基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的智能液位傳感器接口研發(fā)

1、第一章 緒論密級： 題 目： 基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的智能液位傳感器接口研發(fā)學(xué) 院： 系 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 職稱： 起訖日期： 基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的智能液位傳感器接口研發(fā)1 摘要智能傳感器是多種技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，具有精度高、可靠性好、能夠與計算機通信等特點，因此在過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一個全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)。PROFIBUS現(xiàn)場總線則是其中的佼佼者。PROFIBUS-DP是PROFIBUS的組成部分之一，本文介紹了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計智能液位

2、傳感器接口。PROFIBUS-DP是一種開放性的國際總線，用于分散外部設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPC3是PROFIBUS-DP專用智能通信協(xié)議芯片，集成了MAC層和FDL層，實現(xiàn)了DP通信的處理，減輕了CPU的負擔(dān)。液位傳感器輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器處理后，再由協(xié)議芯片SPC3來完成通信協(xié)議并通過PROFIBUS-DP電纜連接到主站，從而實現(xiàn)了主從站的數(shù)據(jù)通訊，以滿足工業(yè)控制的要求。本論文首先介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)的概況和常用的現(xiàn)場總線標準及OSI參考模型，接著詳細介紹了PROFIBUSDP專用芯片SPC3，包括SPC3的引腳功能、結(jié)構(gòu)、存儲器配置及PROFIBUS-DP從站開發(fā)工具，然后著重介紹了P

3、ROFIBUS-DP現(xiàn)場總線從站通信接口的硬件和軟件的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP；SPC3；現(xiàn)場總線；智能從站Research of Intelligent Module of Liquid Level Sensor Interface Based on PROFIBUS-DPAbstractThe intelligent sensor is the result that many kinds of technology combined each other, it is high accuracy, reliability characteristics of good com

4、munication with the computer in the process control is very broad application. The fieldbus is not only an open communication network but also a wide-spread control system and a new network-integrated automatic system. The technology of PROFIBUS fieldbus is outstanding. PROFIBUS-DP is one part of PR

5、OFIBUS fieldbus, this paper introduced how to design a smart liquid level sensor interface based on PROFIBUS-DP.PROFIBUS-DP is a kind of open international fieldbus standard, which is applied to high speed data transmission between dispersive peripheral equipments. SPC3 is an intelligent ASIC used f

6、or communication of PROFIBUS-DP, integrates MAC and FDL layers, implements the communication handle of DP, and reduces the communication burden of CPU. After data which is outputted by the liquid level sensor processed in the microprocessor, the communication chip SPC3 completed PROFIBUS-DP agreemen

7、t and be connected to the master station though the cable, thus achieving the data communications between the master station and the slave station, so that it will be satisfied to controlling of industry.At first, this paper introduced the summary of fieldbus technology and popular fieldbus standard

8、. And with the network model, PROFIBUS fieldbus and other popular fieldbus are discussed, then the special cental SPC3 of PROFIBUS-DP is introduced in detail, include its pin function, internal structure, memory configuration and tools of slave station of PROFIBUS-DP, expounded the design of hardwar

9、e and software of PROFIBUS-DP intelligent slave station interface.Keyword: PROFIBUS-DP；SPC3；fieldbus ；intelligent slave station1目錄目錄摘要1AbstractII第一章 緒論11.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀11.2 PROFIBUS概述41.3 PROFIBUS-DP系統(tǒng)的概述4第二章 PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及通信原理82.1 PROFIBUS-DP幀的結(jié)構(gòu)82.2 PROFIBUS-DP的通信原理9第三章 SPC3的概述123.1 SPC3的基本特性12

10、3.2 SPC3的芯片引腳功能133.3 SPC3存儲器的配置16第四章 液位傳感器接口設(shè)計方案214.1 液位傳感器的介紹214.1.1 傳感器基本原理214.1.2 傳感器勵磁信號發(fā)生電路224.1.3 傳感器信號的放大及調(diào)理224.2 通信接口硬件設(shè)計244.2.1硬件整體設(shè)計244.2.2 單片機與SPC3的接口244.2.3 SPC3與RS485接口274.2.4 外部存儲擴展284.2.5 電源模塊294.3 通信接口軟件設(shè)計304.3.1 軟件總體設(shè)計304.3.2 主程序與中斷程序304.3.3 設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）32第五章 結(jié)束語365.1 小結(jié)365.2 展望36參考

11、文獻（References）38致謝40IV第一章 緒論 第一章 緒論1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是20世紀80年代中后期隨著控制、計算機、通信以及模塊化集成等技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的工業(yè)控制系統(tǒng)，代表工業(yè)自動化控制發(fā)展的最新階段?，F(xiàn)場總線的概念是1982年首先在歐洲提出的。隨后，北美與南美也都投入巨大的人力、物力開展研究工作。到現(xiàn)在為止比較流行的現(xiàn)場總線已有40多種?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的全分布、全數(shù)字、全開放特性解決了集散控制系統(tǒng)中存在的不足。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把集散型控制系統(tǒng)中的集中與分散相結(jié)合的概念變成了新型的全分布式測控系統(tǒng)。作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)溝通了生產(chǎn)

