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【摘 要】 随着我国经济的快速发展，在借鉴国内外新技术成功经验的基础上，系统分析适合我国国情的智能化建筑楼宇中信息采集与处理、PROFIBUS现场总线技术、智能断路器选用以及组态控制软件与系统布线等几个关键技术的特点，来阐述有关Profibus现场总线智能从站通信接口设计。
【关键词】 Profibus现场总线，智能从站，通信接口，设计
一、前言
基于Profibus实现了现场总线网络技术具备网速快、性能高、稳定性等优点，这些优势对于相关级层的设备安装、维修带来极大的便利。同时，基于其高稳定性，提高了车间各线路的生产效力和管理效率。针对Profibus现场总线智能从站通信接口设计进行深入的研究和探讨。
二、Profibus总线
Profibus是德国国家标准DIN9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。Profibus在实际应用中成绩斐然，在众多总线中居于前列，广泛用于各种行业。目前的Profibus有3种系列：Profibus-FMS、Profibus-DP和Profibus-PA。Profibus-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络；Profibus-DP应用于现场级，是一种高速低成本通信，适用于设备级控制系统与分散式I/O的实时通信；Profibus-PA专为过程自动化设计，它采用了IEC1158-2传输技术，可实现总线供电和本质安全防爆。
Profibus总线访问协议是一种混合的协议，包括主站之间的令牌传递方式（TokenRing）和主站与从站之间的主从方式。主站在一个限定的时间框内（令牌占有时间）有总线访问权。Profibus应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。
三、Profibus-DP基本特性
Profibus包括三个兼容系列：Profibus-FMS，Profibus-DP，Profibus-PA。FMS提供大量的通信服务用于完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信服务；DP是一种经过优化的高速廉价的通信连接，适用于实时性要求较高的场合，主要用于自动控制与分散式外设之间的通信；PA是专为过程自动化而设计，具有本质安全性，用于安全性要求较高的场合及总线供电的站点。
1.协议结构
Profibus-DP协议采用了ISO/OSI模型的第1层（物理层）、第2层（数据链路层），除去了3～7层，并自定义了用户接口层，这种协议结构保证了数据传输的快速有效。
2.报文结构
Profibus-DP数据编码采用异步不归零制，传输线的空载电平为“1”。为了避免数据传输中发生冲突而导致数据丢失，在每个请求报文发送前必须保证33位（同步时间）的空载状态。在单个字符间所有数据传送时没有间隙，即无缝。
3.Profibus-DP从站状态机
PROFIBUS-DP 从站的主要功能是利用 SPC3 协议芯片作为數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。整个系统的结构图如下图所示。
各种椭圆表示不同的状态，带箭头的连线表示状态间的转换，连线上的文字表示状态转换所需满足的条件。
只有在Power_on状态，从站可以接收来自二类主站的“Set_Slave_Address”报文，从而改变从站地址，从站应具有非易失性存储器来存储从站地址。内部启动后，从站进入Wait_Prm状态，等待“Wait_Prm”报文。参数化报文由用户组态时给定，包括一些标准的信息，如识别号、同步锁定能力，还包括了一些用户特别定义的数据，另外，在此状态从站还可以接收“Get_Cfg”报文、“Slave_Diag”报文，但拒绝处理其他报文，不能进行数据通信。如果Set_Prm正确，从站进入Wait_Cfg状态，等待“Check_Cfg”报文，该报文规定主站对它的配置信息，即数据交换中的输入输出字节数。此外，也可接收“Get_Cfg”报文、“Slave_Diag”的报文。当参数化与配置正确通信后，从站进入DATA_EXCH状态，在此状态，从站可以接收以下报文：Data_Exchange_Ok、Reading_outputs，Reading_Inputs，Global_Control，Slave_Diag，Get_Cfg等。从站产生诊断信息后，以高优先级的数据交换报文应答，主站收到高优先级的数据交换报文后，将会发送诊断请求，此时从站将自己的产生的诊断信息作为应答。诊断信息包括了标准诊断信息和与用户有关的信息。
四、 有关Profibus现场总线智能从站通信接口设计
1.系统设计
从站的设计分两种：一种是利用现成的从站接口模块如IM183、184开发，这时只要通过IM183上的接口开发就行了；另一种则是利用专用芯片ASIC进行深层次的开发，此种设计只需了解ASIC的工作原理，可大大减少开发的难度和时间。本智能从站设计采用第二种方法，使用了专用通讯协议芯片VPC3+C，系统的控制芯片采用STM32F103VCT6微处理器。Profibus接口数据通过隔离的RS485传输，VPC3+C与隔离的RS485驱动器连接。
