基于dpc31的過程現(xiàn)場(chǎng)總線dp/pa一體化嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的制作方法

專利名稱：基于dpc31的過程現(xiàn)場(chǎng)總線dp/pa一體化嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有廣泛通用性的集PR0FIBUS-DP/PA從節(jié)點(diǎn)功能為一體的嵌入式通信接口裝置。
背景技術(shù)：
過程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS (Process Field Bus)標(biāo)準(zhǔn)是一種國(guó)際化、開放式、不依賴與設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化以及樓宇、交通電力等領(lǐng)域的自動(dòng)化。它是世界上僅有的幾個(gè)開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，也是我國(guó)工 業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中為數(shù)不多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。在十多年的開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐過程中，PROFIBUS以其技術(shù)的成熟性、完整性和應(yīng)用的可靠性等多方面優(yōu)秀表現(xiàn)，使其在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)領(lǐng)域中成為國(guó)際市場(chǎng)上的領(lǐng)導(dǎo)者。對(duì)于PROFIBUS產(chǎn)品的開發(fā)，主要包括PROFIBUS-DP、PA產(chǎn)品，國(guó)外許多公司，如IBM、M0T0R0LA、SIEMENS、M2C等公司都有全套的產(chǎn)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(duì)于國(guó)外快速發(fā)展的狀況，國(guó)內(nèi)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(chǎn)品在我國(guó)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(zhǎng)、專業(yè)技術(shù)人員的匱乏等等問題使得國(guó)內(nèi)自主研發(fā)PROFIBUS相關(guān)產(chǎn)品面臨著種種困難。而且目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的PROFIBUS產(chǎn)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(yīng)的一些PA產(chǎn)品也只有PA接口。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)包括DP和PA兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就需要購(gòu)買兩個(gè)不同協(xié)議的從節(jié)點(diǎn)裝置?；蛘哒f當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)由DP改為PA時(shí)，相應(yīng)的原從節(jié)點(diǎn)裝置就不能使用了，因?yàn)樵?jié)點(diǎn)裝置只支持DP總線協(xié)議，只能購(gòu)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(fèi)。因此目前迫切需要開發(fā)出一種裝置，可以不需要外部設(shè)備對(duì)PROFIBUS-DP/PA總線的支持，既可以通過本裝置實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與PR0FIBUS-DP/PA總線的通信。

發(fā)明內(nèi)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(diǎn)功能為一體的嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置，該裝置具有廣泛的通用性，無需外部設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)裝置對(duì)PR0FIBUS-DP/PA協(xié)議的支持，通過該嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置就可以實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)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(shè)置該裝置的節(jié)點(diǎn)類型從而與想要進(jìn)行通信的總線匹配；同時(shí)通過指示電路可反映當(dāng)前通信接口裝置的工作情況，方便工作人員進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)總線DP/PA —體化嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置，包括主控制單元、DPC31通信單元、電源電路、外部數(shù)據(jù)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(gòu)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(jìn)行總線通信，可通過DP/PA選擇電路設(shè)置從節(jié)點(diǎn)類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當(dāng)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(qū)動(dòng)電路、DP時(shí)鐘電路、SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路以及PA時(shí)鐘電路構(gòu)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(shí)分別與RS-485驅(qū)動(dòng)電路、DP時(shí)鐘電路、SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路以及PA時(shí)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(shí)現(xiàn)了 DP/PA總線協(xié)議的物理層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層以及部分應(yīng)用層功能，與主控制單元一起構(gòu)成一個(gè)完整的DP/PA從節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(gòu)成，電源電路通過用戶接口電路與外部設(shè)備相連；整個(gè)電源電路采用5V供電，電源輸入由外部設(shè)備提供；電源電路的輸出為整個(gè)嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置各部分電路提供所需電源；外部數(shù)據(jù)交換電路由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構(gòu)成，外部數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與PROFIBUS DP/PA總線的數(shù)據(jù)通信；用戶接口電路由標(biāo)準(zhǔn)2. 