摘 要：本文介紹了一種控制普通閥門的閥門控制器的設(shè)計(jì)方案，該閥門控制器帶有工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的接口，可以實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)控制。本文主要的著力點(diǎn)為介紹利用PROFIBUS-DP專用芯片SPC3開發(fā)PROFIBUS-DP設(shè)備中需要注意的一些問題，包括硬件接口設(shè)計(jì)，有關(guān)PROFIBUS-DP規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及利用PROFIBUS-DP診斷功能的方法。 關(guān)鍵詞：閥門; PROFIBUS-DP; SPC3 1. 引言 　　在傳統(tǒng)的閥門控制領(lǐng)域中，引入嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)是閥門控制器發(fā)展的重要方向之一，也是工業(yè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程控制化的客觀要求。本文中的設(shè)計(jì)方案就是針對這一課題的嘗試。希望能為國內(nèi)閥門控制器的設(shè)計(jì)提供一些參考。 　　在閥門選擇上，我們選擇應(yīng)用最為廣泛，結(jié)構(gòu)也最為簡單的普通閥門作為研究對象。普通閥門本身操作也較簡單，只有開、關(guān)、停三種運(yùn)動狀態(tài)，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造容易入手。在工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)選擇上，我們選擇PROFIBUS-DP工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，是考慮到PROFIBUS-DP技術(shù)發(fā)展成熟，有廣泛的應(yīng)用實(shí)例，在全球擁有巨大的市場占有率[2]。在國內(nèi)目前也已經(jīng)是機(jī)械工業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)。因此設(shè)計(jì)普通閥門PROFIBUS-DP閥門控制器在技術(shù)可行性和市場意義上都具有一定的優(yōu)勢。 　　本設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)一種實(shí)用的普通閥門控制器，可以作為從站兼容于PROFIBUS-DP系統(tǒng)，接受遠(yuǎn)程的主站的控制。 2. PROFIBUS-DP硬件接口電路設(shè)計(jì) 　　在閥門控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設(shè)計(jì)方案上，我們采用單片機(jī) + 專用集成芯片SPC3 + RS485驅(qū)動的方案。 　　SPC3是西門子公司用于開發(fā)PROFIBUS-DP從站的智能通信專用芯片，集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，可以獨(dú)立完成全部PROFIBUS-DP通信功能。SPC3提供了方便的硬件接口，適用于不同的微處理器，如Intel內(nèi)核的80C32、80X86、80C165還有motorola型單片機(jī)等等。本設(shè)計(jì)選用的是51內(nèi)核的單片機(jī)，所以采用Intel 8位連接方式，為了節(jié)約單片機(jī)資源，還采用的是地址數(shù)據(jù)復(fù)用模式。SPC3為44管腳的PQFP封裝。 [align=center] 圖 1 DP硬件接口結(jié)構(gòu)[/align] 　　SPC3具有1.5Kbyte的信息報文存儲器，這1.5K的存儲空間包括：處理器參數(shù)Processor Parameters、組織參數(shù)Organizational Parameter、和所有的輸入輸出緩沖區(qū)DP buffer[1]。在中央處理器對SPC3的操作上，類似于對一個1.5K的RAM進(jìn)行操作。值得注意的是，SPC3的1.5K存儲空間只需要有11條地址線提供地址，而實(shí)際SPC3與中央處理器都是16條地址線連接，因?yàn)镾PC3內(nèi)部以地址線的最高5位全為零，作為存儲空間的選通信號，因此SPC3的16條地址線狀態(tài)應(yīng)該在0000H和05FFH范圍內(nèi)，才能進(jìn)入SPC3的存儲空間。 　　在中央處理器還有其他外部數(shù)據(jù)存儲器的情況下，應(yīng)注意與SPC3存儲空間的地址沖突。