基于VPC3的Profibus-Dp模块设计的可行性研究报告.doc

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1、基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 可行性研究可行性研究报报告告 摘要摘要 本本课题课题是是设计设计一个基于一个基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块块通信卡通信卡 实现单实现单片机控制的片机控制的电动执电动执行器和行器和 PROFIBUS-DP 网网络络之之间间的接口功能；的接口功能； 使使电动执电动执行器能行器能够够具有具有实现远实现远程控制的网程控制的网络络功能。功能。PROFIBUS-DP 模模 块块从从站从从站获获得得阀阀位反位反馈馈信号信号经总线传经总线传到主站，通到主站，通过监过监控控 PC 机机观观察是察是 否达到否达到设设置要求，

2、如果达不到置要求，如果达不到则则通通过过智能智能执执行器行器进进行校准，以达到行校准，以达到设设 置要求。置要求。该设计该设计采用新型的采用新型的专专用通信用通信协议协议芯片芯片 VPC3， ，VPC3 既支持既支持 3V 又支持又支持 5V，利用，利用协议协议芯片芯片 VPC3 减少减少对协议对协议的掌握，不用考的掌握，不用考虑电虑电 源源转换问题转换问题，具有低通，具有低通滤滤波、波、过压过压保保护护及及热电热电偶断路和短路偶断路和短路检测检测功能。功能。 可以用来可以用来对对温度、湿度、供温度、湿度、供电电系系统统的的监视监视， ，还还可以用于可以用于污污水水处处理的方理的方 面。面。

3、关关键词键词： ：协议协议芯片芯片 VPC3 瑞瑞萨萨 M16C 单单片机片机 远远程控制程控制 目目录录 第一章第一章 背景介背景介绍绍.1 第二章第二章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块块介介绍绍2 2.1 PROFIBUS-DP 简介以及特点2 2.2 国内外的发展状况3 第三章第三章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计思路思路4 3.1 研究目标4 3.2 研究内容4 3.3 解决关键问题4 第四章第四章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计6 4.1 开发方案分析6 4.2 技术路线6 4.3 实验

4、方案6 4.3.1 硬件设计6 4.3.2 软件设计.8 4.4 本课题的特点与创新之处10 4 4.1 特点10 4.4.2 优创新点及优点11 第五章第五章 目目标规标规划划.12 5.1 研究进度12 5.2 工作内容12 5.3 预期的效果12 总结总结.13 参考文献参考文献.14 附附录录.15 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 1 第一章第一章 背景介背景介绍绍 随着现代工业的不断发展，对现场生产过程的控制也提出了越来 越高的要求。智能化、数字化、信息化

5、、网络化、微型化和分散化代表 着当今自动化控制技术发展的主流方向，而现场总线PROFIBUS正是 促使自动化系统与仪器仪表顺应这一发展方向的重要技术1。现场总 线技术是一个协议开放的、系统可维护性强的、具有较强的现场数据 信息集成能力的技术。并且今年来该技术也成为国内工业领域内研究 的热点。 目前PROFIBUS已经成为一种国际化的、开放的现场总线标准， 现场设备及仪表必须具有PROFIBUS通信接口才能方便地连入到 PROFIBUS现场总线网络。PROFIBUS-DP的设计是专门为自动控制系 统与I/O分散设备进行高速数据传输功能，主要应用与现场设备级1。 但是目前大量的执行器不具有现场总线

6、接口因此很难在网络远程化 控制中发挥作用的问题,所以PROFIBUS-DP的智能执行器的设计能很 好的使现场设备及仪器仪表连接到PROFIBUS-现场总线的网络当中 去。同时目前基本都使用通信协议芯片SPC3来实现PROFIBUS-DP的， 这样做的问题有价格比较高、需要考虑电压、SPC3的功耗比较大。 与此同时我国对于PROFIBUS-DP的应用和研究主要以西门子公 司等的成套设备为主,而自主研究开发通信接口的却比较少.所以为仪 表或电气设备开发PROFIBUS-DP通信接口,使国产设备能连接到 PROFIBUS总线中并且使得自我研发的PROFIBUS-DP的通信接口较 以前的比较便宜,以此

7、推动我国仪器仪表的智能化进程和现场总线在 我国的应用就显得尤为重要. 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 2 第二章第二章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块块介介绍绍 2.1 PROFIBUS-DP简简介以及特点介以及特点 PROFIBUS 以开放式系统互联网络作为参考模型，定义了物理传 输特性、总线存取协议和应用的功能。并且传输的速率可达 12Mbps， 最大的传输距离达 100m，可用中继器延长 10km，PROFIBUS-DP 是 一种高速