12、過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系：它向下深入到現(xiàn)場的每一臺儀表、執(zhí)行機構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身便可實現(xiàn)基本控制功能；向上連接到生產(chǎn)管理、企業(yè)經(jīng)營的方方面面，為企業(yè)提供全面的解決方案。目前，現(xiàn)場總線將原來主要用于過程控制的工業(yè)控制自動化推廣到制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域，成為新的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，4mA到20mA模擬信號儀表將被符合現(xiàn)場總線標準的雙向通信全數(shù)字智能儀表所代替，實現(xiàn)傳輸信號數(shù)字化，使模擬信號和數(shù)字信號混合控制系統(tǒng)最終變成全數(shù)字控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的開放性解決了數(shù)字系統(tǒng)的兼容性問題，協(xié)議的完全開放導(dǎo)致不同的生產(chǎn)商

13、的產(chǎn)品之間可以互換和互操作。它不但給生產(chǎn)商和用戶帶來極大的方便，而且突破了集散控制系統(tǒng)的中由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)所造成的缺陷，把封閉、專用的解決方案變成了公開、標準化的解決方案?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善；另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無論是FF和PROFIBUS，還是其他一些現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個世界市場。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用

14、戶的愿望。今后現(xiàn)場總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。高速現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié)構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場總線的設(shè)計、開發(fā)將是競爭十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的重要機會。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對中國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)

15、展是個極好的機會，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有；智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；組態(tài)抗術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等；網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術(shù)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)?？傮w說來，自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標準規(guī)范，但由于這一技術(shù)所

16、涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標準。幾大技術(shù)均具有自己的特點，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。有理由認為：在從現(xiàn)在起的未來10年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標準的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過程自動化領(lǐng)域內(nèi)，今后10年內(nèi)，F(xiàn)F基金會現(xiàn)場總線將成為主流發(fā)展趨勢，LonWorks將成為有力的競爭對手，HART作為過渡性產(chǎn)品也能有一

17、定的市場。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過程設(shè)計的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。另外，F(xiàn)F基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商；LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。由于HART建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要。目前它已經(jīng)占有一定的市場份額，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國外HART儀表的市場份額還在不斷增長，呈上升趨勢，但是它畢竟是過渡性產(chǎn)品，其生存周

18、期不會很長。國內(nèi)則由于很多項目都是新項目，所以對兼容性的考慮較少，而對先進性的考慮較多，相信HART在國內(nèi)的市場份額不會很大。國內(nèi)市場與國外市場會有比較大的差異。一方面國外市場上占優(yōu)勢的產(chǎn)品會不斷滲透到國內(nèi)；另一方面，由于國內(nèi)廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 （芯片制造商等）對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。國內(nèi)目前僅LonWorks技術(shù)有實質(zhì)性的市場活動，所以大部分國內(nèi)廠商將首先接受LonWorks技術(shù)。盡管FF號稱儀器儀表行業(yè)的未來標準，但是由于沒有明確的市場策略和在國內(nèi)的積極的市場活動，市場份額將會受到很大影響。而且事實表明，所

19、有的現(xiàn)場總線基金會（FF）會員在研制符合FF標準的同時，都同時推出采用LonWorks技術(shù)的應(yīng)用，由此可見LonWorks技術(shù)的生命力十分頑強。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點和歷史原因，其主流技術(shù)會有一些差別。Profibus和CAN在這一領(lǐng)域具有較強的競爭力。他們已經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨特的優(yōu)勢。由于LonWorks技術(shù)的特點，在多樣化控制系統(tǒng)的應(yīng)用上將會有較大的發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應(yīng)用，并推動自動化相關(guān)行業(yè)的

20、發(fā)展。1.2 PROFIBUS概述PROFIBUS是PROCESS FIELDBUS的縮寫，是由SIEMMENS等公司組織開發(fā)的現(xiàn)場總線技術(shù)，先后成為德國和歐洲的現(xiàn)場總線標準，并于2000年成為IEC61158現(xiàn)場總線國際標準之一。PROFIBUS 針對不同的應(yīng)用需要推出了三種類型：PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA（Process Automation)和PROFIBUS-FMS。這三種類型均使用統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，其中PROFIBUS-DP采用經(jīng)過優(yōu)化的速度、廉價通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級的分散I/O之間通信設(shè)計，能滿

