基于MSP430單片機的Profibus-DP通信接口開發(fā)

0 引言

　　Profibus是開放的、與制造商無關、無知識產權保護的標準。因此世界上任何人都可以獲得該標準并設計各自的軟硬件解決方案。Pro-fibus-DP通信接口的開發(fā)有兩種方案選擇：單片機+軟件;單片機+Profibus通信芯片ASIC。

　　方案2中Profibus-DP協議完全由Profibus通信ASIC來實現，單片機主要處理用戶程序。因此方案2開發(fā)周期相對少很多，本文將采用單片機+Profibus通信ASIC來實現Profibus通信接口的設計。

　　1 Profibus-DP基本特性

　　Profibus包括三個兼容系列：Profibus-FMS，Profibus-DP，Profibus-PA。FMS提供大量的通信服務用于完成以中等傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務;DP是一種經過優(yōu)化的高速廉價的通信連接，適用于實時性要求較高的場合，主要用于自動控制與分散式外設之間的通信;PA是專為過程自動化而設計，具有本質安全性，用于安全性要求較高的場合及總線供電的站點。

　　1.1 協議結構

　　Profibus-DP協議采用了ISO/OSI模型的第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)，除去了3～7層，并自定義了用戶接口層，這種協議結構保證了數據傳輸的快速有效。

　　1.2 報文結構

　　Profibus-DP數據編碼采用異步不歸零制，傳輸線的空載電平為“1”。為了避免數據傳輸中發(fā)生沖突而導致數據丟失，在每個請求報文發(fā)送前必須保證33位(同步時間)的空載狀態(tài)。在單個字符間所有數據傳送時沒有間隙，即無縫。各種報文的格式如圖1所示。

　　1.3 Profibus-DP從站狀態(tài)機

　　圖2為DP從站狀態(tài)機的簡單圖示。各種橢圓表示不同的狀態(tài)，帶箭頭的連線表示狀態(tài)間的轉換，連線上的文字表示狀態(tài)轉換所需滿足的條件。

　　只有在Power_on狀態(tài)，從站可以接收來自二類主站的“Set_Slave_Address"報文，從而改變從站地址，從站應具有非易失性存儲器來存儲從站地址。內部啟動后，從站進入wait_Prm狀態(tài)，等待“Wait_Prm”報文。參數化報文由用戶組態(tài)時給定，包括一些標準的信息，如識別號、同步鎖定能力，還包括了一些用戶特別定義的數據，另外，在此狀態(tài)從站還可以接收“Get_Cfg”報文、“Slave_Diag”報文，但拒絕處理其他報文，不能進行數據通信。如果Set_Prm正確，從站進入wait_Cfg狀態(tài)，等待“Check_Cfg”報文，該報文規(guī)定主站對它的配置信息，即數據交換中的輸入輸出字節(jié)數。此外，也可接收“Get_Cfg”報文、“Slave_Diag”的報文。當參數化與配置正確通信，在此狀態(tài)，從站可以接收以下報文：Data_Exchange_Ok、Writing_outputs，Reading_Inputs，Global_Control，Slave_Diag，Get_Cfg等。從站接收主站的狀態(tài)請求后，以高優(yōu)先級的診斷報文作為應答。診斷信息包括了標準診斷信息和與用戶有關的信息。

　　2 通信接口硬件設計

　　本文選用的Profibus-DP的通信協議芯片為SPC3。SPC3集成了全部的Profibus-DP協議。SPC3在DP方式下將完成所有DP-SAP的設置。SPC3內部集成了1.5 KB的雙口RAM，包括參數寄存器、方式寄存器、狀態(tài)寄存器，中斷控制器等。SPC3內部集成的看門狗定時器有3種工作狀態(tài)：波特率檢測、波特率控制和從站控制。內部的USART可實現并行數據流和串行數據流的相互轉換。微順序控制器控制整個工作過程?？臻e定時器直接控制串行總線的時序。

　　考慮到Profibus對速率的要求本文選用高速率，低功耗的16位MSP430單片機，采用Intel工作方式。CPU與SPC3接口電路如圖3所示。對于MSP430單片機而言，SPC3相當于它擴張的一個外部RAM。單片機可以通過訪問外部RAM的方法訪問SPC3的寄存器。RS 485驅動器的一端與SPC3相連，另一端通過9針D型插頭與總線相連。RS 485驅動器選擇SN75SLS176來滿足高速的數據通信。

　　3 通信接口軟件設計

　　軟件設計是開發(fā)Profibus-DP通信接口的一個重要環(huán)節(jié)。由于SPC3集成了完整的DP協議，因此在進行通信時，MSP430單片機不用參與處理DP狀態(tài)機。主要任務是根據SPC3產生的中斷，對SPC3接收到數據轉存，組織要通過SPC3發(fā)給的數據，并根據要求組織外部診斷。

　　主程序流程圖如圖4所示，在SPC3正常工作之前，需要進行初始化，以配置需要的寄存器，包括設置協議芯片的中斷允許，寫入從站識別號和地址，設置SPC3方式寄存器，設置診斷緩沖區(qū)，配置緩沖區(qū)，地址緩沖區(qū)，初始化長度，并根據以上初始值得出各個緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指針。根據確定輸出緩沖區(qū)、輸入緩沖區(qū)及指針，初始化流程圖如圖5所示，初始化包括：SPC3硬件復位、硬件模式、設置SPC3中斷屏蔽寄存器、SPC3內部看門狗、設備標識號、緩沖區(qū)初始化。

　　中斷程序流程圖如圖6所示，在Profibus-DP中最主要處理以下的中斷事件：新的參數報文事件，全局控制命令報文事件，進入或退出數據交換狀態(tài)事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，檢測到波特率事件，看門狗事件。

　　4 結語

　　選用的MSP430單片機具有高速率、低功耗的特點，SPC3芯片則集成了Profibus-DP全部協議內容，整系統(tǒng)功能相對完善，使用方法簡單。本方案用于Profibus-DP通信接口的開發(fā)，可以減少開發(fā)周期，實現開發(fā)的簡化。