專利名稱：基于dpc31的過程現場總線dp/pa一體化嵌入式從節(jié)點通信裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)現場總線通信技術領域，特別是涉及一種具有廣泛通用性的集PR0FIBUS-DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式通信接口裝置。
背景技術：
過程現場總線PROFIBUS (Process Field Bus)標準是一種國際化、開放式、不依賴與設備生產商的現場總線標準。它廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化以及樓宇、交通電力等領域的自動化。它是世界上僅有的幾個開放式現場總線標準之一，也是我國工 業(yè)自動化領域行業(yè)標準中為數不多的現場總線標準之一。在十多年的開發(fā)和應用實踐過程中，PROFIBUS以其技術的成熟性、完整性和應用的可靠性等多方面優(yōu)秀表現，使其在現場總線技術領域中成為國際市場上的領導者。對于PROFIBUS產品的開發(fā)，主要包括PROFIBUS-DP、PA產品，國外許多公司，如IBM、M0T0R0LA、SIEMENS、M2C等公司都有全套的產品以及用于PR0FIBUS-DP/PA主站和從站開發(fā)的特定用途的集成電路(ASIC)供用戶使用。相對于國外快速發(fā)展的狀況，國內在這方面的研究顯得十分不足，還處于初步使用階段。因此PROFIBUS產品在我國的發(fā)展空間還很大，但是由于開發(fā)成本太高、開發(fā)周期較長、專業(yè)技術人員的匱乏等等問題使得國內自主研發(fā)PROFIBUS相關產品面臨著種種困難。而且目前國內外開發(fā)的PROFIBUS產品，基本都只支持單一的協(xié)議，比如瑞典HMS公司的PR0FIBUS-DPAB4005嵌入式通信模塊只支持DP協(xié)議，相應的一些PA產品也只有PA接口。當工業(yè)現場包括DP和PA兩個總線網絡時，就需要購買兩個不同協(xié)議的從節(jié)點裝置?；蛘哒f當工業(yè)現場總線網絡由DP改為PA時，相應的原從節(jié)點裝置就不能使用了，因為原節(jié)點裝置只支持DP總線協(xié)議，只能購買新的支持PA總線協(xié)議的裝置。這就造成了極大的不便和資源的浪費。因此目前迫切需要開發(fā)出一種裝置，可以不需要外部設備對PROFIBUS-DP/PA總線的支持，既可以通過本裝置實現外部設備與PR0FIBUS-DP/PA總線的通信。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于西門子協(xié)議芯片DPC31的集DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式從節(jié)點通信裝置，該裝置具有廣泛的通用性，無需外部設備或者現場裝置對PR0FIBUS-DP/PA協(xié)議的支持，通過該嵌入式從節(jié)點通信裝置就可以實現外部設備或者現場裝置與PR0FIBUS-DP或者PA總線的通信；用戶可通過DP/PA選擇電路設置該裝置的節(jié)點類型從而與想要進行通信的總線匹配；同時通過指示電路可反映當前通信接口裝置的工作情況，方便工作人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查。本發(fā)明提供的基于DPC31協(xié)議芯片的過程現場總線DP/PA —體化嵌入式從節(jié)點通信裝置，包括主控制單元、DPC31通信單元、電源電路、外部數據交換電路和用戶接口電路五部分，其中，主控制單元由微處理器、DP/PA選擇電路以及LED指示電路構成，微處理器分別連接DP/PA選擇電路和LED指示電路；所述主控制單元，用于控制DPC31通信單元進行總線通信，可通過DP/PA選擇電路設置從節(jié)點類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當前工作狀態(tài)；DPC31通信單元由西門子協(xié)議芯片DPC31、MUX多路選擇電路、RS-485驅動電路、DP時鐘電路、SIM1-2調制解調電路以及PA時鐘電路構成，DPC31芯片與MUX多路選擇電路雙向連接，MUX多路選擇電路同時分別與RS-485驅動電路、DP時鐘電路、SIM1-2調制解調電路以及PA時鐘電路雙向連接，DPC31芯片還與主控制單元中的微處理器雙向連接；所述DPC31通信單元 實現了 DP/PA總線協(xié)議的物理層、現場總線數據鏈路層以及部分應用層功能，與主控制單元一起構成一個完整的DP/PA從節(jié)點，實現用戶與DP/PA總線的通信；電源電路由穩(wěn)壓芯片和若干電源隔離芯片構成，電源電路通過用戶接口電路與外部設備相連；整個電源電路采用5V供電，電源輸入由外部設備提供；電源電路的輸出為整個嵌入式從節(jié)點通信裝置各部分電路提供所需電源；外部數據交換電路由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構成，外部數據交換電路分別與用戶接口電路和主控制單元中的微處理器雙向連接，通過用戶接口電路實現外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置的數據交換，進而實現外部設備與PROFIBUS DP/PA總線的數據通信；用戶接口電路由標準2. 54mm間距的雙列排針14x2構成，為外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置中的外部數據交換電路和電源電路通信提供了標準電路接口，使本嵌入式從節(jié)點通信裝置能夠與滿足此用戶接口電路規(guī)范的任意外部設備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調試。