus SPCE061A microprocessor and Siemens SPC3 protocol chip was designed in the paper. The schematic of main circuit and flowchart of software were given.
Keywords：PROFIBUS-DP bus;Interface Module;Sunplus Single-chip Microcomputer
0 引言
PROFIBUS（Process Fieldbus的缩写）是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准[1]。根据应用领域分为 PROFIBUS-FMS、PA、DP三个兼容部分。其中，DP是用于装置级和现场级的制造业自动化，技术相对成熟，应用范围广，通用性强[2]。
目前，国外一些大的仪表制造厂商（如著名的SIEMENS，AEG，ABB公司等）分别推出了自己的PROFIBUS-DP现场总线控制系统及相应的现场总线产品，他们的DP开发技术已经相当成熟，其产品销量很好;但这些成绩主要来源于PLC系统的市场份额，而DP技术在现场总线智能仪表级的应用方面尚需提高。目前，我国在PROFIBUS-DP技术研究及DP产品开发方面起步较晚，一些自动化企业和科研院所主要以系统集成和工程应用为主，以 SIEMENS的PLC系统为基础，借助于成熟的开发包技术，或者直接利用国外大公司提供的DP底层设备和智能仪表来构建自己的控制系统。这样做的缺点是：开发成本高，系统缺乏灵活性。
为了降低成本并尽可能减少来自DP开发者在技术方面的制约和限制，我们采用整体保留，局部改造的设计思想来开发具有PROFIBUS-DP接口的经济型总线仪表。按照新型DP系统的结构特征来设计满足用户需求的局部DP系统;依照DP技术规范和用户需求，用比较经济的开发模式，为原有的现场仪表配备具有接入DP网络功能的通讯接口，从而将原有仪表改造成总线仪表。
1 总线仪表接口模块的硬件设计
经济型总线仪表的硬件结构比较简单，主要由传统仪表和PROFIBUS-DP接口模块组成。如果将接口模块放入传统仪表内，则需重新设计仪表外壳;如果分开放置，则只需设计DP接口模块。该接口硬件设计采取分块设计模式，即单片机控制和隔离驱动两部分电路。下面以普通电压表为例，来描述DP接口的设计过程。
1.1 单片机控制电路
在DP系统中通常是多个主站和从站的结构，这个从站指的就是带有DP接口的总线仪表，其经济性在接口设计方面主要体现在：控制电路采用了凌阳61开发板。它已经包括了最小系统和外围扩展电路，体积小，价格相对便宜，功能比较完善。SPCE061A是其核心单片机，16位μ’nSPTM微处理器;内置 2K字静态内存（SRAM）和32K字闪存（FLASH）;32个通用I/O口;1个10位ADC（模拟数字转换器）mic-in输入通道，内置麦克风放大器和自动增益（AGC）功能;7个10位ADC（模拟数字转换器）line-in输入通道;2个10位DAC（数字模拟转换器）输出通道;具有 watchdog功能;可编程音频处理[3]。单片机对外进行数据交换就是通过它的32个通用I/O端口实现的。协议芯片SPC3对它来说就是其扩展的外部RAM。它与SPC3引脚的连接示意图如图1所示。
图1 SPCE061A与SPC3连接示意图
图2 SPC3引脚外扩示意图
1.2 DP协议芯片SPC3
SPC3是西门子公司研制生产的一种用于开发DP智能从站的用户专用集成电路芯片，它遵照EN50170标准，集成了完整的PROFIBUS-DP协议[4]。其44个引脚在DP接口设计中的外扩方法如图2所示。
1.3 隔离驱动电路
这部分电路结构与SPC3说明书上所推荐的电路结构相似，但其中的隔离芯片用的是一片6N137和两片HCPL7721。在实验阶段，用直插式芯片要比贴片式芯片方便一些。下面只简要叙述其内部工作原理。
SPC3的XCTS脚是清除发送信号，当其为“1”时，表示清除发送信号;当其为“0”时，表示发送使能。SPC3的RTS脚是请求发送信号，与 RS-485的4针脚对应;SPC3的TXD脚是串行发送端口，RXD脚是串行接收端口，这两个端口分别与RS-485的3针脚和8针脚对应。第一路是请求发送信号，所以单独走线。当高电平送到6N137的A脚时，从VO脚输出低电平;经过74HC132与非门后变成高电平;这个信号送到 SN75ALS176的DE端。第二路和第三路是收发信号，所以走线相反。当SPC3的TXD发出高电平时，送到HCPL7721的VI端，其VO脚输出高电平，接着送到75176的D脚。这时，75176的A脚输出高电平，B脚输出低电平。当总线向SPC3发送信号时的原理与之类似，不再叙述。
2 软件设计
DP接口的硬件组成相对简单，这就给软件设计带来了一定的困难。因为硬件中具有通信功能的芯片只有SPC3，它集成了全部DP协议，但第二层的软件功能和管理需要用户通过软件来实现。所以软件设计是重点也是难点。我们采用模块化设计思想，使整体结构紧凑，条理清晰，易于调试和修改。软件开发环境是凌阳 61开发板自带的IDE。
2.1 SPC3初始化
SPC3的内部集成了1.5KB双端口RAM，地址为000H～5FFH。内部RAM以8字节为1个单元（段），共分成192段。RAM空间按功能可分为处理器参数区、组织参数区和DP缓冲区三个区域。SPC3初始化就是在其上电后对内部寄存器各个地址进行对应赋值。这些数值要根据用户对参数区地址的每一位进行具体设置而定。