54mm間距的雙列排針14x2構(gòu)成，為外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置中的外部數(shù)據(jù)交換電路和電源電路通信提供了標(biāo)準(zhǔn)電路接口，使本嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shè)備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調(diào)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(jī)，主要用于控制DPC31通信單元接收總線上的數(shù)據(jù)，并通過外部數(shù)據(jù)交換電路將數(shù)據(jù)發(fā)給外部設(shè)備或者通過外部數(shù)據(jù)交換電路接收外部設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上；接收DP/PA選擇電路的信號(hào)，設(shè)置嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的節(jié)點(diǎn)類型；發(fā)送邏輯信號(hào)給LED指示電路，指示裝置的當(dāng)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(guān)組成，為微處理器提供高低電平信號(hào)，用以指示當(dāng)前DP/PA嵌入式通信接口裝置的節(jié)點(diǎn)類型，高電平代表是DP從節(jié)點(diǎn)裝置，低電平代表是PA從節(jié)點(diǎn)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(gè)紅綠雙色LED燈以及相應(yīng)電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構(gòu)成電流放大電路，用以驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路的通斷，進(jìn)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(nèi)部集成了 80C31微處理器內(nèi)核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強(qiáng)大、適用于智能站點(diǎn)的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領(lǐng)域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領(lǐng)域；該芯片只需要極少的外部器件就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)PROFIBUS的站點(diǎn)；在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置中數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)電路和SM1-2調(diào)制解調(diào)電路；時(shí)鐘管腳通過MUX多路選擇電路接DP時(shí)鐘電路和PA時(shí)鐘電路，這樣就搭建了一個(gè)基本的DP/PA站點(diǎn)；所述DPC31通信單元中的MUX多路選擇電路，由一個(gè)12位撥碼開關(guān)及其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，用于選擇本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置當(dāng)前使用的物理層驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)鐘電路；當(dāng)本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為DP從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)選擇RS-485驅(qū)動(dòng)電路和DP時(shí)鐘電路，當(dāng)本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為PA從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)選擇SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路和PA時(shí)鐘電路；所述DPC31通信單元中的RS485驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置DP從節(jié)點(diǎn)的物理層功能，對(duì)PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片間的傳輸信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換使傳輸信號(hào)符合RS-485的物理傳輸方式，進(jìn)而為與DP總線進(jìn)行通信提供了保障；所述DPC31通信單元中的SM1-2調(diào)制解調(diào)電路，用于電平和編碼轉(zhuǎn)換，使原面向RS-485總線設(shè)計(jì)的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應(yīng)用到IEC1158-2總線，即PA總線中；它在物理層對(duì)傳輸信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術(shù)，專門應(yīng)用于流程自動(dòng)化行業(yè)中有本怔安全要求的PR0FIBUS-PA的建設(shè)；所述DPC31通信單元中的DP時(shí)鐘電路，由12M赫茲頻率的無源晶振、兩個(gè)22pF的電容、一個(gè)2. 