所述主控制單元中的微處理器采用宏晶公司的STC90C514RD+單片機，主要用于控制DPC31通信單元接收總線上的數據，并通過外部數據交換電路將數據發(fā)給外部設備或者通過外部數據交換電路接收外部設備數據，并將數據發(fā)送到總線上；接收DP/PA選擇電路的信號，設置嵌入式從節(jié)點通信裝置的節(jié)點類型；發(fā)送邏輯信號給LED指示電路，指示裝置的當前狀態(tài)；所述主控制單元中的DP/PA選擇電路，由高低電平跳線開關組成，為微處理器提供高低電平信號，用以指示當前DP/PA嵌入式通信接口裝置的節(jié)點類型，高電平代表是DP從節(jié)點裝置，低電平代表是PA從節(jié)點裝置；所述主控制單元中的LED指示電路，由電源指示LED、初始化指示LED、通信指示LED三個紅綠雙色LED燈以及相應電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構成電流放大電路，用以驅動雙色LED ;電源指示LED只使用紅色來指示裝置的電源狀態(tài)；初始化指示LED和通信指示LED的驅動電路的控制極接微處理器的通用I/O 口 Pl. 5,Pl. 7、P4. 0、P4. 1，由微處理器來控制驅動電路的通斷，進而控制雙色LED的亮滅，指示裝置的狀態(tài)。所述DPC31通信單元中的協(xié)議芯片DPC31采用西門子PROFIBUS專用通信芯片DPC31，該芯片內部集成了 80C31微處理器內核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強大、適用于智能站點的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領域；該芯片只需要極少的外部器件就可以實現一個PROFIBUS的站點；在本嵌入式從節(jié)點通信裝置中數據總線、地址總線、控制總線與主控制單元中的微處理器相接；DPC31芯片的串行PROFIBUS接口通過MUX多路選擇電路接RS-485驅動電路和SM1-2調制解調電路；時鐘管腳通過MUX多路選擇電路接DP時鐘電路和PA時鐘電路，這樣就搭建了一個基本的DP/PA站點；所述DPC31通信單元中的MUX多路選擇電路，由一個12位撥碼開關及其相應的外圍電路構成，用于選擇本嵌入式從節(jié)點通信裝置當前使用的物理層驅動電路和時鐘電路；當本嵌入式從節(jié)點通信裝置為DP從節(jié)點設備時選擇RS-485驅動電路和DP時鐘電路，當本嵌入式從節(jié)點通信裝置為PA從節(jié)點設備時選擇SIM1-2調制解調電路和PA時鐘電路；所述DPC31通信單元中的RS485驅動電路，實現了本嵌入式從節(jié)點通信裝置DP從節(jié)點的物理層功能，對PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片間的傳輸信號進行電平轉換使傳輸信號符合RS-485的物理傳輸方式，進而為與DP總線進行通信提供了保障；所述DPC31通信單元中的SM1-2調制解調電路，用于電平和編碼轉換，使原面向RS-485總線設計的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應用到IEC1158-2總線，即PA總線中；它在物理層對傳輸信號的電平進行轉換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術，專門應用于流程自動化行業(yè)中有本怔安全要求的PR0FIBUS-PA的建設；所述DPC31通信單元中的DP時鐘電路，由12M赫茲頻率的無源晶振、兩個22pF的電容、一個2. 7K歐姆以及一個IM歐姆電阻構成，專門在本嵌入式從節(jié)點通信裝置為DP從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路打開，時鐘信號將會在DPC31內部鎖相環(huán)電路中被倍頻為48MHz，作為DPC31內部工作時鐘；所述DPC31通信單元中的PA時鐘電路，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應的外圍電路組成，專門在本嵌入式從節(jié)點通信裝置為PA從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路關閉，該外部16M時鐘信號不會被倍頻，直接作為DPC31內部工作時鐘。所述電源電路由一個穩(wěn)壓芯片LM1117-3. 3V、兩個電源隔離芯片ADUM5000及相應的外圍電路構成；整個電源電路采用5V供電，該電源電路的電源是通過用戶接口電路由外部設備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經過電容濾波后接入LMl 117-3. 3V 的 Vin 輸入端，LMl 117-3. 3V 的 GND 管腳直接接地，此時 LMl 117-3. 3V 的 Vout輸出端輸出3. 3V穩(wěn)定電壓，為DPC31芯片供電；ADUM5000為2. 5KV隔離DC/DC轉換器，ADUM5000的電源輸入為5V或3. 3V，輸出5V或3. 3V可調；該電源電路中的兩片ADUM5000電源輸入均為5V,輸出一片隔離出一個3. 3V為DPC31協(xié)議芯片內部鎖相環(huán)模擬電源供電，另一片隔離出一個5V為RS-485驅動電路光耦的后級供電。