專利名稱：ProfibusDP冗余通信接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種ftOfibus DP冗余通信接口。
技術(shù)背景
近年來，現(xiàn)場總線方案呈現(xiàn)快速增長趨勢，現(xiàn)場總線目前正越來越被更多的工業(yè)領(lǐng)域中的用戶所接受。根據(jù)ARC發(fā)布的報告，2006年全球現(xiàn)場總線市場約為8. 317億美元， 預(yù)計至2011年，此市場將達到22. 79億美元。其中，巴西、俄羅斯、印度和中國等發(fā)展中國家現(xiàn)場總線的增長幅度最大。ARC的研究報告中將亞洲/大洋州地區(qū)稱之為“現(xiàn)場總線增長發(fā)動機”，年復(fù)合增長率接近32% ；Profibus現(xiàn)場總線標準是開放的，不依賴生產(chǎn)廠家的通信系統(tǒng)標準，數(shù)字式，雙向傳輸是其特點。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，Profibus的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準 EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括發(fā)電及能源輸配 (石油，天然氣，電力)，化學(xué)，石化，電化及生物制藥，采礦，環(huán)境工程，紙漿造紙，鋼鐵冶金， 交通，航空等行業(yè)。
這些行業(yè)在下列情況下對系統(tǒng)可靠性存在高要求昂貴產(chǎn)品原料加工，停機或生產(chǎn)故障造成較大損失，由于中央控制系統(tǒng)故障而造成非常高的重起費用及在無人監(jiān)督或少維修情況下。
因此，提高基于ftOfibus現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)可靠性，是保證ftOfibus現(xiàn)場總線在上述重點行業(yè)廣泛應(yīng)用的基本前提，需要從故障預(yù)防，故障容錯及失效安全技術(shù)方面開展研究。
Profibus 國際組織在 2004 年底提出《Specification Slave Redundancy VI. 2)), WftOfibUS協(xié)議的角度制訂了 ftOfibuS冗余控制系統(tǒng)中ftOfibuS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及冗余從站之間切換的機制，為實現(xiàn)ftOfibus硬冗余控制系統(tǒng)提供有力支撐。
目前國外符合《Specification Slave Redundancy VI. 2》標準的國外產(chǎn)品主要有 Siemens公司的ET-200M IM153-2, auma公司的Profibus DP電動執(zhí)行機構(gòu),rotork公司的 Profibus DP電動執(zhí)行機構(gòu)等，國內(nèi)目前尚未有廠家開展這方面研究并推出相關(guān)產(chǎn)品。
因此，開展《Specification Slave Redundancy VI. 2》的協(xié)議研究，開發(fā)符合前述規(guī)范要求的ftOfibus DP從站冗余協(xié)議棧，對于國內(nèi)儀器儀表企業(yè)打破國外企業(yè)在 ftOfibus現(xiàn)場總線在高端產(chǎn)品領(lǐng)域的壟斷，提高國產(chǎn)產(chǎn)品的市場競爭力及為以后進一步開發(fā)具有冗余通信能力的ftOfibus DP現(xiàn)場總線設(shè)備具有奠基意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在國內(nèi)缺乏符合國際標準《Specificatin Slave Redundancy VI. 2))要求的ftOfibus Dp從站冗余協(xié)議棧的問題，提出了一種ftOfibus DP冗余通信接口，為國內(nèi)儀器儀表企業(yè)開發(fā)具有高可用性ibus DP從站設(shè)備提供通用的通信接口。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種ftOfibus DP冗余通信接口，包括儀表卡、串口控制電路，看門狗電路，DPC31內(nèi)核單片機，譯碼電路，1字節(jié)雙口 RAM, EEPROM電路，SRAM電路，隔離驅(qū)動電路和供電電路，儀表卡通過串口控制電路訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機，兩個 DPC31內(nèi)核單片機下分別帶EEPROM電路、SRAM電路、隔離驅(qū)動電路，DPC31內(nèi)核單片機每隔一段時間對看門狗電路執(zhí)行喂狗操作，兩個DPC31內(nèi)核單片機分別通過各自的譯碼電路接 1字節(jié)雙口 RAM，供電電路將電源轉(zhuǎn)換出5V，3. 3V直流電壓供各個電路用。
