工程硕士学位现场总线技术在柔性制造中的应用研究毕业论文

1、 . PAGE49 / NUMPAGES54 . 现场总线技术在柔性制造中的应用研究现场总线技术是现代企业综合自动化领域研究、应用、发展的一项新技术，它可以将控制系统与通信网络集成，信息交换的围从现场设备、制作车间逐步覆盖到整个工厂甚至企业集团。它的出现使自动化领域产生了一场深刻变革，对其他相关领域也产生着深远影响。本文对目前国外PROFIBUS现场总线的技术研究现状进行了分析，并在研究传统柔性制造系统在通信网络存在的缺点基础上，提出了将嵌入式总线桥技术应用于机加工的柔性制造系统的新方案。通过PROFIBUS-DP现场总线技术研究，开发了基于PROFIBUS-DP总线协议的智能从站，并对智能从

2、站进行软件与硬件系统开发，使其具有基本的数字输入、输出、数显等功能，实现了从站与PROFIBUS-DP主站进行数据通信的基本功能，为该技术在柔性制造领域的应用提供了重要依据。通过本文的研究得出，将PROFIBUS-DP现场总线技术应用于机加工的柔性制造系统，可充分发挥PROFIBUS-DP的各种优点，并能克服传统柔性制造系统中采用485总线技术的缺陷，对柔性制造技术信的改善和提高起到了积极的作用。PROFIBUS-DP智能从站的软硬件系统开发对我国PROFIBUS技术深入研究与实际应用起到积极的促进作用。关键词柔性制造系统；现场总线；PROFIBUS-DP；嵌入式总线桥；智能从站Studyon

3、 Applicationof Fieldbusin Flexible Manufacturing SystemThe fieldbus is a new technology ofresearch, applications, development of a modern enterprise integrated automation, and it can integrated the control system and communication network and the exchange of information ranging from devices, product

4、ion workshop and gradually cover the entire plant or enterprise group. It appears that the automation field produces a profound change in other related field, and has a profound influence.In this paper, the author analyzes the status of studying on the technology of the present domestic PROFIBUS in

5、fieldbus, on the basis of shortcoming for studying the traditional flexible manufacturing system, and proposes a new plan which applies bus bridge embeded into flexible manufacturing system. Through researching PROFIBUS-DP fieldbus technology, the author develops the intelligence PROFIBUS-DP slave s

6、tation, and design the software and hardware by it, make it have the functions of digital input, output and digital display basically, realize the telecom with PROFIBUS-DP main station in data. For this technology in the field of flexible manufacturing application it provides an important basis.Acco

7、rding to the paper, applying the PROFIBUS-DP fieldbus to flexible manufacturing system, it exerts all kinds of advantages of PROFIBUS-DP, and outcomes the defects of traditional flexible manufacturing system with taking 485 technology. It has positive influence to improve and enhance the flexible ma

8、nufacturing technology in telecom. The PROFIBUS-DP intelligence slave station both in software and hardware plays a positive role in promoting forward domestic PROFIBUS technology research and practical application.Key words： flexible manufacturing system, fieldbus, PROFIBUS-DP, bus bridge embeded,

9、intelligence slave station目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc246129832摘要 PAGEREF _Toc246129832 h IHYPERLINK l _Toc246129833Abstract PAGEREF _Toc246129833 h IIHYPERLINK l _Toc246129834第1章 绪 论 PAGEREF _Toc246129834 h 1HYPERLINK l _Toc2461298351.1 现场总线技术的产生与发展 PAGEREF _Toc246129835 h 1HYPERLINK l _Toc

10、2461298361.2 柔性制造发展现状 PAGEREF _Toc246129836 h 2HYPERLINK l _Toc2461298371.2.1 柔性制造系统的产生和发展 PAGEREF _Toc246129837 h 2HYPERLINK l _Toc2461298381.2.2 柔性制造系统发展中出现的问题 PAGEREF _Toc246129838 h 2HYPERLINK l _Toc2461298391.3 选题依据与研究容 PAGEREF _Toc246129839 h 3HYPERLINK l _Toc2461298401.3.1 选题依据 PAGEREF _Toc24

11、6129840 h 3HYPERLINK l _Toc2461298411.3.2 研究容 PAGEREF _Toc246129841 h 3HYPERLINK l _Toc2461298421.3.3 重点解决的关键问题 PAGEREF _Toc246129842 h 4HYPERLINK l _Toc2461298431.4 本课题结构 PAGEREF _Toc246129843 h 4HYPERLINK l _Toc246129844第2章构建PROFIBUS-DP现场总线集成方案 PAGEREF _Toc246129844 h 6HYPERLINK l _Toc2461298452.1