所述外部數據交換電路由一片雙口 RAM芯片、一片74HC573鎖存器及相應的外圍電路構成；雙口 RAM的型號為IDT7130，一個雙口 RAM芯片配備兩套獨立的地址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時對該存儲器芯片進行隨機性的訪問，作為主控制單元中微處理器與外部設備的共享數據存儲器，用以交換該微處理器與外部設備之間的數 據信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭用判優(yōu)邏輯，避免由于對雙口 RAM同一地址單元數據的讀寫情況發(fā)生而導致的數據錯誤問題；鎖存器74HC573具有地址鎖存功能，由于主控制單元中微處理器的PO 口作為地址/數據線使用，即用同一總線既傳輸數據又傳輸地址，總線采用分時復用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數據線和地址線是分開的，這時就需要使用鎖存器74HC573，當該微處理器與外部雙口 RAM進行數據交換時，首先將地址/數據總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數據；雙口 RAM芯片右端地址總線、數據總線和右端控制總線與主控制單元中微處理器單向連接，由該微處理器提供地址、數據和邏輯控制信號；雙口 RAM左端的地址總線、數據總線和控制總線通過用戶接口電路與外部設備互聯(lián)，由外部設備提供地址、數據和邏輯控制信號。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果由以上本發(fā)明提供的技術方案可見，與現有技術相比，本發(fā)明提供了一種基于西門子協(xié)議芯片DPC31的集DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式從節(jié)點通信裝置，其具有廣泛 的通用性，只要滿足用戶接口電路規(guī)范的外部設備都可以通過本裝置與PROFIBUS-DP或者PA總線進行通信，用戶可通過DP/PA選擇電路設置該裝置的節(jié)點類型從而與想要進行通信的總線匹配，增加了其使用的靈活性；同時通過指示電路可反映當前通信接口裝置的工作情況，方便工作人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查。當故障排除后裝置自動恢復正常工作，具有重大的實際意義。


圖I為本發(fā)明提供的一種基于西門子協(xié)議芯片DPC31的集DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式從節(jié)點通信裝置的總體結構圖；圖2為圖I中主控制單元101中微處理器STC90C514RD+電路圖；圖3為圖I中主控制單元101中DP/PA選擇電路電路圖；圖4為圖I中主控制單元101中LED指示電路電路圖；圖5為圖I中DPC31通信單元102中西門子協(xié)議芯片DPC31電路圖；圖6為圖I中DPC31通信單元102中MUX多路選擇電路電路圖；圖7為圖I中DPC31通信單元102中RS-485驅動電路電路圖；圖8為圖I中DPC31通信單元102中SM1-2調制解調電路電路圖；圖9為圖I中DPC31通信單元102中DP時鐘電路電路圖；圖10為圖I中DPC31通信單元102中PA時鐘電路電路圖；圖11為本嵌入式從節(jié)點通信裝置的電源電路電路圖；圖12為本嵌入式從節(jié)點通信裝置的外部數據交換電路電路圖；圖13為本嵌入式從節(jié)點通信裝置的用戶接口電路電路圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明進行說明。圖I為本發(fā)明提供的一種基于西門子協(xié)議芯片DPC31的集DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式從節(jié)點通信裝置的總體結構圖。參見圖I，該嵌入式從節(jié)點通信裝置包括主控制單元101、DPC31通信單元102、電源電路103、外部數據交換電路104以及用戶接口電路105五部分，其中，
主控制單元101 由微處理器1011、DP/PA選擇電路1012、LED指示電路1013構成；所述主控制單元，用于控制DPC31通信單元進行總線通信，可通過DP/PA選擇開關，設置從節(jié)點類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當前工作狀態(tài)。DPC31 通信單元 102 由DPC31西門子協(xié)議芯片1021、MUX多路選擇電路1022、RS-485驅動電路1023、SIM1-2調制解調電路1024、DP時鐘電路1025、PA時鐘電路1026構成；所述DPC31通信單元實現了 DP/PA總線協(xié)議的物理層、現場總線數據鏈路層以及部分應用層功能，與主控制單元一起構成一個完整的DP/PA從節(jié)點，實現用戶與DP/PA總線的通信。電源電路103:電源電路103由若干電源隔離芯片和穩(wěn)壓芯片構成，通過用戶接口電路105與外部設備相連；整個電源電路103采用5V供電，電源輸入由外部設備提供；電源電路103的輸出為整個嵌入式從節(jié)點通信裝置各部分電路提供所需電源。外部數據交換電路104:外部數據交換電路104由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構成，通過用戶接口電路105實現了外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置的數據交換，進而實現外部設備與PROFIBUS DP/PA總線的數據通信。用戶接口電路105:由標準2. 54mm間距的雙列排針14x2構成，為外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置的外部數據交換電路104和電源電路103通信提供了標準電路接口，使本嵌入式從節(jié)點通信裝置能夠與滿足此用戶接口電路105規(guī)范的任意外部設備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調試。本發(fā)明裝置涉及的各單元電路的具體結構如下主控制單元101 微處理器1011，參見圖2，采用宏晶公司的STC90C514RD+單片機，主要用于控制DPC31通信單元102與PROFIBUS總線進行通信并發(fā)送邏輯信號給LED指示電路1013，指示裝置的當前狀態(tài)。