所述儀表卡按照Modbus規(guī)范定義的格式訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機的串口，發(fā)送 Modbus請求到兩個DPC31內(nèi)核單片機，DPC31內(nèi)核單片機判斷后通過控制邏輯允許自己的 UART端口發(fā)送響應(yīng)回儀表卡所述1字節(jié)雙口 RAM通過并行鎖存機制輸出地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制接口及中斷信號到個 DPC31內(nèi)核單片機。
所述隔離驅(qū)動電路將DPC31輸出的信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動RS485電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS485總線信號，同時將RS485總線信號經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后經(jīng)過光耦將信號送入DPC31 內(nèi)核單片機。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明ftOfibus DP冗余通信接口，具體可靠性高、成本低、接口方式簡單、適應(yīng)性強等特點。


圖1為本發(fā)明ftOfibus DP冗余通信接口結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明ftOfibus DP冗余通信接口中串口控制電路圖； 圖3為ftOfibus DP冗余通信接口中隔離驅(qū)動電路圖；圖4為本發(fā)明ftOfibus DP冗余通信接口中ftOfibus DP從站冗余流程圖； 圖5為本發(fā)明ftOfibus DP冗余通信接口中ftOfibus DP從站初始化流程圖。
具體實施方式
如圖1所示ftOfibus DP冗余通信接口結(jié)構(gòu)示意圖包括儀表卡1、串口控制電路2，看門狗電路3，DPC31內(nèi)核單片機5，譯碼電路6，1字節(jié)雙口 RAM4，EEPROM電路7，SRAM 電路8，隔離驅(qū)動電路9和供電電路10。儀表卡1通過串口控制電路2訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機5，兩個DPC31內(nèi)核單片機5下分別帶EEPROM電路7、SRAM電路8、隔離驅(qū)動電路 9，DPC31內(nèi)核單片機5每隔一段時間對看門狗電路3執(zhí)行喂狗操作，兩個DPC31內(nèi)核單片機5通過譯碼電路6接1字節(jié)雙口 RAM4，供電電路10將電源轉(zhuǎn)換出5V，3. 3V直流電壓供各個電路用。
串口控制電路2如圖2所示，儀表卡作為Modbus主站，按照Modbus規(guī)范定義的格式訪問兩個DPC31的串口，儀表卡同時發(fā)送Modbus請求到兩個DPC31，接到Modbus請求的DPC31根據(jù)自己當前工作狀態(tài)(第一從站/備用從站)確定是否通過控制邏輯允許自己的UART端口發(fā)送響應(yīng)給儀表卡。
看門狗電路3在上電即開始工作，在每個DPC31完成自己的硬件初始化后即需要每隔一段時間執(zhí)行喂狗操作。否則看門狗電路產(chǎn)生復(fù)位信號，重新復(fù)位DPC31。
譯碼電路6主要用于區(qū)分外部SRAM和1字節(jié)雙口 RAM的空間。避免兩者空間交叉并產(chǎn)生各自讀寫訪問需要的控制信號。
1字節(jié)雙口 RAM4主要通過并行鎖存機制銜接兩邊的地址，數(shù)據(jù)信號。通過類似串口的方式將任何一邊的一組數(shù)據(jù)通過自定義的數(shù)據(jù)格式正確無誤地傳送到另一邊，該電路對任何一側(cè)的DPC31提供地址，數(shù)據(jù)，讀寫控制接口及中斷信號。SRAM電路8:由于 DPC31是51內(nèi)核單片機5，片內(nèi)存儲資源非常有限，因此采用外部SRAM電路，將通信協(xié)議需要的變量都存放在里面，該芯片容量64Kbytes。
EEPROM電路7:容量64Kbytes，用于存放ftx)fibus DP從站協(xié)議棧及應(yīng)用程序。
隔離驅(qū)動電路9如圖3所示，隔離驅(qū)動電路負責將DPC31輸出的TTL電平的 Profibus DP報文轉(zhuǎn)換為RS485總線信號，同時將RS485總線上的ftOfibus DP報文轉(zhuǎn)換為TTL信號。一方面從DPC31輸出的T)(D，RTS信號經(jīng)光耦31和32隔離后驅(qū)動RS485電平轉(zhuǎn)換芯片34，另一方面總線信號經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片34后進入光耦33轉(zhuǎn)換后生成RXD信號送入 DPC31。在本電路中，增加可配置終端電阻37中的R102，Rl 110，R104，用于RS485終端阻抗匹配。在總線接口 36輸出增加35電感L3，L4用于抗干擾濾波。