21、足設(shè)備級分布式控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性的要求；PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸采用IEC1158-2標準，支持本質(zhì)安全要求和總線供電；PROFIBUS-FMS用來解決車間級通信任務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，較DP通信量大，使用更靈活，服務(wù)更加復(fù)雜多樣，但實時性能稍低。所以，PROFIBUS覆蓋了制造業(yè)自動化，樓宇自動化和過程自動化等多個自動化領(lǐng)域。隨著商務(wù)、辦公領(lǐng)域的IT技術(shù)在企業(yè)信息化中的影響越來越大，PROFIBUS又提出了結(jié)合Ethernet的解決方案PROFINET。PROFINET采用了對象模型，通過TCP/IP很容易實現(xiàn)對外信息的交換，原有

22、的PROFIBUS設(shè)備通過代理接口也可以方便地集成到PROFINT中，如果把PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS，視為PROFIBUS在自動化不同領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，則PROFINET可以看做是PRFIBUS結(jié)合IT技術(shù)后的縱向向上擴展，這一擴展對實現(xiàn)企業(yè)的管控一體化具有特大的意義。1.3 PROFIBUS-DP系統(tǒng)的概述PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)設(shè)備包括主站（主動站，有總線訪問控制權(quán)，包括1類主站和2類主站）和從站（被動站，無總線訪問控制權(quán)）。當(dāng)主站獲得總線控制權(quán)時，它能占用總線，可以傳輸報文，從站僅能應(yīng)答所接收的報文或在收到請求傳輸數(shù)據(jù)。一個PROFIB

23、US-DP系統(tǒng)既可以是一個單主站結(jié)構(gòu)，也可以是一個多主站結(jié)構(gòu)。主站和從站采用統(tǒng)一編址方式，可選用0127共128個地址，其中127為廣播地址。一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)最多可以有127個主站，在應(yīng)用時實時性要求較高時，主站個數(shù)一般不超過32個。單主站結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中只有一個主站，且該主站為1類主站，網(wǎng)絡(luò)中的從站都隸屬于這個主站，從站與主站進行主從數(shù)據(jù)交換。多主站結(jié)構(gòu)是指在一條總線上連接幾個主站，主站之間采用令牌傳遞方式獲得總線控制權(quán)，獲得令牌的主站和其他控制的主站之間進行主從數(shù)據(jù)交換。總線上的主站和各自控制的從站構(gòu)成多個主從結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。PROFIBUS的協(xié)議以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)，并對其進行

24、了簡化，如圖一所示。PROFIBUS-DP使用了第一層、第二層和用戶層，第三層到第七層未使用（這些層必要的功能在第二層或用戶層實現(xiàn)），這種精簡的結(jié)構(gòu)確保了高速數(shù)據(jù)傳輸及較小的系統(tǒng)開銷。PROFIBUS-DP的物理層采用RS-485標準，規(guī)定了傳輸介質(zhì)、物理連接和電氣等特性。PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)鏈路層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FDL，包括與PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的總線介質(zhì)訪問控制MAC以及現(xiàn)場總線鏈路控制FLC，F(xiàn)LC向上提供服務(wù)存取點的管理和數(shù)據(jù)的緩存。第一層和第二層的現(xiàn)場總線管理完成第二層特定總線參數(shù)的設(shè)定和第一層參數(shù)的設(shè)定，它還完成這兩層出錯信息的上傳。P

25、ROFIBUS-DP的用戶層包括直接數(shù)據(jù)鏈路層、DP基本功能、擴展功能以及設(shè)備行規(guī)。DDLM提供了方便訪問FDL的接口，DP設(shè)備行規(guī)是對用戶數(shù)據(jù)含義的具體說明，規(guī)定了各種應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。表1-1 PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)用戶層DP設(shè)備行規(guī)DP基本功能和擴展功能DP用戶接口第37層空第二層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層FMA1/2第一層物理層PROFIBUS-DP的物理層支持屏蔽雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)。本書只介紹應(yīng)用最廣泛的以屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)的物理層規(guī)范，這種情況下的物理層規(guī)范與EIA RS-485兼容。 選擇屏蔽雙絞線電纜時，可以參照EIA RS485標準。另外，在干擾不嚴重的情況

26、下，也可以使用非屏蔽的雙絞線電纜。DP規(guī)定電纜接口采用9針D型連接器，連接器的機械和電氣特性符合IEC 807-3的規(guī)定，DB9連接器的插座與設(shè)備相連接，插頭與在線電纜相連接。連接器的引腳分配如表1-2所示。表1-2 連接器引腳分配引腳RS-485信號名稱含義1-屏蔽屏蔽、保護地2-N24V-24v輸出電壓3BRXD/TXD-P數(shù)據(jù)P4-CNTR-P控制P5CDGND數(shù)據(jù)地6-VP正電壓7-P24V+24V輸出電壓8ARXD/TXD-N數(shù)據(jù)N9-CNTR-N控制NRS-485的驅(qū)動器可以采用集成芯片DS75176B，用戶端只需向DS75176B驅(qū)動器提供3個信號：RXD、TXD和DE。RE端可