12、 现场总线 PAGEREF _Toc246129845 h 6HYPERLINK l _Toc2461298462.1.1 现场总线定义 PAGEREF _Toc246129846 h 6HYPERLINK l _Toc2461298472.1.2 现场总线的结构特点 PAGEREF _Toc246129847 h 6HYPERLINK l _Toc2461298482.1.3 现场总线的技术特点 PAGEREF _Toc246129848 h 6HYPERLINK l _Toc2461298492.1.4 现场总线的优点 PAGEREF _Toc246129849 h 7HYPERLINK

13、l _Toc2461298502.2 PROFIBUS现场总线的技术概述 PAGEREF _Toc246129850 h 7HYPERLINK l _Toc2461298512.2.1 PROFIBUS技术的主要发展历程 PAGEREF _Toc246129851 h 8HYPERLINK l _Toc2461298522.2.2 PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系 PAGEREF _Toc246129852 h 8HYPERLINK l _Toc2461298532.2.3 PROFIBUS技术体系结构 PAGEREF _Toc246129853 h 9HYPERLINK

14、 l _Toc2461298542.3 PROFIBUS-DP现场总线 PAGEREF _Toc246129854 h 9HYPERLINK l _Toc2461298552.3.1 PROFIBUS-DP的概念 PAGEREF _Toc246129855 h 10HYPERLINK l _Toc2461298562.3.2 PROFIBUS-DP现场总线的基本原理与基本功能 PAGEREF _Toc246129856 h 10HYPERLINK l _Toc2461298572.4 本章小结 PAGEREF _Toc246129857 h 11HYPERLINK l _Toc24612985

15、8第3章 PROFIBUSDP从站总线桥技术解决方案 PAGEREF _Toc246129858 h 12HYPERLINK l _Toc2461298593.1 嵌入式系统发展现状 PAGEREF _Toc246129859 h 12HYPERLINK l _Toc2461298603.1.1 嵌入式系统的定义 PAGEREF _Toc246129860 h 12HYPERLINK l _Toc2461298613.1.2 嵌入式系统的特点 PAGEREF _Toc246129861 h 12HYPERLINK l _Toc2461298623.1.3 嵌入式系统的分类 PAGEREF _T

16、oc246129862 h 12HYPERLINK l _Toc2461298633.2 PROFIBUS-DP从站接口协议转换原理 PAGEREF _Toc246129863 h 13HYPERLINK l _Toc2461298643.3 PROFIBUS-DP智能从站方案比较 PAGEREF _Toc246129864 h 13HYPERLINK l _Toc2461298653.3.1 单片机+软件的解决方案 PAGEREF _Toc246129865 h 13HYPERLINK l _Toc2461298663.3.2 使用PROFIBUS通信专用ASIC方案 PAGEREF _To

17、c246129866 h 14HYPERLINK l _Toc2461298673.3.3 应用总线桥技术的解决方案 PAGEREF _Toc246129867 h 15HYPERLINK l _Toc2461298683.4 方案确定 PAGEREF _Toc246129868 h 15HYPERLINK l _Toc2461298693.5 本章小结 PAGEREF _Toc246129869 h 15HYPERLINK l _Toc246129870第4章 PROFIBUS-DP从站硬件选用 PAGEREF _Toc246129870 h 17HYPERLINK l _Toc246129

18、8714.1 总线桥特点与选用 PAGEREF _Toc246129871 h 17HYPERLINK l _Toc2461298724.2 嵌入式PROFIBUS总线桥OEM产品比较选择 PAGEREF _Toc246129872 h 17HYPERLINK l _Toc2461298734.3 PB-OEM2-SE技术原理 PAGEREF _Toc246129873 h 17HYPERLINK l _Toc2461298744.4 PB-OEM2-SE技术指标 PAGEREF _Toc246129874 h 18HYPERLINK l _Toc2461298754.5 PB-OEM2-SE

19、外形与布局图 PAGEREF _Toc246129875 h 19HYPERLINK l _Toc2461298764.5.1 J1-16针接插件管脚定义说明 PAGEREF _Toc246129876 h 19HYPERLINK l _Toc2461298774.5.2 SE状态表 PAGEREF _Toc246129877 h 20HYPERLINK l _Toc2461298784.5.3 J2-10针接插件管脚定义说明 PAGEREF _Toc246129878 h 20HYPERLINK l _Toc2461298794.6 PROFIBUS孔(famel)D型插座与接口板连接方式

20、PAGEREF _Toc246129879 h 21HYPERLINK l _Toc2461298804.6.1 D型插座的PROFIBUS信号定义 PAGEREF _Toc246129880 h 21HYPERLINK l _Toc2461298814.6.2 连接方式0PBD型插座 PAGEREF _Toc246129881 h 22HYPERLINK l _Toc2461298824.6.3 外接口转接板与OEM2-SE模块连接 PAGEREF _Toc246129882 h 22HYPERLINK l _Toc2461298834.7 PB-OEM2-SE接口板功能选择开关SW1 PA