一般情況下，選擇通過地址譯碼電路把SPC3的存儲空間置于整個中央處理器地址空間的最高部分。 　　SPC3芯片上有一個引腳XDATAEXCH，復(fù)位狀態(tài)為高電平，而當(dāng)SPC3進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)能夠數(shù)據(jù)通訊時，該引腳會變?yōu)榈碗娖?。以此可以作為檢測通訊是否正常的標(biāo)志，一般在該引腳上連接發(fā)光二極管，作為直觀的判斷數(shù)據(jù)通訊正常的指示信號，較為方便。 3. 通訊地址方案 　　閥門控制器作為PROFIBUS-DP通訊的從站必須有不與其他站沖突的地址。有關(guān)PROFIBUS-DP從站通訊地址的設(shè)計(jì)方案有兩種：一種是由遠(yuǎn)程的PROFIBUS-DP主站通過特定的數(shù)據(jù)通訊設(shè)定或修改從站地址;另一種是禁止PROFIBUS-DP主站設(shè)定和修改從站地址，從站的地址由從站本地設(shè)定。 　　本設(shè)計(jì)采用的是后一種設(shè)計(jì)方案，通過一個8位的撥碼開關(guān)手動設(shè)定閥門控制器的地址，然后由中央處理器讀入并寫入SPC3特定的存儲位置，位于SPC3存儲空間地址16H的 組織參數(shù) R_TS_Adr，從而使SPC3獲得通訊地址。由于禁止主站改變該從站的地址，需要在初始化SPC3時，設(shè)定組織參數(shù)R_Real_No_Add_Change = FFH，并設(shè)定另兩個組織參數(shù)R_SSA_Buf_Ptr = 0和R_Len_SSA_Data = 0，這兩個組織參數(shù)的意義是：前者為存放來自主站的地址設(shè)定幀的緩沖區(qū)地址首地址，后者為收到的地址設(shè)定幀的數(shù)據(jù)長度。這樣SPC3初始化時，就不會激活負(fù)責(zé)地址設(shè)定功能的服務(wù)存取點(diǎn)SAP55，從而使主站無法設(shè)定從站地址。 　　同時，需要在閥門控制器的設(shè)備描述文件GSD文件中有這樣的語句：Set_Slave_Add_supp = 0 　　表示該從站禁止主站設(shè)定和改變地址。 　　PROFIBUS-DP支持的站地址由0到126共127個，可以通過改變8位撥碼開關(guān)的低7位設(shè)定。撥碼開關(guān)的最高位設(shè)定閥門處于遠(yuǎn)程控制下還是本地控制下。作為一個實(shí)用的控制器，出于安全和可靠的考慮，除了遠(yuǎn)程控制還要有本地的控制功能。本設(shè)計(jì)使得現(xiàn)場的操作人員可以禁止遠(yuǎn)程控制而手動的操作閥門。在這種狀態(tài)下，閥門控制器會把從主站獲得的閥門運(yùn)動控制命令拋棄掉，但仍然把閥門的各種狀態(tài)傳給主站，所以此時遠(yuǎn)程的操作員會得知遠(yuǎn)程控制失效，并仍然可以看到閥門的各種數(shù)據(jù)，但不能操作閥門運(yùn)動。 4. 標(biāo)識符設(shè)計(jì)及使用 　　標(biāo)識符（Identifier）是一個PROFIBUS-DP產(chǎn)品的重要參數(shù)，一般為一個或幾個字節(jié)構(gòu)成一個標(biāo)識符，它表示了該產(chǎn)品在通訊時輸入和輸出的數(shù)據(jù)的寬度和特性。比如一個PROFIBUS-DP產(chǎn)品控制8個開關(guān)量，需要由主站提供這8個開關(guān)量的內(nèi)容，那么該產(chǎn)品接受主站數(shù)據(jù)就是8位共一個字節(jié)的寬度。而該產(chǎn)品的標(biāo)識符就必須描述出這種特性和寬度：一個字節(jié)。標(biāo)識符會寫入產(chǎn)品的設(shè)備描述文件GSD文件，便于系統(tǒng)建立時組態(tài)。標(biāo)識符也必須在SPC3初始化時寫入SPC3特定的緩沖區(qū)中，便于主站檢查驗(yàn)證。 　　專用標(biāo)識符用一個字節(jié)表示，編寫格式如下： [align=center] 圖 2 專用標(biāo)識符格式[/align] 　　專用標(biāo)識符的低4位bit0 ～ bit3表示該設(shè)備數(shù)據(jù)輸入或輸出的數(shù)據(jù)寬度，數(shù)值0到15對應(yīng)表示寬度為1到16個字節(jié)或字，而bit6則指明寬度數(shù)值的單位是字節(jié)還是字：0表示字節(jié)，1表示字;bit4和bit5兩位共同來表示以上寬度的數(shù)據(jù)是輸出數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)，還是輸入/輸出數(shù)據(jù)，這里需要指出的是，在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，輸入和輸出是相對與主站而言的，由主站發(fā)送給從站的數(shù)據(jù)稱之為輸出數(shù)據(jù)，由主站自從站讀取的數(shù)據(jù)稱之為輸入數(shù)據(jù)。