基于VPC3的ProfibusDp模块方案设计书的可行性研究报告.docx

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基于VPC3的ProfibusDp模块方案设计书的可行性研究报告

基于VPC3的PROFIBUS-DP模块设计可行性研究报告

摘要

本课题是设计一个基于VPC3的PROFIBUS-DP模块通信卡——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。

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，如果达不到则通过智能执行器进行校准，以达到设置要求。

该设计采用新型的专用通信协议芯片VPC3，VPC3既支持3V又支持5V，利用协议芯片VPC3减少对协议的掌握，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。

可以用来对温度、湿度、供电系统的监视，还可以用于污水处理的方面。

关键词：

协议芯片VPC3瑞萨M16C单片机远程控制

目录

第一章背景介绍1

第二章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块介绍2

2.1PROFIBUS-DP简介以及特点2

2.2国内外的发展状况3

第三章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块设计思路4

3.1研究目标4

3.2研究内容4

3.3解决关键问题4

第四章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块设计6

4.1开发方案分析6

4.2技术路线6

4.3实验方案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

44.1特点10

4.4.2优创新点及优点11

第五章目标规划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13

参考文献14

附录15

第一章背景介绍

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、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.

第二章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块介绍

2.1PROFIBUS-DP简介以及特点

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MCCPCC交直流驱动等2）传感器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RTDmV高压大电流信号。

2.2国内外的发展状况

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际电工委员会制定的国际标准之一（IEC61158TYPE3）和中国国家标准（GB/T20540-2006）。

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８０％左右的市场。

第三章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块设计思路

3.1研究目标

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

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/PROFIUBSDP通讯卡以实现将4～20mA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设备的输出数据经过校准和量程变换后转换为0～5V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（０～127）来设定.

3.3解决关键问题

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，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：

4～20mA的阀位反馈信号

输出信号：

1～5V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

第四章基于VPC3的PROFIBUS-DP模块设计

4.1开发方案分析

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技术路线

1.电路设计制作：

使用PROFIBUS通信专用ASIC芯片VPC3实现协议相关内容，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实验方案

4.3.1硬件设计

如图2、3所示

SRAM模块：

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4~20mA/1~5V模拟信号传输方式，对4~20mA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1~5V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。

图3

4.3.2软件设计

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[2][4]。

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。

图4

图5

图6

4.4本课题的特点与创新之处

44.1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PROFIUBS—DP组成智能的系统网络。

4.4.2优创新点及优点

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3V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DPv0而且还兼容DPv1,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。

第五章目标规划

5.1研究进度

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

对AD、DA的软件设计主要实现两个功能：

一是将执行器4~20MA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0.5~2.5V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的内部数据。

用户可以通过总线接口访问VPC3的内部RAM[5]。

.

5.3预期的效果

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。

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/仪表上配置PROFIBUS-DP接口，可以满足相关行业的需要。

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.

[2]Siemens AG..SPC3 and DPS2 User Description. Siemens AG in Fed Rep of Germany. 1998.

[3]SIEMENSSPC3UserDescription.SIEMENS,1996.

[4]VPC3+CUserManualRevision1.042004-2007.

[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.

附录

附录一：

作品实物图

基于VPC3的PROFIBUS-DP模块实物图