21、GEREF _Toc246129883 h 24HYPERLINK l _Toc2461298844.8 本章小结 PAGEREF _Toc246129884 h 24HYPERLINK l _Toc246129885第5章 PROFIBUS-DP从站软件设计 PAGEREF _Toc246129885 h 25HYPERLINK l _Toc2461298865.1 通信规约 PAGEREF _Toc246129886 h 25HYPERLINK l _Toc2461298875.2 用户模板串口通信程序流程图 PAGEREF _Toc246129887 h 26HYPERLINK l _T

22、oc2461298885.3 软件程序 GSD PAGEREF _Toc246129888 h 27HYPERLINK l _Toc2461298895.4 本章小结 PAGEREF _Toc246129889 h 32HYPERLINK l _Toc246129890第6章 PROFIBUS-DP在柔性制造实验系统中的应用 PAGEREF _Toc246129890 h 33HYPERLINK l _Toc2461298916.1 FMS柔性制造实验平台搭建 PAGEREF _Toc246129891 h 33HYPERLINK l _Toc2461298926.1.1 FMS柔性制造实验平

23、台基本功能要求 PAGEREF _Toc246129892 h 33HYPERLINK l _Toc2461298936.1.2 系统硬件的搭建 PAGEREF _Toc246129893 h 33HYPERLINK l _Toc2461298946.1.3 FMS柔性制造实验系统通信系统构建 PAGEREF _Toc246129894 h 34HYPERLINK l _Toc2461298956.2 系统的安装与软件调试 PAGEREF _Toc246129895 h 34HYPERLINK l _Toc2461298966.2.1 软件、硬件的安装 PAGEREF _Toc24612989

24、6 h 34HYPERLINK l _Toc2461298976.2.2 系统调试 PAGEREF _Toc246129897 h 35HYPERLINK l _Toc2461298986.3 调试系统原理图 PAGEREF _Toc246129898 h 39HYPERLINK l _Toc2461298996.4 实验结果分析 PAGEREF _Toc246129899 h 41HYPERLINK l _Toc2461299006.4.1 对数控程序进行集中管理情况测试 PAGEREF _Toc246129900 h 41HYPERLINK l _Toc2461299016.4.2 机床参

25、数的远程管理测试 PAGEREF _Toc246129901 h 41HYPERLINK l _Toc2461299026.4.3 机床加工状态的远程监控 PAGEREF _Toc246129902 h 42HYPERLINK l _Toc2461299036.4.4 机床加工信息的实时采集 PAGEREF _Toc246129903 h 42HYPERLINK l _Toc2461299046.5 本章小结 PAGEREF _Toc246129904 h 44HYPERLINK l _Toc246129905结论 PAGEREF _Toc246129905 h 45HYPERLINK l _

26、Toc246129906参考文献 PAGEREF _Toc246129906 h 46HYPERLINK l _Toc246129907攻读硕士学位期间所发表的论文 PAGEREF _Toc246129907 h 49HYPERLINK l _Toc246129908致 PAGEREF _Toc246129908 h 50HYPERLINK l _Toc246129909个人简历 PAGEREF _Toc246129909 h 51第1章 绪 论1.1现场总线技术的产生与发展现场总线技术是顺应企业综合自动化需求而发展起来的新技术，是控制系统与通信网络的集成，信息交换的围已从现场设备、制作车间逐

27、步覆盖了工厂到企业集团14。第一代过程控制体系结构是20世纪50年代前的基地式的气动仪表控制系统。第二代过程控制体系结构发展为使用模拟信号。第三代过程控制体系结构开始出现用数字信号代替模拟信号，中心控制采用一台计算机或单片机，以取代控制系统部分仪表盘，这种控制系统有很多缺点，比如模拟信号数字化是在计算机端完成，使得信号在传输过程中受到各类干扰，使得系统在抗干扰方面的设计和实现十分困难，此外，计算机一旦出现故障，便会造成整个系统的瘫痪5。20世纪80年代开始出现第四代过程控制体系结构，该结构采用嵌入式技术：在现场仪器设备中嵌入微处理器，使现场设备具备了智能化特点，多台分散在现场微处理器，利用数据

