从RS-232串口到PROFIBUS-DP总线的转换接口设计

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• 摘要：本文针对Profibus现场总线系统的特点和要求 ，剖析西门子PROFIBUS-DP智能从站协议芯片
  ，提出了一种从RS-232到PROFIBUS-DP的协议转换接口的软硬件设计思想及其实现过程。

摘要：本文针对Profibus系统的特点和要求，剖析西门子PROFIBUS-DP智能从站协议芯片 ，提出了一种从RS-232到PROFIBUS-DP的协议转换接口的软硬件设计思想及其实现过程 。

关键字：现场总线    通信协议    接口    SPC3

分类号：TP273

0. 前言：

PROFIBUS是一种国际化 、开放式
、不依赖于设备生产商的现场总线标准 ，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇 、交通 、电力等其他领域自动化
。基于现场总线的控制系统要求及设备必须具有现场通信能力
，而我国目前的实际情况是：多数传统仪表及现场设备并不具备现场总线接口，而完全使用国外进口设备将会使系统成本过高。如何将大量的传统仪器设备连接到PROFIBUS总线上 ，实现PROFIBUS主站与传统设备之间通信数据透明传送
，成为广大用户急于要解决的问题 。如：具有RS-232接口的现场测量设备及仪表等，如何使其成为PROFIBUS总线上的一个从站 。本文所讲述的这个接口产品就是处理从RS-232到PROFIBUS-DP的协议转换 ，起到一个桥的作用
，我们称之为总线桥
。

1. PROFIBUS-DP网络协议

PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化。它的三种模块（FMS
、DP和PA）可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求 ，开放性也好 。但它们均使用一致的总线存取协议
，该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理
。

数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（Token Bus）和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致 ，令牌在总线上的各主站间传递
，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信 。主从方式用于主站和从站间通信 ，其工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站 ，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令（Command）
，从站给出响应（response）；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止
。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立 、帧传输和链路释放。PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层 ，而是自行设置一用户层 。该层定义了DP的功能
、规范与扩展要求等
。DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同
，采用RS-485传输技术。

2. RS-232设备通信协议

RS-232只是设备通信物理层的一个标准，因此PROFIBUS主站必须向RS-232设备传送它能够理解的数据 ，这就是RS-232设备的通信协议 。所以
，为实现PROFIBUS主站与RS-232设备的有效数据通信，PROFIBUS主站编程人员应该了解RS-232设备的通信协议
。RS-232设备的通信协议通常有以下两类：

（1）具有应答关系和若干通信指令的通信协议

这是应用比较广泛的通信格式 ，通信数据可以是ASIIC码或二进制数据。对于这种设备
，既有发送又有接收 。用户在主站编程，按照协议规定的报文格式将通信数据填入RS-232总线桥的PROFIBUS数据输出区 ，通过所产生的中断启动转换接口将通信数据发送到设备
，然后总线桥自动转入接收状态 。当总线桥数据全部接收完RS-232设备的回答报文数据后，将回答报文数据自动填入PROFIBUS数据输入区 ，这样 ，PROFIBUS主站可以在PROFIBUS数据输入区得到RS-232设备的回答报文数据
。

（2）无应答关系、单纯接收或发送数据（ASIIC码或二进制数据）的通信协议

此类设备（如条码扫描器）只通过RS-232接口向PROFIBUS主站发送数据
，也有的设备（如显示屏）只通过RS-232接收PROFIBUS主站发送的数据。PROFIBUS主站实现这类简单通信协议的原理与第一种协议相同，只是不会出现冲突 ，编程更为简单 。

3. RS232总线桥硬件设计

RS232总线桥系统框图如图1所示：

图1：系统框图

Fig.1:Frame diagram of system

3.1 SPC3说明[1]

西门子公司提供的SPC3是用于DP智能从站的协议专用芯片
，也是本设计的关键器件
。SPC3具有1.5K字节的报文帧存储器 、方式寄存器
、状态寄存器、中断寄存器及缓冲区等，各部分地址分配如表1。

表1：SPC3内存单元地址分配

SPC3需外接48MHZ晶振
，能自动检测波特率从9.6K到12M 。总线访问是由硬件驱动的，与应用对象之间通信采用数据接口 ，因此数据的交换独立于总线周期
。SPC3的方式寄存器０用于设置PROFIBUS-DP的操作方式
，如minTSDR 、SYNC
、FREEZE等，方式寄存器1设置