27、以接地以保證全部接收。PROFIBUS-DP支持半手工的總線通信。RS-485差分信號采用非編碼歸零編碼，當(dāng)P線電壓高于N線0.2V以上時，表示信號1；反之，當(dāng)N線高于P線電壓0.2V時，表示信號0。采用A型電纜時，無中繼的情況下一個網(wǎng)絡(luò)段最大傳輸距離為1.2KM。具體傳輸距離與傳輸速度有關(guān)，如表1-3所示。表1-3 DP系統(tǒng)傳輸速度與傳輸距離比特率（kb/s）9.619.293.75187.5500150012000最大距離/m1200120012001000400200100PROFIBUS-DP支持中繼連接，如果一個中繼連接兩個網(wǎng)絡(luò)段的情況下，最大的站配置算法是：31個站+1個中繼+31

28、個站，共62個站（不包括中繼），其他情況以此類推。在使用足夠多的中繼情況下，一個DP網(wǎng)絡(luò)最多可以有127個站（不包括中繼），其中主站一般不得多于32個。DP還規(guī)定任意兩個站之間的中繼不得多于3個。在總線形拓撲的情況下，最大的站配置是：31個站+1個中繼+30站+一個中繼+31個站，共122個站、3個中繼。如果要構(gòu)建更多站點的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)必須為樹形（多分支）。41第二章 PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及通信原理 PROFIBUS-DP的傳輸有如下特點:1. 傳輸介質(zhì)支持屏蔽雙絞線和光纖；2. 傳輸速度寬為9.6KB到12Mb/s，但同一網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備需選用同一傳輸速率；3. 傳輸距離，

29、無中繼的一個網(wǎng)絡(luò)段最長可達1.2KM;4. 采用不歸零的差分編碼，支持半雙工、異步傳輸；5.數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)包括循環(huán)地數(shù)據(jù)傳輸和非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸。循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸是指主站按照預(yù)先定義的順序循環(huán)地探詢各站。其服務(wù)形式只有一種：有回答要求的發(fā)送/請求數(shù)據(jù)，如主站的令牌管理、與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)通信等。非循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)有兩種：有/無應(yīng)答要求的發(fā)送數(shù)據(jù)、有回答要求的發(fā)送/請求數(shù)據(jù)，如從站初始化階段的參數(shù)配置、診斷等。第二章 PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及通信原理2.1 PROFIBUS-DP幀的結(jié)構(gòu)每個幀由若干個幀字符（UART字符）組成，它把一個8位字符擴展成11位：首先是一個開始位0，接著是8位

30、數(shù)據(jù)位，之后是奇偶校驗位（規(guī)定為偶校驗），最后是停止位1。幀格式（報文格式）如圖所示：SD1DASAFCFCSED無數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀SD2LELERSD2DASAFCDUFCSED有可變數(shù)據(jù)字段長度的幀SD3DASAFCDUFCSED有數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀SD4DASA令牌幀SC短應(yīng)答幀圖2-1 幀格式（報文格式）其中：L 信息字段長度；SC 單一字符（E5H),用在短應(yīng)答幀中；SD1SD4 開始符，區(qū)別不同類型的幀格式： SD1=0x10，SD2=0x68，SD3=0xA2，SD4=0xDC；LE/LER 長度字節(jié)，指示數(shù)據(jù)字段的長度，LER=LE；DA 目的地址，指示接收該幀的站；

31、SA 源地址，指示發(fā)送該幀的站；FC 幀控制字節(jié)，包含用于該幀服務(wù)和優(yōu)先權(quán)等的詳細說明；DU 數(shù)據(jù)字段，包含有效的數(shù)據(jù)信息；FCS 幀校驗字節(jié)，不進位加所有幀字符的和；ED 幀結(jié)束界定符（16H)。 這些幀既包括主動幀，也包括應(yīng)答/回答幀，幀中字符間不存在空閑位（二進制1）。主動幀和應(yīng)答幀的幀前的間隙有一些不同。每個主動幀幀頭都至少有33個同步位，也就是說每個通信建立握手報文前必須保持至少33位長度的空閑狀態(tài)（二進制1對應(yīng)電平信號），這33個同步位長作為幀同步時間間隔，稱為同步位SYN。而應(yīng)答幀和回答幀前沒有這個規(guī)定，響應(yīng)時間取決于系統(tǒng)設(shè)置。應(yīng)答幀與回答幀也有一定的區(qū)別：應(yīng)答幀是指在從站向主站