供電電路10:負責從外部9-15V直流電源輸入轉(zhuǎn)換出5V，3. 3V直流電壓供給其他芯片。同時，對RS485總線接口電路提供隔離后的5V電壓信號。
本電路軟件主要由ftOfibus DPV0/V1協(xié)議棧和ftOfibus DP從站冗余協(xié)議棧兩部分組成。下面詳細介紹兩部分工作原理。
Profibus DP 從站冗余協(xié)議棧實現(xiàn)了〈Specification Slave Redunda ncy VI. 2 >規(guī)定的冗余狀態(tài)機，具體如圖4所示。在正常上電時，兩塊DPC31分別初始化，接下來兩塊 DPC31通過冗余通道協(xié)調(diào)工作狀態(tài)，兩塊DPC31將分別處于以下兩種狀態(tài)之一S_Primary初始化DPC31與Profibus DP主站建立數(shù)據(jù)交換關(guān)系，實現(xiàn)Profibus DP 總線通信；SJVaiting等待DPC31始終處于初始化狀態(tài)，沒有實現(xiàn)I^rofibus DP總線通信。
兩塊DPC31中，有一塊進入S_Primary初始化狀態(tài)，按ftx)fibus DP從站狀態(tài)機進行順序啟動，一旦接收到正確的SET_PRM報文，即認為此DPC31啟動成功，并已經(jīng)與 Profibus DP主站建立通信關(guān)系。如果在預(yù)定啟動時間6tart_Up_Time)內(nèi)，沒有按正常順序啟動，處于S_Primary初始化狀態(tài)的的DPC31會通過冗余通道通知處于S_Waiting等待狀態(tài)的DPC31，即認為該DPC31故障，要求進行冗余切換，此時處于S_Primary初始化狀態(tài)的DPC31切換到S_Waiting等待狀態(tài)，而處于S_Waiting等待狀態(tài)的DPC31切換至S_ Primary初始化狀態(tài)，此時剛切換到S_Primary初始化狀態(tài)的DPC31繼續(xù)等待主站初始化命令。一旦主站將處于S_Primary初始化狀態(tài)的DPC31初始化成功，并進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。 則該DPC31就一直保持S_Primary初始化狀態(tài)，同時通過冗余通道通知處于S_Waiting等待狀態(tài)的DPC31。
Profibus DP主站與ibus DP冗余通信接口中DPC31交換數(shù)據(jù)前，主站必須定義從站參數(shù)并組態(tài)此從站，即完成對從站(DPC31)上電初始化過程。從站(DPC31)初始化過程如圖5所示Profibus DP主站首先檢查ibus DP冗余通信接口的DPC31 (從站)是否在總線上，如果該DPC31處于工作狀態(tài)，則主站通過請求從站診斷數(shù)據(jù)來檢查DPC31準備情況，當處于工作狀態(tài)DPC31報告它已準備好時，主站將從站參數(shù)數(shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給該DPC31， 主站再請求從站的診斷數(shù)據(jù)以確信該DPC31是否準備就緒。完成參數(shù)化和組態(tài)數(shù)據(jù)對比后，主站開始與處于工作狀態(tài)的DPC31循環(huán)交換用戶數(shù)據(jù)。此時處于工作狀態(tài)的DPC31通知處于備用狀態(tài)的DPC31當前狀態(tài)信息，實現(xiàn)信息冗余。
Profibus DP冗余通信接口的兩塊DPC31會再下面兩種情況下進行冗余切換，使處于備用狀態(tài)的DPC31切換到工作狀態(tài)，處于工作狀態(tài)的DPC31切換到備用狀態(tài)。
1) Profibus DP冗余通信接口一直保持對其內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)視，一旦檢測到某種故障發(fā)生(故障類型按〈Profibus Specification:Slave Redundancy V1.2> 要求定義)， 如看門狗定時器溢出，則Profibus DP冗余通信接口中兩塊DPC31進行工作狀態(tài)切換。
2)主站檢測到與處于工作狀態(tài)的DPC31之間通信線路發(fā)生故障或者無故障，但是出于其他目的的情況下，主站向該DPC31發(fā)送狀態(tài)切換命令，該DPC31接收到主站冗余切換命令后將進行工作狀態(tài)切換。
在冗余切換過程中，規(guī)定ftOfibus DP冗余通信接口在進行工作狀態(tài)切換過程中不能改變從站輸出信號，當處于備用狀態(tài)的DPC31切換到工作狀態(tài)后，它首先采用此前處于工作狀態(tài)的DPC31通過冗余通道傳遞過來的輸出數(shù)據(jù)作為它的當前值，只有在冗余切換后的第一個數(shù)據(jù)交換過程完成后，剛切換到工作狀態(tài)的DPC31才可以向其輸出緩沖區(qū)寫入新的輸出值。這樣就保證了輸入輸出信號的穩(wěn)定性和連續(xù)性。
