基于ARM芯片實現PROFIBUS—DP從站接口電路的設計

【摘要】 本文提出以ARM芯片和PROFIBUS—DP協議芯片為核心的從站接口設計，采用STM32F103處理用戶程序，由VPC3+C協議芯片實現PROFIBUS—DP協議的轉換。從硬件和軟件設計兩個方面闡述從站接口的設計和實現方法。

【關鍵詞】 現場總線 PROFIBUS-DP從站 VPC3+C STM32F103

一、引言

現場總線是一種工業數據總線，近年來得到了迅速的發展。現場總線有三種形式：Profibus—DP、Profibus—FMS、Profibus—PA，其中Profibus-DP以其靈活性和可靠性等優點得到了世界范圍內的廣泛應用，但并不是每個設備都可以接到Profibus網絡中，這就使得為工業設備開發Profibus通信接口顯得尤為重要。

二、PROFIBUS-DP從站接口設計的整體思路

PROFIBUS—DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。Profibus的傳輸速率為96～12kbps，最大傳輸距離在12kbps時為1000m，可用中繼器延長至10km，最多可接 127個站點。Profibus協議模型中第一層是物理層，第二層是數據鏈路層，三至六層未使用，第七層是應用層，最后是用戶層。Profibus—DP從站接口選用STM32F103處理用戶發送的數據，協議芯片VPC3+C處理Profibus—DP數據鏈路層的協議，通過RS485實現物理層通信。采用協議芯片不必去了解PROFIBUS-DP的具體細節，只要了解協議的相關內容，這樣使我們更方便的設計接口電路。本文設計的PROFIBUS-DP從站接口在總線控制系統中的大體框架。

三、PROFIBUS-DP從站硬件接口的設計

目前Profibus-DP從站開發有兩種方案：（1）單片機+軟件，但需要了解通信中的大量的協議；（2）單片機+Profibus通信的專用芯片，該芯片集成了Profibus通信所有的協議，避免對大量協議的掌握。本文選用第二種方案，設計的從站接口主要包括以下五部分：電源模塊、AD/DA轉換模塊、STM32F103與VPC3+C接口模塊、RS485轉換模塊和從站地址選擇電路。從站采用反激式開關電源供電，可提供3.3V和5V兩路隔離的電源。PROFIBUS-DP 從站通采用4～20mA/1～5V 模擬信號傳輸方式，對4～20mA 的輸入信號通過AD轉換進行校準和量程變換后將其轉換為DP 總線輸入數據，對DP 總線輸出數據通過DA進行校準和量程變換轉換為1～5V 的輸出信號。PROFIBUS-DP支持的站地址由0到126共127，采用一個八位撥碼開關防止尋址過程發生地址的沖突。

3.1微處理器與VPC3+C接口

STM32F103是增強型32位Cortex-M3，6K字節至20K字節SRAM，多達80個快速IO口，所有IO口可以影像到16個外部中斷。VPC3是用于從站開發的通信協議芯片，它支持3.3V和5V電壓的供電，并且包含Profibus通信的全部協議，即不用考慮電源轉換問題也減少對協議的掌握。VPC3內部集成4KB的雙口RAM，有16個沒有優先級的中斷存儲。VPC3與STM32F103的通信有兩種模式：Intel模式和Motorola模式。本文選擇Intel模式，VPC3相當于STM32F103的外部RAM，通過雙口RAM交換數據，VPC3內部有地址解碼器，所以AB8—AB10接地。DB7—DB0可用作數據地址復用總線產生低八位數據和地址，AB0—AB3產生高四位地址，VPC3的片選信號由AB4—AB7控制，當AB4—AB7全為零時，選中VPC3。由于VPC3的AB0—AB7是地址數據復用總線，所以與STM32F103的IO連接是通過鎖存器相連，鎖存器的時鐘控制端通過反相器與VPC3的ALE控制，地址總線直接與STM32F103的IO口相連。VPC3的復位引腳與STM32F103的PC9相連，可以通過軟件復位VPC3。VPC3與STM32F103進入數據交換狀態時，VPC3的引腳XDATAEXCH輸出低電平，利用這個特點在該引腳與VDD直接接個LED指示燈，當進入數據交換狀態時，指示燈就會被點亮。電路圖如1所示。

3.2VPC3與RS485接口

Profibus通信的物理層為RS485，VPC3芯片本身不帶RS485接口，所以本設計中采用IL3685芯片實現RS485信號轉換。IL3685是現場總線隔離收發器芯片，具有RS485收發和隔離功能。使用一片IL3685設計方法可替代光耦+ RS485通訊芯片，簡化了電路設計。IL3685一側與VPC3相連，另一側通過DB9與Profibus—DP電纜相連。VPC3的請求發送端口、串行發送端口、串行接收端口與IL3685直接相連。IL3685有一個特殊的引腳ISODE與DB9的DTR相連。

四、PROFIBUS-DP從站軟件的設計

PROFIBUS-DP從站的軟件設計主要是完成現場總線通信控制和處理用戶數據，VPC3中集成的Profibus—DP狀態機，可以描述Profibus—DP站的各種情況下的行為，STM322F103的主要任務是初始化和啟動VPC3+C以及處理中斷診斷事務，轉存通過VPC3接收來自主站的數據，同時把外圍設備發出的數據通過VPC3反饋給主站，然后通過主站的組態參數發送控制命令給外圍設備，使得外圍設備發生相應的變化，從而完成一個程序的循環過程。該軟件部分主要有以下幾個模塊組成：

（1）主程序：主要完成STM32F103初始化設置波特率、系統時鐘、中斷方式等；VPC3+C初始化設置中斷允許、設置地址/參數/配置緩沖區及長度；ADC、DAC初始化，設置從站地址；

（2）A/D、D/A調整模塊：主要包括數據的采集、數據的轉換，AD轉換結束讀取轉換數據；

（3）通信模塊：主要指的是VPC3+C通過RS485與主站之間的通信；

（4）時鐘設置程序：包括串口波特率時鐘、AD/DA采樣時鐘；

（5）中斷模塊：主要是處理從站參數、組態數據檢測和從站地址選擇；

（6）頭文件：定義一些變量和宏接口，使得訪問VPC3寄存器更加方便。

主程序和中斷程序流程圖如下圖2所示。

五、結論

Profibus—DP用于主從設備間進行快速、簡單的數據交換過程。本設計是為電源系統設計的，當電源數值變化時，會把這種變化數據發送給VPC3，VPC3把數據轉換后通過RS485傳送給主站S7-300，S7-300接到信息后，經行處理，將處理的結果反饋給VPC3，VPC3轉換成微處理器可以處理的數據，微處理器接到數據，發送給電源設備發生相反的變化，從而達到穩定電源的目的。