32、的響應(yīng)幀中無數(shù)據(jù)字段（DU）的幀，而回答幀是指響應(yīng)幀中存在數(shù)據(jù)字段（DU）的幀。另外，短應(yīng)答幀只作應(yīng)答使用，它是無數(shù)據(jù)字段固定長度的幀的一種簡單形式。2.2 PROFIBUS-DP的通信原理報文的交換發(fā)生在循環(huán)中，一個報文循環(huán)包括主站的主動幀（請求及發(fā)送請求幀）和相應(yīng)的確認和反應(yīng)幀(來自主站或從站)。用戶數(shù)據(jù)包含在主動幀或響應(yīng)幀中。完整的報文循環(huán)只能被令牌傳遞或無確認幀的數(shù)據(jù)傳遞所中斷。所有的站都應(yīng)監(jiān)視總線上的請求。只有站地址與本站的地址一致，才能響應(yīng)請求，請求必須在一個預(yù)定的時間內(nèi)響應(yīng)，否則發(fā)起者重復(fù)請求。主站若想與從站通信，首先發(fā)送請求診斷報文，檢查從站的運行準備情況。當(dāng)取得需要的請求反應(yīng)

33、后，檢查是否有其他主站占用此從站。如果沒有，則進行參數(shù)設(shè)置和配置檢查，然后再進行診斷報文請求。當(dāng)參數(shù)化或配置錯誤或有其他主站占用時，主站將返回初始態(tài)，重新檢查從站的準備情況，當(dāng)發(fā)生靜態(tài)用戶診斷或從站沒有準備好，主站將不斷進行報文請求，直到?jīng)]有這種診斷信息為此。第一次信息交換，主站將自己的操作模式傳遞給DP從站。主站以輪詢方式控制從站任務(wù)，數(shù)據(jù)交換以一個輪詢報文開始，終止于從站來的確認報文，當(dāng)主站請求時，從站才被激活。1. PROFIBUS-DP主從站任務(wù)DP的主站主要以下幾點任務(wù)：(1) 啟動時DP主站首先初始化主站系統(tǒng)，通過診斷數(shù)據(jù)來檢查DP從站是否準備好運行，檢查其他主站是否配置了該從站，

34、然后配置從站；(2) 檢查從站是否與主站狀態(tài)一致，若一致則開始與從站的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸，不一致則讀取診斷信息，報告錯誤信息；(3) 與DP從站的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸；(4) 監(jiān)視、監(jiān)測和標識無法獲取的DP從站；(5) 采集和準備診斷信息；(6) 處理控制作業(yè)請求，包括輸入輸出同步控制，DP主站啟?？刂频龋?7) 讀取屬于其他一類主站的從站的共享輸入輸出數(shù)據(jù)；(8) 當(dāng)DP主站停止或故障時，把DP系統(tǒng)置于一個安全的狀態(tài)。DP從站的主要任務(wù)（1）接收來自主站的狀態(tài)參數(shù)、配置參數(shù)以及來自主站的過程數(shù)據(jù)輸出；（2）提供過程數(shù)據(jù)給DP主站；（3）向DP主站提供診斷信息；（4）向二類的DP主站提供讀取的輸入輸出數(shù)據(jù)等

35、。2. 狀態(tài)機用戶接口主要由三個功能塊組成，分別是：Slave-Handler狀態(tài)機、Scheduler狀態(tài)機、Service-Handler狀態(tài)機。Slave-Handler狀態(tài)機功能塊控制主從通信，該狀態(tài)機根據(jù)從站狀態(tài)做出相應(yīng)處理，有固定的處理次序，每次調(diào)用Slave-Handler狀態(tài)機產(chǎn)生一個DDLM請求。Scheduler狀態(tài)機功能塊規(guī)定調(diào)入相應(yīng)Slave-Handler、網(wǎng)絡(luò)上報文的順序以及控制全局的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Scheduler必須保證兩次從站輪詢循環(huán)之間的規(guī)定時間。而且，Scheduler在電源啟動是必須初始化DDLM并復(fù)位Slave-Handler狀態(tài)機，本地生成的FDL事件或

36、錯誤、DDLM事件或錯誤也有Scheduler評估。Service-Handler狀態(tài)機功能塊進行本地管理和控制，如加載總線傳輸集等功能。PROFIBUS協(xié)議中的DP從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2-2所示，圖中展示了DP從站從上電到進入正常的主從數(shù)據(jù)交換階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，從這個過程可以了解從站的通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Power-OnCheck-ClearCheck-FreezeDATA-ExchWait-PrmWait-Cfg第三章 SPC3的概述 圖2-2 從站的用戶接口狀態(tài)機第三章 SPC3的概述3.1 SPC3的基本特性SPC3（Siemens PROFIBUS Controller,third gene

37、ration） 是西門子公司開發(fā)的一種用于PROFIBUS-DP智能從站的專用芯片，集成了（RS-485)物理層、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層、DP從站用戶接口以及部分現(xiàn)場總線管理（FMA），與其相連接的MCU或MPU只需少量的軟件工程即可實現(xiàn)PROFIBUS-DP智能從站的通信功能。SPC3的主要特性如下：（1） 可獨立處理PROFIBUS-DP通信協(xié)議；（2） 最高數(shù)據(jù)傳輸速率12Mb/s,可自動檢測并調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率；（3） 與80C32、80X86、80C166、80C165、80C167和HC11、HC16、HC916系列芯片接口兼容；（4） 44引腳的PQFP封裝；（5） 集成的看門狗定時器