7K歐姆以及一個(gè)IM歐姆電阻構(gòu)成，專門在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為DP從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路打開，時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)在DPC31內(nèi)部鎖相環(huán)電路中被倍頻為48MHz，作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘；所述DPC31通信單元中的PA時(shí)鐘電路，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應(yīng)的外圍電路組成，專門在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為PA從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路關(guān)閉，該外部16M時(shí)鐘信號(hào)不會(huì)被倍頻，直接作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘。所述電源電路由一個(gè)穩(wěn)壓芯片LM1117-3. 3V、兩個(gè)電源隔離芯片ADUM5000及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成；整個(gè)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(shè)備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經(jīng)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(shí) 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(zhuǎn)換器，ADUM5000的電源輸入為5V或3. 3V，輸出5V或3. 3V可調(diào)；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(gè)3. 3V為DPC31協(xié)議芯片內(nèi)部鎖相環(huán)模擬電源供電，另一片隔離出一個(gè)5V為RS-485驅(qū)動(dòng)電路光耦的后級(jí)供電。所述外部數(shù)據(jù)交換電路由一片雙口 RAM芯片、一片74HC573鎖存器及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成；雙口 RAM的型號(hào)為IDT7130，一個(gè)雙口 RAM芯片配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)對(duì)該存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行隨機(jī)性的訪問，作為主控制單元中微處理器與外部設(shè)備的共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用以交換該微處理器與外部設(shè)備之間的數(shù) 據(jù)信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭(zhēng)用判優(yōu)邏輯，避免由于對(duì)雙口 RAM同一地址單元數(shù)據(jù)的讀寫情況發(fā)生而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)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(shù)據(jù)線使用，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂罚偩€采用分時(shí)復(fù)用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數(shù)據(jù)線和地址線是分開的，這時(shí)就需要使用鎖存器74HC573，當(dāng)該微處理器與外部雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)；雙口 RAM芯片右端地址總線、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和邏輯控制信號(hào)；雙口 RAM左端的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線通過用戶接口電路與外部設(shè)備互聯(lián)，由外部設(shè)備提供地址、數(shù)據(jù)和邏輯控制信號(hào)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果由以上本發(fā)明提供的技術(shù)方案可見，與現(xiàn)有技術(shù)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(diǎn)功能為一體的嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shè)備都可以通過本裝置與PROFIBUS-DP或者PA總線進(jìn)行通信，用戶可通過DP/PA選擇電路設(shè)置該裝置的節(jié)點(diǎn)類型從而與想要進(jìn)行通信的總線匹配，增加了其使用的靈活性；同時(shí)通過指示電路可反映當(dāng)前通信接口裝置的工作情況，方便工作人員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和排查。當(dāng)故障排除后裝置自動(dòng)恢復(fù)正常工作，具有重大的實(shí)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(diǎn)功能為一體的嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的總體結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)電路電路圖；圖8為圖I中DPC31通信單元102中SM1-2調(diào)制解調(diào)電路電路圖；圖9為圖I中DPC31通信單元102中DP時(shí)鐘電路電路圖；圖10為圖I中DPC31通信單元102中PA時(shí)鐘電路電路圖；圖11為本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的電源電路電路圖；圖12為本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的外部數(shù)據(jù)交換電路電路圖；圖13為本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的用戶接口電路電路圖。
