基于PROFIBUS-DP现场总线的智能液位传感器接口研发

1、第一章 绪论密级： 题 目： 基于PROFIBUS-DP现场总线的智能液位传感器接口研发学 院： 系 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 起讫日期： 基于PROFIBUS-DP现场总线的智能液位传感器接口研发1 摘要智能传感器是多种技术相互结合的产物，具有精度高、可靠性好、能够与计算机通信等特点，因此在过程控制中得到了广泛的应用。现场总线系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统。PROFIBUS现场总线则是其中的佼佼者。PROFIBUS-DP是PROFIBUS的组成部分之一，本文介绍了基于PROFIBUS-DP现场总线技术设计智能液位

2、传感器接口。PROFIBUS-DP是一种开放性的国际总线，用于分散外部设备之间的高速数据传输。SPC3是PROFIBUS-DP专用智能通信协议芯片，集成了MAC层和FDL层，实现了DP通信的处理，减轻了CPU的负担。液位传感器输出的数据经微处理器处理后，再由协议芯片SPC3来完成通信协议并通过PROFIBUS-DP电缆连接到主站，从而实现了主从站的数据通讯，以满足工业控制的要求。本论文首先介绍了现场总线技术的概况和常用的现场总线标准及OSI参考模型，接着详细介绍了PROFIBUSDP专用芯片SPC3，包括SPC3的引脚功能、结构、存储器配置及PROFIBUS-DP从站开发工具，然后着重介绍了P

3、ROFIBUS-DP现场总线从站通信接口的硬件和软件的实现。关键词：PROFIBUS-DP；SPC3；现场总线；智能从站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目录目录摘要1AbstractII第一章 绪论11.1 现场总线技术的发展和现状11.2 PROFIBUS概述41.3 PROFIBUS-DP系统的概述4第二章 PROFIBUS-DP的数据结构及通信原理82.1 PROFIBUS-DP帧的结构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的芯片引脚功能133.3 SPC3存储器的配置16第四章 液位传感器接口设计方案214.1 液位传感器的介绍214.1.1 传感器基本原理214.1.2 传感器励磁信号发生电路224.1.3 传感器信号的放大及调理224.2 通信接口硬件设计244.2.1硬件整体设计244.2.2 单片机与SPC3的接口244.2.3 SPC3与RS485接口274.2.4 外部存储扩展284.2.5 电源模块294.3 通信接口软件设计304.3.1 软件总体设计304.3.2 主程序与中断程序304.3.3 设备数据库文件（GSD）32第五章 结束语365.1 小结365.2 展望36参考

11、文献（References）38致谢40IV第一章 绪论 第一章 绪论1.1 现场总线技术的发展和现状现场总线控制系统是20世纪80年代中后期随着控制、计算机、通信以及模块化集成等技术发展出现的工业控制系统，代表工业自动化控制发展的最新阶段。现场总线的概念是1982年首先在欧洲提出的。随后，北美与南美也都投入巨大的人力、物力开展研究工作。到现在为止比较流行的现场总线已有40多种。现场总线控制系统的全分布、全数字、全开放特性解决了集散控制系统中存在的不足。现场总线控制系统把集散型控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。作为工厂数字通信网络的基础，现场总线控制系统沟通了生产

12、过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系：它向下深入到现场的每一台仪表、执行机构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决方案。目前，现场总线将原来主要用于过程控制的工业控制自动化推广到制造自动化、楼宇自动化等领域，成为新的现场智能设备互连通信网络。在现场总线控制系统中，4mA到20mA模拟信号仪表将被符合现场总线标准的双向通信全数字智能仪表所代替，实现传输信号数字化，使模拟信号和数字信号混合控制系统最终变成全数字控制系统。现场总线的开放性解决了数字系统的兼容性问题，协议的完全开放导致不同的生产商

13、的产品之间可以互换和互操作。它不但给生产商和用户带来极大的方便，而且突破了集散控制系统的中由专用网络的封闭系统所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了公开、标准化的解决方案。现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和PROFIBUS，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用

14、户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对中国现场总线控制系统的发

15、展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所

16、涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一

17、定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商；LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周