具體實現上，微處理器1011與DPC31通信單元102中DPC31協(xié)議芯片1021采用同步Intel總線方式連接，微處理器1011與DPC31協(xié)議芯片1021的通信是通過DPC31內部的雙口 RAM完成的，微處理器1011可通過對DPC31內部雙口 RAM的操作來控制DPC31通信單元102與總線進行通信。從總線上接收的數據存放在該雙口 RAM內輸入緩沖區(qū)中，微處理器1011從中將總線數據讀出，通過外部數據交換電路104發(fā)給外部設備。同樣微處理器1011將外部設備發(fā)來的數據寫入DPC31內部雙口 RAM的輸出緩沖區(qū)中，控制DPC31通信單元102將其發(fā)送到總線上。微處理器1011與DP/PA選擇電路1012通過通用I/O 口 Pl. 6相連，DP/PA選擇電路1021的選擇信號通過Pl. 6 口發(fā)送給微處理器1011，微處理器1011根據該選擇信號設置本嵌入式從節(jié)點通信裝置的從節(jié)點類型。同時微處理器1011通過通用I/O 口 Pl. 5、Pl. 7、P4. O、P4. I發(fā)送邏輯信號給LED指示電路1013，指示裝置的當前狀態(tài)。需要說明的是在微處理器1011啟動時，需要相關通信參數如從節(jié)點地址、硬件模式、I/o交換字節(jié)數大小等對DPC31協(xié)議芯片進行初始化，這樣通信接口裝置才能正常工作。因此外部設備需要將所有的初始化參數由通過用戶接口電路105和外部數據交換電路104送給微處理器1011，從而完成初始化。
DP/PA選擇電路1012，參見圖3，采用跳線選擇高低電平來指示當前的節(jié)點類型，高電平代表為DP從節(jié)點裝置，低電平代表為PA從節(jié)點裝置。該高低電平選擇信號通過通用I/O 口 Pl. 6送給微處理器1011。LED指示電路1013，參見圖4，由電源指示LED、初始化指示LED、通信指示LED三個紅綠雙色LED燈以及相應電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構成電流放大電路，用以驅動雙色LED ；電源指示LED只使用紅色來指示裝置的電源狀態(tài)；初始化指示LED和通信指示LED的驅動電路的控制極接微處理器的通用I/O 口 Pl. 5、Pl. 7、P4. O、P4. 1，由微處理器1011來控制驅動電路的通斷，進而控制雙色LED的亮滅，指示裝置的狀態(tài)。DPC31 通信單元 102 DPC31西門子協(xié)議芯片1021，參見圖5，該芯片內部集成了 80C31微處理器內核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強大、適用于智能站點的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領域。該芯片只需要極少的外部器件就可以實現一個PROFIBUS的站點。在具體實現上，DPC31西門子協(xié)議芯片1021低8位地址/數據總線接口 PE 口與微處理器1011的PO 口相接，高8位地址總線接口 PF 口與微處理器1011的P2 口相接，控制總線PG、PH 口以及其它控制線與微處理器1011的控制總線相接。時鐘輸入管腳XTAL1、XTAL2通過MUX多路選擇電路1022與DP時鐘電路1025和PA時鐘電路1026相接。串行通信管腳 TXD_TXS、RXD_RXS、RTS_TXE、XCTS_RXA 通過 MUX 多路選擇電路 1022 與 RS-485 驅動電路1023和SM1-2調制解調電路1024相接。這樣就搭建好了一個基本的PROFIBUS-DP/PA從站點，通過對DPC31內部雙口 RAM進行讀寫操作就可以控制本裝置與DP/PA總線進行通信。需要說明的是，本通信接口裝置不能同時作為DP和PA從節(jié)點裝置使用，即在一個時刻只能作為一種從節(jié)點裝置使用。其選擇是通過DP/PA選擇電路1012完成的。當DP/PA選擇電路1012給微處理器1011送高電平時作為DP從節(jié)點裝置使用，此時DP時鐘電路1025和RS-485驅動電路1023通過MUX多路選擇電路1022與DPC31協(xié)議芯片1021相接，PA時鐘電路1026和SM1-2調制解調電路1024此時閑置。當DP/PA選擇電路1012給微處理器1011送低電平時，則相反。MUX多路選擇電路1022，參見圖6，由一個12位撥碼開關及其相應的外圍電路構成，用于選擇本裝置當前使用的物理層驅動電路和時鐘電路；當本裝置為DP從節(jié)點設備時，MUX多路選擇電路1022中12位撥碼開關需設為“111111000000”，此時RS-485驅動電路1023和DP時鐘電路1025就會通過MUX多路選擇電路1022與DPC31協(xié)議芯片1021相接，SIM1-2調制解調電路1024和PA時鐘電路1026此時被MUX多路選擇電路1022隔斷，處于閑置狀態(tài)；當本裝置為PA從節(jié)點設備時，MUX多路選擇電路1022中12位撥碼開關設為“000000111111”，此時SM1-2調制解調電路1024和PA時鐘電路1026通過MUX多路選擇電路1022與DPC31協(xié)議芯片相接，而RS-485驅動電路1023和DP時鐘電路1025則閑置。RS-485驅動電路1023，參見圖7，實現了嵌入式從節(jié)點通信裝置DP從節(jié)點的物理層功能，對PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片1021間的傳輸信號進行電平轉換使其符合RS-485的物理傳輸方式，進而為與DP總線進行通信提供了保障。在具體實現上，RS-485驅動電路1023由一片高速(10MBit/s)邏輯門光電耦合器HCPL0601、兩片高速(50MBit/s)CM0S光電耦合器HCPL7101、一片帶施密特觸發(fā)輸入的與非門芯片SN74HC132D、一片差分總線收發(fā)器芯片SN75ALS176以及一些外圍電阻電容構成。