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摘 要： 以工厂自动化领域应用广泛的PROFIBUS－DP现场总线从站为研究对象，以微控制器C8051F020和集成PROFIBUS-DP的通信协议芯片SPC3开发设计I/O从站。针对硬件电路，软件程序，系统组态三个方面进行详细设计，并顺利通过组网调试。经测试表明，I/O从站和PLC主站通信正常、可靠，并且实时性满足控制系统的要求。
关键词： PROFIBUS-DP；I/O从站；C8051F020；SPC3；GSD
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020065－02
0 引言
现场总线技术可以完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间和底层现场设备与外界的信息交换，具有信息集成度高，开放性和互用性强，可靠性高，抗干扰能力强等优点。PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准，2006年正式成为我国现场总线国家标准（GB/T20540-2006）。其中的PROFIBUS－DP协议版本专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信而设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，目前在国内外都有广泛的应用。PROFIBUS－DP协议具有的开放性，也使得用户可以根据实际需求，设计相应的PROFIBUS－DP从站模块，为工业设备提供连接到PROFIBUS现场总线网络的接口。
1 PROFIBUS－DP智能I/O从站通信模块硬件设计
原则上，任何微处理器都可以用来实现PROFIBUS协议。PROFIBUS-DP从站的开发有以下两种选择方案：① 单片机+软件；② 单片机+PROFIBUS通信专用ASIC。显然，第一种设计方案硬件电路简单，软件部分涉及到通信协议技术细节，程序量大，可靠性不高。第二种设计方案利用硬件实现协议功能，虽然增加了硬件成本，但是却降低了开发难度，缩短了开发周期，提高了从站的可靠性。综合考虑，本文选用第二种设计方案。
1.1 模块化设计硬件图
根据各部分的功能不同，把硬件电路图按模块进行分类。
图1 PROFIBUS－DP智能I/O从站模块设计图
系统电源模块为微处理器C8051F020提供3.3v电源，为通信协议芯片SPC3提供5v电源。为了防止外部噪声信号对内部电路的干扰，Profibus现场总线电源与系统总线电源隔离，为接口电路供电。外部设备信号经过数字量和模拟量I/O模块接口处理，将现场采集的数据传递给微处理器。同时微处理器通过数字量和模拟量I/O模块接口对现场设备进行控制。
1.2 智能从站芯片选择
C8051F020作为从站的微处理器，其不但具有很高的运算速度而且具有丰富的片上资源：片内集成看门狗定时器、64位可编程I/O口线、64KFLASH程序存储器、256B+4KB的RAM、128B的非易失性存储器、支持JTAG调试等等。采用这种系统级SOC芯片，可以很大程度上减少外围元器件的数量，从而减少元器件间的走线，有利于系统的可靠性和稳定性的提高。
SPC3内部封装了PROFIBUS-DP协议，最大总线传输速率可达12Mbps，可自动检测总线上传输速率并与之相匹配，内部具有1.5K字节的双口RAM。初始化SPC3并启动后，对其双口RAM进行数据的读写操作即可完成从站与主站间的通讯。
C8051F020与通信芯片SPC3的接口电路图如图2所示：CPU通过SPC3的双口RAM与SPC3进行数据交换（SPC3的双口RAM应在CPU地址空间内统一分配地址）。
图2 C8051F020与通信芯片SPC3的接口电路图
2 PROFIBUS－DP智能I/O从站通信模块软件设计
图3 主程序流程图 图4 中断子程序流程图
PROFIBUS-DP智能I/O从站通信模块的软件设计包括主程序和中断程序的设计。由于SPC3内部已经集成从站状态机，故C8051F020并不参与从站状态机的运行，它主要负责接收处理从站发送的数据并通过SPC3的双口RAM传送给主站及接收主站发给SPC3的数据并发送给从站。
主程序流程如图3所示：SPC3初始化包括：设置从站地址和识别号，设置SPC3方式寄存器，并根据设置的各个缓冲区的初始长度及传输的数据长度，计算出各个缓冲区的首地址。初始化成功后启动SPC3，开始进入数据交换状态。
中断程序流程如图4所示：中断程序主要用来处理PRM报文、CFG报文和SSA报文等。
3 GSD文件设计
为使不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中，需要编写电子设备数据库文件（GSD）对这些PROFIBUS设备的特性进行描述。GSD文件由三个部分组成：第一部分为通用规范，这部分包括生产厂商和设备的名称，硬件和软件的版本状况，支持的波特率，可能的监视时间间隔以及总线插头的信号分配；第二部分为与DP主站有关的规范；第三部分为与DP从站有关的规范。
