Profibus产品开发与EKIT_4的使用

[摘要] 　　Profibus是当今最流行的现场总线之一，它是专为制造业、过程处理、楼宇智能等智能现场设备的互联而设计的。本文介绍了基于Profibus现场总线的产品开发，着重描述了从站芯片SPC3的硬件及软件以及从站开发包EKIT_4的使用。 关键字： 实时，通信速率，网络拓朴，Profibus-DP Abstract: PROFIBUS is a fieldbus system, which is in widesprea use all over the world. PROFIBUS fulfils the requirements for the interconnection of intelligent field devices in manufacturing, process and building automation. It’s contains the PROFIBUS intelligent field devices designs with SPC3 and Ekit4 application. Key words: real time, transmission speed, topology, Profibus-DP 　　Profibus（Process Fieldbus）——专为制造业自动化、过程自动化和楼宇自动化等领域智能现场设备间互联而设计的一种高性能高可靠现场总线。它是现行现场总线的典范。诞生于1987年，1996年被批准为欧洲标准EN50170，近年来它以每年20%-30%的惊人速度发展。截止目前，全世界Profibus设备安装总数已达200万台，由250多家企业生产的Profibus产品已达1600种以上，应用实例多达20万个，总投资达45亿美元。符合Profibus标准的设备具有此操作性和互换性，选用Profibus设备的最终用户不光可从不同的设备生产商选取相同功能的设备，还可以节省硬件工程和安装成本约40%。由于Profibus进入国内的时间较晚，所以国内工控界对它的了解并不太深，对它理论研究比产品开发要远远超前。为了解决这个问题，我国现场总线（Profibus）专业委员会（CPO）会同可编程序控制器及系统标准技术委员会（TC 124/SC5）组织各方面的专家，已于2000年中旬完成Profibus规范中标准部分（英文版）的翻译工作，同时西门子等Profibus协议的发起者也对Profibus在中国的开发应用加大了投入力度，并将其Profibus业务分成南北两个技术支持中心。做为国内最大的PLC研发企业，我们不光有着多年Profibus产品开发经验，而且对Lonworks、工业以太网等多种技术的产品开发也有着较深的研究，这一切都将使我们的技术支持更加得力。作为国内Profibus的先行者，我们对Profibus的技术抱有极大的信心，并认为目前国内开发Profibus产品的时机已成熟。 1 Profibus协议简介 　　Profibus有着其他现场总线无法比拟的优点——专为过程控制开发的高可靠性和实时性。或者抢占式总线的拥护者会认为Profibus无论各个站点有没有数据它都占有同样多的时间片是一种浪费。但这有什么不好呢？对一个实时系统来说，不能预先知道自已能在多长的时间内得到数据或应答，将是系统工程师的厄梦，如果你选择了Profibus那将是值得庆幸的。但是又会有人说令牌网的管理的控制比较复杂比如站的增减比较困难等，幸好市面上有多种专用的Profibus协议解析芯片，所有的这些繁杂的事情都由它们去解决吧！你只要将你想传送的数据送给ASIC芯片，其它的一切都不用您操心。尤其是西门子的系列ASIC芯片，它有着您所需要的所有高性能，如：当今最快的现场总线之一（单主32个站，每个包2字节数据，通信速率12Mbit/s的情况下轮询典型值<1mS），自适应波特率（系统根据环境与网络大小自动调整波特率，使其工作于最佳的性能），过人的系统安全与可靠性设计（如Profibus-AI是专用于本征安全的现场环境），完善的自诊断功能（包括系统诊断、主站状态诊断、从站状态诊断、系统配置和管理），丰富的工业现场成功经验，等等，这一切都是您选择Profibus的理由。 Profibus的层次结构基于ISO/OSI开放系统模型（ISO7498），它定义第一层（物理层，PHY），第二层（数据链路层，FDL）和第七层（应用层FMS）。第三层至第六层为了节约开销和提高效率没有定义。 为了满足苛刻的实时要求，Profibus协议概述如下： ·不支持长信息段>235字节（实际最大长度为255字节，数据最大长度244字节，典型长度120字节）。 ·不支持短信息组块功能。由许多短信息组成的长信息包不符合短信息的要求，因此，Profibus不提供这一功能。（实际使用中可通过应用层或用户层的制定或扩展可克服这一约束） ·本规范不提供由网络层支持运行的功能。 ·除规定的最小组态外，根据应用需求可以建立任意的服务子集。这对小系统（如：传感器等）由其重要。 ·其它功能是可选的，如口令保护方法等。 ·网络拓朴是线性总线，两端带终端器或不带终端器，包括站点电缆和分支（树）；（包括线性，树形，冗余环，星形） ·介质、距离、站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，单段长度小于或等于1.2公里，不带中继器，32个站点每段；（网络规模：双绞线，最大长度9.6Km；光纤，最大长度90Km；最大站数，126个） ·传输速率取决于网络拓朴和总线长度，从9.6Kbit/s到12Mbit/s不等； ·提供第二介质（冗余）的可选； ·在传输时，使用半双工，异步，滑差保护（无位填充）； ·报文数据的完整性，用海明距离（HD）=4同步滑差检查和特殊序列，以避免数据的丢失和增加； ·地址定义范围为：0-127（对广播和群播而言，127是全局地址），对区域地址、段地址的服务存取地址（服务存取点LSAP）的地址扩展，每个6位（bit）； ·使用两类站：1）主站（主动站，具有总线存取控制权），2）从站（被动站，没有总线存取权）；如果对实时要求不苛刻，最多可用32个主站，总站数可达到127个； ·总线存取基于混合、分散、集中三种方式；主站间用令牌传递，主站与从站之间用主-从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如果系统中仅有一外主站，则不需要令牌传递。这是一个单主站-多从站的系统。最小的系统配置由一个主站各一个从站或两个主站组成；  数据传输服务有两类： 1） 非循环的： 有/无应答要求的发送数据 有回答要求的发送和请求数据 2） 循环的（轮询）： 有回答要求的发送和请求数据 2 Profibus产品开发 　　现在国内开发Profibus主要是开发它的从站，下面我们就如何使用西门子的Profibus开发包4开发Profibus的智能从站进行一些探讨。 2．1西门子专用ASIC芯片的Profibus系统组成 　　Profibus协议其实包括了三种类型的现场总线，Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。PRFIBUS-DP主要用于实时性可靠性要求较高的场合，它的应用相当广泛；Profibus-FMS用于车间级的通信和复杂通信任务，它有相当完善的功能；Profibus-PA专用于本征安全的传输应用，它相当如Profibus-DP+IEC1158-2。因为Profibus-DP的应用最多，所以我们下面讲解以Profibus-DP为主。 　　Profibus-DP系统由一个或几个主站带一定数量的从站组成，由于令牌网的特点，大部分工作是由主站来完成的，因此西门子公司提供了一款性能极强的主站芯片——ASPC2，ASPC2将Profibus的一二层，物理层和数据链路层完全解析，它的最大传输速率12M bit/s，支持Profibus-DP和Profibus-FMS主站应用。用户可以利用ASPC2开发设备也可以利用西门子的主站接口板如IM180、CP5412（A2）、CP5511、CP5611等进行二次开发。同时西门子提供了两个系列的从站芯片——SPC系列（智能从站：有处理器接口，对Profibus一二层的完全解析）第一种是SPC3，它是最常用的Profibus-DP从站智能通信芯片；第二种是SPC41，它同时支持Profibus-DP和Profibus-PA的智能从站；第三种是DPC31，DPC31组合了SPC3和SPC41的功能并内置了一块8031处理器。SPM系列（简单从站）SPM2、LSPM2，这两种芯片有着类似的功能，都用于低成本高实时的远程IO。 　　有了这些专用ASIC芯片后，所有的复杂问题都简单化了，以ASPC2与SPC3组成的系统为例。各个主站按用户设定的轮询时间传递令牌，当某个主站得到令牌后，在其拥有令牌的时间片内，按顺序轮询属于它的从站，增减站点和维护网络，直至时间片结束再将令牌传给下一个主站。当从站SPC3接收到主站传来的信息，如果这是一个SRD帧（发送和请求数据需回答）则它会自动将接收到的数据放入双口RAM指定的地址中，并将主站要求的数据发送出去，至于通信的细节都不用用户操心，这一切都由ASIC芯片进行控制，总之它们会保证你现在得到的数据是最新的。对，就这么简单！那应用层怎么办呢？如果你想做一个完美的产品，你可以遵守Profibus的FMS（应用层）协议，FMS对各个不同行业的应用制定了许多相应的行规，遵守它意味着与所有同类型Profibus产品的互操作性，当然如果你是要求高效实时简单的工作，那么你自己得定义一个简单的应用层协议，而且无论选用什么通信协议，这个工作或多或少都免不掉。 2．2 开发包4使用： 2．2．1开发包4组成 　　西门子为了方便用户利用它的芯片开发Profibus产品提供了一些相关的开发套件，其中开发包4（EKIT_4）是专门针对西门子的从站ASIC芯片（SPC3开发而提供的），它包括SPC3与单片机的接口电路图以及主站和从站的所有源码，有了开发包4将会使你的开发事半功倍。 　　开发包4包括：硬件部件，软件部件，以及所有文档。 　　除了总线连接器和电缆外，硬件部件还包括以下模板： 　　有载体板IM181-1和IM180——主或从站模块， 　　IM183-1——智能从站模块， 　　以及IM184——简单从站模块。 　　这些模板能配置成一个有完整功能的、包括主从设备的Profibus系统。 软件部件包括： 　　用于组态总线系统和IM180接口模板的COM Profibus，用于IM183-1和IM180接口模板的固件，它包括主站与从站的源代码。 以及演示软件，它特别适宜于开发包的配置。 文档： 　　西门子的严谨作风是大家有目共睹的，你绝不会缺少资料，当然最好也不要被资料给吓倒。为了减少您的查找工作，我将最关键的两份资 料列出来： 　　Spc3.pdf——这个文件是从站芯片SPC3的器件手册 　　I