HCPL0601和HCPL7101用于隔離DPC31專用通信芯片和RS-485電平轉換電路的傳輸信號，HCPL0601隔離的是DPC31的發(fā)送使能信號RTS，兩片HCPL7101分別隔離DPC31的數據發(fā)送信號TXD和數據接收信號RXD ;因為光耦HCPL0601會將輸入信號反相輸出，所以DPC31傳輸來的發(fā)送使能信號RTS經過HCPL0601后要再經過一個與非門SN74HC132D將其變回與原來同相的使能信號送到差分總線收發(fā)器SN75ALS176的發(fā)送使能控制DE端。與非門SN74HC132D的一端接HCPL0601反相輸出后的發(fā)送使能信號XRTS，另一端接高電平，這樣就構成了一個反相器，其輸出就是輸入信號XRTS的反相信號RTS。而光耦HCPL7101保持與輸 入信號同相輸出，故其輸出信號不用接反相器。DPC31的數據發(fā)送信號TXD和數據接收信號RXD經過HCPL7101光電耦合器后直接接到差分總線收發(fā)器SN75ALS176的數據發(fā)送D端和數據接收R端。差分總線收發(fā)器SN75ALS176的其它管腳，如接收使能 瓦端通過電阻接地，輸出A、B端與PROFIBUS-DP總線的數據線-A線和+B線相連，其實現的功能是傳輸信號電平轉換的功能，它將協(xié)議芯片DPC31發(fā)送來的數據轉換為差分傳輸信號，通過A、B輸出端傳送到DP總線上，同樣接收DP總線上的差分傳輸信號后，獲得其中的數據，將其傳送給協(xié)議芯片DPC31。SM1-2調制解調電路1024，參見圖8，用于電平和編碼轉換，使原面向RS-485總線設計的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應用到IEC1158-2總線(即PA總線)中。它在物理層對傳輸信號的電平進行轉換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術，專門應用于流程自動化行業(yè)中有本怔安全要求的PROFIBUS-PA的建設。在具體實現上，SIM1-2調制解調電路1024由4片高速(10MBit/s)邏輯門光電耦合器6N137、一片橋接介質連接單元SM1-2以及相應的外圍電路構成。4片6N137光電耦合器將數據發(fā)送信號TXS、數據接收信號RXS、發(fā)送使能信號TXE、輔助接收信號RXA從協(xié)議芯片DPC31和SM1-2調制解調電路隔離開來。TXS、RXS、TXE、RXA經過6N137同相輸出后分別接到SM1-2調制解調芯片的TxS、RxS, TxE, RxA端，SIM1-2及其外圍電路構成了一個電平和編碼轉換電路，將DPC31傳輸來的信號的電平進行轉換并將其按照曼徹斯特編碼技術進行編碼，使其符合PA總線傳輸信號要求，反之亦然。需要注意的是，SM1-2芯片是從PA總線上吸收電流為自己供電，無需我們?yōu)槠涮峁╇娫?，同時它又可以分離出3. 3V/5V電源為我們的裝置的其它電路供電。DP時鐘電路1025，參見圖9，由12M赫茲頻率的無源晶振以及兩個22pF的電容、一個2. 7K歐姆以及一個IM歐姆的電阻構成，其XTAL1_DP、XTAL2_DP腳接DPC31的XTALl和XTAL2管腳，該時鐘電路專門在通信接口裝置為DP從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片1021提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路打開，時鐘信號將會被倍頻為48M，作為DPC31內部工作時鐘。PA時鐘電路1026，參見圖10，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應的外圍電路組成，其輸出接DPC31的XTAL1_PA管腳，DPC31的XTAL2管腳懸空，該時鐘電路專門在通信接口裝置為PA從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片1021提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路關閉，該外部16M時鐘信號不會被倍頻，直接作為DPC31內部工作時鐘。電源電路103，參見圖11，由一個穩(wěn)壓芯片LM1117-3. 3V、兩個電源隔離芯片ADUM5000及相應的外圍電路構成；整個電源電路103采用5V供電，其電源是通過用戶接口電路105由外部設備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經過電容濾波后接入其Vin輸入端，其GND管腳直接接地，此時其Vout輸出端輸出3. 3V穩(wěn)定電壓VCC3. 3V，為DPC31芯片供電；ADUM5000為2. 5KV隔離DC/DC轉換器，其電源輸入為5V或
3.3V，輸出5V或3. 3V可調。本裝置中兩片ADUM5000電源輸入均采用外部設備提供的5V電源，其輸出一片隔離出一個3. 3V電源VCC3V3為DPC31協(xié)議芯片內部鎖相環(huán)模擬電源供電；另一片隔離出一個5V電源VCC5V為RS-485驅動電路光耦的后級供電。外部數據交換電路104，參見圖12，由一片雙口 RAM芯片、一片74HC573鎖存器及相應的外圍電路構成；雙口 RAM的型號為IDT7130，一個雙口 RAM芯片配備兩套獨立的地 址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時對該存儲器芯片進行隨機性的訪問，作為微處理器與外部設備的共享數據存儲器，用以交換微處理器與外部設備之間的數據信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭用判優(yōu)邏輯，避免由于對雙口 RAM同一地址單元數據的讀寫情況發(fā)生而導致的數據錯誤問題；鎖存器74HC573具有地址鎖存功能，由于微處理器1011的PO 口作為地址/數據線使用，即用同一總線既傳輸數據又傳輸地址，總線采用分時復用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數據線和地址線是分開的，這時就需要使用鎖存器74HC573，當單片機與外部雙口 RAM進行數據交換時，首先將地址/數據總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數據。