28、总线连接在一起，避免了集中式控制系统整体瘫痪的缺点6。但是它也存在着一些缺点，如系统不开放、可扩展性不强、可靠性低、集成能力不强等。随着集成电路的发展，许多现场设备置微控制器，有智能化的功能，可以实现线性化等功能，设计中，可以在这些设备的基础上增加一数据接口。这样，在现场设备级传递的是数字信号。这种通信网络它克服了集散控制系统(DCS)存在的问题，真正实现了分布式控制，具有高度的灵活性和开放性。在现代制造业中的集成制造系统(CIMS)一般是由和现场设备级、车间监控级和工厂管理级等构成的一个多层的大规模控制系统7，如图1-1所示。图1-1 总线系统分层控制图Fig.1-1 Layer contr

29、ol sketch of system-bus是实现工厂自动化与计算机集成制造系统的基础。它们底层设备控制、通信、状态监测与现场设备运行主要由现场设备级、车间监控级完成；同时也接受管理层下达的生产管理命令并执行8,9。1.2 柔性制造发展现状1.2.1柔性制造系统的产生和发展随着产品复杂程度的不断增加以与产品更新换代加快，在生产过程中必须提高产品制造的柔性以提高生产效率，采用柔性制造的概念可以缩短生产周期，降低能耗，降低生产成本，获得更好的经济效益。柔性制造系统便是在由此应运而生的10。在柔性制造系统领域，西欧、美国和日本走在世界的前列，而美国是最早的国家，起初是由自动生产线改建，用数控机床代

30、替传统机床再加上数字控制系统，便构成FMS，在美国，FMS单元得到了快速的发展，到90年代，柔性制造单元已超过了1万套。日本与德国在这方面也得到了很好的发展。1994年初，世界各国已投入运行的柔性制造系大概有3000多条，日本占世界首位，拥有2100多条。当前著名的FMS生产厂家有：日本的LIJ崎、日立精机、法那科、丰田工机；美国的Keamey&Trecker, Ingersoll Milling, Cincinnati Milacron, , Bendax Sundstund； Werner&Kolb, Burkhardt& Weber, SIEMENS , HullerHilley以与Sc

31、harman等11。我国发展的较晚，1986年10月我国第一条FMS投入运行， 863计划启动之后，促进了我国FMS技术的发展，自行开发和引进了一些系统，至1995年建成约34套柔性制造系统，与欧美、日本相比差距很大，图1-2为典型的FMS示意图。图1-2典型的FMS示意图Fig.1-2Sketch of typical FMS1.2.2柔性制造系统发展中出现的问题柔性制造系统发展虽然日渐成熟，但在网络信息化、控制模式等方面还有许多待改进的地方，早期，在柔性制造系统的控制方式中，多采用集中控制模式：所有的现场设备都由中央计算机进行控制。这种控制模式使得系统软件很庞大，所有的功能都要有中心实时去

32、处理，导致计算机运行速度下降，进而可靠性降低。有一个突出的问题是：管理层的网络技术发展相当迅速，而车间级和设备级的网络传输技术相对落后，这样就使得设备级成为了“信息孤岛”。现场总线技术的出现解决了柔性制造系统发展中出现的这些问题。早期的柔性制造系统中，信息的传递较多的是采用RS232、I/O接口、MAP网络方式或DCS方式，前两种方式的传输速度太低，已经无法满足FMS的要求，对于后两种方式，MAP不具备实时特性。DCS相对来说是不错的解决方案，但与现场总线相比，现场总线有更明显的优势。随着微控芯片工业生产中的应用，出现了大量的智能设备，如温度变送器等，不但具有PID控制和运算功能，还具有输出特

33、性补偿、自诊断、自校验等功能，这使得FMS的控制结构开始由集中控制的方式向分布式控制模式发展，而现场总线技术正是这种方式的主要技术。1.3选题依据与研究容1.3.1选题依据本课题是基于数控生产性实训中心开展的PROFIBUS现场总线应用技术的研究。通过分析柔性制造系统发展的特点、现场总线技术发展的特点和优点以与嵌入式系统的特点，提出了将现场总线技术中的嵌入式总线桥应用于FMS的方案，以达到改善和提高FMS之目的。1.3.2研究容本课题将在充分研究目前国传统柔性制造系统的前提下，结合目前我国国Profibus现场总线的研究现状，提出将Profibus现场总线技术应用于FMS的方法，在今后的研究中

34、，将通过研究Profibus现场总线技术，利用专用集成芯片开发基于Profibus-DP协议的从站，对从站进行软件与硬件的开发，通过编写数据库文件，实现与主站的基本数据通信。为了使研究具有实际应用价值，本研究将建立在一个小型柔性制造系统模型基础上，通过对柔性制造模型中各个单元的控制与管理，验证系统的性能，为实际应用提供理论与现实依据。具体容分四个层次：（1）研究Profibus-DP现场总线桥的原理与应用，构建柔性制造系统站点集成方案在构建系统集成方案过程中，第一个要解决的关键技术就是传输方案的选择与接口的匹配。Profibus提供三种传输类型：DP、FMS的RS485传输、PA的IEC115