18、期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内；另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 （芯片制造商等）对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所

19、有的现场总线基金会（FF）会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。由于LonWorks技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的

20、发展。1.2 PROFIBUS概述PROFIBUS是PROCESS FIELDBUS的缩写，是由SIEMMENS等公司组织开发的现场总线技术，先后成为德国和欧洲的现场总线标准，并于2000年成为IEC61158现场总线国际标准之一。PROFIBUS 针对不同的应用需要推出了三种类型：PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA（Process Automation)和PROFIBUS-FMS。这三种类型均使用统一的总线访问协议，其中PROFIBUS-DP采用经过优化的速度、廉价通信连接，专为自动控制系统和设备级的分散I/O之间通信设计，能满

21、足设备级分布式控制系统的实时性、稳定性和可靠性的要求；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，数据传输采用IEC1158-2标准，支持本质安全要求和总线供电；PROFIBUS-FMS用来解决车间级通信任务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，较DP通信量大，使用更灵活，服务更加复杂多样，但实时性能稍低。所以，PROFIBUS覆盖了制造业自动化，楼宇自动化和过程自动化等多个自动化领域。随着商务、办公领域的IT技术在企业信息化中的影响越来越大，PROFIBUS又提出了结合Ethernet的解决方案PROFINET。PROFINET采用了对象模型，通过TCP/IP很容易实现对外信息的交换，原有

22、的PROFIBUS设备通过代理接口也可以方便地集成到PROFINT中，如果把PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS，视为PROFIBUS在自动化不同领域的应用技术，则PROFINET可以看做是PRFIBUS结合IT技术后的纵向向上扩展，这一扩展对实现企业的管控一体化具有特大的意义。1.3 PROFIBUS-DP系统的概述PROFIBUS-DP总线系统设备包括主站（主动站，有总线访问控制权，包括1类主站和2类主站）和从站（被动站，无总线访问控制权）。当主站获得总线控制权时，它能占用总线，可以传输报文，从站仅能应答所接收的报文或在收到请求传输数据。一个PROFIB

23、US-DP系统既可以是一个单主站结构，也可以是一个多主站结构。主站和从站采用统一编址方式，可选用0127共128个地址，其中127为广播地址。一个PROFIBUS-DP网络最多可以有127个主站，在应用时实时性要求较高时，主站个数一般不超过32个。单主站结构是指网络中只有一个主站，且该主站为1类主站，网络中的从站都隶属于这个主站，从站与主站进行主从数据交换。多主站结构是指在一条总线上连接几个主站，主站之间采用令牌传递方式获得总线控制权，获得令牌的主站和其他控制的主站之间进行主从数据交换。总线上的主站和各自控制的从站构成多个主从结构子系统。PROFIBUS的协议以OSI参考模型为基础，并对其进行

24、了简化，如图一所示。PROFIBUS-DP使用了第一层、第二层和用户层，第三层到第七层未使用（这些层必要的功能在第二层或用户层实现），这种精简的结构确保了高速数据传输及较小的系统开销。PROFIBUS-DP的物理层采用RS-485标准，规定了传输介质、物理连接和电气等特性。PROFIBUS-DP的数据链路层称为现场总线数据链路层FDL，包括与PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的总线介质访问控制MAC以及现场总线链路控制FLC，FLC向上提供服务存取点的管理和数据的缓存。第一层和第二层的现场总线管理完成第二层特定总线参数的设定和第一层参数的设定，它还完成这两层出错信息的上传。P

25、ROFIBUS-DP的用户层包括直接数据链路层、DP基本功能、扩展功能以及设备行规。DDLM提供了方便访问FDL的接口，DP设备行规是对用户数据含义的具体说明，规定了各种应用系统和设备的行为特性。表1-1 PROFIBUS-DP的协议结构用户层DP设备行规DP基本功能和扩展功能DP用户接口第37层空第二层现场总线数据链路层FMA1/2第一层物理层PROFIBUS-DP的物理层支持屏蔽双绞线和光纤两种传输介质。本书只介绍应用最广泛的以屏蔽双绞线为传输介质的物理层规范，这种情况下的物理层规范与EIA RS-485兼容。 选择屏蔽双绞线电缆时，可以参照EIA RS485标准。另外，在干扰不严重的情况