4 组网测试
本文以西门子S7-300 PLC为主站，与所设计的从站进行通信测试。在STEP7中导入编写好的从站设备的GSD文件，组态相应的主站与从站。如图2，从站命名为2015，从站地址设置为3。从站具备2字节输入输出模块和四字节输入输出模块。
5 报文测试
主站与从站进行握手通信时截获报文部分如下，表示主站与从站已经能正常通信。
DC 02 02 令牌帧
10 03 02 49 4E 16-主站02查询总线上激活站点（此为主站02查询从站03是否为激活站点）
10 02 03 00 05 16-从站03响应主站02
68 07 07 68 FF 82 46 3A 3E 02 00 41 16 全局控制
68 05 05 68 83 82 6D 3C 3E EC 16 从站诊断
68 0B 0B 68 82 83 08 3E 3C 02 05 00 FF 04 18 A9 16-从站回复
10 22 02 49 6D 16 -主站02查询总线上激活站点
68 0C 0C 68 83 82 5D 3D 3E B8 15 16 0B 04 18 00 E7 16 参数设置
E5 参数设置成功
68 07 07 68 83 82 7D 3E 3E 13 23 34 16 --组态配置
E5 组态配置成功
68 05 05 68 83 82 5D 3C 3E DC 16
68 0B 0B 68 82 83 08 3E 3C 00 0C 00 02 04 18 B1 16 诊断信息
68 07 07 68 03 02 7D 00 00 00 00 82 16 SRD high-进入数据交换（主站向从站发数据）
68 07 07 68 02 03 08 00 00 00 00 0D 16 data low-进入数据交换（从站给主站发数据）
6 结束语
本文所设计的PROFIBUS－DP现场总线智能I/O从站通信模块，能自适应总线波特率，正确与主站进行通信，并长时间运行无误。用通信协议芯片spc3与微处理器c8051f020的实现方案，能够实现快速开发可靠性高的从站的需要。智能通信模块的引入，大大增强了中国本土现场设备的市场竞争力和发展前景。
参考文献：
[1]阳宪惠，现场总线技术及其应用，北京：清华大学出版社，1999.
[2]万光毅、孙九安、蔡建平，SoC单片机实验、实践与应用设计，北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]侯维岩、费敏锐，profibus协议分析和系统应用，北京：清华大学出版社，2006.
关键词： PROFIBUS-DP；I/O从站；C8051F020；SPC3；GSD
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020065－02
0 引言
现场总线技术可以完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间和底层现场设备与外界的信息交换，具有信息集成度高，开放性和互用性强，可靠性高，抗干扰能力强等优点。PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准，2006年正式成为我国现场总线国家标准（GB/T20540-2006）。其中的PROFIBUS－DP协议版本专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信而设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，目前在国内外都有广泛的应用。PROFIBUS－DP协议具有的开放性，也使得用户可以根据实际需求，设计相应的PROFIBUS－DP从站模块，为工业设备提供连接到PROFIBUS现场总线网络的接口。
1 PROFIBUS－DP智能I/O从站通信模块硬件设计
原则上，任何微处理器都可以用来实现PROFIBUS协议。PROFIBUS-DP从站的开发有以下两种选择方案：① 单片机+软件；② 单片机+PROFIBUS通信专用ASIC。显然，第一种设计方案硬件电路简单，软件部分涉及到通信协议技术细节，程序量大，可靠性不高。第二种设计方案利用硬件实现协议功能，虽然增加了硬件成本，但是却降低了开发难度，缩短了开发周期，提高了从站的可靠性。综合考虑，本文选用第二种设计方案。
1.1 模块化设计硬件图
根据各部分的功能不同，把硬件电路图按模块进行分类。
图1 PROFIBUS－DP智能I/O从站模块设计图
系统电源模块为微处理器C8051F020提供3.3v电源，为通信协议芯片SPC3提供5v电源。为了防止外部噪声信号对内部电路的干扰，Profibus现场总线电源与系统总线电源隔离，为接口电路供电。外部设备信号经过数字量和模拟量I/O模块接口处理，将现场采集的数据传递给微处理器。同时微处理器通过数字量和模拟量I/O模块接口对现场设备进行控制。