38、（Watchdog Timer）；（6） 外部時鐘輸入48MHz，2倍或4倍分頻時鐘輸出；（7） 5V直流電源供電。SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖SPC3的控制核心是微序列器（microsequencer），它控制整個SPC3的工作過程。在芯片進入通信工作以前，需要外接CPU對參數(shù)寄存器、方式寄存器等進行必要的參數(shù)設(shè)置。SPC3還集成有雙端口RAM，可以與外部直接交換數(shù)據(jù)。SPC3為外部訪問提供了兩種模式：地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用模式和地址數(shù)據(jù)非復(fù)用模式。SPC3自動建立PROFIBUS-DP通信的服務(wù)存取點（SAP),不同的報文數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的緩存。DP輸入數(shù)據(jù)、

39、DP輸出數(shù)據(jù)都具有三級緩沖，其中總有緩沖面向通信。診斷數(shù)據(jù)有兩級緩沖，其中一級始終用于存放更新的診斷數(shù)據(jù)。SPC3支持多個中斷，具有中斷屏蔽和中斷指示功能，多個中斷使用統(tǒng)一外部輸出。SPC3具有內(nèi)部集成的看門狗定時器，其操作于三種不同的狀態(tài)：比特率搜尋、比特率控制和DP控制。SPC3的UART接口能夠自動識別總線的比特率（9.6Kb/s12Mb/s）。在任意時刻都可以通過查看SPC3狀態(tài)寄存器知道MAC狀態(tài)。SPC3的空閑定時器直接控制總線時間。3.2 SPC3的芯片引腳功能SPC3的封裝為PQFP-44，引腳功能如表3-1所示。表3-1 SPC3各個引腳的功能引腳符號輸入/輸出說明1XCSI

40、片選信號2XWRI寫信號3DIVIDERI分頻倍率4XRDI讀信號5CLKI時鐘6VSSGND地7CLKOUT2/4O分頻時鐘輸出8XINT/MOTIINTEL/MOTOROLA9X/INTO中斷信號10AB10I地址線11DB0I/O數(shù)據(jù)線12DB1I/O數(shù)據(jù)線13XDATAEXCHO數(shù)據(jù)交換狀態(tài)14XREADY/XDATACKO輸出15DB2I/O數(shù)據(jù)線16DB3I/O數(shù)據(jù)線17VSSGND接地18VDDVCC接+5V19DB4I/O數(shù)據(jù)線20DB5I/O數(shù)據(jù)線21DB6I/O數(shù)據(jù)線22DB7I/O數(shù)據(jù)線23MODEI方式選擇24ALE/ASI地址鎖存25AB9I地址總線26TXDOUAR

41、T輸出端27RTSOUART輸出允許28VSSGND接地29AB8I地址線30RXDIUART輸入31AB7I地址總線32AB6I地址總線33XCTSI清除發(fā)送34XTEST0I接+5V35XTEST1I接+5V36RESETI復(fù)位輸入37AB4I地址線38VSSGND接地39VDDVCC接+5V40AB3I地址線41AB2I地址線42AB5I地址線43AB1I地址線44AB0I地址線說明：（1） DB0DB7為數(shù)據(jù)/地址總線，可以和單片機的P0口連接，供數(shù)據(jù)交換使用并同時提供地址的低八位。（2） AB0AB10為地址總線，在與單片機相連接時只使用地址中的AB0AB7作為地址的高8位，AB8

42、AB10接地。（3） XRD及XWR為讀寫控制端，接單片機的讀寫信號。（4） CLK時鐘輸入，可使用48MHz或24MHz晶振。（5） CLKOUT2/4為時鐘輸出，單片機與SPC3可共用一個晶振，單片機采用12MHz則采用4分頻。（6） X/INT為中斷輸出，為SPC3接到正確的信號后向單片機申請?zhí)幚淼男盘枴?.3 SPC3存儲器的配置SPC3的內(nèi)部集成了1.5KB雙端口RAM，地址為000H5FFH。內(nèi)部RAM以8字節(jié)為1個單元，共分成192段。RAM空間按功能可分為處理區(qū)參數(shù)、組織區(qū)參數(shù)和DP緩沖區(qū)三個區(qū)域。處理區(qū)參數(shù)區(qū)包括工作模式寄存器、從站最小延遲時間寄存器、內(nèi)部集成看門狗定時器寄存