26、下，也可以使用非屏蔽的双绞线电缆。DP规定电缆接口采用9针D型连接器，连接器的机械和电气特性符合IEC 807-3的规定，DB9连接器的插座与设备相连接，插头与在线电缆相连接。连接器的引脚分配如表1-2所示。表1-2 连接器引脚分配引脚RS-485信号名称含义1-屏蔽屏蔽、保护地2-N24V-24v输出电压3BRXD/TXD-P数据P4-CNTR-P控制P5CDGND数据地6-VP正电压7-P24V+24V输出电压8ARXD/TXD-N数据N9-CNTR-N控制NRS-485的驱动器可以采用集成芯片DS75176B，用户端只需向DS75176B驱动器提供3个信号：RXD、TXD和DE。RE端可

27、以接地以保证全部接收。PROFIBUS-DP支持半手工的总线通信。RS-485差分信号采用非编码归零编码，当P线电压高于N线0.2V以上时，表示信号1；反之，当N线高于P线电压0.2V时，表示信号0。采用A型电缆时，无中继的情况下一个网络段最大传输距离为1.2KM。具体传输距离与传输速度有关，如表1-3所示。表1-3 DP系统传输速度与传输距离比特率（kb/s）9.619.293.75187.5500150012000最大距离/m1200120012001000400200100PROFIBUS-DP支持中继连接，如果一个中继连接两个网络段的情况下，最大的站配置算法是：31个站+1个中继+31

28、个站，共62个站（不包括中继），其他情况以此类推。在使用足够多的中继情况下，一个DP网络最多可以有127个站（不包括中继），其中主站一般不得多于32个。DP还规定任意两个站之间的中继不得多于3个。在总线形拓扑的情况下，最大的站配置是：31个站+1个中继+30站+一个中继+31个站，共122个站、3个中继。如果要构建更多站点的网络，网络拓扑结构必须为树形（多分支）。41第二章 PROFIBUS-DP的数据结构及通信原理 PROFIBUS-DP的传输有如下特点:1. 传输介质支持屏蔽双绞线和光纤；2. 传输速度宽为9.6KB到12Mb/s，但同一网络上的所有设备需选用同一传输速率；3. 传输距离，

29、无中继的一个网络段最长可达1.2KM;4. 采用不归零的差分编码，支持半双工、异步传输；5.数据传输服务包括循环地数据传输和非循环数据传输。循环的数据传输是指主站按照预先定义的顺序循环地探询各站。其服务形式只有一种：有回答要求的发送/请求数据，如主站的令牌管理、与DP从站交换用户数据通信等。非循环的数据传输服务有两种：有/无应答要求的发送数据、有回答要求的发送/请求数据，如从站初始化阶段的参数配置、诊断等。第二章 PROFIBUS-DP的数据结构及通信原理2.1 PROFIBUS-DP帧的结构每个帧由若干个帧字符（UART字符）组成，它把一个8位字符扩展成11位：首先是一个开始位0，接着是8位

30、数据位，之后是奇偶校验位（规定为偶校验），最后是停止位1。帧格式（报文格式）如图所示：SD1DASAFCFCSED无数据字段的固定长度的帧SD2LELERSD2DASAFCDUFCSED有可变数据字段长度的帧SD3DASAFCDUFCSED有数据字段的固定长度的帧SD4DASA令牌帧SC短应答帧图2-1 帧格式（报文格式）其中：L 信息字段长度；SC 单一字符（E5H),用在短应答帧中；SD1SD4 开始符，区别不同类型的帧格式： SD1=0x10，SD2=0x68，SD3=0xA2，SD4=0xDC；LE/LER 长度字节，指示数据字段的长度，LER=LE；DA 目的地址，指示接收该帧的站；

