基于ERTEC400的PROFINET IO設備板的研發

王華

基于ERTEC400的PROFINET IO設備板的研發

王華

日照廣播電視大學 山東日照 276826

在PROFINET IO設備模型的基礎上，進行基于ERTEC400的PROFINET專用通信ASIC的硬件部分設計與實現。在硬件的基礎上，在PNl0400板上移植VxWorks實時操作系統和PROFINET IO協議棧，然后給出用戶應用程序的需求分析，并實現用戶應用程序。

現場總線；PROFINET；ERTEC 400；VxWorks

1 引言

現場總線技術自20世紀70年代誕生到現在，它的優越性特別多，主要體現在：減少系統線纜，簡化系統安裝、管理和維護，降低系統的投資和運行成本，增強系統性。這些優越性引起人們的廣泛注意，得到很大范圍的推廣，引起自動控制領域的一場革命。

目前，工業以太網已經在工業企業綜合自動化系統中的執行制造層和資源管理層得到廣泛的應用，并且呈現出向下延伸直接應用于工業控制現場的趨勢。PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于以太網的自動化標準，定義了跨廠商的通信、自動化系統和工程設計模式。借助PROFINET IO實現一種允許所有站隨時訪問網絡的交換技術，這樣，通過多個節點的并行數據傳輸可更有效地使用網絡。

2 現場總線的基本概念

根據IEC和ISA（美國儀表協會）的定義，現場總線（Fieldbus）是連接自動化系統和智能現場設備的數字式、串行、多點通信的數據總線。現場總線系統是具有多點數字傳輸能力和開放連接的底層控制網絡。通過它可以實現跨網絡的分布式控制，最近幾年來，它在交通工程、制造業、樓宇建設、流程工業、環境工程等方面的自動化系統中實現了成功的應用，并且具有廣泛的應用前景。

3 PROFINET IO協議架構

3.1 PROFINET通信標準

2008年8月，PROFIBUS國際組織在新聞發布會上提出PROFINET的概念；就在4年之后，就構建好了PROFINET的基礎。該標準包括實時通信、安裝技術、網絡管理以及Web集成功能等方面。PROFINET是一種新的以太網通訊系統，是由西門子公司和PROFINET用戶協會開發。PROFINET具有多制造商產品之間的通信能力、自動化和工程模式，并針對分布式智能自動化系統進行了優化。

表1

ISO/OSI模型創建于1978年，它是解決開放系統通信的國際模型。ISO/OSI模型將通信序列分為7個層，PROFINET在該模型中如表1所示。

3.2 PROINETF IO通信類型

1）TCP/IP標準通信。通過TCP/UDP/IP在標準通道上發送沒有實時性需求的數據（即非實時數據，NRT），主要用作節點的參數化、組念、讀取診斷數據、互連（數據）的加載、非周期數據交換以及傳輸用戶數據的通信通道的協商。

2)實時通信。實時通信又分為3種類型。類型l和類型2是軟實時SRT（Software RT）方案，它是經過優化了的基于以太網第二層的實時通信通道。類型3是同步實時IRT。

4 ERTEC400的PROFINET IO設備板硬件設計

ERTEC400的PROFINET IO設備板除了通信控制器之外，還需要通信控制器的支持電路，包括電源系統（可以提供1.5 V、3.3 V、5 V的電源）、時鐘電路、復位電路、Flash電路、SRAM電路、以太網電路。另外為了程序和參數的下載，UART口也必須實現。以及為了方便程序的調試，調試口也是必要的。綜合考慮，其硬件總體電路圖如圖1所示。

圖1 硬件總體電路圖

5 系統軟件設計與實現

5.1 VxWorks操作系統的組成

VxWorks操作系統的基本構成部件主要有5個部分：板級支持包BSP（Board Support Package）；微內核wind；網絡系統；文件系統；I/O系統。

5.2 Tornado 2.2開發系統結構

該系統提供了創建項目工程和BSP的移植，以及從設計應用程序到調試系統、分析性能等。Tornado 2.2開發系統結構如圖2所示。

5.3 軟件系統設計

本文將ERTEC400的通用卡分為四層，分別為：上層程序，PROFINET IO實時協議的實現層，VxWorks系統，ERTEC 400的PROFINET通用卡。其中，由于ERTEC 400通用卡是為PROFINET IO設備研制的，因此，上層程序必須具有的功能包括：周期IO數據的交換；塊和子模塊的插入和拔除；發送報警信息。

5.4 PROFINET IO協議棧的移植

1）移植流程圖。本文所要設計的實時操作系統，主要包括內核映象的引導、定制平臺，創建VxWorks映象并且將其下載到通用卡，其中定制平臺包括修改源代碼配置文件、創建和添加定制組件、開發驅動程序。該系統在ERTEC 400的PROFINET IO通用卡上的整個流程圖如圖3所示。

2）平臺定制。針對ERTEC 400的微處理器ARM946處理器，本文所用到的實時多任務操作系統為其提供了一個支持包——integrator946es，使用它將修改好的文件復制到BSP文件的PROFINET IO ERTEC 400下即可。

下面只介紹SRAM存儲器的配置：

6 小結

圖2 Tornado 2.2開發系統結構圖

圖3 流程圖

在硬件電路的設計中，當前采用了最基本的功能設計，還需要進一步擴充存儲器系統，最好擴展一個32 M字節的NAND Flash，8 M的SRAM；需要擴展一個以太網端口來加強現有的串口功能，它主要用來實現程序下載；Flash接口電路和EPROM也需要進一步擴充：擴充一個LBU接口用于LBU主站的數據存取。所有這些工作還需要進一步展開。

[1]Pigan R, Metter M.西門子PROFINET工業通信指南[M].湯亞鋒,譯.北京:人民郵電出版社,2007.

[2]崔堅,李佳,楊光.西門子工業網絡通訊指南:下冊[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]孫凡金,劉彥呈,潘新祥.Profinet工業以太網實時通信協議分析[J].低壓電器,2008(21).

[4]西門子公司.Siemens PROFINET系統說明[M].北京西門子公司,2008.

[5]王井勝.基于ERTEC200的PROFINET IO設備板的研發工業數據通[D].廣州:廣東工業大學,2009.

[6]陳海東.PROFINET:面向自動化未來的以太網現場總線解決方案[J].現代制造,2004,45(12):31-35.

Research and Development based on ERTEC400 PROFINET IO Device Board

Wang Hua

In this thesis, on the basis of the PROFINET IO equipment model, the author carried on the design and practice on PROFINET special communication ASIC hardware based on the ERTEC400.On the basis of the hardware, VxWorks real-time operating system and PROFINET IO protocol stack are transplanted through PNl0400 board, then User applications demand analysis is presented, and the user application program is realized.

field bus; PROFINET; ERTEC 400; VxWorks

TP273

B

1671-489X(2013)12-0044-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.044