8、的和便宜的通讯连接，使用了第 1、2 层和用户接口层，其他 各层没有被使用。它是专门为自动控制系统和设备分散系统之间进行 通讯而设计的。使用 PROFIBUS-DP 模块可以取代传统的 24V 或 4- 20ma 的串联式信号的传输，减少资本的投入。传输数据的过程中使用 的是 RS485 传输技术或者是光线媒体。 标准的现场总线 PROFIBUS-DP 的硬件由主设备、从设备、网络 设备等组成，下面是一个典型的 PROFIBUS-DP 系统图 1。 图 1 目前使用 PROFIBUS-DP 模块可以实现或者已经实现产品主要有： 1）与电力驱动有关的产品 MCC PCC 交直流驱动等 2）传感器

9、类压力 温度流量仪表质量测量称重水份湿度测量。3）专用控制设备及分布式 控制系统车辆印刷机械食品生产。4）现场总线 I/O 与专用系统配套如 楼宇控制印染设备食品加工，具有特殊品质防爆高防护等级可接受 RTD mV 高压大电流信号。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 3 2.2 国内外的国内外的发发展状况展状况 现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网，是自动化领域的研 究热点。PROFIBUS-DP 是应用在现场自动化仪表和设备领域的一种 主要的现场总线并且已经成为国

10、际电工委员会制定的国际标准之一 （IEC61158 TYPE3）和中国国家标准（GB/T 20540-2006）。 国内提供 PROFIBUS- DP 总线产品 OEM 开发的厂家主要为北 京鼎实创新科技有限公司，它是 PROFIBUS 在国内的技术资格中心， 负责国内 PROFIBUS 产品的测试认证工作、提供 DP-RS232、DP- RS485 等产品，其他的国内生产者有各大高校和国家的研究机构，如： 浙江大学、中科院、解放军工程电子学院等，但是国内没有一项 PROFIUBS 的产品经过认证。 国外的生产 PROFIBUS 的企业相对较多一些，如法国的 FIP，英 国的 ERA，德国西门

11、子公司 Siemens 的 PROFIBUS，挪威的 FINT，Echelon 公司的 LONWorks，PhenixContact 公司的 InterBus，丹 麦 ProcessData 公司的 P-net，美国的 DeviceNet 与 ControlNet 等等。但 是以西门子公司提供的 PROFIBUS 产品为主。 这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运 输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有 左右的市场。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-D

12、P 模模块设计块设计 4 第三章第三章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计思路思路 3.1 研究目研究目标标 设计一个基于 VPC3 的模拟量/PROFIUBS-DP 通信卡实现单 片机控制的电动执行器和 PROFIBUS-DP 网络之间的接口功能；使电 动执行器能够具有实现远程控制的网络功能。 3.2 研究内容研究内容 使用荷兰生产的一种 PROFIBUS 通信专用芯片 VPC3 来设计一 个模拟量/PROFIUBS DP 通讯卡以实现将 420mA 的阀位反馈信号 （输入信号）进行校准和量程变换后转换为 DP 输入通道数据，还将来 自其它 DP 设备的输出数

13、据经过校准和量程变换后转换为 05V 的 控制输出信号（输出信号）。 PROFIBUS-DP 模块从从站获得阀位反馈信号经总线传到主站， 通过监控 PC 机观察是否达到设置要求，如果达不到通过智能执行器 进行校准，以达到设置要求。设备地址用八位的拨码开关（127）来 设定. 3.3 解决关解决关键问题键问题 1）弄清各部分电路的关系：其中包括单片机（瑞萨公司的 M16C/62P）与 VPC3（荷兰）之间的连接关系以及 VPC3 与 RS485 芯片 之间光耦的连接关系。因为 VPC3 数据总线是八位的，而本设计要外 接的 RAM 使十六位的，RAM 的 UB 跟 LB 两位分别决定了对 RAM

14、 高低数据位的访问。对于瑞萨单片机 M16 来说，当选择为 16 位的数 据总线时 A0 便可决定对奇数地址跟偶数地址的数据的读写，这就使 得在进行地址总线的连接的时候不能直接将单片机的 A0 与 VPC3 的 A0 相接，而是应该将单片机的 A1 与 VPC3 的 A0 相接，并且依此类 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 5 推的错一位相连接。 2）弄清楚各部分之间的电源和地的关系：因为本次设计需要光耦 隔离，这就使得产生了三组不同的电源地。分别为 3V、GND1