處于工作狀態(tài)的DPC31在正常通信時，會啟動內(nèi)部看門狗Twd對通信過程監(jiān)視，一旦Twd溢出，表示該DPC31出現(xiàn)故障，此時一方面將該DPC31輸出切換到失效安全模式下， 另一方面開始冗余切換。在ftOfibus DP冗余通信接口的每塊DPC31內(nèi)部增加一個定時器 Toh監(jiān)視冗余切換后處于工作狀態(tài)的DPC31與ftOfibus DP主站建立正常通信的時間，一旦 Toh超過預(yù)設(shè)值而剛處于工作狀態(tài)的DPC31未能與ftOfibus DP主站建立通信關(guān)系，則整 fftOfibus DP冗余通信接口進入失效安全模式，組態(tài)設(shè)定的安全輸出值將作為ftOfibus DP冗余通信接口輸出值傳給智能電動執(zhí)行機構(gòu)本體，實現(xiàn)電機保護。如果在Toh溢出前收到主站數(shù)據(jù)請求，則停止Toh計時。
本發(fā)明RS485總線接口通過ftOf ibus國際組織授權(quán)實驗室測試認證，按照 Profibus國際組織規(guī)定，對ftOfibus DP冗余從站僅按照ibus DPV0/V1從站測試，目前已通過相關(guān)測試。
綜上所述，本發(fā)明通過軟硬件協(xié)同設(shè)計，提供了一套具有高可靠性，低成本，適用性強，與傳統(tǒng)儀表接口簡單的ftx)fibUS DP從站冗余通信接口的方案，為快速開發(fā)出支持 Profibus DP從站冗余功能的各種現(xiàn)場儀表提供了有力支持。
權(quán)利要求
1.一種ftOfibus DP冗余通信接口，其特征在于，包括儀表卡、串口控制電路，看門狗電路，DPC31內(nèi)核單片機，譯碼電路，1字節(jié)雙口 RAM, EEPROM電路，SRAM電路，隔離驅(qū)動電路和供電電路，儀表卡通過串口控制電路訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機，兩個DPC31內(nèi)核單片機下分別帶EEPROM電路、SRAM電路、隔離驅(qū)動電路，DPC31內(nèi)核單片機每隔一段時間對看門狗電路執(zhí)行喂狗操作，兩個DPC31內(nèi)核單片機分別通過各自的譯碼電路接1字節(jié)雙口 RAM， 供電電路將電源轉(zhuǎn)換出5V，3. 3V直流電壓供各個電路用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述ftOfibusDP冗余通信接口，其特征在于，所述儀表卡按照 Modbus規(guī)范定義的格式訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機的串口，發(fā)送Modbus請求到兩個DPC31 內(nèi)核單片機，DPC31內(nèi)核單片機判斷后通過控制邏輯允許自己的UART端口發(fā)送響應(yīng)回儀表卡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述ftOfibusDP冗余通信接口，其特征在于，所述1字節(jié)雙口 RAM 通過并行鎖存機制輸出地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制接口及中斷信號到個DPC31內(nèi)核單片機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述ftOfibusDP冗余通信接口，其特征在于，所述隔離驅(qū)動電路將DPC31輸出的信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動RS485電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS485總線信號，同時將RS485總線信號經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后經(jīng)過光耦將信號送入DPC31內(nèi)核單片機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種ProfibusDP冗余通信接口，儀表卡通過串口控制電路訪問兩個DPC31內(nèi)核單片機，兩個DPC31內(nèi)核單片機下分別帶EEPROM電路、SRAM電路、隔離驅(qū)動電路，DPC31內(nèi)核單片機每隔一段時間對看門狗電路執(zhí)行喂狗操作，兩個DPC31內(nèi)核單片機分別通過各自的譯碼電路接1字節(jié)雙口RAM，供電電路將電源轉(zhuǎn)換出5V,3.3V直流電壓供各個電路用。具體可靠性高、成本低、接口方式簡單、適應(yīng)性強等特點。
文檔編號G06F13/38GK102541785SQ20101057872
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者趙勇 申請人:上海自動化儀表股份有限公司