31、SA 源地址，指示发送该帧的站；FC 帧控制字节，包含用于该帧服务和优先权等的详细说明；DU 数据字段，包含有效的数据信息；FCS 帧校验字节，不进位加所有帧字符的和；ED 帧结束界定符（16H)。 这些帧既包括主动帧，也包括应答/回答帧，帧中字符间不存在空闲位（二进制1）。主动帧和应答帧的帧前的间隙有一些不同。每个主动帧帧头都至少有33个同步位，也就是说每个通信建立握手报文前必须保持至少33位长度的空闲状态（二进制1对应电平信号），这33个同步位长作为帧同步时间间隔，称为同步位SYN。而应答帧和回答帧前没有这个规定，响应时间取决于系统设置。应答帧与回答帧也有一定的区别：应答帧是指在从站向主站

32、的响应帧中无数据字段（DU）的帧，而回答帧是指响应帧中存在数据字段（DU）的帧。另外，短应答帧只作应答使用，它是无数据字段固定长度的帧的一种简单形式。2.2 PROFIBUS-DP的通信原理报文的交换发生在循环中，一个报文循环包括主站的主动帧（请求及发送请求帧）和相应的确认和反应帧(来自主站或从站)。用户数据包含在主动帧或响应帧中。完整的报文循环只能被令牌传递或无确认帧的数据传递所中断。所有的站都应监视总线上的请求。只有站地址与本站的地址一致，才能响应请求，请求必须在一个预定的时间内响应，否则发起者重复请求。主站若想与从站通信，首先发送请求诊断报文，检查从站的运行准备情况。当取得需要的请求反应

33、后，检查是否有其他主站占用此从站。如果没有，则进行参数设置和配置检查，然后再进行诊断报文请求。当参数化或配置错误或有其他主站占用时，主站将返回初始态，重新检查从站的准备情况，当发生静态用户诊断或从站没有准备好，主站将不断进行报文请求，直到没有这种诊断信息为此。第一次信息交换，主站将自己的操作模式传递给DP从站。主站以轮询方式控制从站任务，数据交换以一个轮询报文开始，终止于从站来的确认报文，当主站请求时，从站才被激活。1. PROFIBUS-DP主从站任务DP的主站主要以下几点任务：(1) 启动时DP主站首先初始化主站系统，通过诊断数据来检查DP从站是否准备好运行，检查其他主站是否配置了该从站，

34、然后配置从站；(2) 检查从站是否与主站状态一致，若一致则开始与从站的循环数据传输，不一致则读取诊断信息，报告错误信息；(3) 与DP从站的循环数据传输；(4) 监视、监测和标识无法获取的DP从站；(5) 采集和准备诊断信息；(6) 处理控制作业请求，包括输入输出同步控制，DP主站启停控制等；(7) 读取属于其他一类主站的从站的共享输入输出数据；(8) 当DP主站停止或故障时，把DP系统置于一个安全的状态。DP从站的主要任务（1）接收来自主站的状态参数、配置参数以及来自主站的过程数据输出；（2）提供过程数据给DP主站；（3）向DP主站提供诊断信息；（4）向二类的DP主站提供读取的输入输出数据等

35、。2. 状态机用户接口主要由三个功能块组成，分别是：Slave-Handler状态机、Scheduler状态机、Service-Handler状态机。Slave-Handler状态机功能块控制主从通信，该状态机根据从站状态做出相应处理，有固定的处理次序，每次调用Slave-Handler状态机产生一个DDLM请求。Scheduler状态机功能块规定调入相应Slave-Handler、网络上报文的顺序以及控制全局的状态转换。Scheduler必须保证两次从站轮询循环之间的规定时间。而且，Scheduler在电源启动是必须初始化DDLM并复位Slave-Handler状态机，本地生成的FDL事件或

36、错误、DDLM事件或错误也有Scheduler评估。Service-Handler状态机功能块进行本地管理和控制，如加载总线传输集等功能。PROFIBUS协议中的DP从站状态转换如图2-2所示，图中展示了DP从站从上电到进入正常的主从数据交换阶段的状态转换过程，从这个过程可以了解从站的通信状态转换。Power-OnCheck-ClearCheck-FreezeDATA-ExchWait-PrmWait-Cfg第三章 SPC3的概述 图2-2 从站的用户接口状态机第三章 SPC3的概述3.1 SPC3的基本特性SPC3（Siemens PROFIBUS Controller,third gene