2.从站硬件设计
微处理器模块、通信协议模块、电源管理模块、电平转换模块、隔离总线驱动模块、状态指示单元、输入/输出接口单元、JTAG接口以及复位单元等共同组成了智能从站的硬件部分。选用ST公司的STM32F103VCT6作为微处理器，DP协议芯片采用VPC3+C作为通信协议控制器。STM32F103VCT6控制整个从站系统的工作流程，集成了完整PROFIBUS-DP协议的VPC3+C芯片负责实现从站通信处理。VPC3+C芯片可自动检测及调整数据传输速率，最大支持12Mbps的数据传输率。 （1）主控单元电路设计
主控单元包括微处理器工作电路、复位电路及JTAG接口等，重点是设计微处理器与VPC3+C的连接电路。STM32F103VCT6与VPC3+C通过容量为2KB的双端口RAM进行数据交换。
VPC3+C的双端口RAM作为STM32F103VCT6的外部RAM使用，STM32F103VCT6通过FSMC接口单元与VPC3+C进行连接，STM32f103VCT6数据线宽度为16位，地址线宽度为26位，可寻址空间64M，数据与地址总线复用。
由于VPC3+C芯片为供电范围为3.3V-5V，STM32F103VCT6供电为3.3V供电，为兼容STM32F103VCT6，VPC3+C采用3.3V供电，由于STM32F103VCT6的FSMC单元数据宽度为16位，VPC3+C数据宽度为8位，设计时需要采用SN74HC573ADW对高位地址锁存。
（2）VPC3+C工作电路设计
STM32F103VCT6的FSMC单元对应引脚分别与VPC3+C的锁存、读写及中断信号相连。当VPC3+C进入数据交换状态时，XDATAEX端将会被置为低电平，并点亮LED以告知可以进行主从站之间的数据交换。引脚TXD、RXD和RTS为RS485芯片的驱动信号。
在该设计中，VPC3+C采用2K RAM工作模式，AB8-10引脚直接接地。本设计设置外部RAM的空间地址为从E000H到FFFFH，从而把1000H到1FFFH的空间留给了VPC3+C芯片的内部RAM。VPC3+C芯片利用A11-A15引脚发出访问内部RAM的片选信号，地址从内部看为从0000H开始，而由于A12引脚在经过反向后才输入VPC3+C，所以其起始地址从外部看为从1000H开始。
（3）输入/输出接口选择电路设计
根据信号的性质，设计的功能电路包括继电器输出电路、模拟量输入/输出电路、数字量输入/输出电路、DIP开关输入电路。
SN74LS138D译码器在各个阶段分时给出数字量输入/输出、DIP开关输入、继电器输出电路的片选信号，读/写时直接写外部地址即可选通。
输入选通电路选用TI公司的SN74HC245DW八路双向总线收发器实现数据总线之间的异步双向通信。要求输入电路的数据始终从A总线传输到B总线，因而为+5V电平。当SN74LS138D译码器CS1引脚低电平选通时，将数据从外部读入。本设计选用带时钟启动的8路集成D触发器SN74HC377DW芯片作为输出选通电路，输出外部数据时，SN74LS138D译码器CS2输出低电平信号，数据在信号的上升沿被输出到外部隔离电路。
3.从站软件设计
因为VPC3+C集成了Profibus-DP协议，所以对VPC3+C的软件设计主要有：VPC3+C的初始化、VPC3+C的中断处理、数据的发送和接收、从站诊断事务以及从站接口数据的处理等。
由于VPC3+C集成了完整的DP协议，因此在与主站进行通信时，STM32不用参与处理DP状态机，主要任务是根据VPC3+C产生的中断，根据中断寄存器的状态对VPC3+C接收到的主站发送的输出数据转存，组织要通过VPC3+C发给主站的输入数据，并根据要求组织外部诊断。对VPC3+C中000H-03DH各单元进行初始化，整个初始化完成后便可以与主站进行通信和数据交换。从站初始化时选DPMode，从而激活VPC3+C在DPMode下的所有服务存取点（SAPS），进而使用固化在VPC3+C硬件中的协议程序。为指针变量赋值应注意指针值是段序号，能被8整除。
五、结束语
Profibus现场总线已经成为我国机械行业标准，广泛的应用于各个自动化领域。能够满足不同行业的使用，使具有串口的设备能够连接到Profibus-DP网络，对开发和应用Profibus产品有现实意义。
参考文献：
[1]廖常初，S7-300/400PLC应用技术[M]，北京，机械工业出版社，2011
[2]使用SPC3设计PROFIBUS-DP智能从站[J]，仪表技术，2013，6：32-33
[3]郁佳敏，万曼影，周欣，用8032设计PROFIBUS智能化DP从站[J]自动化仪表，2012，22（5）：9-10
[4]李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[5]郑晓倩，黄明琪.Profibus-DP技术及通讯转换接口技术[J].微计算机信息，2012，23（21）：10-12.
