基于Profibus-DP總線的網(wǎng)絡(luò)控制轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周 平 ，溫林儒 ，李志俊

（1.武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司，武漢 430023；2.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430070）

艦船狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代艦船自動(dòng)化的一個(gè)重要標(biāo)志，可分為機(jī)艙內(nèi)監(jiān)控和機(jī)艙外監(jiān)控。主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶設(shè)備在不同工況下運(yùn)行參數(shù)（溫度、壓力、氣體濃度等）是否正常，目前艦船監(jiān)控模式基本為有線式的集中監(jiān)控，利用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，從而有效地解決船舶空間狹小不便布線、不易維護(hù)的困難，降低了施工人員的工作強(qiáng)度以及工程生產(chǎn)成本[1-3]。

船舶集中監(jiān)控平臺(tái)分上層網(wǎng)、下層網(wǎng)。上層網(wǎng)一般采用以太網(wǎng)，下層網(wǎng)一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)船舶集成平臺(tái)管理系統(tǒng)總線網(wǎng)之間的信息交換、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和報(bào)警功能。船舶集成平臺(tái)管理系統(tǒng)的上層網(wǎng)可通過艦船用網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換后給下層網(wǎng)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)控制命令，直接對(duì)下層網(wǎng)絡(luò)的控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程操縱（或進(jìn)行參數(shù)設(shè)置）；下層網(wǎng)絡(luò)的分類信息經(jīng)過以太網(wǎng)關(guān)傳遞給上層網(wǎng)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作[4-6]。

1 艦船網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

目前在艦船控制網(wǎng)絡(luò)中上層網(wǎng)一般采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，而下層網(wǎng)則是基于Profibus-DP或CAN的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，兩層網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸不兼容，所以該網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)核心就是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)Socket數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化。本次設(shè)計(jì)采用PIC18F4250單片機(jī)作為微處理器，它可以方便地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的通信控制功能，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7-8]。

本文介紹如何應(yīng)用西門子公司的智能化接口芯片 SPC3（SIMENS Profibus controler 3）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)。SPC3集成了完整的DP協(xié)議，其中包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等，傳輸速率可達(dá)到12 Mb/s。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器的硬件主要由微處理器、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、看門狗、Profibus-DP接口和以太網(wǎng)接口等部分組成，系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制轉(zhuǎn)換器硬件Fig.1 Structure frame of network controller

微處理器控制模塊是硬件設(shè)計(jì)的核心，也是硬件運(yùn)作的核心，負(fù)責(zé)對(duì)通信芯片的控制、存儲(chǔ)芯片的讀寫、看門狗的協(xié)調(diào)，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。由專用集成電路ASIC（applications specific integrated cxircuit）芯片 SPC3（SIEMENS Profibus controler 3）及它后面的RS485接口組成Profibus接口模塊，完成了SPC3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，它能支持10種服務(wù)，這些服務(wù)大部分由SPC3自動(dòng)完成，SPC3芯片經(jīng)光電隔離后通過RS485驅(qū)動(dòng)電路與Profibus-DP總線連接。

2 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器的硬件設(shè)計(jì)

由于Profibus-DP是一種高速的現(xiàn)場(chǎng)總線，其最大的傳輸速率可以達(dá)到12 MHz，使用專用芯片SPC3可以和多種MCU連接。選擇MicroChip公司的PIC18F4520單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，它采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）體系結(jié)構(gòu)和哈佛（Harvard）雙總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令傳輸總線完全分開，以避免出現(xiàn)典型的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）體系結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的處理瓶頸問題。設(shè)計(jì)時(shí)，外部中斷0接SPC3中斷信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中處理SPC3接收到的各種報(bào)文（參數(shù)化、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換、全局控制、發(fā)送診斷和改變從站地址等報(bào)文）；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2用于RS485通信的波特率發(fā)生器，并設(shè)置串行通信中斷為最高優(yōu)先級(jí)中斷[9]。

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器用PIC18F4520單片機(jī)作為處理器單元管理通信事務(wù)，通過PORTA端口和PORTD端口對(duì)SPC3進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置，SPC3本身帶有地址鎖存器所以PORTD端口可以不經(jīng)鎖存器直接與SPC3連接，這樣低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線共用，而單片機(jī)的高5位地址線與SPC3的AB0～AB4數(shù)據(jù)線相連。單片機(jī)將SPC3內(nèi)部1.5 K RAM作為自己外部RAM，統(tǒng)一分配地址空間，并通過雙端口完成對(duì)SPC3的初始化和數(shù)據(jù)交換[10]。

