基于单片机设计Profibus-DP从站

贾 超 付海洋 陈在平

(天津理工大学 a.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室；b.自动化学院，天津 300384)

Profibus-DP作为开放式现场总线标准，其技术和产品已经在我国的制造业、流程工业、冶金、电力、交通、水利、食品、环保、楼宇和铁路自动化系统中都有应用。我国参与Profibus总线技术研究开发应用的企业和科研机构也有二十多家，研究Profibus总线协议和开发技术，开发Profibus产品，有着很重要的现实意义[1]。

Profibus-DP从站的硬件设计日趋成熟，开发Profibus-DP从站有3种方案：单片机+软件解决方案；单片机+Profibus专用通信芯片解决方案；采用专用的开发工具[2]。

基于高速32位微处理芯片STM32F103R8T6和协议芯片VPC3设计Profibus-DP从站的方案选择第二种，即单片机+Profibus专用通信芯片，不但开发周期短而且设计也相对简单。在此主要介绍Profibus-DP从站的硬件、软件和调试过程。

1 硬件

Profibus-DP从站电路采用单片机STM32F103R8T6控制通信芯片VPC3完成Profibus-DP从站与主站的通信。STM32F103R8T6的处理速度达72MHz，且功耗很低。硬件连线采用80C165模式，模拟I/O口总线。单片机有多种集成外设，可为Profibus-DP从站增加多种功能。

通信协议芯片采用VPC3，VPC3芯片兼容了SPC3的全部功能[3]，同时具有工作电压低及内存大等优点，具有较高的性价比。由于此Profibus-DP从站具有多个通信接口，用户可以根据实际需求开发相应的Profibus-DP从站模块。

基于单片机的Profibus-DP从站硬件连接如图1所示。Profibus-DP从站采用外部5.0V供电，内部由AMS1117-3.3电源转换芯片将5.0V电压转换为3.3V。单片机外围连接地址拨码开关实现对Profibus-DP从站地址的设置，为方便单片机下载程序采用SWD模式。VPC3采用外部48MHz晶振，内部进行4分频后给单片机提供12MHz晶振。RS485总线驱动电路主要包括总线驱动和光电隔离两部分，RS485总线一侧与9针D型插口相连，另一侧通过光耦隔离与VPC3的串行通信RXD、TXD、RTS引脚相连。本设计选择驱动隔离一体芯片ADM2486，同时采用DC-DC模块B0505S-1W对电源进行隔离。

单片机与通信芯片VPC3的主要硬件连接如图2所示。VPC3的内部寻址空间区域0000H～07FFH，可扩展为DP-V2协议。微处理器的PC0～PC10连接VPC3的AB0～AB10作为11位地址总线，其中单片机的PC11连接VPC3的AB11引脚使VPC3工作在2K模式。微处理器的PA0～PA7连接VPC3的DB0～DB7作为8位数据总线。STM32F103R8T6的每一组I/O口都可以作为外部中断使用，本设计中使用PD2与VPC3的X/INT连接作为VPC3的外部中断。VPC3的读、写和准备信号分别连接STM32F103R8T6的PC12、PC13和PB0引脚。

图1 Profibus-DP从站硬件电路连接

图2 单片机与VPC3的主要硬件连接

2 软件

由于Profibus-DP状态机集成在VPC3中，微处理器无需处理状态机的功能[4]，因此用户程序主要包括VPC3的启动和初始化、工作方式和各功能寄存器的设置、数据的发送和接收，同时根据VPC3产生的中断对其参数信息及组态数据等进行确认。

Profibus-DP从站的主程序流程如图3所示。程序开始执行VPC3的初始化(设置设备ID号、看门狗初始值、Profibus-DP从站地址及各缓冲区长度等[5])。进行参数设置并组态校验正确后，程序进行数据交换大循环，一旦进入数据交换，除非出现Profibus-DP从站地址改变等特殊情况，否则不会退出数据交换大循环。其中，STM32F103R8T6主要完成外部信号的采集与处理，然后将外部数据通过Profibus-DP通信接口发送给主站，同时接收由主站发送来的数据再发送到外部设备，实现控制现场设备的目的。

图3 Profibus-DP从站主程序流程

3 系统测试

通信测试采用配备DP接口的S7-300 PLC作为主站，与笔者设计的Profibus-DP从站构成单主从控制系统，同时采用报文检测软件ProfiTrace抓取网络中的报文信息。在Simatic Manager工作站进行硬件组态，将编写好的GSD文件添加到GSD文件库，并对从节点进行硬件安装，然后编译，系统提示编译没有错误后将所有的程序下载到S7-300 PLC[6，7]。将CPU拨到RUN挡，S7-300 PLC的绿色指示灯常亮表明Profibus-DP网络组态成功，并且主从站能够进行正常的数据交换。

测试过程中，利用S7-300 PLC中的MOVE指令向Profibus-DP从站的地址发送数据，当Profibus-DP从站收到相应的数据后，将此数据加4后作为应答数据给S7-300 PLC返回。通过ProfiTrace软件对整个DP网络进行报文监测，当主站(地址2)向Profibus-DP从站(地址3)周期性地发送16Byte长度的数据时，Profibus-DP从站能够将收到的数据自动加4然后再返回给主站，并且主站不断地循环对Profibus-DP从站发送数据时，Profibus-DP从站都能够正确地给主站做出回应。ProfiTrace在DP总线上监测到的报文信息如图4所示，主站发送“00 00 12 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”，Profibus-DP从站回应“04 04 16 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04”，主站循环发送数据，Profibus-DP从站都相应的给出回复。经过系统测试，可以验证此Profibus-DP从站能够正确地与主站进行通信并稳定运行。

图4 Profibus-DP总线传输报文

4 结束语

采用32位高速处理芯片STM32F103R8T6作为Profibus-DP从站的微处理器，使得所开发的Profibus-DP从站具备了处理速度快、开发周期短及方便用户使用等优势，同时由于此设计的Profibus-DP从站具有多个通信接口，如SPI、I2C、CAN及USB等，可方便用户接入不同现场设备使用，拓展了其应用范围。

[1] 邢建春,王双庆,王平.SPC3在Profibus DP从站设计中的应用[J].自动化仪表,2001,22(11):12～15.

[2] 曹晶,方康灵,廖焕柱.Profibus-DP从站接口设计[J].计算机与信息技术,2009,16(11):5～8.

[3] 夏琳琳,邱超,富兆龙,等.基于VPC3协议芯片的Profibus-DP接口适配卡的设计研究[J].化工自动化及仪表,2012,39(10):1323～1327.

[4] 姜日新,宋延民,张平,等.基于VPC3+C的Profibus-DP智能从站设计[J].天津工程师范学院学报,2010,20(4):14～17.

[5] 黄伟,蔡玉艳.Profibus-DP智能温度控制器从站设计[J].自动化与仪表,2008,23(10):12～16.

[6] 周侗,魏剑嵬,刘丹,等.基于Profibus DP从设备开发的协议分析与软件设计[J].信息与控制,2005,34(1):25～27.

[7] Siemens A G.SPC3 and DPS2 User Description[J].Version,2000,8(3):78～83.