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)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(diǎn)功能為一體的嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。參見圖I，該嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)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(gòu)成；所述主控制單元，用于控制DPC31通信單元進(jìn)行總線通信，可通過DP/PA選擇開關(guān)，設(shè)置從節(jié)點(diǎn)類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當(dāng)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(qū)動(dòng)電路1023、SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024、DP時(shí)鐘電路1025、PA時(shí)鐘電路1026構(gòu)成；所述DPC31通信單元實(shí)現(xiàn)了 DP/PA總線協(xié)議的物理層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層以及部分應(yīng)用層功能，與主控制單元一起構(gòu)成一個(gè)完整的DP/PA從節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(gòu)成，通過用戶接口電路105與外部設(shè)備相連；整個(gè)電源電路103采用5V供電，電源輸入由外部設(shè)備提供；電源電路103的輸出為整個(gè)嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置各部分電路提供所需電源。外部數(shù)據(jù)交換電路104:外部數(shù)據(jù)交換電路104由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構(gòu)成，通過用戶接口電路105實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與PROFIBUS DP/PA總線的數(shù)據(jù)通信。用戶接口電路105:由標(biāo)準(zhǔn)2. 54mm間距的雙列排針14x2構(gòu)成，為外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的外部數(shù)據(jù)交換電路104和電源電路103通信提供了標(biāo)準(zhǔn)電路接口，使本嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shè)備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調(diào)試。本發(fā)明裝置涉及的各單元電路的具體結(jié)構(gòu)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(jī)，主要用于控制DPC31通信單元102與PROFIBUS總線進(jìn)行通信并發(fā)送邏輯信號(hào)給LED指示電路1013，指示裝置的當(dāng)前狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)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(nèi)部的雙口 RAM完成的，微處理器1011可通過對(duì)DPC31內(nèi)部雙口 RAM的操作來控制DPC31通信單元102與總線進(jìn)行通信。從總線上接收的數(shù)據(jù)存放在該雙口 RAM內(nèi)輸入緩沖區(qū)中，微處理器1011從中將總線數(shù)據(jù)讀出，通過外部數(shù)據(jù)交換電路104發(fā)給外部設(shè)備。同樣微處理器1011將外部設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)寫入DPC31內(nèi)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(hào)通過Pl. 6 口發(fā)送給微處理器1011，微處理器1011根據(jù)該選擇信號(hào)設(shè)置本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的從節(jié)點(diǎn)類型。同時(shí)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(hào)給LED指示電路1013，指示裝置的當(dāng)前狀態(tài)。需要說明的是在微處理器1011啟動(dòng)時(shí)，需要相關(guān)通信參數(shù)如從節(jié)點(diǎn)地址、硬件模式、I/o交換字節(jié)數(shù)大小等對(duì)DPC31協(xié)議芯片進(jìn)行初始化，這樣通信接口裝置才能正常工作。因此外部設(shè)備需要將所有的初始化參數(shù)由通過用戶接口電路105和外部數(shù)據(jù)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(dāng)前的節(jié)點(diǎn)類型，高電平代表為DP從節(jié)點(diǎn)裝置，低電平代表為PA從節(jié)點(diǎn)裝置。該高低電平選擇信號(hào)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(gè)紅綠雙色LED燈以及相應(yīng)電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構(gòu)成電流放大電路，用以驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路的通斷，進(jìn)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(nèi)部集成了 80C31微處理器內(nèi)核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強(qiáng)大、適用于智能站點(diǎn)的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領(lǐng)域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領(lǐng)域。該芯片只需要極少的外部器件就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)PROFIBUS的站點(diǎn)。在具體實(shí)現(xiàn)上，DPC31西門子協(xié)議芯片1021低8位地址/數(shù)據(jù)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(shí)鐘輸入管腳XTAL1、XTAL2通過MUX多路選擇電路1022與DP時(shí)鐘電路1025和PA時(shí)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(qū)動(dòng)電路1023和SM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024相接。這樣就搭建好了一個(gè)基本的PROFIBUS-DP/PA從站點(diǎn)，通過對(duì)DPC31內(nèi)部雙口 RAM進(jìn)行讀寫操作就可以控制本裝置與DP/PA總線進(jìn)行通信。需要說明的是，本通信接口裝置不能同時(shí)作為DP和PA從節(jié)點(diǎn)裝置使用，即在一個(gè)時(shí)刻只能作為一種從節(jié)點(diǎn)裝置使用。其選擇是通過DP/PA選擇電路1012完成的。