在具體實現上，外部數據交換電路104中的雙口 RAM IDT7130的左端地址線AOL A9L、數據線 I/00L I/07L、控制線 XCEL、R/XWL、XBUSYL, XINTL、XOEL 與用戶接口電路105中對應的管腳相接，這樣任何符合用戶接口電路105規(guī)范的外部設備都可以通過這些總線接口訪問外部數據交換電路104中的雙口 RAM IDT7130。雙口 RAM IDT7130的右端地址線A0ITA9R、數據線I/00lTl/07R與微處理器1011的數據線和地址線相接，其右端中斷控制線XINTR與微處理器1011的外部中斷引腳INTl相接，右端控制線XBUSYR與微處理器1011的通用I/O 口 Pl. 3相接，右端R/XWR控制信號由微處理器1011的XWR經過反相器后再和XRD引腳經過或非門電路輸出得到，右端XCER控制信號由微處理器1011的地址線14經過反相器和地址線13、15或非得到，右端XOER控制線接地，這樣微處理器1011就可以通過這些地址、數據和控制線對雙口 RAM IDT7130進行操作了。外部設備與微處理器1011的數據交換就是通過對雙口 RAM IDT7130的讀寫操作完成的。需要說明的是，雙口 RAM IDT7130的地址線和數據線與微處理器1011的地址數據線相接時，IDT7130的低8位地址線(A0ITA7R)要經過鎖存器74HC573接微處理器1011的PO 口，數據線(I/00ITI/07R)直接接微處理器1011的PO 口，這是因為微處理器1011的低8位地址總線和數據線是復用的PO 口，所以在對雙口 RAM進行讀寫操作時，需要用鎖存器先將低8位地址鎖存到雙口 RAM的地址總線上，之后才能在微處理器的數據總線上傳輸數據。用戶接口電路105，參見圖13，與外部設備雙向連接，用于通信接口裝置與外部設備進行互聯(lián)。用戶接口電路105采用標準2. 54mm間距的雙列排針(14x2)器件，為外部設備提供了標準電路接口，使本嵌入式從節(jié)點通信裝置能夠與滿足此接口電路規(guī)范的任意外部設備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調試。
具體實現上，上列排針(14x2)器件的I管腳接電源VCC，28管腳接地，通過這兩個管腳，由外部設備為微主控制電路101、電源電路103等提供電源；2飛管腳接外部數據交換電路104中雙口 RAM的左端控制線XCEL、R/XWL、XBUSYL, XINTL、XOEL, 7 16管腳接外部數據交換電路104中雙口 RAM的左端地址總線A0L A9L，17 24管腳接外部數據交換電路104中雙口 RAM的左端數據總線I/00L I/07L，為外部設備訪問外部數據交換電路104中雙口RAM IDT7130提供了標準的總線接口 ；25和26管腳分別接微處理器1011的串行通信接口RxD, TxD,此為本通信接口裝置的程序下載接口，用以為本裝置進行固件升級。本發(fā)明在上述過程中，外部設備或者用戶通過用戶接口電路105的電源管腳VCC和地管腳GND為本裝置供電；通過用戶接口電路105的控制總線、地址總線、數據總線管腳訪問外部數據交換電路104中的雙口 RAM IDT7130，為本裝置提供初始化所需的各個參數；微處理器1011，，根據外部設備提供的初始化參數初始化本接口裝置的軟硬件，同時由DP/PA選擇電路1012和MUX多路選擇電路1022設置本裝置的節(jié)點類型，LED指示電路1013會指示當前裝置的初始化狀態(tài)；初始化結束后，通過DPC31通信電路102與DP/PA總線連接進行從節(jié)點裝置的參數設置、組態(tài)配置，配置完成后進入周期性數據交換狀態(tài)，此時外部設備就可以與總線進行通信了。在整個從節(jié)點裝置的參數設置、組態(tài)配置和數據通信過程中LED 指示電路1013都會對其狀態(tài)給出狀態(tài)指示。對于本發(fā)明所提供的裝置，在初始化和通信異常時，LED指示電路1013會立即給出狀態(tài)指示，為用戶及時判斷故障原因、有效排查通信過程中出現的問題提供了幫助。此夕卜，當故障排除通信接口裝置回復正常工作狀態(tài)后，LED指示電路1013會立即回復正常狀態(tài)。本發(fā)明的LED指示電路1013，響應速度快、電路簡單，且成本低廉、工作效率高。對于本發(fā)明所提供的裝置，在與外部設備通信設計中，采用了雙口 RAM作為外部設備與通信接口裝置微處理器1011的共享存儲器，設計簡單、數據交換實時性高，且利用標準2. 54mm間距的14x2雙列排針器件作為用戶接口電路105，從而具有廣泛的通用性，通信模塊可以與任意符合通信模塊用戶接口電路105規(guī)范的外部設備互聯(lián)，大大增強了通信模塊的實用性，即插即用，裝置利用率高，可以實現外部設備到PROFIBUS-DP/. PA總線的快速接入。對于本發(fā)明所提供的裝置，采用軟硬件共享技術，在一塊板子上有效的集成了PROFIBUS-DP和PA從節(jié)點功能。在軟件方面，DP采用DPVO協(xié)議，而PA則采用DPVl協(xié)議，DPVl協(xié)議是DPVO協(xié)議的擴展，它在DPVO協(xié)議的基礎上增加了非循環(huán)通信的內容，故也可以說DP和PA從節(jié)點在軟件方面共享了 DPVO協(xié)議用戶程序實現部分。而在硬件方面，DP從節(jié)點功能的實現采用微處理器+DPC31協(xié)議芯片+RS-485驅動電路的方案，PA從節(jié)點功能的實現則采用微處理器+DPC31協(xié)議芯片+SM1-2調制解調電路的方案，從上可看出DP和PA從節(jié)點在硬件方面共用了微處理器和西門子協(xié)議芯片DPC31，只是它們的物理層實現不同。