[6]朱博，夏繼强，周丽萍.基于FPGA的Profibus-DP的从站的链路层控制器IP核的设计[J].微电子学与计算机，2011，24（1）：102-105.
【关键词】 Profibus现场总线，智能从站，通信接口，设计
一、前言
基于Profibus实现了现场总线网络技术具备网速快、性能高、稳定性等优点，这些优势对于相关级层的设备安装、维修带来极大的便利。同时，基于其高稳定性，提高了车间各线路的生产效力和管理效率。针对Profibus现场总线智能从站通信接口设计进行深入的研究和探讨。
二、Profibus总线
Profibus是德国国家标准DIN9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。Profibus在实际应用中成绩斐然，在众多总线中居于前列，广泛用于各种行业。目前的Profibus有3种系列：Profibus-FMS、Profibus-DP和Profibus-PA。Profibus-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络；Profibus-DP应用于现场级，是一种高速低成本通信，适用于设备级控制系统与分散式I/O的实时通信；Profibus-PA专为过程自动化设计，它采用了IEC1158-2传输技术，可实现总线供电和本质安全防爆。
Profibus总线访问协议是一种混合的协议，包括主站之间的令牌传递方式（TokenRing）和主站与从站之间的主从方式。主站在一个限定的时间框内（令牌占有时间）有总线访问权。Profibus应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。
三、Profibus-DP基本特性
Profibus包括三个兼容系列：Profibus-FMS，Profibus-DP，Profibus-PA。FMS提供大量的通信服务用于完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信服务；DP是一种经过优化的高速廉价的通信连接，适用于实时性要求较高的场合，主要用于自动控制与分散式外设之间的通信；PA是专为过程自动化而设计，具有本质安全性，用于安全性要求较高的场合及总线供电的站点。
1.协议结构
Profibus-DP协议采用了ISO/OSI模型的第1层（物理层）、第2层（数据链路层），除去了3～7层，并自定义了用户接口层，这种协议结构保证了数据传输的快速有效。
2.报文结构
Profibus-DP数据编码采用异步不归零制，传输线的空载电平为“1”。为了避免数据传输中发生冲突而导致数据丢失，在每个请求报文发送前必须保证33位（同步时间）的空载状态。在单个字符间所有数据传送时没有间隙，即无缝。
3.Profibus-DP从站状态机
PROFIBUS-DP 从站的主要功能是利用 SPC3 协议芯片作为數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。整个系统的结构图如下图所示。
各种椭圆表示不同的状态，带箭头的连线表示状态间的转换，连线上的文字表示状态转换所需满足的条件。
只有在Power_on状态，从站可以接收来自二类主站的“Set_Slave_Address”报文，从而改变从站地址，从站应具有非易失性存储器来存储从站地址。内部启动后，从站进入Wait_Prm状态，等待“Wait_Prm”报文。参数化报文由用户组态时给定，包括一些标准的信息，如识别号、同步锁定能力，还包括了一些用户特别定义的数据，另外，在此状态从站还可以接收“Get_Cfg”报文、“Slave_Diag”报文，但拒绝处理其他报文，不能进行数据通信。如果Set_Prm正确，从站进入Wait_Cfg状态，等待“Check_Cfg”报文，该报文规定主站对它的配置信息，即数据交换中的输入输出字节数。此外，也可接收“Get_Cfg”报文、“Slave_Diag”的报文。当参数化与配置正确通信后，从站进入DATA_EXCH状态，在此状态，从站可以接收以下报文：Data_Exchange_Ok、Reading_outputs，Reading_Inputs，Global_Control，Slave_Diag，Get_Cfg等。从站产生诊断信息后，以高优先级的数据交换报文应答，主站收到高优先级的数据交换报文后，将会发送诊断请求，此时从站将自己的产生的诊断信息作为应答。诊断信息包括了标准诊断信息和与用户有关的信息。
四、 有关Profibus现场总线智能从站通信接口设计
1.系统设计
从站的设计分两种：一种是利用现成的从站接口模块如IM183、184开发，这时只要通过IM183上的接口开发就行了；另一种则是利用专用芯片ASIC进行深层次的开发，此种设计只需了解ASIC的工作原理，可大大减少开发的难度和时间。本智能从站设计采用第二种方法，使用了专用通讯协议芯片VPC3+C，系统的控制芯片采用STM32F103VCT6微处理器。Profibus接口数据通过隔离的RS485传输，VPC3+C与隔离的RS485驱动器连接。