當(dāng)DP/PA選擇電路1012給微處理器1011送高電平時(shí)作為DP從節(jié)點(diǎn)裝置使用，此時(shí)DP時(shí)鐘電路1025和RS-485驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘電路1026和SM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024此時(shí)閑置。當(dāng)DP/PA選擇電路1012給微處理器1011送低電平時(shí)，則相反。MUX多路選擇電路1022，參見圖6，由一個(gè)12位撥碼開關(guān)及其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，用于選擇本裝置當(dāng)前使用的物理層驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)鐘電路；當(dāng)本裝置為DP從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)，MUX多路選擇電路1022中12位撥碼開關(guān)需設(shè)為“111111000000”，此時(shí)RS-485驅(qū)動(dòng)電路1023和DP時(shí)鐘電路1025就會(huì)通過MUX多路選擇電路1022與DPC31協(xié)議芯片1021相接，SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024和PA時(shí)鐘電路1026此時(shí)被MUX多路選擇電路1022隔斷，處于閑置狀態(tài)；當(dāng)本裝置為PA從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)，MUX多路選擇電路1022中12位撥碼開關(guān)設(shè)為“000000111111”，此時(shí)SM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024和PA時(shí)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(qū)動(dòng)電路1023和DP時(shí)鐘電路1025則閑置。RS-485驅(qū)動(dòng)電路1023，參見圖7，實(shí)現(xiàn)了嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置DP從節(jié)點(diǎn)的物理層功能，對(duì)PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片1021間的傳輸信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換使其符合RS-485的物理傳輸方式，進(jìn)而為與DP總線進(jìn)行通信提供了保障。在具體實(shí)現(xiàn)上，RS-485驅(qū)動(dòng)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(gòu)成。HCPL0601和HCPL7101用于隔離DPC31專用通信芯片和RS-485電平轉(zhuǎn)換電路的傳輸信號(hào)，HCPL0601隔離的是DPC31的發(fā)送使能信號(hào)RTS，兩片HCPL7101分別隔離DPC31的數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)TXD和數(shù)據(jù)接收信號(hào)RXD ;因?yàn)楣怦頗CPL0601會(huì)將輸入信號(hào)反相輸出，所以DPC31傳輸來的發(fā)送使能信號(hào)RTS經(jīng)過HCPL0601后要再經(jīng)過一個(gè)與非門SN74HC132D將其變回與原來同相的使能信號(hào)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(hào)XRTS，另一端接高電平，這樣就構(gòu)成了一個(gè)反相器，其輸出就是輸入信號(hào)XRTS的反相信號(hào)RTS。而光耦HCPL7101保持與輸 入信號(hào)同相輸出，故其輸出信號(hào)不用接反相器。DPC31的數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)TXD和數(shù)據(jù)接收信號(hào)RXD經(jīng)過HCPL7101光電耦合器后直接接到差分總線收發(fā)器SN75ALS176的數(shù)據(jù)發(fā)送D端和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線-A線和+B線相連，其實(shí)現(xiàn)的功能是傳輸信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的功能，它將協(xié)議芯片DPC31發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分傳輸信號(hào)，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(hào)后，獲得其中的數(shù)據(jù)，將其傳送給協(xié)議芯片DPC31。SM1-2調(diào)制解調(diào)電路1024，參見圖8，用于電平和編碼轉(zhuǎn)換，使原面向RS-485總線設(shè)計(jì)的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應(yīng)用到IEC1158-2總線(即PA總線)中。它在物理層對(duì)傳輸信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術(shù)，專門應(yīng)用于流程自動(dòng)化行業(yè)中有本怔安全要求的PROFIBUS-PA的建設(shè)。在具體實(shí)現(xiàn)上，SIM1-2調(diào)制解調(diào)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(zhì)連接單元SM1-2以及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。4片6N137光電耦合器將數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)TXS、數(shù)據(jù)接收信號(hào)RXS、發(fā)送使能信號(hào)TXE、輔助接收信號(hào)RXA從協(xié)議芯片DPC31和SM1-2調(diào)制解調(diào)電路隔離開來。TXS、RXS、TXE、RXA經(jīng)過6N137同相輸出后分別接到SM1-2調(diào)制解調(diào)芯片的TxS、RxS, TxE, RxA端，SIM1-2及其外圍電路構(gòu)成了一個(gè)電平和編碼轉(zhuǎn)換電路，將DPC31傳輸來的信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將其按照曼徹斯特編碼技術(shù)進(jìn)行編碼，使其符合PA總線傳輸信號(hào)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╇娫矗瑫r(shí)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(shí)鐘電路1025，參見圖9，由12M赫茲頻率的無源晶振以及兩個(gè)22pF的電容、一個(gè)2. 