因此本通信接口裝置與單獨制作兩個不同節(jié)點類型(一個DP、一個PA)的通信接口裝置相比，即節(jié)省了費用，又增加了本裝置使用的靈活性，是工業(yè)現場設備接入PROFIBUS-DP或者PA總線網絡的一個很好的選擇。綜上所述，與現有技術相比，本發(fā)明提供了一種基于西門子協(xié)議芯片DPC31的集DP/PA從節(jié)點功能為一體的嵌入式從節(jié)點通信裝置，其具有廣泛的通用性和使用靈活性，既可以接入DP總線又可以接入PA總線；同時其標準的用戶接口電路105，即具有2. 54mm標準間距的14x2雙列排針接口，使其可以與任何滿足該接口規(guī)范的外部設備進行互聯(lián)，即插即用，便于安裝調試；通過LED指示電路1013及時反映當前通信接口裝置的工作狀態(tài)，方便維護人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查，當故障排除后裝置自動恢復正常工作狀態(tài)，具有重大的實際意義。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于DPC31協(xié)議芯片的過程現場總線DP/PA —體化嵌入式從節(jié)點通信裝置，其特征在于該裝置包括主控制單元、DPC31通信單元、電源電路、外部數據交換電路和用戶接口電路五部分，其中， 主控制單元 由微處理器、DP/PA選擇電路以及LED指示電路構成，微處理器分別連接DP/PA選擇電路和LED指示電路；所述主控制單元，用于控制DPC31通信單元進行總線通信，可通過DP/PA選擇電路設置從節(jié)點類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當前工作狀態(tài)； DPC31通信單元 由西門子協(xié)議芯片DPC31、MUX多路選擇電路、RS-485驅動電路、DP時鐘電路、SIM1-2調制解調電路以及PA時鐘電路構成，DPC31芯片與MUX多路選擇電路雙向連接，MUX多路選擇電路同時分別與RS-485驅動電路、DP時鐘電路、SIM1-2調制解調電路以及PA時鐘電路雙向連接，DPC31芯片還與主控制單元中的微處理器雙向連接；所述DPC31通信單元實現了DP/PA總線協(xié)議的物理層、現場總線數據鏈路層以及部分應用層功能，與主控制單元一起構成一個完整的DP/PA從節(jié)點，實現用戶與DP/PA總線的通信； 電源電路 由穩(wěn)壓芯片和若干電源隔離芯片構成，電源電路通過用戶接口電路與外部設備相連；整個電源電路采用5V供電，電源輸入由外部設備提供；電源電路的輸出為整個嵌入式從節(jié)點通信裝置各部分電路提供所需電源； 外部數據交換電路 由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構成，外部數據交換電路分別與用戶接口電路和主控制單元中的微處理器雙向連接，通過用戶接口電路實現外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置的數據交換，進而實現外部設備與PROFIBUS DP/PA總線的數據通信； 用戶接口電路 由標準2. 54mm間距的雙列排針14x2構成，為外部設備與本嵌入式從節(jié)點通信裝置中的外部數據交換電路和電源電路通信提供了標準電路接口，使本嵌入式從節(jié)點通信裝置能夠與滿足此用戶接口電路規(guī)范的任意外部設備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調試。
2.如權利要求I所述裝置，其特征在于， 所述主控制單元中的微處理器采用宏晶公司的STC90C514RD+單片機，主要用于控制DPC31通信單元接收總線上的數據，并通過外部數據交換電路將數據發(fā)給外部設備或者通過外部數據交換電路接收外部設備數據，并將數據發(fā)送到總線上；接收DP/PA選擇電路的信號，設置嵌入式從節(jié)點通信裝置的節(jié)點類型；發(fā)送邏輯信號給LED指示電路，指示裝置的當前狀態(tài)； 所述主控制單元中的DP/PA選擇電路，由高低電平跳線開關組成，為微處理器提供高低電平信號，用以指示當前DP/PA嵌入式通信接口裝置的節(jié)點類型，高電平代表是DP從節(jié)點裝置，低電平代表是PA從節(jié)點裝置； 所述主控制單元中的LED指示電路，由電源指示LED、初始化指示LED、通信指示LED三個紅綠雙色LED燈以及相應電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構成電流放大電路，用以驅動雙色LED ；電源指示LED只使用紅色來指示裝置的電源狀態(tài)；初始化指示LED和通信指示LED的驅動電路的控制極接微處理器的通用I/O 口 Pl. 5、Pl. 7、P4. O、P4. 1，由微處理器來控制驅動電路的通斷，進而控制雙色LED的亮滅，指示裝置的狀態(tài)。
3.如權利I所述裝置，其特征在于， 所述DPC31通信單元中的協(xié)議芯片DPC31采用西門子PROFIBUS專用通信芯片DPC31，該芯片內部集成了 80C31微處理器內核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強大、適用于智能站點的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領域；該芯片只需要極少的外部器件就可以實現一個PROFIBUS的站點；在本嵌入式從節(jié)點通信裝置中數據總線、地址總線、控制總線與主控制單元中的微處理器相接；DPC31芯片的串行PROFIBUS接口通過MUX多路選擇電路接RS-485驅動電路和SIM1-2調制解調電路；時鐘管腳通過MUX多路選擇電路接DP時鐘電路和PA時鐘電路，這樣就搭建了一個基本的DP/PA站點； 