35、8-2传输、光纤传输，考虑到光纤传输有良好的抗干扰性，本方案选用光纤，但目前现场的大部分设备接口是RS485，需要解决二者之间的转换。第二个问题是总线存取协议，主站和主站之间采用令牌传送的方式，从站与主站之间采用主从传送方式。（2）研究Profibus-DP现场总线桥的通信原理，设计主站与从站的硬件结构在完成集成安装的基础上，在Profibus-DP通信方面，关键是设备通信接口解决方案，在设计从站的方案中，一般有三种：一种是直接用单片机实现，这种方案开发周期长，测试复杂；第二种是采用从站接口模块，这种方案灵活性较差；第三种是采用Profibus专用ASIC与单片机结合，其中单片机不参与处理总线

36、协议，这种方案开发成本较低，技术指标高。这一部分将对三种方案进行理论与实践分析，并最终确定一种最合理的方案，同时，将进一步研究这种方案需要设计的外围电路，并搭建一个调试与测试平台需要的Profibus系统，用于以下在柔性制造系统中的应用。（3）研究Profibus-DP从站与柔性制造单元的接口与数据交换在以上系统方案与通信原理建立的基础上，进一步研究通信单元与现场设备的接口电路与数据交换技术。在现场设备端，Profibus-DP一般采用RS485传输技术，为了达到抗干扰的目的，将进一步研究信号与电源的隔离技术，如在接口电路上采用光隔离与变压器隔离技术等，这是这一部分设计的关键。在数据格式的定义

37、上也是一个重点研究的容。（4）软件的编制通过讨论分析，软件应包含管理、控制、监控、报警等功能，软件设计的技术关键在于接口的控制。（5）在实验系统中的应用通过搭建柔性实验平台，应用前面研究成果构建实验通信系统，进行系统调试实验和实验结果分析，验证软硬件研究成果。1.3.3重点解决的关键问题（1）构建基于Profibus-DP总线的通信与控制的网络系统，以提高其可靠性，保证高速的传输性能，使系统的集成能力加强。（2）现场总线单元与柔性制造单元之间的接口电路设计。（3）软件的编制以与对各接口的控制与管理。1.4本课题结构本课题的研究工作主要是研究设计一个适合制造加工车间环境的实时数据采集与远程监测系

38、统，为机械加工生产管理与维护人员提供与时准确的环境信息，推动柔性制造系统向自动化、智能化方向发展。本论文各章的基本容如下：第1章是绪论，简要介绍了现场总线技术和柔性制造技术发展与出现的问题，引出选题依据与研究容。第2章介绍了现场总线的概念、特点、发展历程、协议模型与技术体系结构；论述了Profibus-DP现场总线的基本原理、功能、报文结构、总线定时与数据库文件。第3章论述了嵌入式系统的特点、分类，介绍了Profibus-DP从站接口协议转换原理，并对其从站接口进行方案比较、选择。第4章论述了Profibus-DP从站接口的硬件嵌入式总线桥产品的选用，介绍了其外形、布局图、插座、接口板连接与开

39、关。第5章论述了Profibus-DP从站软件的通信规约、串口通信程序流程图与其软件程序。第6章论述了Profibus-DP从站在柔性制造实验系统的应用。介绍了其试验平台搭建，系统安装、软件调试、调试原理与实验结果分析。第2章 构建PROFIBUS-DP现场总线集成方案2.1现场总线2.1.1 现场总线定义现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、双向、智能、多变量、互联、多点的通信网络，是自动化领域发展的热点之一，被称为自动化领域的局域网。作为工业通信网络的基础，它起到沟通生产过程现场的控制设备之间以与与更高级别的控制管理层之间进行联系的作用。所以它不仅仅是一个基层

40、的网络，而且还是一种新型全分布式、开放式的控制系统13。2.1.2现场总线的结构特点现场总线系统远远优于传统的控制系统的结构形式。在传统模拟控制系统中，一般设备之间采用一对一的连线，位于现场的设备和管理层的控制器之间均采用一对一的物理连接。而现场总线系统与此有很大的区别，由于采用了智能设备，所以，现场总线可以把控制室的控制模块置入现场设备中，同时现场设备也具有通信的能力，这样就彻底实现了现场分散的控制14-16。两种结构对比，如图2-1所示。传统控制系统结构示意图现场总线控制系统示意图图2-1 现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比Fig.2-1 Structure contrast in

