RS232与PROFIBUS现场总线接口单元的开发

1 序言

随着通信技术，计算机网络技术在工业生产过程中的不断推广和应用，工业控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更新更高的要求，现有的DCS系统和PLC系统已经不能满足这些要求。由于数字通信技术、网络技术和微处理器技术的迅猛发展，把传统的数字信号和模拟信号混合的系统变成全数字信号系统成为可能，现场总线就是在这种背景下产生的，并成为当前工业过程控制领域的焦点。PROFIBUS是德国开发的一种现场总线标准，得到欧洲许多大设备制造商的支持，并在国际上得到越来越多的推广和应用。然而，在工业过程控制现场，原有设备大多只具有RS232通信接口，因此，为了在原有设备的基础上实现现场分布式控制，必须开发RS232与PROFIBUS现场总线的接口单元。本文详细论述了接口单元的硬件实现和软件结构。

2 PROFIBUS现场总线的基本特性

PROFIBUS现场总线具有物理层，数据链路层和应用层。它基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以主从方式与从站通信，各主站之间由令牌协议决定总线控制权，令牌协议的制定包含优先级、状态转移和令牌移交等技术问题。网络结构如图2-1所示。

图 2-1 PROFIBUS网络结构

PROFIBUS现场总线的物理层遵循RS485标准，数据传输速率为9.6～500k Baud，传输最长距离为4800m，最多可支持120个站点的可靠数据通信。

3 　接口单元的主要功能特性

接口单元的主要功能是使具有RS232接口的现场设备作为从站与PROFIBUS现场总线连接，从而使各个不相容的现场设备实现开放互连通信，接口单元遵循PROFIBUS的物理层，数据链路层和应用层标准，并给用户提供应用层接口。

4 　硬件实现

接口单元的硬件原理如图4-1所示，接口单元的核心为intel公司生产的16位微处理器80C196，主频为12MHz；用8251USART和MAX232发送/接收器产生RS232接口，并用75176光电耦合发送/接收器产生与PROFIBUS现场总线相连的RS485接口，考虑到标准PROFIBUS的传输速率，微处理器外部时钟输入通过8254定时器接入8MHz的外部时钟；时钟例行程从64K的EPROM装入16K的RAM。从站接口单元用一片2K的ZPRAM来存储通信参数设置，比如总线参数，通信关系表和重要事件等。参数的设置可以由PC机或便携式电脑通过RS232接口来实现。在参数设置期间，使用跨接线关闭PROFIBUS/RS232运行方式，从站和PROFIBUS的状态可以分别由一个两位数字显示器和一个LED来实现。 [page]

图 4-1 接口单元的硬件结构

5 　从站接口单元的软件结构

在上述硬件的基础上，我们就可以着手开发从站单元的软件，这里必须申明，上述的硬件结构同样支持主站，从站接口单元软件包除包含PROFIBUS现场总线的物理层、链路层和应用层外，还包括应用层接口。整个软件包由以下3 个模块组成。

· 物理层，链路层和应用层的协议软件；
· 初始化设定，事件记录和显示模块；
· 应用层接口模块。

下面对每个模块的功能与结构予以阐述。

5.1 协议软件

由于所开发的接口单元在网络中处于从站的位置，因此它没有直接访问总线权。协议软件实现了所有FDL(Field bus Data Link)服务功能，它是映射应用层FMS(Fieldbus Message Specification)服务所不可缺少的。总线参数诸如地址、波特率和槽时间等均可在协议安装时由用户设定。微处理器的计时器用于从站的空闲、超时和同步计时。报文的发送和接收是通过中断进行控制的。由于PROFIBUS总线的最高传输速率为500k Baud，在FDL层上，总是在收到报文的STOP字节标志后，才对报文进行处理的。在空报文的情况下，处理过程需要800～900μS，一般情况下，处理过程需要1～4ms，例如初始化服务就需要4ms，因此，整个系统的槽时间最少需要5-10ms。应用层模块包括FMS(Fieldbus Message Specification)和LLI(LowL evel Interface)两个子层模块。FMS模块的主要功能是对来自ALI(Aplication Layer Interface)的服务请求进行处理并将其传送给PROFIBUS现场总线网络；同时，对来自网络底层的报文进行译码处理并将其传送给ALI。通常，从站接口单元的应用层软件只实现了FMS所规定的部分服务功能，但可以根据用户的需要进行有选择性的扩充。除规定的上下文管理服务(初启、异常终止、拒收等)外，一般还包括变量存取服务(读、写、情况汇报等)、事件管理服务(事件通知及确认事件通知)和对象目录管理服务。虽然象事件管理服务等并不是从站必须具有的服务功能，但考虑到实际应用的需要，在LLI子层模块内，允许从站具有一定的主动性，因为这样避开了令牌管理机制的限制，在从站内实现比在主站内实现具有更大的方便性和灵活性。从站一定限度的主动性是通过附加功能块来实现的。如果从站接到主站的轮询请求，它将主动为主站提供必要的服务。不过，在这种情况下，只有那些超越FMS规定的服务功能才是有效的。

5.2 初始化设定，事件记录和显示模块

为了方便用户安装从站单元，在关闭PROFIBUS/RS232的情况下，用户可以通过RS232接口用PC机对其进行初始化。初始化设定模块完成必要的参数设置和事件管理，并在ZPRAM内设置通信关系表和总线参数。事件记录模块主要完成对过去一定数量的事件进行跟踪记录，比如RS232和RS485通信错误(奇偶校验错误、帧错误和溢出)及其发生时间。显示模块负责通过LED和数显对总线和从站单元的状态进行显示。

5.3 应用层接口模块

应用层接口负责把实际现场对象映射为PROFIBUS能辨认的通信对象，并把服务请求发送给通信系统。

6 结束语

针对现存现场设备大多只具有RS232通信接口，为使它们能以节点的方式与现场总线连接，本文以PROFIBUS现场总线为例，设计开发了一种从站接口单元。在实际中，用它对多台拥用MPDC型驱动器(具有RS232接口)的钻床控制系统进行了改造，完成了预定的通信和控制功能，取得了满意的效果。笔者相信，这对在原有设备的基础上实现现场总线分布式控制具有重要参考意义。