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1 序言

隨著通信技術 ,計算機網絡技術在工業生產過程中的不斷推廣和應用 ,工業控制過程對現場信號的采集、傳輸和數據轉換提出了更新更高的要求 ,現有的 DCS 系統和 PLC 系統已經不能滿足這些要求。由于數字通信技術、網絡技術和微處理器技術的迅猛發展 ,把傳統的數字信號和模擬信號混合的系統變成全數字信號系統成為可能 ,現場總線就是在這種背景下產生的 ,并成為當前工業過程控制領域的焦點。PROFIBUS 是德國開發的一種現場總線標準 ,得到歐洲許多大設備制造商的支持 ,并在國際上得到越來越多的推廣和應用。然而 ,在工業過程控制現場 ,原有設備大多只具有RS2 3 2 通信接口 ,因此 ,為了在原有設備的基礎上實現現場分布式控制 ,必須開發 RS232與PROFIBUS 現場總線的接口單元。本文詳細論述了接口單元的硬件實現和軟件結構。

2 PROFIBUS 現場總線的基本特性

    PROFIBUS 現場總線具有物理層 ,數據鏈路層和應用層。它基于令牌協議加主從總線的介質存取方式 ,主站以主從方式與從站通信 ,各主站之間由令牌協議決定總線控制權 ,令牌協議的制定包含優先級、狀態轉移和令牌移交等技術問題。

　　PROFIBUS 現場總線的物理層遵循 RS485 標準 ,數據傳輸速率為 9. 6 ～ 50 0 k Baud, 傳輸最長距離為4800 m,最多可支持120個站點的可靠數據通信 3 接口單元的主要功能特性接口單元的主要功能是使具有RS232接口的現場設備作為從站與 PROFIBUS 現場總線連接 ,從而使各個不相容的現場設備實現開放互連通信 ,接口單元遵循 PROFIBUS 的物理層 ,數據鏈路層和應用層標準 ,并給用戶提供應用層接口。

　　3 接口單元的主要功能特性

　　接口單元的主要功能是使具有 RS232接口的現場設備作為從站與 PROFIBUS 現場總線連接 ,從而使各個不相容的現場設備實現開放互連通信 , 接口單元遵循 PROFIBUS 的物理層 ,數據鏈路層和應用層標準 ,并給用戶提供應用層接口。

　　4 硬件實現

接口單元的硬件原理,接口單元的核心為intel 公司生產的16位微處理器 80 C1 96,主頻為 12 MHz; 用 82 51 USART 和 MAX2 3 2 發送 / 接收器產生 RS232接口,并用 751 76 光電耦合發送 / 接收器產生與 PROFIBUS 現場總線相連的 RS485 接口,考慮到標準PROFIBUS 的傳輸速率,微處理器外部時鐘輸入通過82 54 定時器接入8MHz 的外部時鐘 ; 時鐘例行程從64K 的EPROM裝入16K的RAM 。從站接口單元用一片2K的 ZPRAM 來存儲通信參數設置,比如總線參數 ,通信關系表和重要事件等。參數的設置可以由 PC 機或便攜式電腦通過 RS2 3 2 接口來實現。在參數設置期間 ,使用跨接線關閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 運行方式 , 從站和 PROFIBUS 的狀態可以分別由一個兩位數字顯示器和一個LED來實現。

5 從站接口單元的軟件結構

在上述硬件的基礎上,我們就可以著手開發從站單元的軟件,這里必須申明 ,上述的硬件結構同樣支持主站 ,從站接口單元軟件包除包含PROFIBUS現場總線的物理層、鏈路層和應用層外,還包括應用層接口。整個軟件包由以下

3 個模塊組成。

n         物理層 , 鏈路層和應用層的協議軟件 ;

n         初始化設定 , 事件記錄和顯示模塊 ;

n         應用層接口模塊。

    下面對每個模塊的功能與結構予以闡述。

　　5.1 協議軟件

    由于所開發的接口單元在網絡中處于從站的位置 , 因此它沒有直接訪問總線權。協議軟件實現了所有 FDL (Fieldbus Data L ink) 服務功能 , 它是映射應用層 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 服務所不可缺少的。總線參數諸如地址、波特率和槽時間等均可在協議安裝時由用戶設定。微處理器的計時器用于從站的空閑、超時和同步計時。報文的發送和接收是通過中斷進行控制的。由于 PROFIBUS 總線的最高傳輸速率為 50 0 k Baud, 在 FDL 層上 , 總是在收到報文的 STOP 字節標志后 , 才對報文進行處理的。在空報文的情況下 , 處理過程需要 80 0 ～ 90 0 μS, 一般情況下 , 處理過程需要 1 ～ 4ms, 例如初始化服務就需要 4ms, 因此 , 整個系統的槽時間最少需要 5-1 0 ms 。應用層模塊包括 FMS(Fieldbus MessageSpecification) 和 LL I(Low L evel Interface) 兩個子層模塊。 FMS 模塊的主要功能是對來自 AL I(Aplication L ayer Interface) 的服務請求進行處理并將其傳送給 PROFIBUS 現場總線網絡 ; 同時 , 對來自網絡底層的報文進行譯碼處理并將其傳送給 AL I 。通常 , 從站接口單元的應用層軟件只實現了 FMS 所規定的部分服務功能 , 但可以根據用戶的需要進行有選擇性的擴充。除規定的上下文管理服務 ( 初啟、異常終止、拒收等 ) 外 , 一般還包括變量存取服務 ( 讀、寫、情況匯報等 ) 、事件管理服務 ( 事件通知及確認事件通知 ) 和對象目錄管理服務。雖然象事件管理服務等并不是從站必須具有的服務功能 , 但考慮到實際應用的需要 , 在 L L I 子層模塊內 , 允許從站具有一定的主動性 , 因為這樣避開了令牌管理機制的限制 , 在從站內實現比在主站內實現具有更大的方便性和靈活性。從站一定限度的主動性是通過附加功能塊來實現的。如果從站接到主站的輪詢請求 , 它將主動為主站提供必要的服務。不過 , 在這種情況下 , 只有那些超越 FMS 規定的服務功能才是有效的。

5.2 初始化設定 , 事件記錄和顯示模塊

為了方便用戶安裝從站單元 , 在關閉 PROFIBUS/ RS2 3 2 的情況下 , 用戶可以通過 RS2 3 2 接口用 PC 機對其進行初始化。初始化設定模塊完成必要的參數設置和事件管理 , 并在 ZPRAM 內設置通信關系表和總線參數。事件記錄模塊主要完成對過去一定數量的事件進行跟蹤記錄 , 比如 RS2 3 2 和 RS485 通信錯誤 ( 奇偶校驗錯誤、幀錯誤和溢出 ) 及其發生時間。顯示模塊負責通過 L ED 和數顯對總線和從站單元的狀態進行顯示。

　　5.3 應用層接口模塊

    應用層接口負責把實際現場對象映射為 PROFIBUS 能辨認的通信對象 , 并把服務請求發送給通信系統。

　　6 總結

　　針對現存現場設備大多只具有 RS2 3 2 通信接口 , 為使它們能以節點的方式與現場總線連接 , 本文以 PROFIBUS 現場總線為例 , 設計開發了一種從站接口單元。在實際中 , 用它對多臺擁用 MPDC 型驅動器 ( 具有 RS2 3 2 接口 ) 的鉆床控制系統進行了改造 , 完成了預定的通信和控制功能 , 取得了滿意的效果。筆者相信 , 這對在原有設備的基礎上實現現場總線分布式控制具有重要參考意義。</p