為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入、輸出通道上的電氣隔離采用的是6N137高速光耦。選用SN75ALS176作為收發(fā)器，通信速率可達(dá)6 Mb/s。RS485總線驅(qū)動(dòng)器一側(cè)與9針D型插座相連，另一側(cè)通過光耦與SPC3相連。其中SPC3的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為48 MHz，需外接晶振以達(dá)到SPC3的時(shí)鐘頻率。SPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能，通過UART接口經(jīng)過光電耦合隔離來連接Profibus-DP總線。SPC3與單片機(jī)PIC18F4520的接口電路如圖2所示[11]。

圖2 單片機(jī)PIC18F4520與SPC3的接口電路Fig.2 Interface of MCU and SPC3

Profibus-DP滿足RS485的標(biāo)準(zhǔn)，即發(fā)送電平為1.5 V～5 V，負(fù)載阻抗為54 Ω，允許任何驅(qū)動(dòng)器。SPC3的串行口協(xié)議芯片通過請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)（TRS）、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)（TXD）、接收數(shù)據(jù)信號(hào)（RXD）與電流隔離接口驅(qū)動(dòng)器連接，發(fā)送器將并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流。TRS為SPC3的請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，其最終接到收發(fā)器的輸出使能端。RXD和TXD分別為串行接收和發(fā)送端口。其中SPC3中的3根信號(hào)TRS、TXD、RXD經(jīng)UART口，把并行數(shù)據(jù)流變換為串行數(shù)據(jù)流和將串行數(shù)據(jù)流變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)流，并經(jīng)光耦進(jìn)行電流隔離接入RS485總線驅(qū)動(dòng)器中，控制總線數(shù)據(jù)互相交換。異步的UART序列采用1個(gè)起始位（邏輯為0）和1個(gè)停止位（邏輯為1），中間為9位信息位（8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)偶校驗(yàn)位），低位數(shù)據(jù)先發(fā)送。發(fā)送器包含1個(gè)發(fā)送緩沖器和1個(gè)移位寄存器。

Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接口在物理上與RS485網(wǎng)絡(luò)接口相近。在Profibus-DP總線驅(qū)動(dòng)和光耦隔離的通信部分，Profibus-DP總線驅(qū)動(dòng)一側(cè)與Profibus-DP總線連接，另一側(cè)通過光耦與SPC3連接，采用光耦主要是為了消除來自總線的干擾。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線接口能以12 Mb/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而SPC3滿足這種要求。在本文中，系統(tǒng)的總線接口部分的驅(qū)動(dòng)器采用SN65ALS1176。另外，總線接口采用12 Mb/s的光耦6N137隔離接口設(shè)備到總線的干擾。光耦6N137與SN65ALS1176相連的部分，及其與SPC3相連的部分采用不同的5 V電源供電，防止相互之間的串?dāng)_。RS485與Profibus-DP接口電路如圖3所示[7]。

圖3 Profibus-DP總線接口電路Fig.3 Interface of Profibus-DP

根據(jù)RS485規(guī)范和DP規(guī)范，9針定義為Pin 3-B 線、Pin 4-請(qǐng)求發(fā)送（RTS）、Pin 5-地線（M5）、Pin 6-正電壓位（floating P5）、Pin 8-A 線，其余針腳空閑。在SPC3連線中，類似的引腳3接B線（RxD/TxD-P），引腳 4 接 RTS（請(qǐng)求發(fā)送），引腳 5 接地（DGND），引腳 6 接電源（5 V），引腳 8 接 A 線（RxD/TxD-N）。當(dāng)信號(hào)在總線上傳輸時(shí)，如發(fā)生阻抗不連續(xù)，將形成信號(hào)反射，導(dǎo)致傳輸信號(hào)畸變，因此在傳輸線的末端，需要加電阻來消除這種阻抗的不連續(xù)，所加電阻的阻值應(yīng)盡量接近傳輸線的特性阻抗。另外當(dāng)總線上沒有站處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，發(fā)射器停止，處于高阻狀態(tài)，在這種狀態(tài)下要使總線處于“1”，因此在Pin3上加1個(gè)上拉電阻，Pin8上加1個(gè)下拉電阻。