43、器、用于中斷的寄存器以及狀態(tài)寄存器等。組織參數(shù)區(qū)，用于設(shè)置DP緩沖區(qū)中各個緩沖（BUF）塊的指針（首地址）和長度。這些指針、長度的設(shè)置必須在SPC3的離線（Offline State）狀態(tài)下完成。在運行狀態(tài)下，除了DOUT-BUF和DIN-BUF的長度可變外，其他的指針和長度都不能更改。在收到通信接口配置檢查報文后，用戶可以在SPC3轉(zhuǎn)變到等待通信接口配置狀態(tài)下修改這些緩沖。在數(shù)據(jù)交換狀態(tài)下，只有與通信接口配置結(jié)構(gòu)一致的報文才能被接收。該參數(shù)區(qū)域還存放本站地址、地址允許改變變量、用戶看門狗定時器值和DP設(shè)備的制造商標識符等。DP緩沖區(qū)是DP的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，包括3個DP輸出數(shù)據(jù)緩沖塊、3個DP輸入

44、數(shù)據(jù)緩沖塊、2個診斷緩沖塊、2個輔助緩沖塊、設(shè)置參數(shù)緩沖塊、通信接口配置緩沖塊、可讀通信接口配置緩沖塊等。如果由于某些錯誤的操作，用戶訪問地址空間超出了1.5KB范圍，那么所訪問到的地址空間將是這個錯誤地址減去400H所指代的位置，同時狀態(tài)寄存器（004H）的RAM Access Violation位將會被置位。下面僅介紹了這三個區(qū)中的處理參數(shù)區(qū)寄存器中一些寄存器。(1) 方式寄存器方式寄存器分為兩個16位方式寄存器0和方式寄存器1。方式寄存器0設(shè)置設(shè)置特殊的PROFIBUS-DP操作方式，包括PROFIBUS-DP參數(shù)如：minTSDR(最快響應(yīng)時間）、SYNC（輸出的同步）、FREEZE（

45、輸入的鎖定）、中斷極性的參數(shù)化等等，其各位的功能的描述如表3-2所示。方式寄存器1設(shè)置動態(tài)可改變的狀態(tài)，如EOI（中斷終止）和啟動/停止PROFIBUS-DP等，其置位字節(jié)各位的功能描述如表3-3所示。表3-2 方式寄存器0中各位的功能位序名稱值功能0DIS-START-CONTROL0UART初始位監(jiān)視打開SET-PARAM報文可以改寫1UART初始位監(jiān)視關(guān)閉1DIS-STOP-CONTROL0UART終止位監(jiān)視打開1UART終止位監(jiān)視關(guān)閉2EN-FDL-DDB0保留，F(xiàn)DL-DDB接受關(guān)閉3MINTSDR0純DP模式復(fù)位后缺省的MINTSDR，與在線模式相對應(yīng)1DP/FMS混合模式4INT

46、-POL0中斷信號輸出低電平1中斷信號輸出高電平5EARLY-RDY0READY信號在數(shù)據(jù)讀或?qū)憰r產(chǎn)生1READY信號提前一個時鐘脈沖6SYNC-SUPPORTED0不支持同步1支持同步7FREEZE-SUPPORTED0不支持同步輸入1支持同步輸入8DP-MODE0DP模式無效1DP模式有效，建立DP服務(wù)存取點9EOI-TIME BASE0兩次中斷間隔至少1us1兩次中斷間隔至少1ms10USER-TIME BASE0用戶時鐘中斷周期為1ms1用戶時鐘中斷周期為10ms11WD-TEST0看門狗運行在功能模式下1不允許12SPEC-PRM-BUF-MODE0沒有專用數(shù)據(jù)緩沖1設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)直接

47、存入專用緩沖13SPEC-CLEAR-MODE0非特別清除模式1特別清除模式14RESERVED保留15RESERVED保留表3-3 方式寄存器1置位字節(jié)各位的功能位序符號功能0START-SPC3置位1，SPC3退出OFFLINE狀態(tài)進入Passive-Idle狀態(tài)，SPC3中的空閑定時器和看門狗定時器開始運行。同時Go-Offline位被自動清零1EOI置1，表示中斷服務(wù)完成，通常在中斷服務(wù)程序結(jié)束時把該位置1，SPC3中斷信號電平由有效變?yōu)闊o效，之后EOI位被自動清零2Go-Offline置1，SPC3進入Offline狀態(tài)，之后該位自動清零3User-Change-Cfg-Buff置1

48、，DP狀態(tài)機自動進入Wait-Prm狀態(tài)，完成后該位自動清零4En-Change-Cfg-Buffer置1，讀User-cfg-Data-Okay-Cmd后，Config-Buff緩沖與Read-Config-Buff緩沖交換數(shù)據(jù)置0，讀User-cfg-Data-Okay-Cmd后，Config-Buff緩沖與Read-Config-Buff緩沖不交換數(shù)據(jù)5Res-User-Wd置1，SPC3的用戶看門狗恢復(fù)為初值，重新開始計時，之后該位自動清零6Reserved保留7Reserved保留（2) 中斷寄存器SPC3有一個公共的中斷輸出，因而能夠報告所有的有關(guān)通信的事件，如有事件輸入SPC3并

