基于现场总线的万能式断路器通信从站设计

3.3 Profibus-DP 总线接口模块 

在Profibus-DP 总线中,主站循环地读取从站地输入信息并周期地向从站发送输出信息。同时,数据的通信是由主站和从站上的监控功能进行监控的。对于一个成功的现场总线系统来说,仅仅提供一个高数据传输能力是不够的, 必须具有安装和维护的简易性, 良好的诊断能力和无差错的传输。这是其他总线如Can、DeviceNet、Moudbus 所不能比拟的。 

设计Profibus-DP 智能从站有三种方案:方法一是直接用单片机实现。由于单片机上一般都安装UART,使用单片机利用软件来模拟Profibus 现场总线协议。方法二是使用Profibus 通信专用芯片。方法三采用现成的从站接口模块,如IM183-1,可将第三方设备作为从站简便的连接到Profibus-DP 上。IM183-1从站接口模块主要由ASIC 芯片SPC3、单片机80C32、EPROM、RAM 和一个用于Profibus-DP 的RS-485 接口组成。SPC3 可独立处理总线协议。这种方式的开发难度较小,但由于内部电路不能改动,灵活性比较差,不能满足复杂智能从站的要求,而且开发成本很高。 

本设计选用方法一, 是因为方法二和三是受这些专用的通信处理芯片的端口限制,对微处理器的兼容性有专门要求,而且至少还要占用10 个以上的微处理器引脚端口,因此很多高性能的微处理器无法与之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。虽然直接用单片机实现会受到单片机波特率的限制,传输速率一般很低, 但是本系统根据设计要求选用了51 单片机LPC932A1 专门来实现Profibus 总线通信。LPC932A1 特点有:操作频率的速度是普通标准8 0 C 51 器件的6 倍, 高速的指令执行时间可只需167 ns;片内实时时钟(RTC)可以作为系统时钟;增强型UART,具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测,通用中断功能; 传输速率可达到3Mb/s 的SPI 通信端口。由于LPC932A1 的增强型UART 波特率, 有较高的数据传输率可以达到500Kb/s,它允许高速度周期性的数据通信,适用于对时间要求苛刻的场合。 

3.3.1 接口模块硬件设计 

Profibus-DP 接口模块电路主要由四部分组成: 微控制器LPC2114,模拟总线协议处理微控制LPC932A1,RS485 收发器SP3485 和高速光电耦合器6N137。微控制器LPC2114 本身也有SPI 通信端口, 只要与LPC932A1 的SPI 通信端口相连接,通过简单的软件编程实现LPC2114 与LPC932A1 的SPI 通信,就能利用3Mb/s 的SPI 通信实现数据在系统内的高效高速传输。在这Profibus-DP 接口模块设计中只需占用LPC2114 中4 个引脚端口,大大节省LPC2114 的端口资源。为了增强Profibus-DP 总线节点的抗干扰能力,LPC932A1 的TXD 和RXD 并不是直接与RS-485 收发器SP3485 的TXD 和RXD 相连, 而是通过高速光电耦合器6N137 后与SP3485 相连, 这样就很好的实现了总线上各Profibus-DP 节点间的电气隔离。其中光耦部分电路所采用的2 个电源VCC 和VPP 必须完全隔离, 虽然增加了节点的复杂性, 但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至SP3485 上A 引脚的上拉电阻和连接至B 引脚的下拉电阻用于保证无连接时的SP3485 芯片处于空闲状态, 提供网络失效保护,以提高RS-485 节点与网络的可靠性。 

3.3.2 接口模块软件设计 

Profibus 现场总线协议的基础为ISO/OSI 的网络参考模型。在Profibus-DP 中没有第三层到第七层,只包了含第一层(物理层)和第二层(数据键路层)。Profibus 第二层的一个重要工作是保证数据的完整性,这是依靠所有的电文海明间距=4、按照国际标准IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节异步传输及每个字节的奇偶校验保证的。Profibus-DP 第二层按照非连接的模式操作,它提供点一点及多点通信(广播及有选择地广播)功能。上层协议通过第二层的SAPs(Serice AccessPoints,服务访问点)调用服务功能。在Profibus-DP 中,将一定的功能赋予每一个第二层的SAP,例如DefaultSAP:数据交换(Data-Exch)、SAP55:改变从站地址(SSA)、SAP61:发送参数设置数据(PRM)、SAP62:检查配置数据(CFG)。为了能有效地处理总线协议, 调用不同的DP 功能, 因此在软件设计中, 正确地处理Profibus-DP 报文格式以及为各个SAP 设置相应的缓存区是设计的关键。

Profibus-DP 接口模块的软件设计主要包括3 个部分:LPC932A1 的缓存初始化、与主站通信的主程序、LPC2114 与LPC932A1 的SPI 通信。

4 从站设备简单测试方案

由于Profibus-DP 从站设备的调试是一个复杂的过程,要求开发人员具有Profibus-DP 系统的工作经验,因此为了节省相关人员的开发时间和开发成本,这里提出一套简单调试方案。

系统构成:IPC 机、主站网卡(SIEMENS CP5611)、COMPROFIBUS软件。系统的测控网络采用线型拓扑的单主站结构,将IPC 机作为上位监控主站。如果在IPC 机上装有WinCC 软件,可以用来向用户提供如动态数据画面显示的管理窗口。这个方案主要是调试设备基本协议的一致性,调试方便、简单。

5 结束语

课题研究并实现了断路器智能控制模块的Profibus-DP 通信,并对断路器的远程监控具有重要的现实意义。这种系统可以处理符合PROFIBUS 现场总线协议的智能仪表或分散到现场的输入输出设备, 在设计中采用的模块化设计方案, 充分体现了系统的开放性。所提设计方法为智能断路器的数据采集和通信提供了一种有效的实现途径。

本文作者创新点: 该系统可处理符合PROFIBUS 总线协议的智能仪表或分散到现场的输入输出设备, 在设计中采用的模块化设计方案,充分体现了系统的开放性。