PROFIBUS站点实现方案探析

所谓PROFIBUS 的站点实现方案即是将工业现场的各种设备加以PROFIBUS 的通信界面，或给以专用的接口电路（如从站点），或配以接口卡（如对以PC 机作主站的情形），从而使从站和主站都能连接到RS-485 总线电缆上，形成PROFIBUS 的现场总线通信系统，使各站点通过此通信系统在控制软件配合下，构成一个FCS 现场总线控制系统。

图3-6　基于PROFIBUS 的FCS 控制系统举例

由PROFIBUS 构成的现场总线控制系统可用图3-6 说明。

根据应用需求的不同，一个工控设备的PROFIBUS 的通信界面实现一般有3 种方案。

1.使用单片机及软件：PROFIBUS 是一个完全开放的国际标准，无知识产权保护，任何厂商和个人都可以根据此标准设计各自的软硬件实现方案。原则上讲，只要一个微处理器配有内部或外部安装有串行通信接口（UART），PROFIBUS的通信协议就可以在其上实现。即利用PROFIBUS 模型中的服务访问点，通过安全的单片机软件编程和相应的外围硬件接口来实现对PROFIBUS-DP 的状态机的控制。

在早期的PROFIBUS 系统中， 不少产品是基于INTEL8031 平台的。目前在国内也有不少文献对如何利用单片机实现简单的PROFIBUS 从站设计作了研究介绍。但是用单片机实现的PROFIBUS-DP 从站的传输速率受单片机资源，如计算能力、内存大小和时钟晶振的限制，无法使一个站点能够达到PROFIBUS-DP 所要求的最大通信传输速率，尤其是目前的PROFIBUS 系统通信速率都起码要求在1.5Mbps 以上，一般最高达12Mbps，而软件实现的速率太慢，达不到要求。(www.xing528.com)

因为编制通信协议的工作量大，满足这样高硬件要求的Single Chip 的价格也不菲；而且，当通信协议的运行和站点的外设控制均从软件上依赖于宿主机的内存保护单元（MPU）的时候，两方面对MPU 资源的争抢和冲突会影响到对通信状态机的实时控制，从而大大降低通信的实时性能。因此，采用单片机的软件方案只适合于系统通信速率小于500Kbps 的场合。但是，此方案的好处是可以使站点硬件的设计十分灵活，完全按照用户的要求实现一个体积较小的、特定的站点硬件平台。

2.使用专用的通信电路ASIC 芯片：随着PROFIBUS 成为IEC61158 国际标准和越来越多的PROFIBUS 的开发厂商、普通用户使用的增加，从系统互连、节约开发时间和成本考虑，人们开发了许多支持PROFIBUS 数据通信协议的ASIC。ASIC芯片集成了PROFIBUS 的Token-Passing（令牌传递）协议，负责处理与通信有关的状态机控制、将数据打包成规定格式帧以及令牌环的管理等，使所有的与总线通信有关的任务在ASIC 上得以完成。使用ASIC 后，用户的开发工作的中心可集中在对外设的应用层的控制上，而对通信协议的底层控制完全由ASIC 芯片负责。这种方式加速了通信协议的处理速度并减小了宿主处理器的软件负担，因此能大量的节约开发时间和成本。

近些年来，市场上已经出现了许多集成了完整的PROFIBUS 通信协议的ASIC，这些芯片可以把数据从总线上直接传送到从站I/O 端口并且把响应发送回总线，或者通过连接一个MCU 微控制器将PROFIBUS 接口模拟成一个RAM 模块，使主站可以透明的直接对外设写和读数据，以实现实际的远程控制。并且，当使用某些智能型ASIC 构成简单从站连接方式时，从站甚至不需要MPU，所以也不用编写软件。对一个现场设备的制造商来说，只需要将ASIC 连接集成于硬件之中即可构成一个符合PROFIBUS 协议的站点设备。

目前，PROFIBUS 接口芯片非常便宜，一个ASIC 的价格大约只需10 美元。使用专用的ASIC 通信芯片进行PROFIBUS开发已成为目前的主流。这种ASIC 芯片的控制和连接也十分简单，例如LSPM2 芯片的功能是固定的，仅输入和输出接口由用户指定。完整的PROFIBUS 状态机管理机制已经集成在LSPM2 的硬件中，只需在外部连接3 个移位寄存器和1 个EEPROM 以存储16 位识别号和1 个8 位PROFIBUS 地址，再加上RS-485 接口和石英晶体振荡器即可构成一个简单的从站，可以完成对简单设备的组网要求，如开关设备和热电偶测量等。再如SPC3 芯片是专用于从站端的智能通信芯片，适用于智能从站。它集成了PROFIBUS 完整的Token-Passing 协议，能完全独立的处理PROFIBUS-DP 协议的所有通信任务。SPC3 还可以承担大部分的MCU 微处理器的工作，它也可以外接微处理器，此时，MCU 同SPC3 的连接如同连接一个存储器芯片一样。

3.使用接口模板：为了方便某些最终用户的快速开发的要求，SIEMENS 等一些公司还开发出了具备了丰富输入/输出接口功能且具有PROFIBUS 通信接口的完整的模板，可以使最终用户直接将现场的外设和系统连接到PROFIBUS 总线上，这是最直接和简洁的开发途径，如IM180-184 模板等。接口模板在类型上分为两种：主接口模板和从接口模板。主接口模板能将第三方设备作为主站设备连接到PROFIBUS 系统中，从接口模板能将第三方设备作为从设备连接到系统中。

IM183-1 接口模板能将第三方设备作为从站设备连接到PROFIBUS，它主要由SPC3、80C32 微处理器、EPROM 和RAM 存储器以及与PROFIBUS 总线连接用的RS-485 接口组成，最大传输速率12Mbps，它一般用于智能从站设备的设计。IM183-1 接口模板还带有80C32 微处理器，可用于利用IM183-1 接口模板提供的接口开发各种专用程序，EPROM 用来固化用户开发的各种软件，RAM 提供发送缓冲区、接收缓冲区及软件工作区。当通信节点要发送数据时，80C32 微处理器将从设备传来的数据经过格式处理后在发送缓冲区内准备好数据，送入SPC3 内部发送缓冲区，由SPC3 完成帧报头加入，并串转换，在帧尾加上校验码及帧结束标志，以使帧格式符合PROFIBUS 协议。当通信节点进行接收时，80C32 将SPC3 内部接收缓冲区内的数据取出到接收缓冲区，经过格式转换后送从设备。在模板上提供一个RS-232 接口，用于将PC 机等带有RS-232 接口的设备连接到PROFIBUS。主机接口是接口模板上的地址和数据总线，与主机系统的通信是经过引到电缆的地址和数据总线实现的。