49、直接觸發(fā)中斷請求寄存器，以下的一些事件可以發(fā)出報告：所有進入的報文，如參數(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文；外部操作事件，如監(jiān)視定時器時間到、檢測波特率和送入與發(fā)出數(shù)據(jù)交換。還可以使用中斷屏蔽單個的中斷時間。（3） 狀態(tài)寄存器作為SPC3的心臟，微順序控制器通過狀態(tài)寄存器控制整個過程。在UART中，并行數(shù)據(jù)流變換成串行數(shù)據(jù)流和將串行數(shù)據(jù)流變換成并行數(shù)據(jù)流，在第一個字符發(fā)送之前。SPC3生成RequestToSend(RTS)信號。它以發(fā)送速率的4倍速率掃描串行的數(shù)據(jù)流。PROFIBUS-DP協(xié)議的一個要求是在報文字符間不允許有空閑狀態(tài)，SPC3的UART保證滿足這個要

50、求。SPC3需要一個外部48MHz的時鐘脈沖源，此外，SPC3配有一個時鐘分頻，它將外部脈沖2分頻或4分頻在CLKOUT2，4針腳上輸出，因而允許低成本的較慢速度的微處理器并不需要任何附加費用，時鐘脈沖直接送出，與RESET情況無關(guān)。（4） SPC3存儲器配置SPC3內(nèi)部集成了1.5KB雙端口RAM，地址為000H5FFH。內(nèi)部RAM以8字節(jié)為一個段，共分成192段。RAM空間功能可分為處理器參數(shù)區(qū)、組織參數(shù)區(qū)和DP緩沖區(qū)三個區(qū)域。SPC3內(nèi)部存儲區(qū)域分布如下表3-4所示。表3-4 SPC3內(nèi)部儲存區(qū)分配地址作用0000H0015H方式寄存器0、1，中斷寄存器，狀態(tài)寄存器0016H003FH緩

51、沖長度，緩沖器指針，識別號/從站地址0040H05FFH輸入，輸出，診斷，參數(shù)化數(shù)據(jù)，組態(tài)數(shù)據(jù)，輔助緩沖，SSA緩沖第四章 液位傳感器接口設(shè)計方案 第四章 液位傳感器接口設(shè)計方案4.1 液位傳感器的介紹4.1.1 傳感器基本原理由于本液位傳感器用于測量結(jié)晶器的液位，決定選用電渦流式傳感器，電渦流式傳感器的基本原理如圖4-1所示。圖4-1 渦流式傳感器原理示意圖電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化）從而進行非電量電測的。如圖4-1所示，一個通有交變電流的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場,當(dāng)被測導(dǎo)體置于該磁場范圍之

52、內(nèi)，被測導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流,電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場,和方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生改變。一般來說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因素的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率也有關(guān)，也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間距離有關(guān)。如果只控制上述參數(shù)中一個變化，其余皆不變化，就可以構(gòu)成側(cè)位移、測溫度、測硬度等各種傳感器。4.1.2 傳感器勵磁信號發(fā)生電路根據(jù)電渦流原理，可以采用電渦流探頭來感應(yīng)液位的大小，為此必須給探頭上下對稱的線圈提供勵磁信號，可以利用阻抗元件和放大器組成有源濾波電路，來產(chǎn)生正弦波勵磁信號，勵磁信號發(fā)生電路如圖4-2所示。圖4-

53、2 勵磁信號發(fā)生電路4.1.3 傳感器信號的放大及調(diào)理由探頭所感應(yīng)的模擬信號是非常小的，必須對信號進行放大處理，可以采用典型的儀用放大器AD620。AD620采用經(jīng)典的三運放結(jié)構(gòu)，可以有效的減少共模信號的干擾。AD620電路如圖4-3所示。圖4-3 典型儀用放大器電路圖信號放大之后，難免會有噪聲信號同時會被放大，所以必須對信號進行濾波處理，將噪聲信號濾除掉?？梢圆捎肕FB式二階帶通濾波電路。如圖4-4所示。圖4-4 MFB式二階帶通濾波電路信號進行放大和濾波之后，還需對其進行整流處理，將正弦信號轉(zhuǎn)換成直流信號，再經(jīng)過最后的濾波和緩沖阻抗匹配后輸出的模擬信號就可以作為AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號。整流信號如圖4-5所示。圖4-5 整流電路4.2 通信接口硬件設(shè)計4.2.1硬件整體設(shè)計液位傳感器作為PROFIBUS-DP的智能從站，傳感器的接口主要由四門子公司提供的PROFIBUS-DP的專用芯片SPC3、STC89C52微處理器器、用于消除外界干擾的光耦6N137、用于連接PROFUBUS-DP總線的RS485接口、用于驅(qū)動RS485的DS75176