2.从站硬件设计
微处理器模块、通信协议模块、电源管理模块、电平转换模块、隔离总线驱动模块、状态指示单元、输入/输出接口单元、JTAG接口以及复位单元等共同组成了智能从站的硬件部分。选用ST公司的STM32F103VCT6作为微处理器，DP协议芯片采用VPC3+C作为通信协议控制器。STM32F103VCT6控制整个从站系统的工作流程，集成了完整PROFIBUS-DP协议的VPC3+C芯片负责实现从站通信处理。VPC3+C芯片可自动检测及调整数据传输速率，最大支持12Mbps的数据传输率。 （1）主控单元电路设计
主控单元包括微处理器工作电路、复位电路及JTAG接口等，重点是设计微处理器与VPC3+C的连接电路。STM32F103VCT6与VPC3+C通过容量为2KB的双端口RAM进行数据交换。
VPC3+C的双端口RAM作为STM32F103VCT6的外部RAM使用，STM32F103VCT6通过FSMC接口单元与VPC3+C进行连接，STM32f103VCT6数据线宽度为16位，地址线宽度为26位，可寻址空间64M，数据与地址总线复用。
由于VPC3+C芯片为供电范围为3.3V-5V，STM32F103VCT6供电为3.3V供电，为兼容STM32F103VCT6，VPC3+C采用3.3V供电，由于STM32F103VCT6的FSMC单元数据宽度为16位，VPC3+C数据宽度为8位，设计时需要采用SN74HC573ADW对高位地址锁存。
（2）VPC3+C工作电路设计
STM32F103VCT6的FSMC单元对应引脚分别与VPC3+C的锁存、读写及中断信号相连。当VPC3+C进入数据交换状态时，XDATAEX端将会被置为低电平，并点亮LED以告知可以进行主从站之间的数据交换。引脚TXD、RXD和RTS为RS485芯片的驱动信号。
在该设计中，VPC3+C采用2K RAM工作模式，AB8-10引脚直接接地。本设计设置外部RAM的空间地址为从E000H到FFFFH，从而把1000H到1FFFH的空间留给了VPC3+C芯片的内部RAM。VPC3+C芯片利用A11-A15引脚发出访问内部RAM的片选信号，地址从内部看为从0000H开始，而由于A12引脚在经过反向后才输入VPC3+C，所以其起始地址从外部看为从1000H开始。
（3）输入/输出接口选择电路设计
根据信号的性质，设计的功能电路包括继电器输出电路、模拟量输入/输出电路、数字量输入/输出电路、DIP开关输入电路。
SN74LS138D译码器在各个阶段分时给出数字量输入/输出、DIP开关输入、继电器输出电路的片选信号，读/写时直接写外部地址即可选通。
输入选通电路选用TI公司的SN74HC245DW八路双向总线收发器实现数据总线之间的异步双向通信。要求输入电路的数据始终从A总线传输到B总线，因而为+5V电平。当SN74LS138D译码器CS1引脚低电平选通时，将数据从外部读入。本设计选用带时钟启动的8路集成D触发器SN74HC377DW芯片作为输出选通电路，输出外部数据时，SN74LS138D译码器CS2输出低电平信号，数据在信号的上升沿被输出到外部隔离电路。
3.从站软件设计
因为VPC3+C集成了Profibus-DP协议，所以对VPC3+C的软件设计主要有：VPC3+C的初始化、VPC3+C的中断处理、数据的发送和接收、从站诊断事务以及从站接口数据的处理等。
由于VPC3+C集成了完整的DP协议，因此在与主站进行通信时，STM32不用参与处理DP状态机，主要任务是根据VPC3+C产生的中断，根据中断寄存器的状态对VPC3+C接收到的主站发送的输出数据转存，组织要通过VPC3+C发给主站的输入数据，并根据要求组织外部诊断。对VPC3+C中000H-03DH各单元进行初始化，整个初始化完成后便可以与主站进行通信和数据交换。从站初始化时选DPMode，从而激活VPC3+C在DPMode下的所有服务存取点（SAPS），进而使用固化在VPC3+C硬件中的协议程序。为指针变量赋值应注意指针值是段序号，能被8整除。
五、结束语
Profibus现场总线已经成为我国机械行业标准，广泛的应用于各个自动化领域。能够满足不同行业的使用，使具有串口的设备能够连接到Profibus-DP网络，对开发和应用Profibus产品有现实意义。
参考文献：
[1]廖常初，S7-300/400PLC应用技术[M]，北京，机械工业出版社，2011
[2]使用SPC3设计PROFIBUS-DP智能从站[J]，仪表技术，2013，6：32-33
[3]郁佳敏，万曼影，周欣，用8032设计PROFIBUS智能化DP从站[J]自动化仪表，2012，22（5）：9-10
[4]李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[5]郑晓倩，黄明琪.Profibus-DP技术及通讯转换接口技术[J].微计算机信息，2012，23（21）：10-12.
[6]朱博，夏繼强，周丽萍.基于FPGA的Profibus-DP的从站的链路层控制器IP核的设计[J].微电子学与计算机，2011，24（1）：102-105.