37、ration） 是西门子公司开发的一种用于PROFIBUS-DP智能从站的专用芯片，集成了（RS-485)物理层、现场总线数据链路层、DP从站用户接口以及部分现场总线管理（FMA），与其相连接的MCU或MPU只需少量的软件工程即可实现PROFIBUS-DP智能从站的通信功能。SPC3的主要特性如下：（1） 可独立处理PROFIBUS-DP通信协议；（2） 最高数据传输速率12Mb/s,可自动检测并调整数据传输速率；（3） 与80C32、80X86、80C166、80C165、80C167和HC11、HC16、HC916系列芯片接口兼容；（4） 44引脚的PQFP封装；（5） 集成的看门狗定时器

38、（Watchdog Timer）；（6） 外部时钟输入48MHz，2倍或4倍分频时钟输出；（7） 5V直流电源供电。SPC3的内部结构如图3-1所示。图3-1 SPC3的内部结构示意图SPC3的控制核心是微序列器（microsequencer），它控制整个SPC3的工作过程。在芯片进入通信工作以前，需要外接CPU对参数寄存器、方式寄存器等进行必要的参数设置。SPC3还集成有双端口RAM，可以与外部直接交换数据。SPC3为外部访问提供了两种模式：地址数据总线复用模式和地址数据非复用模式。SPC3自动建立PROFIBUS-DP通信的服务存取点（SAP),不同的报文数据对应不同的缓存。DP输入数据、

39、DP输出数据都具有三级缓冲，其中总有缓冲面向通信。诊断数据有两级缓冲，其中一级始终用于存放更新的诊断数据。SPC3支持多个中断，具有中断屏蔽和中断指示功能，多个中断使用统一外部输出。SPC3具有内部集成的看门狗定时器，其操作于三种不同的状态：比特率搜寻、比特率控制和DP控制。SPC3的UART接口能够自动识别总线的比特率（9.6Kb/s12Mb/s）。在任意时刻都可以通过查看SPC3状态寄存器知道MAC状态。SPC3的空闲定时器直接控制总线时间。3.2 SPC3的芯片引脚功能SPC3的封装为PQFP-44，引脚功能如表3-1所示。表3-1 SPC3各个引脚的功能引脚符号输入/输出说明1XCSI

40、片选信号2XWRI写信号3DIVIDERI分频倍率4XRDI读信号5CLKI时钟6VSSGND地7CLKOUT2/4O分频时钟输出8XINT/MOTIINTEL/MOTOROLA9X/INTO中断信号10AB10I地址线11DB0I/O数据线12DB1I/O数据线13XDATAEXCHO数据交换状态14XREADY/XDATACKO输出15DB2I/O数据线16DB3I/O数据线17VSSGND接地18VDDVCC接+5V19DB4I/O数据线20DB5I/O数据线21DB6I/O数据线22DB7I/O数据线23MODEI方式选择24ALE/ASI地址锁存25AB9I地址总线26TXDOUAR

41、T输出端27RTSOUART输出允许28VSSGND接地29AB8I地址线30RXDIUART输入31AB7I地址总线32AB6I地址总线33XCTSI清除发送34XTEST0I接+5V35XTEST1I接+5V36RESETI复位输入37AB4I地址线38VSSGND接地39VDDVCC接+5V40AB3I地址线41AB2I地址线42AB5I地址线43AB1I地址线44AB0I地址线说明：（1） DB0DB7为数据/地址总线，可以和单片机的P0口连接，供数据交换使用并同时提供地址的低八位。（2） AB0AB10为地址总线，在与单片机相连接时只使用地址中的AB0AB7作为地址的高8位，AB8

42、AB10接地。（3） XRD及XWR为读写控制端，接单片机的读写信号。（4） CLK时钟输入，可使用48MHz或24MHz晶振。（5） CLKOUT2/4为时钟输出，单片机与SPC3可共用一个晶振，单片机采用12MHz则采用4分频。（6） X/INT为中断输出，为SPC3接到正确的信号后向单片机申请处理的信号。3.3 SPC3存储器的配置SPC3的内部集成了1.5KB双端口RAM，地址为000H5FFH。内部RAM以8字节为1个单元，共分成192段。RAM空间按功能可分为处理区参数、组织区参数和DP缓冲区三个区域。处理区参数区包括工作模式寄存器、从站最小延迟时间寄存器、内部集成看门狗定时器寄存