最高位bit7表示一致性程度，所謂一致性要求是指某一區(qū)域的數(shù)據(jù)要求同時寫入或同時讀入，具體系統(tǒng)中，就是要求主站在一次上載或下載中完成對有一致性要求的數(shù)據(jù)區(qū)域的讀或?qū)?，而不能分成幾次來上載或下載。該位的定義為：0表示僅字節(jié)或字內(nèi)部有一致性要求，1表示整個標(biāo)識符定義的寬度都有一致性要求。 　　本設(shè)計(jì)中，閥門控制器的標(biāo)識符定義為：B1H。也就是：長度為2，單位為字節(jié)，輸入/輸出，全部一致性要求。 　　該標(biāo)識符在PROFIBUS-DP系統(tǒng)上電運(yùn)行時，會由主站發(fā)送給從站，以求證實(shí)際的從站特性是否與主站數(shù)據(jù)集中的一致。從站設(shè)計(jì)者在編寫從站程序時，需要有特定的過程來比較從主站發(fā)來的標(biāo)識符與自己的是否一致，并作相應(yīng)回應(yīng)。 　　此外該標(biāo)識符必須在SPC3初始化的時候由中央處理器寫入SPC3特定的緩沖區(qū)：Read Config Buffer，該緩沖區(qū)由組織參數(shù)R_Read_Cfg_Buf_Ptr存放首地址，由R_Len_Read_Cfg_Data定義緩沖區(qū)長度。這樣做的目的也是為了遠(yuǎn)程的主站查詢。 　　同時標(biāo)識符也必須在GSD文件中說明，語句格式如下： 　　Module = "2 Bytes Input and Output" 0x31 　　EndModule 　　這兩個字節(jié)就是主站和閥門控制器數(shù)據(jù)交換時的內(nèi)容，所以它們應(yīng)該包含著閥門控制的命令和閥門的狀態(tài)。按照閥門控制的要求和閥門的功能，本設(shè)計(jì)對這兩個字節(jié)的結(jié)構(gòu)做出定義。結(jié)構(gòu)如下 [align=center] 圖 3 數(shù)據(jù)交換第一字節(jié)與第二字節(jié)[/align] 　　如圖所示，數(shù)據(jù)交換的第一個字節(jié)中，bit0和bit1定義閥門控制命令，閥門控制器收到由主站發(fā)出的數(shù)據(jù)，將會分析第一字節(jié)的這兩位，并根據(jù)這兩位的內(nèi)容驅(qū)動閥門做相應(yīng)動作。其余的位在主站讀取閥門控制器的狀態(tài)時有效，bit2和bit3表明閥門現(xiàn)在是否到達(dá)關(guān)和開的極限位置，bit4和bit5表示閥門目前的運(yùn)動狀態(tài)，bit7表示閥門控制器目前的控制模式，控制模式是由上文提到的地址撥碼開關(guān)的最高位決定，其意義一致。 　　數(shù)據(jù)交換的第二字節(jié)bit0～bit6存放閥門打開程度，數(shù)值范圍為0～100，100表示全開，0表示全關(guān)。當(dāng)主站由閥門控制器讀取該值時，表示目前閥門的開度;當(dāng)主站向閥門控制器發(fā)送某值時，表示要求閥門開啟到該值開度。bit7保留。 5. 診斷功能的使用 　　所謂診斷功能是指PROFIBUS-DP規(guī)范定義的一種主站可以讀取自己所控制的從站的出錯信息和狀態(tài)信息的功能，是獨(dú)立于數(shù)據(jù)交換功能的另一項(xiàng)功能，發(fā)生于數(shù)據(jù)交換的間隙，由主站發(fā)起。 　　在PROFIBUS-DP規(guī)范已有的定義內(nèi)，主站可以診斷從站有關(guān)通訊的出錯信息和狀態(tài)信息，比如：從站不能通過總線到達(dá)，響應(yīng)不合理等。除此之外，PROFIBUS-DP規(guī)范還允許用戶使用擴(kuò)展的診斷信息，通過對診斷信息的擴(kuò)展用戶可以把自己定義的自己產(chǎn)品的出錯信息和狀態(tài)信息編入，這樣利用PROFIBUS-DP提供的可靠優(yōu)化的通訊功能來實(shí)現(xiàn)具體的用戶要求，是PROFIBUS-DP產(chǎn)品設(shè)計(jì)者理所應(yīng)當(dāng)采取的措施。也正因如此，診斷信息設(shè)計(jì)也就成為PROFIBUS-DP產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要部分。 　　診斷信息包括兩個部分，PROFIBUS-DP標(biāo)準(zhǔn)診斷信息和擴(kuò)展診斷信息。前者是診斷信息必須的部分，由固定的6個字節(jié)構(gòu)成，存放著PROFIBUS-DP規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)出錯信息和狀態(tài)信息。后者是用戶根據(jù)自己開發(fā)的產(chǎn)品要求設(shè)定的，它又可以分為三級診斷：關(guān)于設(shè)備的診斷、關(guān)于標(biāo)識符的診斷、和關(guān)于通道的診斷。