7K歐姆以及一個(gè)IM歐姆的電阻構(gòu)成，其XTAL1_DP、XTAL2_DP腳接DPC31的XTALl和XTAL2管腳，該時(shí)鐘電路專門在通信接口裝置為DP從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片1021提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路打開，時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)被倍頻為48M，作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘。PA時(shí)鐘電路1026，參見圖10，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應(yīng)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(shí)鐘電路專門在通信接口裝置為PA從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片1021提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路關(guān)閉，該外部16M時(shí)鐘信號(hào)不會(huì)被倍頻，直接作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘。電源電路103，參見圖11，由一個(gè)穩(wěn)壓芯片LM1117-3. 3V、兩個(gè)電源隔離芯片ADUM5000及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成；整個(gè)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(shè)備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經(jīng)過電容濾波后接入其Vin輸入端，其GND管腳直接接地，此時(shí)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(zhuǎn)換器，其電源輸入為5V或
3.3V，輸出5V或3. 3V可調(diào)。本裝置中兩片ADUM5000電源輸入均采用外部設(shè)備提供的5V電源，其輸出一片隔離出一個(gè)3. 3V電源VCC3V3為DPC31協(xié)議芯片內(nèi)部鎖相環(huán)模擬電源供電；另一片隔離出一個(gè)5V電源VCC5V為RS-485驅(qū)動(dòng)電路光耦的后級(jí)供電。外部數(shù)據(jù)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(yīng)的外圍電路構(gòu)成；雙口 RAM的型號(hào)為IDT7130，一個(gè)雙口 RAM芯片配備兩套獨(dú)立的地 址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)對(duì)該存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行隨機(jī)性的訪問，作為微處理器與外部設(shè)備的共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用以交換微處理器與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭(zhēng)用判優(yōu)邏輯，避免由于對(duì)雙口 RAM同一地址單元數(shù)據(jù)的讀寫情況發(fā)生而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)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(shù)據(jù)線使用，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂?，總線采用分時(shí)復(fù)用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數(shù)據(jù)線和地址線是分開的，這時(shí)就需要使用鎖存器74HC573，當(dāng)單片機(jī)與外部雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)。在具體實(shí)現(xiàn)上，外部數(shù)據(jù)交換電路104中的雙口 RAM IDT7130的左端地址線AOL A9L、數(shù)據(jù)線 I/00L I/07L、控制線 XCEL、R/XWL、XBUSYL, XINTL、XOEL 與用戶接口電路105中對(duì)應(yīng)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(shè)備都可以通過這些總線接口訪問外部數(shù)據(jù)交換電路104中的雙口 RAM IDT7130。雙口 RAM IDT7130的右端地址線A0ITA9R、數(shù)據(jù)線I/00lTl/07R與微處理器1011的數(shù)據(jù)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(hào)由微處理器1011的XWR經(jīng)過反相器后再和XRD引腳經(jīng)過或非門電路輸出得到，右端XCER控制信號(hào)由微處理器1011的地址線14經(jīng)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(shù)據(jù)和控制線對(duì)雙口 RAM IDT7130進(jìn)行操作了。外部設(shè)備與微處理器1011的數(shù)據(jù)交換就是通過對(duì)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(shù)據(jù)線與微處理器1011的地址數(shù)據(jù)線相接時(shí)，IDT7130的低8位地址線(A0ITA7R)要經(jīng)過鎖存器74HC573接微處理器1011的PO 口，數(shù)據(jù)線(I/00ITI/07R)直接接微處理器1011的PO 口，這是因?yàn)槲⑻幚砥?011的低8位地址總線和數(shù)據(jù)線是復(fù)用的PO 口，所以在對(duì)雙口 RAM進(jìn)行讀寫操作時(shí)，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(shù)據(jù)總線上傳輸數(shù)據(jù)。用戶接口電路105，參見圖13，與外部設(shè)備雙向連接，用于通信接口裝置與外部設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。用戶接口電路105采用標(biāo)準(zhǔn)2. 54mm間距的雙列排針(14x2)器件，為外部設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)電路接口，使本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置能夠與滿足此接口電路規(guī)范的任意外部設(shè)備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調(diào)試。