43、器、用于中断的寄存器以及状态寄存器等。组织参数区，用于设置DP缓冲区中各个缓冲（BUF）块的指针（首地址）和长度。这些指针、长度的设置必须在SPC3的离线（Offline State）状态下完成。在运行状态下，除了DOUT-BUF和DIN-BUF的长度可变外，其他的指针和长度都不能更改。在收到通信接口配置检查报文后，用户可以在SPC3转变到等待通信接口配置状态下修改这些缓冲。在数据交换状态下，只有与通信接口配置结构一致的报文才能被接收。该参数区域还存放本站地址、地址允许改变变量、用户看门狗定时器值和DP设备的制造商标识符等。DP缓冲区是DP的数据缓冲区，包括3个DP输出数据缓冲块、3个DP输入

44、数据缓冲块、2个诊断缓冲块、2个辅助缓冲块、设置参数缓冲块、通信接口配置缓冲块、可读通信接口配置缓冲块等。如果由于某些错误的操作，用户访问地址空间超出了1.5KB范围，那么所访问到的地址空间将是这个错误地址减去400H所指代的位置，同时状态寄存器（004H）的RAM Access Violation位将会被置位。下面仅介绍了这三个区中的处理参数区寄存器中一些寄存器。(1) 方式寄存器方式寄存器分为两个16位方式寄存器0和方式寄存器1。方式寄存器0设置设置特殊的PROFIBUS-DP操作方式，包括PROFIBUS-DP参数如：minTSDR(最快响应时间）、SYNC（输出的同步）、FREEZE（

45、输入的锁定）、中断极性的参数化等等，其各位的功能的描述如表3-2所示。方式寄存器1设置动态可改变的状态，如EOI（中断终止）和启动/停止PROFIBUS-DP等，其置位字节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称值功能0DIS-START-CONTROL0UART初始位监视打开SET-PARAM报文可以改写1UART初始位监视关闭1DIS-STOP-CONTROL0UART终止位监视打开1UART终止位监视关闭2EN-FDL-DDB0保留，FDL-DDB接受关闭3MINTSDR0纯DP模式复位后缺省的MINTSDR，与在线模式相对应1DP/FMS混合模式4INT

46、-POL0中断信号输出低电平1中断信号输出高电平5EARLY-RDY0READY信号在数据读或写时产生1READY信号提前一个时钟脉冲6SYNC-SUPPORTED0不支持同步1支持同步7FREEZE-SUPPORTED0不支持同步输入1支持同步输入8DP-MODE0DP模式无效1DP模式有效，建立DP服务存取点9EOI-TIME BASE0两次中断间隔至少1us1两次中断间隔至少1ms10USER-TIME BASE0用户时钟中断周期为1ms1用户时钟中断周期为10ms11WD-TEST0看门狗运行在功能模式下1不允许12SPEC-PRM-BUF-MODE0没有专用数据缓冲1设置参数数据直接

47、存入专用缓冲13SPEC-CLEAR-MODE0非特别清除模式1特别清除模式14RESERVED保留15RESERVED保留表3-3 方式寄存器1置位字节各位的功能位序符号功能0START-SPC3置位1，SPC3退出OFFLINE状态进入Passive-Idle状态，SPC3中的空闲定时器和看门狗定时器开始运行。同时Go-Offline位被自动清零1EOI置1，表示中断服务完成，通常在中断服务程序结束时把该位置1，SPC3中断信号电平由有效变为无效，之后EOI位被自动清零2Go-Offline置1，SPC3进入Offline状态，之后该位自动清零3User-Change-Cfg-Buff置1

48、，DP状态机自动进入Wait-Prm状态，完成后该位自动清零4En-Change-Cfg-Buffer置1，读User-cfg-Data-Okay-Cmd后，Config-Buff缓冲与Read-Config-Buff缓冲交换数据置0，读User-cfg-Data-Okay-Cmd后，Config-Buff缓冲与Read-Config-Buff缓冲不交换数据5Res-User-Wd置1，SPC3的用户看门狗恢复为初值，重新开始计时，之后该位自动清零6Reserved保留7Reserved保留（2) 中断寄存器SPC3有一个公共的中断输出，因而能够报告所有的有关通信的事件，如有事件输入SPC3并