15、供单片 机、A/D 转换器、VPC3 使用，VCC、GND 供总线部分的光耦隔离及 RS485 芯片使用，VCC1、GND3 供 D/A 转换器使用。 3）实现状态机和服务访问点：VPC3 包括如下的服务访问点（服务） ：缺省 SAP（读写数据交换)，SAP55（改变站地址），SAP56(读输入)， SAP57(读输出)，SAP58(向 DP 从站发控制命令)，SAP59(读组态数据)， SAP60(读从站诊断信息)，SAP61(发送参数设置数据)，SAP62(校验组 态数据)。状态机的实现在下文软件部分又所涉及【3】。 4）硬件的抗干扰性也是设计的时候应考虑的问题：为了提高电路 的抗干扰性，

16、减少干扰，采取配置去耦电容、接地线构成回路、加粗接 地导线等措施抑制噪声。 5) 技术指标： 输入信号：420mA 的阀位反馈信号 输出信号：15V 的控制信号 总线信号：最大 12Mbit/s 总线电源：5V 电流消耗(静态)： 0.3A A/D 精度：16 位 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 6 第四章第四章 基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 4.1 开开发发方案分析方案分析 在以前的设计方案中要么是单一的使用单片机去实现，要么

17、是用 SPC3 去实现，但是前者需要考虑大量的协议的问题并且传输的速率 根本无法达到 12Mbit/s，后者虽然是通信专用的芯片免去了考虑协议 的问题并且在传输的速率上可以达到 12Mbit/s 但是另外一个问题出 现了，需要考虑电源的问题因为 SPC3 只支持 5V，VPC3 是在 SCP3 基础上改善的，VPC3 既支持 3V 又支持 5V，利用协议芯片 VPC3 减 少对协议的掌握，增强电路的抗干扰性，不用考虑电源转换问题，具 有低通滤波、过压保护及热电偶断路和短路检测功能。 4.2 技技术术路路线线 1. 电路设计制作：使用 PROFIBUS 通信专用 ASIC 芯片 VPC3 实现协

18、议相关内容，选用合适的 CPU，外围加带光电隔离的 RS-485 驱动。 2.单片机+编程软件：在单片机中编程，实现单片机与 ASIC 的 结合。 3.通过串行接口向 PROFIBUS-DP 从站通信接口板读/写输入 /输出数据；PROFIBUS-DP 从站通信接口板自动转换成 PROFIBUS- DP 协议与 PROFIBUS 主站通信。 4.3 实验实验方案方案 4.3.1 硬件硬件设计设计 如图 2、3 所示 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 7 SRAM 模块

19、：当编写比较大的程序（如操作系统）时，M16 内 部 RAM 可能不够用，此时就可以用外接的 SRAM(128K*16)。 拨码开关：拨码开关用于通讯地址方案的实施，PROFIBUS-DP 支 持的站地址由 0 到 126 共 127，同时又为了防止寻址过程发生地址的 冲突，所以采用一个八位的拨码开关，用后七位进行 128 位的寻址。 因为阀门控制器作为 PROFIBUS-DP 通讯的从站，必须有不与其他站 冲突的地址。所以通过一个 8 位的拨码开关手动设定阀门控制器的地 址，然后由中央处理器读入并写入 VPC3 特定的存储位置。 AD/DA 等模块：PROFIBUS-DP 智能从站通信卡采用

20、 420mA/15V 模拟信号传输方式，对 420mA 的输入信号（阀位反 馈信号）进行校准和量程变换后将其转换为 DP 总线输入数据，对 DP 总线输出数据经过校准和量程变换转换为 15V 的输出信号（控制输 出信号）。由于 PROFIBUS-DP 通信卡在工作过程中共有两个数据需 要在 DP 总线上传输，因此需要两个数据通道，一为 16 位模拟量输入 （AD），一为 16 位模拟量输出（DA）。 图 2 VPC3、RS485 的连接：为了保证数据传输的实时性，要求现场总 线的接口能以 12Mbit/s 进行数据通信，VPC3 可以工作在 12Mbit/s 下， 因此选用一个能达到该速度的

21、485 芯片 DS75176，总线接口处采用高 速光耦隔离芯片隔离设备到总线的干扰。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 8 图 3 4.3.2 软软件件设计设计 a)对于 VPC3 的软件设计：主要是依据是 VPC3 中集成的 PROFIBUS-DP 状态机，状态机用来描述 PROFIBUS-DP 站在每种情 况下的行为，其状态机如图 4 所示24。VPC3 与 CPU 之间数据交换 控制方式的实现图 5 所示。 b）对 AD7705 软件设计：首先使对各个寄存器进行

22、配置，启动 A/D 转换。当 AD7705 的 DRDY 信号为低的时候表明数据转换结束， 转换以后的数据存在 24 位的输出寄存器中，然后通过 SPI 接口读出 转换结果。其中 AD7705 的流程图如图 6 所示。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 9 等待参数化 等待组态 数据交换 通电 改变从站地址 校验组态不正确 参数设置不正确 初始化 获得组态从站诊断 获得组态参数设置正确， 从站诊断 数据交换正确 读输入 读输出 发布命令 从站诊断 校验组态正确 参数设