具體實(shí)現(xiàn)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(gè)管腳，由外部設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換電路104中雙口 RAM的左端數(shù)據(jù)總線I/00L I/07L，為外部設(shè)備訪問外部數(shù)據(jù)交換電路104中雙口RAM IDT7130提供了標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行固件升級(jí)。本發(fā)明在上述過程中，外部設(shè)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(shù)據(jù)總線管腳訪問外部數(shù)據(jù)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(gè)參數(shù)；微處理器1011，，根據(jù)外部設(shè)備提供的初始化參數(shù)初始化本接口裝置的軟硬件，同時(shí)由DP/PA選擇電路1012和MUX多路選擇電路1022設(shè)置本裝置的節(jié)點(diǎn)類型，LED指示電路1013會(huì)指示當(dāng)前裝置的初始化狀態(tài)；初始化結(jié)束后，通過DPC31通信電路102與DP/PA總線連接進(jìn)行從節(jié)點(diǎn)裝置的參數(shù)設(shè)置、組態(tài)配置，配置完成后進(jìn)入周期性數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，此時(shí)外部設(shè)備就可以與總線進(jìn)行通信了。在整個(gè)從節(jié)點(diǎn)裝置的參數(shù)設(shè)置、組態(tài)配置和數(shù)據(jù)通信過程中LED 指示電路1013都會(huì)對(duì)其狀態(tài)給出狀態(tài)指示。對(duì)于本發(fā)明所提供的裝置，在初始化和通信異常時(shí)，LED指示電路1013會(huì)立即給出狀態(tài)指示，為用戶及時(shí)判斷故障原因、有效排查通信過程中出現(xiàn)的問題提供了幫助。此夕卜，當(dāng)故障排除通信接口裝置回復(fù)正常工作狀態(tài)后，LED指示電路1013會(huì)立即回復(fù)正常狀態(tài)。本發(fā)明的LED指示電路1013，響應(yīng)速度快、電路簡(jiǎn)單，且成本低廉、工作效率高。對(duì)于本發(fā)明所提供的裝置，在與外部設(shè)備通信設(shè)計(jì)中，采用了雙口 RAM作為外部設(shè)備與通信接口裝置微處理器1011的共享存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)交換實(shí)時(shí)性高，且利用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備互聯(lián)，大大增強(qiáng)了通信模塊的實(shí)用性，即插即用，裝置利用率高，可以實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備到PROFIBUS-DP/. PA總線的快速接入。對(duì)于本發(fā)明所提供的裝置，采用軟硬件共享技術(shù)，在一塊板子上有效的集成了PROFIBUS-DP和PA從節(jié)點(diǎn)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(kuò)展，它在DPVO協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了非循環(huán)通信的內(nèi)容，故也可以說DP和PA從節(jié)點(diǎn)在軟件方面共享了 DPVO協(xié)議用戶程序?qū)崿F(xiàn)部分。而在硬件方面，DP從節(jié)點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)采用微處理器+DPC31協(xié)議芯片+RS-485驅(qū)動(dòng)電路的方案，PA從節(jié)點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)則采用微處理器+DPC31協(xié)議芯片+SM1-2調(diào)制解調(diào)電路的方案，從上可看出DP和PA從節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)不同。因此本通信接口裝置與單獨(dú)制作兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)類型(一個(gè)DP、一個(gè)PA)的通信接口裝置相比，即節(jié)省了費(fèi)用，又增加了本裝置使用的靈活性，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入PROFIBUS-DP或者PA總線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很好的選擇。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)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(diǎn)功能為一體的嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shí)其標(biāo)準(zhǔn)的用戶接口電路105，即具有2. 54mm標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，即插即用，便于安裝調(diào)試；通過LED指示電路1013及時(shí)反映當(dāng)前通信接口裝置的工作狀態(tài)，方便維護(hù)人員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和排查，當(dāng)故障排除后裝置自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，具有重大的實(shí)際意義。