1.2 智能从站芯片选择
C8051F020作为从站的微处理器，其不但具有很高的运算速度而且具有丰富的片上资源：片内集成看门狗定时器、64位可编程I/O口线、64KFLASH程序存储器、256B+4KB的RAM、128B的非易失性存储器、支持JTAG调试等等。采用这种系统级SOC芯片，可以很大程度上减少外围元器件的数量，从而减少元器件间的走线，有利于系统的可靠性和稳定性的提高。
SPC3内部封装了PROFIBUS-DP协议，最大总线传输速率可达12Mbps，可自动检测总线上传输速率并与之相匹配，内部具有1.5K字节的双口RAM。初始化SPC3并启动后，对其双口RAM进行数据的读写操作即可完成从站与主站间的通讯。
C8051F020与通信芯片SPC3的接口电路图如图2所示：CPU通过SPC3的双口RAM与SPC3进行数据交换（SPC3的双口RAM应在CPU地址空间内统一分配地址）。
图2 C8051F020与通信芯片SPC3的接口电路图
2 PROFIBUS－DP智能I/O从站通信模块软件设计
图3 主程序流程图 图4 中断子程序流程图
PROFIBUS-DP智能I/O从站通信模块的软件设计包括主程序和中断程序的设计。由于SPC3内部已经集成从站状态机，故C8051F020并不参与从站状态机的运行，它主要负责接收处理从站发送的数据并通过SPC3的双口RAM传送给主站及接收主站发给SPC3的数据并发送给从站。
主程序流程如图3所示：SPC3初始化包括：设置从站地址和识别号，设置SPC3方式寄存器，并根据设置的各个缓冲区的初始长度及传输的数据长度，计算出各个缓冲区的首地址。初始化成功后启动SPC3，开始进入数据交换状态。
中断程序流程如图4所示：中断程序主要用来处理PRM报文、CFG报文和SSA报文等。
3 GSD文件设计
为使不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中，需要编写电子设备数据库文件（GSD）对这些PROFIBUS设备的特性进行描述。GSD文件由三个部分组成：第一部分为通用规范，这部分包括生产厂商和设备的名称，硬件和软件的版本状况，支持的波特率，可能的监视时间间隔以及总线插头的信号分配；第二部分为与DP主站有关的规范；第三部分为与DP从站有关的规范。
4 组网测试
本文以西门子S7-300 PLC为主站，与所设计的从站进行通信测试。在STEP7中导入编写好的从站设备的GSD文件，组态相应的主站与从站。如图2，从站命名为2015，从站地址设置为3。从站具备2字节输入输出模块和四字节输入输出模块。
5 报文测试
主站与从站进行握手通信时截获报文部分如下，表示主站与从站已经能正常通信。
DC 02 02 令牌帧
10 03 02 49 4E 16-主站02查询总线上激活站点（此为主站02查询从站03是否为激活站点）
10 02 03 00 05 16-从站03响应主站02
68 07 07 68 FF 82 46 3A 3E 02 00 41 16 全局控制
68 05 05 68 83 82 6D 3C 3E EC 16 从站诊断
68 0B 0B 68 82 83 08 3E 3C 02 05 00 FF 04 18 A9 16-从站回复
10 22 02 49 6D 16 -主站02查询总线上激活站点
68 0C 0C 68 83 82 5D 3D 3E B8 15 16 0B 04 18 00 E7 16 参数设置
E5 参数设置成功
68 07 07 68 83 82 7D 3E 3E 13 23 34 16 --组态配置
E5 组态配置成功
68 05 05 68 83 82 5D 3C 3E DC 16
68 0B 0B 68 82 83 08 3E 3C 00 0C 00 02 04 18 B1 16 诊断信息
68 07 07 68 03 02 7D 00 00 00 00 82 16 SRD high-进入数据交换（主站向从站发数据）
68 07 07 68 02 03 08 00 00 00 00 0D 16 data low-进入数据交换（从站给主站发数据）
6 结束语
本文所设计的PROFIBUS－DP现场总线智能I/O从站通信模块，能自适应总线波特率，正确与主站进行通信，并长时间运行无误。用通信协议芯片spc3与微处理器c8051f020的实现方案，能够实现快速开发可靠性高的从站的需要。智能通信模块的引入，大大增强了中国本土现场设备的市场竞争力和发展前景。
参考文献：
[1]阳宪惠，现场总线技术及其应用，北京：清华大学出版社，1999.
[2]万光毅、孙九安、蔡建平，SoC单片机实验、实践与应用设计，北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]侯维岩、费敏锐，profibus协议分析和系统应用，北京：清华大学出版社，2006.