41、Fieldbus control system and traditional control system2.1.3现场总线的技术特点现场总线控制系统采用了智能现场设备，控制系统功能直接在现场完成，而不依赖控制室，实现彻底的分散性控制。具有以下特点17-18：(1) 系统的开放性开放系统是指各不同厂家的通信协议公开，不同设备之间能进行互连，并实现信息交换，现场总线研究的目的就是要一个建立统一的基于工厂现场级网络的开放系统。这个开放系统可以与任何一样标准的其它智能设备或系统相连。(2) 互可操作性与互用性所谓的互可操作性是指，可以实现互连的设备、系统之间的信息沟通可实行一点对一点、一点对多点的

42、通信，而互用性指的是不同生产厂家之间的类似设备可以进行互换互用。(3) 现场设备智能化与功能的自治性 现场总线将数字处理与控制等智能功能分散到各个现场的设备中进行完成，靠现场的设备就完全可完成诸多自动控制的基本功能。(4) 系统结构的高度分散性现场设备可完成自动控制的诸多基本功能，这样就从根本上改变了原来DCS集中和分散相结合而构成的集散控制体系，大大提高了可靠性。(5) 对现场环境的适应性现场总线的现场设备前端，支持同轴电缆、双绞线、光缆、红外线、电力、射频线等，具有较强的抗干扰能力。2.1.4现场总线的优点由于现场总线结构的简化，使控制系统体现出优越性，优点如下19：(1) 节省硬件数量与

43、投资现场总线系统不需要单独的计算单元，可以用PC机作为操作站，这样可节省硬件投资。(2) 节省安装费用由于接线十分简单，这样既节省了投资，也减少工作量。据有关试验的测算资料，可节约安装费用达60%以上。(3) 节省维护开销现场控制设备具有自诊断功能，这些诊断信息可送往控制室，在控制室可以查询相关信息，以便快速排除故障，缩短维护时间。(4) 用户具有高度系统集成主动权由于采用现场总线技术，用户便可以选不同的厂商的设备进行集成系统，这样可避免系统集成不兼容的问题，使系统集成过程中的主动权掌握在用户自己手中。(5) 提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备在测量与控制的准确度大大提高，同时由于系统的结

44、构简化，现场仪表部功能也有所加强，减少了信号的往返传输，进而可提高系统工作的可靠性。2.2 PROFIBUS现场总线的技术概述PROFIBUS符合国际标准IEC61158，IEC61158是一种国际性开放式的现场总线标准，它具有独特的技术特点、开放的标准。自动化设备生产厂商目前都为他们的设备提供标准的PROFIBUS接口。PROFIBUS根据应用特点可分为PROFIBUSPA，PROFIBUSDP，PROFIBUSFMS三个兼容部分20。(1) PROFIBUS-PA主要是应用在面向过程自动化系统的设计方面， 适合于防爆场合，在传输方面，电源和通信数据全部采用总线并行传输。PROFIBUS-P

45、A所采用的协议是扩展的PROFIBUS-DP。传输技术方面采用的是IEC1158-2，硬件上采用分段式的耦合器，可以方便地集成到PROFIBUS-DP网络。(2) PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的使用取代了模拟信号线，由于协议较简单，它适用于分布式控制系统中的高速数据传输，主要应用在制造业中的现场级通信网络，特点是高速低成，在传输速度上，可选用9.6kbps12Mbps。(3) PROFIBUS-FMS用于解决车间级的通信任务，适用于大围和较为复杂的通信系统。PROFIBUS-FMS与PROFIBUS-DP在传输技术上是一样的，总线访问协议也一样，所以说，两套系统可在一根电缆上操

46、作。本设计将采用PROFIBUS-DP总线技术。2.2.1PROFIBUS技术的主要发展历程从80年代就开始，学者们就对现场总线技术进行了研究，国际上众多设备制造商陆续推出他们各自的总线标准以与总线产品。目前，像这样的现场总线在全球就有200多种，它们各有各自的优势和特点，但有个问题是，他们不能形成统一的标准，国际电工委员会从1984年开始，经过长期的探讨，最终形成了国际现场总线标准IEC61158。标准中，共采用了8种现场总线技术，而PROFIBUS就是其中第三种。PROFIBUS是一种开放式的现场总线国际标准，它所应用的领域包括楼宇智能化、过程自动化、加工制造等行业，它是目前广泛应用的一种

47、非常成熟的现场总线，设备生产厂商也都在自身的产品上提供PROFIBUS接口。到目前为止，在世界围，已安装运行的带有PROFIBUS总线的设备超过1000万。我国的中国现场总线专业委员会成立于1997年6月，并建立了PROFIBUS现场总线产品演示与认证实验室，其主要的职责是推广PROFIBUS现场总线技术的应用研究，同时开展我国PROFIBUS现场总线产品认证工作。2.2.2PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系PROFIBUS现场总线可以将设备从底级到中间执行级分散开来。由于通信协议进行了优化，所以不需要复杂的接口就可以实现。如果拿ISO/OSI协议模型进行比较，PROFIB

