从RS-232串口到PROFIBUS-DP总线的转换接口设计

摘要：本文针对Profibus现场总线系统的特点和要求，剖析西门子PROFIBUS-DP智能从站协议芯片，提出了一种从RS-232到PROFIBUS-DP的协议转换接口的软硬件设计思想及其实现过程。

关键字：现场总线    通信协议    接口    SPC3

分类号：TP273

0. 前言：

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。基于现场总线的控制系统要求现场仪表及设备必须具有现场通信能力，而我国目前的实际情况是：多数传统仪表及现场设备并不具备现场总线接口，而完全使用国外进口设备将会使系统成本过高。如何将大量的传统仪器设备连接到PROFIBUS总线上，实现PROFIBUS主站与传统设备之间通信数据透明传送，成为广大用户急于要解决的问题。如：具有RS-232接口的现场测量设备及仪表等，如何使其成为PROFIBUS总线上的一个从站。本文所讲述的这个接口产品就是处理从RS-232到PROFIBUS-DP的协议转换，起到一个桥的作用，我们称之为总线桥。

1. PROFIBUS-DP网络协议

PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化。它的三种模块（FMS、DP和PA）可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，开放性也好。但它们均使用一致的总线存取协议，该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。

数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（Token Bus）和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。主从方式用于主站和从站间通信，其工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令（Command），从站给出响应（response）；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和链路释放。PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置一用户层。该层定义了DP的功能、规范与扩展要求等。DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用RS-485传输技术。

2. RS-232设备通信协议

RS-232只是设备通信物理层的一个标准，因此PROFIBUS主站必须向RS-232设备传送它能够理解的数据，这就是RS-232设备的通信协议。所以，为实现PROFIBUS主站与RS-232设备的有效数据通信，PROFIBUS主站编程人员应该了解RS-232设备的通信协议。RS-232设备的通信协议通常有以下两类：

（1）具有应答关系和若干通信指令的通信协议

这是应用比较广泛的通信格式，通信数据可以是ASIIC码或二进制数据。对于这种设备，既有发送又有接收。用户在主站编程，按照协议规定的报文格式将通信数据填入RS-232总线桥的PROFIBUS数据输出区，通过所产生的中断启动转换接口将通信数据发送到设备，然后总线桥自动转入接收状态。当总线桥数据全部接收完RS-232设备的回答报文数据后，将回答报文数据自动填入PROFIBUS数据输入区，这样，PROFIBUS主站可以在PROFIBUS数据输入区得到RS-232设备的回答报文数据。

（2）无应答关系、单纯接收或发送数据（ASIIC码或二进制数据）的通信协议

此类设备（如条码扫描器）只通过RS-232接口向PROFIBUS主站发送数据，也有的设备（如显示屏）只通过RS-232接收PROFIBUS主站发送的数据。PROFIBUS主站实现这类简单通信协议的原理与第一种协议相同，只是不会出现冲突，编程更为简单。

3. RS232总线桥硬件设计

RS232总线桥系统框图如图1所示：

图1：系统框图

Fig.1:Frame diagram of system

3.1 SPC3说明[1]

西门子公司提供的SPC3是用于DP智能从站的协议专用芯片，也是本设计的关键器件。SPC3具有1.5K字节的报文帧存储器、方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器及缓冲区等，各部分地址分配如表1。

表1：SPC3内存单元地址分配

SPC3需外接48MHZ晶振，能自动检测波特率从9.6K到12M。总线访问是由硬件驱动的，与应用对象之间通信采用数据接口，因此数据的交换独立于总线周期。SPC3的方式寄存器０用于设置PROFIBUS-DP的操作方式，如minTSDR、SYNC、FREEZE等，方式寄存器1设置