PROFIBUS-DP总线I/O设备开发及应用

总线I/O是"现场总线远程I/O"的简称，是基于现场总线控制系统FCS中的主要设备，PROFIBUS-DP是总线I/O的主流通信协议。总线I/O的主要功能分为输入、输出两部分。输入是采集现场模拟信号(如4~20 mA)和开关量信号(如24 V DC)转换成为数字量并按照通信协议传送到现场总线。输出是将现场总线通信数据转换成模拟输出和开关量输出。PROFIBUS-DP总线I/O设备以从站的形式存在。

PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery.它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS-PA(Process Automation )、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同组成了PROFIBUS标准。用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态。诊断和报警处理。

1 总线I/O设备结构

总线I/O的开发可分为两大部分，一是从站功能单元，该部分是设备的主体;另一部分是通信接口单元。图 1是典型开关量总线I/O的结构图。一个总线I/O设备可能需要多种总线接口，对于设备的开发人员来讲，他们专注于设备功能单元的核心技术，如果让他们从头开发各种通信接口，势必会分散设备开发人员的精力，增加开发成本和开发周期。另外，通信协议的一致性认证也是一个比较费时和麻烦的事情。使用现有的成熟的通信接口模块无疑是解决这一问题的最好选择，它具有设计快捷、成本低廉、安全可靠等优点。

2 XGate-DPS10简介

XGate-DPS10嵌入式从站模块适用于自主开发PROFIBUS-DP从站设备，且不需要掌握PROFIBUS-DP相关理论知识。 XGate-DPS10模块提供一个全隔离PROFIBUS通讯接口，支持高达12Mbps通讯速率，集成增强的ESD保护，可以保护用户设备在网络中可靠工作。用户通过串行UART/SPI接口来访问XGate-DPS10模块，实现高速实时的数据传输。 XGate-DPS10提供中断指示，大大减轻用户MCU负担，有效增强总线的实时性。 XGate-DPS10模块提供有配套的编程示例(C代码)、GSD配置文件、电路实例等开发资料，可以帮助用户快速完成PROFIBUS产品项目。 XGate-DPS10及其接口如图2所示。

XGate-DPS10的主要功能特点如下：

· PROFIBUS-DP 协议，符合EN50170 V2 和IEC61158标准，支持DP-V1;

· 总线传输率自适应，最大传输率12 Mb/s,支持最大244 B I/O;

· 支持用户参数化功能， 提高总线效率，最大用户参数长度238 B;

· 支持最大244 B用户诊断;

· 3.3 V~5 V系统兼容，配套RSM485P隔离收发器使用;

· 可选的串行UART/SPI接口，支持波特率自设置;

· 数据交换CRC检验功能，保证数据安全可靠;

· 提供完整的开发包和应用解决方案;

· 单电源5 V供电，最大工作电流≤75 mA;

· 工作环境温度：-40 ℃~+85 ℃;

· 外形尺寸：DIP24封装，32 mm×20.4 mm×11 mm.

3 硬件设计

工业现场中，总线I/O的另一种应用是作为PLC的I/O扩展，总线I/O显着优点是可以集成第三方产品，使整体PLC的性价比达到最优;另一个优点是I/O的远程布置，可以组成分布式系统。本期及下期将以XGate-DPS10的应用为例设计具有8路开关量输入、8路开关量输出、16位触发计数器的总线I/O设备。

图3是XGate-DPS10的外围连接电路。U3是XGate-DPS10的引脚分配，本例使用UART接口(默认接口)，传输率19 200 b/s.如果使用其他传输率或接口需要使用软件配置，此时ISP/CFG引脚电路是必需的，ISP/CFG引脚同时用于在线升级固件;不使用ISP /CFG,则必须上拉到VCC.模块指示灯指示了模块的状态及通信的状况，也可以根据实际情况来设置指示灯。RSM485P是隔离收发器，并提供总线终端电源。总线端ESD保护器件不是必须的，RSM485P提供了增强的ESD保护。如图2所示，引脚TXD/MOSI、RXD/NSS分别连接到MCU的 RXD、TXD,INT连接到MCU的外部中断，注意RXD和TXD的交叉，这与XGate-DPS10与RSM485P的RXD和TXD连接法是不同的。PROFIBUS总线连接器为DB9头，RxD/TxD-P和RxD/TxD-N分别接3、8脚，方向控制信号CNTR-P接4脚。

工业产品中，开关量I/O设备一般都是采用了隔离+驱动电路来实现的。本文旨在介绍如何设计设备通信接口，对功能单元硬件只做了示例性的设计，为方便演示，开关量输入使用8位拨码开关代替，开关量输出使用8位LED灯代替，16位计数器使用MCU内部计数器模拟，如图 4所示。主MCU部分可以使用拨码开关等来获取从站的地址设置，该参数作为网络标识将传输给XGate-DPS10模块，最简单的一种方式是直接将拨码开关连接到MCU的GPIO,当然，可以使用图 4的方式合理利用MCU的外部存储器扩展端口(EMC)。

4 GSD及软件设计简介

GSD文件是设备描述文件，当一个设备确定了其功能和参数后，GSD文件也就确定了。使用XGate-DPS10模块设计的设备的GSD文件和软件设计比较简单，下期将详细介绍如何编写GSD文件及使用软件包开发设备代码，操作软件包的基本步骤如图5所示。

PROFIBUS-DP从站应用广泛，使用通信接口模块来开发总线I/O设备可以有效地缩短开发周期、节省成本投入，并在可靠性上得到了保障。XGate-DPS10符合大多数应用场合，其高可靠性、方便性、低成本性使其成为开发DP从站设备的首选。