图3 SPC3初始化程序流程图
图4 DP接口主程序流程图
2.2 主程序及中断处理程序设计
SPCE061A的主要任务是初始化和启动SPC3、采集数据和显示数值、数据的发送和接收、根据主站要求处理外部中断。
当上位机或主站向现场总线仪表发送命令时，此仪表的DP接口要对此进行响应。此时的主程序就会跳到中断程序来处理这些突然事件。外部中断程序具体包括：处理新的全局控制命令、新的参数报文、新的I/O配置、新的地址、看门狗超时、用户时钟和查询波特率等。
2.3 SPC3寄存器读写功能测试
在整体软件开发完成后，需要编写一个测试程序来检验以前的设计工作。凌阳61开发板与SPC3内部寄存器交换数据只靠32个I/O端口。SPC3的初始化就是一个向其寄存器不断写入数据的过程。软件开发环境IDE的编程特点是通信数据要先通过I/O端口才能发送或接收，而且其开发界面里可以看到通用寄存器的变化值。所以，判断DP接口是否可以通信的一个重要标志就是单片机是否可以读、写SPC3内部寄存器的数据。
图5 SPCE061A与SPC3内部寄存器数据交换测试程序流程图
3 编写GSD文件
PROFIBUS-DP主站能够与各种DP从站（从简单的I/O从站到复杂的智能从站）交换数据，为了能够安全方便地识别种类众多的DP从站，需要得到从站的技术特性数据，描述这些数据的文件称为设备数据库文件（Device Description Data file，GSD）[5]。
GSD文件用标识符“#Profibus_DP”开始，每一句都以符合PROFIBUS GSD文件标准的关键词开始，不区分大小写，分号后面是注释语句。PROFIBUS-DP智能从站只是包含了DP从站设备的一些基本功能，如从站支持的波特率、交换的输入/输出数据长度和从站所属的类型等[6]。下面是编写从站GSD文件的部分内容。
#Profibus_DP
;Unit-Definition-List：
GSD_Revision =2 ;GSD格式标识符版本号
Model_Name =“SPC3_intelligent_slave” ;模块名（控制器类型）
Protocol_Ident =0 ;DP设备使用的协议：PROFIBUS-DP
Station_Type =0 ;DP设备类型，从站
……
9.6_supp =1 ;支持波特率9.6Kbit/s
……
MaxTxdr_9.6 =60 ;9.6Kbit/s时最大延迟（响应）时间
……
;Slave-Specification：
OrderNumber =“SPC3_intelligent_slave” ;产品订货号
Implementation_Type =“SPC3 solution” ;使用芯片SPC3来开发DP从站
Max_User_Prm_Data_Len =5 ;最大用户参数数据长度
Set_Slave_Add_supp =0 ;从站地址不可设置
Modular_Station =0 ;紧凑型从站
……
;Module-Definition-List：
Module =“8 Byte in，8 Byte out” ;I/O配置数据
EndModule
4 结束语
凌阳61开发板的性价比高，稳定性好，DP总线仪表采用凌阳单片机和协议芯片SPC3会使硬件电路简单紧凑，从而大大降低开发成本，加快开发进程。通过软件调试，智能从站基本功能已实现，但此接口加到电压表里会使体积增大，所以要想开发外型美观并且具有自主知识产权的经济型总线电压表，需要在传统仪表基础上设计嵌入式DP接口，分别将其装进现场仪表和上一级控制设备中，从而使整个DP系统结构紧凑，成本低廉，具有很好的市场应用前景。
本文作者创新点：抛开目前比较流行的DP产品开发包和总线桥技术，采用性价比高的凌阳61开发板作为DP接口开发平台;从经济性角度出发，为传统仪表设计DP总线接口，并将其改造成经济型总线仪表;从而降低整个DP系统的成本，使其具有更广阔的应用前景。
项目经济效益：如果一个小型PROFIBUS-DP控制系统的现场层分为10段，每段30个从站;那么预计采用上述设计方案比采用开发包设计方案大约节省25万元，比采用嵌入式设计方案大约节省35万元，比直接采用国外DP仪表大约节省60万元。
参 考 文 献
[1] 李正军.现场总线及其应用技术.第一版.北京：机械工业出版社，2005.
[2] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999.
[3] 罗亚非等.凌阳16位单片机应用基础.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] SIEMENS AG.SPC3 Siemens PROFIBUS Controller User Description.Germany：the Fed.Rep.of Germany，2002.
[5] 夏继强，邢春香.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[6] SIEMENS AG.PROFIBUS-DP Device Description Data Files GSD.Version：2.2.Germany：Certification Center of Germany，2003.
[7] 李晓冬，孙鹤旭，云利军，梁涛.PROFIBUS-DP在网络化过程控制系统中的应用.微计算机信息（测控自动化），2005，21（5），22～23