這三級診斷分作三個字節(jié)塊在擴(kuò)展診斷部分依次連續(xù)排列，其中每部分都有自己特定的首部字節(jié)作為該級診斷的開始標(biāo)志。本設(shè)計(jì)的閥門控制器使用到了第一級擴(kuò)展診斷，也就是關(guān)于設(shè)備的診斷。 　　具體在本設(shè)計(jì)使用的SPC3芯片上，首先在SPC3初始化時給診斷信息開辟專用的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)有兩個，共有四個組織參數(shù)對其定義：R_Diag_Buf_Ptr1和R_Diag_Buf_Ptr2存放兩個診斷緩沖區(qū)的首地址，R_Len_Diag_buf1和R_Len_Diag_buf2定義兩個緩沖區(qū)的長度，兩個緩沖區(qū)的長度不同是允許的。 　　當(dāng)需要使用診斷功能時，一般為閥門控制器發(fā)生了一定的事件需要通知主站，則在用戶持有的那個緩沖區(qū)內(nèi)填入診斷信息。緩沖區(qū)的前6個字節(jié)，也就是診斷信息的前6個字節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)診斷信息，用戶基本不需要賦值，除了第一個診斷字節(jié)的最后一位bit0，需要由用戶設(shè)置為1。該位為“擴(kuò)展診斷位”，置1表示6個字節(jié)標(biāo)準(zhǔn)診斷之后跟有擴(kuò)展診斷。所有使用擴(kuò)展診斷的設(shè)計(jì)，該位都必須置位。 　　第7個字節(jié)為擴(kuò)展診斷第一級關(guān)于設(shè)備診斷的首部字節(jié)，首部字節(jié)最高兩位固定為00，后6位存放關(guān)于設(shè)備診斷的塊長度，該長度包括首部字節(jié)本身，取值2到63。本設(shè)計(jì)的閥門控制器診斷事件較少，只需要1個字節(jié)存放關(guān)于設(shè)備的診斷信息，所以關(guān)于設(shè)備診斷的塊長度為2。最終閥門控制器的診斷信息長度為8個字節(jié)：“標(biāo)準(zhǔn)診斷6字節(jié)+首部字節(jié)1+設(shè)備診斷字節(jié)1”。 　　設(shè)備診斷字節(jié)8個位的分配如下：bit0對應(yīng)閥門電機(jī)缺相事件，bit1對應(yīng)閥門過轉(zhuǎn)矩事件，某位被置1表示對應(yīng)事件發(fā)生;bit2～bit5放入一定的錯誤碼，這四位的錯誤碼對應(yīng)的事件如下： 　　0000 無錯誤 　　0001 工作電壓不足 　　0010 AD采集不正常 　　0011 本地顯示不正常 　　0100 控制沖突 　　0101 控制命令錯誤 　　0110～1111 保留 　　為了實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)備診斷字節(jié)分配，除了閥門控制器的用戶程序在相應(yīng)事件發(fā)生下對正確的位做正確處理外，還需要在閥門控制器的設(shè)備描述文件GSD文件中有以下語句： 　　Unit_Diag_Bit（0） =“Lack power” 　　Unit_Diag_Bit（1） =“Over-moment” 　　以上兩句把bit0和bit1分配給相應(yīng)事件。 　　Unit_Diag_Area =2-5 　　Value（0） =“No error” 　　Value（1） =“Low voltage” 　　Value（2） =“AD error” 　　Value（3） =“Display error” 　　Value（4） =“Control conflict” 　　Value（5） =“Command error” 　　Unit_Diag_Area_End 　　以上語句則把bit2～bit5分配給對應(yīng)的錯誤碼。這樣就完成了對閥門控制器診斷信息的設(shè)計(jì)。 6. 結(jié)論 　　本設(shè)計(jì)的意圖在于工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP技術(shù)與閥門控制工程實(shí)際要求的有效結(jié)合，突出實(shí)用性，也滿足閥門控制領(lǐng)域技術(shù)更新的要求。事實(shí)證明，閥門控制的遠(yuǎn)程化和網(wǎng)絡(luò)化是一個重要的發(fā)展趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用也是切實(shí)可行的。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Siemens AG..SPC3 and DPS2 User Description. 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