48、US协议包含第1、2、7层，如图2-2所示21。7应用层6表达层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层ISO/OSI模型应用过程用户层7应用层网 络 管 理63-6层未用5432数据链路层1物理层PROFIBUS协议模型图2-2PROFIBUS与ISO/OSI协议模型的关系Fig.2-2 The relationship of PROFIBUS agreement and ISO/OS model agreement。2.2.3 PROFIBUS技术体系结构图2-3PROFIBUS体系结构Fig.2-3PROFIBUS architecture2.3 PROFIBUS-DP现场总线PRO

49、FIBUS-DP现场总线有特定的硬件结构，专用的通信报文结构以与预先规定的总线定时。下面就这几个方面分别叙述22-32。2.3.1 PROFIBUS-DP的概念DP的英文是Decentralized Periphery，即分散化外围设备。PROFIBUS-DP主要是应用于现场设备级，它响应的时间从几微秒到几百毫秒，数据传输速率为9.6Kbps-I2Mbps，传输的数据容量为每个报文多达144个字节，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。PROFIBUS-DP可以广泛地应用于电气传动领域，低压电控配电成套设备，数控加工设备，楼宇自动化等。PROFIBUS-DP协议是专为自动化工厂中的分布式I/O设备和现场

50、设备所要求的高速数据通信而设计的。典型的DP配置为单主站结构，DP主站和DP从站之间的通信是遵从主从原则的。也就是说当主站需要时，DP从站仅仅可以变的主动一些，DP主站和从站之间的用户数据可以进行连续不断的交换，而不需管用户的数据怎样。2.3.2PROFIBUS-DP现场总线的基本原理与基本功能(1) 传输技术采用RS-485传输技术，传输介质可以选择双绞线电缆或屏蔽双绞线电缆，也可以选择光缆进行传输，传输波特率的围为9.6Kbps12Mbps。一般不超过1200m。(2) 设备类型在PROFIBUSDP网络中，有两种设备：主站和从站。主站也有两种类型：第一类DP主站(DPM1)采用如PLC、

51、PC等设备的中央可编程控制器；第二类DP主站(DPM2)为可编程、组态的设备。(3) 总线结构与其通信PROFIBUSDP支持单主站与多主站两种系统。单主站系统只有一个活动主站，多主站系统是指在总线上连有多个主站。任何一个主站都可以读取DP从站上输入/输出的信息，但有一个限制：只有一个DP主站允许对从站写数据。图2-4为PROFIBUS-DP系统。若干个DP-主可以用读功能访问一个DP-从PROFIBUS-DP多主系统的组成：-多个主设备（1类or 2类）-1到最多124个DP-从-在同一个总线上最多126个设备图2-4PROFIBUS-DP多主系统Fig.2-4The multi-maste

52、r PROFIBUS-DP systems2.4 本章小结现场总线技术是自动化领域发展的热点之一，被称为自动化领域的局域网。作为工业通信网络的基础，它不仅仅是一个基层的网络，而且还是一种新型全分布式、开放式的控制系统，PROFIBUS是一种开放式的现场总线国际标准，它是目前广泛应用的一种非常成熟的现场总线，设备生产厂商也都在自身的产品上提供PROFIBUS接口。本章首先介绍了现场总线的结构特点、技术特点与其优缺点，并给出了PROFIBUS协议的三种模型与其技术结构，分别进行了分析比较，提出选择PROFIBUS-DP的思路，接下来介绍了PROFIBUS-DP的基本原理、基本功能，给出了PROFI

53、BUS-DP报文结构与设备数据库文件。第3章 PROFIBUSDP从站总线桥技术解决方案PROFIBUS标准EN50170是完整的开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的标准。原则上，PROFIBUS协议在任何微处理器(MCU)上都可以实现。建立PROFIBUS-DP可以有多种形式来实现，本章将对方案的选择与确定进行详细阐述。3.1 嵌入式系统发展现状经过近几十年的发展，在很大程度上嵌入式系统已经改变了人们的生活方式，这些改变还在加速。嵌入式系统在诸如工业自动化、国防、运输等很多领域中得到广泛的应用33-36。3.1.1嵌入式系统的定义嵌入式系统一般被定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统