49、直接触发中断请求寄存器，以下的一些事件可以发出报告：所有进入的报文，如参数化、组态、数据交换、全局控制、发送诊断和改变从站地址等报文；外部操作事件，如监视定时器时间到、检测波特率和送入与发出数据交换。还可以使用中断屏蔽单个的中断时间。（3） 状态寄存器作为SPC3的心脏，微顺序控制器通过状态寄存器控制整个过程。在UART中，并行数据流变换成串行数据流和将串行数据流变换成并行数据流，在第一个字符发送之前。SPC3生成RequestToSend(RTS)信号。它以发送速率的4倍速率扫描串行的数据流。PROFIBUS-DP协议的一个要求是在报文字符间不允许有空闲状态，SPC3的UART保证满足这个要

50、求。SPC3需要一个外部48MHz的时钟脉冲源，此外，SPC3配有一个时钟分频，它将外部脉冲2分频或4分频在CLKOUT2，4针脚上输出，因而允许低成本的较慢速度的微处理器并不需要任何附加费用，时钟脉冲直接送出，与RESET情况无关。（4） SPC3存储器配置SPC3内部集成了1.5KB双端口RAM，地址为000H5FFH。内部RAM以8字节为一个段，共分成192段。RAM空间功能可分为处理器参数区、组织参数区和DP缓冲区三个区域。SPC3内部存储区域分布如下表3-4所示。表3-4 SPC3内部储存区分配地址作用0000H0015H方式寄存器0、1，中断寄存器，状态寄存器0016H003FH缓

51、冲长度，缓冲器指针，识别号/从站地址0040H05FFH输入，输出，诊断，参数化数据，组态数据，辅助缓冲，SSA缓冲第四章 液位传感器接口设计方案 第四章 液位传感器接口设计方案4.1 液位传感器的介绍4.1.1 传感器基本原理由于本液位传感器用于测量结晶器的液位，决定选用电涡流式传感器，电涡流式传感器的基本原理如图4-1所示。图4-1 涡流式传感器原理示意图电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化）从而进行非电量电测的。如图4-1所示，一个通有交变电流的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场,当被测导体置于该磁场范围之

52、内，被测导体内便产生电涡流,电涡流也将产生一个新磁场,和方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。一般来说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因素的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率也有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果只控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成侧位移、测温度、测硬度等各种传感器。4.1.2 传感器励磁信号发生电路根据电涡流原理，可以采用电涡流探头来感应液位的大小，为此必须给探头上下对称的线圈提供励磁信号，可以利用阻抗元件和放大器组成有源滤波电路，来产生正弦波励磁信号，励磁信号发生电路如图4-2所示。图4-

53、2 励磁信号发生电路4.1.3 传感器信号的放大及调理由探头所感应的模拟信号是非常小的，必须对信号进行放大处理，可以采用典型的仪用放大器AD620。AD620采用经典的三运放结构，可以有效的减少共模信号的干扰。AD620电路如图4-3所示。图4-3 典型仪用放大器电路图信号放大之后，难免会有噪声信号同时会被放大，所以必须对信号进行滤波处理，将噪声信号滤除掉。可以采用MFB式二阶带通滤波电路。如图4-4所示。图4-4 MFB式二阶带通滤波电路信号进行放大和滤波之后，还需对其进行整流处理，将正弦信号转换成直流信号，再经过最后的滤波和缓冲阻抗匹配后输出的模拟信号就可以作为AD转换器的模拟输入信号。整流信号如图4-5所示。图4-5 整流电路4.2 通信接口硬件设计4.2.1硬件整体设计液位传感器作为PROFIBUS-DP的智能从站，传感器的接口主要由四门子公司提供的PROFIBUS-DP的专用芯片SPC3、STC89C52微处理器器、用于消除外界干扰的光耦6N137、用于连接PROFUBUS-DP总线的RS485接口、用于驱动RS485的DS75176