3 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器的軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器的軟件主要包括微處理器初始化、Ethernet初始化、SPC3智能芯片的初始化及啟動(dòng)、DP協(xié)議的解算、Ethernet協(xié)議的解算、此外還要對(duì)Profibus-DP總線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷。主程序流程如圖4所示[11]。

圖4 主程序流程Fig.4 Flow chart of main program

Ethernet協(xié)議解算主要包括發(fā)送接收數(shù)據(jù)包的格式與發(fā)送接收數(shù)據(jù)包的過程。程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，接口芯片會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，當(dāng)收到物理信號(hào)后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片內(nèi)存中以便MCU取用。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器使用的是802.3 TCP/IP協(xié)議。

Profibus-DP協(xié)議解算主要提供用戶訪問SPC3寄存器的宏接口和進(jìn)行變量定義的頭文件模塊；處理組態(tài)數(shù)據(jù)檢查、分配DP站參數(shù)和設(shè)定中斷事件的中斷程序模塊；根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算輸入輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，輔助緩沖區(qū)分配，緩沖區(qū)初始化，設(shè)置I/O數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，各緩沖區(qū)更新函數(shù)等外部函數(shù)模塊；用戶主程序模塊系統(tǒng)在軟件的設(shè)計(jì)上采用了SIEMENS公司提供的軟件包DPS2，使用戶的主要工作為用戶主程序的設(shè)計(jì)，主要集中在SPC3初始化、啟動(dòng)、外部信號(hào)處理程序、DP站數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收來自主站的數(shù)據(jù)以及診斷事務(wù)的處理部分的程序設(shè)計(jì)上，從而在縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間的同時(shí)，保證了DP站各種功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。SPC3的初始化程序流程如圖5所示[12]。

圖5 SPC3初始化程序流程Fig.5 Initial flow chart of SPC3

4 結(jié)語

為了解決艦船信息化過程中遇到的多總線、多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議的困境，本文設(shè)計(jì)了能支持Profibus-DP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器。該網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)采用性價(jià)比高的PIC18F4520單片機(jī)作為MCU，足以滿足信息處理所需的速度，與Profibus-DP接口控制芯片SPC3的數(shù)據(jù)線、地址線和控制信號(hào)線連接簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于今后的維護(hù)和改進(jìn)。該網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器已經(jīng)運(yùn)用于多艘艦船上，結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)了艦船的信息集成與監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)集控室對(duì)各分控制系統(tǒng)的在線操作，并實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)各遠(yuǎn)端設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了船舶信息管理和自動(dòng)化監(jiān)控一體化。

[1]王磊，何晉秋.基于通用化的船舶監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2015，35（1）：147-150.

[2]竇文博，王衛(wèi)東.基于Zigbee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（22）：127-130.

[3]朱兵，劉維亭，朱志宇，等.網(wǎng)絡(luò)型船舶機(jī)艙自動(dòng)化及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].船海工程，2005（6）：43-46.

[4]李志俊，楊佳，沈克宇，等.基于C8051的船用以太網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（5）：81-83.

[5]尚作斌，林葉錦，楊金保.船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)研究[J].世界海運(yùn)，2001，24（4）：38-40.

[6]林建軍.基于Profibus-DP總線的船舶監(jiān)控系統(tǒng)初探[J].內(nèi)江科技，2013（1）：166-167.

[7]黃偉，蔡玉艷.Profibus-DP智能溫度控制器從站設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2008，23（10）：12-16.

[8]Zhao Jue，Yang Shun.Design of Modbus-Profibus fieldbus bridge based on the STM32 and VPC3+C[C]//Proceedings of 2012 IEEE 3rd International Conference on Software Engineering and Service Science，2012：411-414.

[9]丁小偉，王衛(wèi)國，李芃.基于Profibus-DP協(xié)議的智能斷路器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2010（24）：39-42.

[10]馮朔.基于SPC3的嵌入式Profibus-DP智能從站接口的設(shè)計(jì)及測(cè)試[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（10）：2518-2519.

[11]張穎超，侯瑞剛.采用SPC3的智能型Profibus-DP通信接口開發(fā)[J].通信技術(shù)，2009，10（42）：225-226.

[12]江平，趙輝，孫麗梅.Profibus-DP智能從站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23（1）：53-55.