54、”。其中包括三个基本要素：“嵌入性”、“计算机系统”与“专用性”。3.1.2嵌入式系统的特点“嵌入性”的特点：因为是控制芯片是嵌入到对象的系统里面，所以芯片必须要满足被嵌入对象系统本身的环境要求，如物理、电气环境、成本等要求。嵌入式设备指的是部嵌入智能芯片的设备，比如：含单片机的手机、仪器仪表、家用电器、机器人、工控单元、PDA等。3.1.3嵌入式系统的分类(1) 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础部件就是通用PC中的CPU，在应用中，一般是将微处理器安装在专门设计的线路板上，同时，为了最大限度的减小系统体积和功耗，只保留和应用有关的功能。需要指出的是，虽然在功能上与标准微处理器基本一样，但为

55、了满足应用场合的特殊要求，嵌入式微处理器在工作温度、可靠性与抗电磁干扰等多方面都做了很大的增强。(2) 嵌入式微控制器又称单片机，一般是以某一种微处理器的核为核心，在芯片部集成有RAM、ROM/EPROM,、总线、定时/计数器、A/D、D/A等各种必要外设。与嵌入式微处理器相比，单片化是它的最大特点，因为体积减小，功耗和成本也随之下降，而可靠性得到了大大的提高，目前它是嵌入式系统的主流。(3) 嵌入式DSP处理器在系统结构方面，DSP处理器进行了特殊的设计，使它适合于执行DSP算法，这样编译的效率较高，同时相对指令执行的速度也高，基于DSP的算在大量的进入嵌入式领域，尤其是在FFT、数字滤波与

56、频谱分析等方面，同时，DSP应用也逐渐过渡到采用嵌入式的DSP处理器。 (4) 嵌入式片上系统(SoC) 随着半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上可以实现更为复杂的系统，这就是SoC。3.2 PROFIBUS-DP从站接口协议转换原理如图3-1所示为PROFIBUSDP从站接口的双向数据协议转换原理，不论是实现RS232到PROFIBUSDP通信转换，还是实现I/O到PROFIBSUDP之间的通信转换，都是通过在RAM区中所建立的数据缓冲来进行的，MCU通过对两个通信数据缓冲的数据交换的控制来实现PROFIBUS到I/O的双向数据之通信。MCURAM区PROFIBUS-DP数据缓冲区I/O或RS

57、232数据缓冲区PROFIBUS-DPI/O、RS232接口图3-1 PROFIBUS-DP从站接口转换原理Fig.3-1 The conversion Principle diagram of PROFIBUS-DP slave station interface protocol3.3 PROFIBUS-DP智能从站方案比较PROFIBUS协议只要在微处理器(MCU) 外部或部安装上异步串行的通信接口即可完成，但当数据传输速率较高（超过500Kbit/s）或需要使用IEC1158-2传输技术来进行传输时，建议使用专用芯片。设计PROFIBUS-DP智能从站一般有三种方案：单片机加软件解决方

58、案、PROFIBUS通信专用ASIC解决方案以与应用总线桥技术解决方案37-40。3.3.1单片机+软件的解决方案单片机上一般都安装UART，所以数链路层协议可以由软件实现，如图3-2所示。但PROFIBUS的通信协议比较复杂，软件实现是使用MCU微控制器，完全利用软件实现PROFIBUS-DP协议，软件实现包括在MCU中进行编程来实现PROFIBUSDP的全部功能，诸如PROFIBUSDP通信协议、数据链路层FDL服务存取点SAP程序编写等，有相当开发难度，而且受到单片机波特率的限制：按波特率的计算(32位或16位)：波特率=或者，由此得：；波特率=12M,T=65535；单片机主频f=38

59、4M；波特率=12M，T=1；单片机主频=92M而对于一般我们的单片机来说：=24M，T=65535; =750K =1.5M。但实际上，这种方法做不到，它不仅对开发人员的要求较高，而且程序编写工作量很大，开发周期也较长，需要开发者对PROFIBUSDP的协议有一个非常透彻的了解。软件实现方式虽较简单，只需要外部加上总线接驱动的芯片、晶振等，但也有一个突出的问题，就是传输速率受MCU芯片工作频率的限制，所以软件实现传输速率仍达不到理想速度，这样开发出来的产品技术指标较低。总线接驱动芯片8051MCUI/OPROFIBUS-DP总线图3-2 使用单片机的PROFIBUS-DP从站接口框图Fig.

60、3-2 The interface using SCM diagram of PROFIBUS-DP slave Station3.3.2使用PROFIBUS通信专用ASIC方案采用单片机、用PROFIBUS通信专用ASIC，如：SPM2，LSPM2，SPC3，SPC4，DPC31，ASPC2等芯片和一些外围电路来实现。通常采用智能从站通信接口芯片SPC3，如图3-3所示。RS-485驱动带电流隔离DP现场总线SPC3芯片微处理器80C3280X8680C166HC11HC16HC91648MHZRESETDATA/ADDRINTWR/RDReset图3-3 使用SPC3的PROFIBUS-D