所述DPC31通信單元中的MUX多路選擇電路，由一個12位撥碼開關及其相應的外圍電路構成，用于選擇本嵌入式從節(jié)點通信裝置當前使用的物理層驅動電路和時鐘電路；當本嵌入式從節(jié)點通信裝置為DP從節(jié)點設備時選擇RS-485驅動電路和DP時鐘電路，當本嵌入式從節(jié)點通信裝置為PA從節(jié)點設備時選擇SIM1-2調制解調電路和PA時鐘電路； 所述DPC31通信單元中的RS485驅動電路，實現了本嵌入式從節(jié)點通信裝置DP從節(jié)點的物理層功能，對PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片間的傳輸信號進行電平轉換使傳輸信號符合RS-485的物理傳輸方式，進而為與DP總線進行通信提供了保障； 所述DPC31通信單元中的SM1-2調制解調電路，用于電平和編碼轉換，使原面向RS-485總線設計的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應用到IEC1158-2總線，即PA總線中；它在物理層對傳輸信號的電平進行轉換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術，專門應用于流程自動化行業(yè)中有本怔安全要求的PROFIBUS-PA的建設； 所述DPC31通信單元中的DP時鐘電路，由12M赫茲頻率的無源晶振、兩個22pF的電容、一個2. 7K歐姆以及一個IM歐姆電阻構成，專門在本嵌入式從節(jié)點通信裝置為DP從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路打開，時鐘信號將會在DPC31內部鎖相環(huán)電路中被倍頻為48MHz，作為DPC31內部工作時鐘； 所述DPC31通信單元中的PA時鐘電路，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應的外圍電路組成，專門在本嵌入式從節(jié)點通信裝置為PA從節(jié)點類型時為DPC31協(xié)議芯片提供時鐘信號，此時DPC31內部振蕩電路關閉，該外部16M時鐘信號不會被倍頻，直接作為DPC31內部工作時鐘。
4.如權利I所述裝置，其特征在于所述電源電路由一個穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3V、兩個電源隔離芯片ADUM5000及相應的外圍電路構成；整個電源電路采用5V供電，該電源電路的電源是通過用戶接口電路由外部設備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經過電容濾波后接入LM1117-3. 3V的Vin輸入端，LM1117-3. 3V的GND管腳直接接地，此時LMl 117-3. 3V的Vout輸出端輸出3. 3V穩(wěn)定電壓，為DPC31芯片供電；ADUM5000為2. 5KV隔離DC/DC轉換器，ADUM5000的電源輸入為5V或3. 3V，輸出5V或3. 3V可調；該電源電路中的兩片ADUM5000電源輸入均為5V，輸出一片隔離出一個3. 3V為DPC31協(xié)議芯片內部鎖相環(huán)模擬電源供電，另一片隔離出一個5V為RS-485驅動電路光耦的后級供電。
5.如權利I所述裝置，其特征在于所述外部數據交換電路由一片雙口RAM芯片、一片74HC573鎖存器及相應的外圍電路構成；雙口 RAM的型號為IDT7130，一個雙口 RAM芯片配備兩套獨立的地址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時對該存儲器芯片進行隨機性的訪問，作為主控制單元中微處理器與外部設備的共享數據存儲器，用以交換該微處理器與外部設備之間的數據信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭用判優(yōu)邏輯，避免由于對雙口 RAM同一地址單元數據的讀寫情況發(fā)生而導致的數據錯誤問題；鎖存器74HC573具有地址鎖存功能，由于主控制單元中微處理器的PO 口作為地址/數據線使用，即用同一總線既傳輸數據又傳輸地址，總線采用分時復用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數據線和地址線是分開的，這時就需要使用鎖存器74HC573，當該微處理器與外部雙口 RAM進行數據交換時，首先將地址/數據總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數據；雙口 RAM芯片右端地址總線、數據總線和右端控制總線與主控制單元中微處理器單向連接，由該微處理 器提供地址、數據和邏輯控制信號；雙口 RAM左端的地址總線、數據總線和控制總線通過用戶接口電路與外部設備互聯(lián)，由外部設備提供地址、數據和邏輯控制信號。
全文摘要
一種基于DPC31的過程現場總線DP/PA一體化嵌入式從節(jié)點通信裝置，包括主控制單元，用于控制DPC31通信單元進行總線通信，設置從節(jié)點類型，并通過LED指示電路指示接口裝置的當前工作狀態(tài)；DPC31通信單元，實現了DP/PA總線協(xié)議的物理層、現場總線數據鏈路層以及部分應用層功能，與主控制單元一起構成一個完整的DP/PA從節(jié)點；電源電路，為整個裝置各部分電路提供所需電源；外部數據交換電路，實現了外部設備與本裝置的數據交換；用戶接口電路，為外部設備提供了標準電路接口，使本裝置能夠與滿足該接口電路規(guī)范的任意外部設備互聯(lián)。本發(fā)明具有廣泛的通用性，任何滿足用戶接口電路規(guī)范的無DP/PA總線功能的外部設備都可以通過本裝置與PROFIBUSDP/PA總線進行通信。
文檔編號G05B19/042GK102724090SQ20121015965
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權日2012年5月22日
發(fā)明者倪建云, 孫慶, 賈超, 陳在平 申請人:天津理工大學