23、置正确 获得组态 图 4 USERVPC3 VPC3USER init Input data diognostic State change State display Controlcommands Slave address configuration Parameter assigment Watchdog Output data 图 5 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 10 开始 上电/复位 AD 端口 初始化端口 选择通道，下一个操作为时钟寄 存器 为所选

24、择的通道设置更新速率 设置下一个操作为设置寄存器 设置增益 读 DRDY 管脚 DRDY=0？ 设置下一个操作为读数据寄 存器 读数据寄存器 NO YES 图 6 4.4 本本课题课题的特点与的特点与创创新之新之处处 4 4.1 特点特点 1）具有低通滤波、过压保护及热电偶断路和短路检测功能。 2）采用高性能、高精度具有 24 位分辨率的模数转换器 AD7705， 传感器等信号可以直接的接入。 3）单片机部分与模拟信号测量之间采用了光电隔离措施，抗干扰 能力强。 4）VPC3 与 DB9 之间采用光耦隔离可有效的保护后端设备。 5）可以安装在现场，通过 PROFIUBSDP 组成智能的系统网络

25、。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 11 4.4.2 优创优创新点及新点及优优点点 前面提到过以前所有的 PROFIUBS -DP 执行器的设计都是采用 单片机或者利用通信专用芯片 SPC3 来实现的，利用通信专用芯片 SPC3 来设计虽然避免了对大量的协议的了解，但是 SPC3 的只支持 5V 电源电压，因此对于那些只支持 3V 的单片机来说，这就给实际的 电路设计带来麻烦，需要进行电源转换，因此简化电路非常重要，电 路简化的同时也可以降低项目成本，对于既支持 3

26、V 又支持 5V 的电 源电压的 VPC3 通信专用芯片来说可以很好的满足上述要求；并且 VPC3 不仅兼容 DP v0 而且还兼容 DP v1,v2, 而 SPC3 只支持 v1；VPC3 的功耗比 SPC3 低的多，工作时间长了不容易发热；VPC3 的 价格比 SPC3 低，可以节约成本。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 12 第五章第五章 目目标规标规划划 5.1 研究研究进进度度 1）硬件设计：前期进行硬件设计，其中包括电路的设计，电路板的 制作及其焊接，后

27、期进行调试，完善。 2）软件设计：在硬件电路都准备完毕以后进行软件的调式其 中包括 AD、DA 及 VPC3，最后进行整体的调试。 5.2 工作内容工作内容 对 AD、DA 的软件设计主要实现两个功能：一是将执行器 420MA 的开度反馈信号转换为数字信号送给模块的中心处理器，经 处理器转化为 PROFIUBS 格式的数据包，并通过总线发给控制主站； 二是将由主站发来的控制数据包解析出来的数据转化为 0.52.5V 模 拟量，控制执行器的开度。对于 VPC3 的软件设计主要实现的功能为 使得 DP 通信的服务存取点由 VPC3 自动建立，呈现在用户面前的各 种报文信息就是不同 BUF 的内部数

28、据。用户可以通过总线接口访问 VPC3 的内部 RAM5。. 5.3 预预期的效果期的效果 主从站之间能实现基本的通信，AD、DA 的转换基本正常除了精 度，然后通过调式对电路进行修改，最终能够实现全部的功能。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 13 总结总结 VPC3 芯片的使用方法简单(与 SPC3 相似)，功能比较完善，可 以满足本通信接口设计的要求。使用 VPC3 进行 PROFIBUS-DP 从站 接口的开发，能够降低开发难度和开发成本；使用现场设备/仪表上

29、配 置 PROFIBUS-DP 接口，可以满足相关行业的需要。 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 14 参考文献 1 阳宪惠编. 现场总线技术及其应用M.北京：清华大学出版社，1998. 2Siemens AGSPC3 and DPS2 User Description. Siemens AG in Fed Rep of Germany. 1998. 3 SIEMENS SPC3 User Description. SIEMENS,1996. 4 VPC3+C User Manual Revision 1.04 2004-2007. 5 佳敏，万曼影，周欣. 现场总线 Profibus 智能化 DP 从站的设计J,自动化与仪器仪 表，2001,16(I):37-39. 第十届第十届“挑挑战战杯杯”辽辽宁省大学生宁省大学生课课外学外学术术科技科技创创新新竞赛竞赛-基于基于 VPC3 的的 PROFIBUS-DP 模模块设计块设计 15 附录 附附录录一：一：作品实物图 基于 VPC3 的 PROFIBUS-DP 模块实物图