基于ColdFire的PROFIBUS-DP智能从站的设计

摘要：介绍了一种基于ColdFire系列MCF52258芯片的PROFIBUS-DP智能从站的设计方法，描述了PROFIBUS协议的结构，阐述了相关的硬件和软件设计方法，由CP5611和PC机构成主站与从站通讯。实践证明该智能从站可以方便的连接具有RS232或者RS485接口的设备。
关键词：VPC3；Profibus-DP；智能从站

    Profibus是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其它自动化领域。Profibus由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS三部分组成。DP用于传感器和执行器的高速数据传输；PA用于过程自动化控制系统；FMS用于解决车间一级通用性通信任务。本文主要介绍Profibus-dp协议。
    Profibus-DP使用了OSI参考模型的第一层、第二层和用户接口，第三层和第七层没有定义。Profibus-DP使用的是RS-485传输技术，采用的电缆是屏蔽双绞铜线，传输速率可达12Mbps，传输的数据容量为每个报文多达244个字节，最多可以连接127个站点。

1 系统设计
   从站的设计分两种：一种是利用现成的从站接口模块如IM183、184开发，这时只要通过IM183上的接口开发就行了；另一种则是利用专用芯片ASTC进行深层次的开发，此种设计只需了解ASIC的工作原理，可大大减少开发的难度和时间。本智能从站设计采用第二种方法，使用了专用通讯协议芯片VPC3，系统的控制芯片采用飞思卡尔的ColdeFire系列MCF52258微处理器。Profibus接口数据通过RS485传输，VPC3与光电隔离器件、RS485驱动器连接。总体结构如图1所示。

2 硬件设计
2．1 MCF52258微控制器与VPC3简介
    MCF52258是飞思卡尔的ColdFire系列的一款32位的微处理器，具有很强的数据处理能力和控制能力。它的特点是性能优异，集成度高，芯片的生态系统丰富强大。MCF52258的高集成度使它拥有丰富的外围接口，如多通道应用于各种场合的定时器、IIC，SPI，UART等通用的串行总线、以太网控制器、PCI控制器、RTC实时时钟模块、Mini-FlexBus提供了外扩设备的总线等。VPC3芯片采用3．3V供电，能直接控制芯片连接不用电平转换内部集战了一个2K的双口RAM，包括各种信息报文存储器、方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器以及符种缓存器指针和缓冲区等。VPC3集成了全部的Profibus-DP协议，有限的减轻了处理器的压力。
2．2 接口电路的设计
    MCF52258微控制器与接口芯片VPC3相连，采用的是Intel工作方式。VPC3内部的总线接口单元形成了VPC3到微控制器的接口，是一个有11根地址线和8位数据线的接口，可通过配置与微控制器相匹配。微控制器负责将串口传输的数据通过VPC3传输到Profibus总线上，同时负责监视VPC3，接收DP主站传输过来的指令和数据，并进行相应的操作。VPC3的双口RAM在MCF52258地址空间中统一分配地址，MCF52258将VPC3作为自己的外部RAM，通过Mini-Flexbus与VPC3连接，通过片选选定VPC3的外部开始地址0x80000000。MCF52258与VPC3的连接如图2所示。

3 软件设计
    软件设计部分是Profibus-DP智能从站设计的核心部分，主要包括Profibus-DP从站的主程序、中断服务程序和接口处理程序。VPC3在接收到由主站传送的不同输出数据时，会产生输出标志位，微控制器采用中断方式进行输出数据的处理主程序首先对VPC3进行初始化，然后启动VPC3，通过VPC3进行主站和从站的数据交换以及处理诊断。允许外部中断INT0以及开中断。主程序的流程图如图3所示。

    Profibus-DP协议中的中断控制是通过协议芯片VPC3内部的中断控制器来实现的，当有指令报文到来或者各种错误事件发生时，CPU会得到通知并进行相应的处理。中断程序流程图如图4所示。

4 Profibus-DP智能从站的调试
    开发的从站必须与Profibus-DP主站进行连接测试，本设计采用CP5611与装有STEP7软件的PC机作为主站和从站进行调试。上位机采用WINCC组态软件和SIMATIC NET软件，对从站的GSD文件进行配置和保存，并设置主从站地址、波特率等信息，模拟主站测试与从站通信的可靠性和实时性。

5 结束语
    Profibus现场总线已经成为我国机械行业标准，广泛的应用于各个自动化领域。本文从开发的角度详细的介绍了一种Profibus-DP智能从站的设计方法，此种方案具有通用性，能够满足不同行业的使用，使具有串口的设备能够连接到Profibus-DP网络，对开发和应用Profibus产品有现实意义。