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于DPC31協(xié)議芯片的過程現(xiàn)場(chǎng)總線DP/PA —體化嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)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(gòu)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(jìn)行總線通信，可通過DP/PA選擇電路設(shè)置從節(jié)點(diǎn)類型，并通過LED指示電路指示通信接口裝置的當(dāng)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(qū)動(dòng)電路、DP時(shí)鐘電路、SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路以及PA時(shí)鐘電路構(gòu)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(shí)分別與RS-485驅(qū)動(dòng)電路、DP時(shí)鐘電路、SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路以及PA時(shí)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(shí)現(xiàn)了DP/PA總線協(xié)議的物理層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層以及部分應(yīng)用層功能，與主控制單元一起構(gòu)成一個(gè)完整的DP/PA從節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(gòu)成，電源電路通過用戶接口電路與外部設(shè)備相連；整個(gè)電源電路采用5V供電，電源輸入由外部設(shè)備提供；電源電路的輸出為整個(gè)嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置各部分電路提供所需電源； 外部數(shù)據(jù)交換電路 由一片雙口 RAM芯片及其外圍電路構(gòu)成，外部數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與PROFIBUS DP/PA總線的數(shù)據(jù)通信； 用戶接口電路 由標(biāo)準(zhǔn)2. 54mm間距的雙列排針14x2構(gòu)成，為外部設(shè)備與本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置中的外部數(shù)據(jù)交換電路和電源電路通信提供了標(biāo)準(zhǔn)電路接口，使本嵌入式從節(jié)點(diǎn)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(shè)備互聯(lián)，即插即用，方便安裝調(diào)試。
2.如權(quán)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(jī)，主要用于控制DPC31通信單元接收總線上的數(shù)據(jù)，并通過外部數(shù)據(jù)交換電路將數(shù)據(jù)發(fā)給外部設(shè)備或者通過外部數(shù)據(jù)交換電路接收外部設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上；接收DP/PA選擇電路的信號(hào)，設(shè)置嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置的節(jié)點(diǎn)類型；發(fā)送邏輯信號(hào)給LED指示電路，指示裝置的當(dāng)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(guān)組成，為微處理器提供高低電平信號(hào)，用以指示當(dāng)前DP/PA嵌入式通信接口裝置的節(jié)點(diǎn)類型，高電平代表是DP從節(jié)點(diǎn)裝置，低電平代表是PA從節(jié)點(diǎn)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(gè)紅綠雙色LED燈以及相應(yīng)電阻、三極管外圍電路組成；電阻和三極管構(gòu)成電流放大電路，用以驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路的通斷，進(jìn)而控制雙色LED的亮滅，指示裝置的狀態(tài)。
3.如權(quán)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(nèi)部集成了 80C31微處理器內(nèi)核和SPC3、SPC4-2的通信模塊部分，是一款功能強(qiáng)大、適用于智能站點(diǎn)的專用通信芯片，既適用于PROFIBUS-DP的制造企業(yè)的控制領(lǐng)域也適用于PROFIBUS-PA的過程控制領(lǐng)域；該芯片只需要極少的外部器件就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)PROFIBUS的站點(diǎn)；在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置中數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)電路和SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路；時(shí)鐘管腳通過MUX多路選擇電路接DP時(shí)鐘電路和PA時(shí)鐘電路，這樣就搭建了一個(gè)基本的DP/PA站點(diǎn)； 所述DPC31通信單元中的MUX多路選擇電路，由一個(gè)12位撥碼開關(guān)及其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，用于選擇本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置當(dāng)前使用的物理層驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)鐘電路；當(dāng)本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為DP從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)選擇RS-485驅(qū)動(dòng)電路和DP時(shí)鐘電路，當(dāng)本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為PA從節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)選擇SIM1-2調(diào)制解調(diào)電路和PA時(shí)鐘電路； 所述DPC31通信單元中的RS485驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置DP從節(jié)點(diǎn)的物理層功能，對(duì)PROFIBUS-DP總線與DPC31協(xié)議芯片間的傳輸信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換使傳輸信號(hào)符合RS-485的物理傳輸方式，進(jìn)而為與DP總線進(jìn)行通信提供了保障； 所述DPC31通信單元中的SM1-2調(diào)制解調(diào)電路，用于電平和編碼轉(zhuǎn)換，使原面向RS-485總線設(shè)計(jì)的一半PROFIBUS通信ASIC芯片可以應(yīng)用到IEC1158-2總線，即PA總線中；它在物理層對(duì)傳輸信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換且符合IEC1158-2的曼徹斯特編碼技術(shù)，專門應(yīng)用于流程自動(dòng)化行業(yè)中有本怔安全要求的PROFIBUS-PA的建設(shè)； 所述DPC31通信單元中的DP時(shí)鐘電路，由12M赫茲頻率的無源晶振、兩個(gè)22pF的電容、一個(gè)2. 7K歐姆以及一個(gè)IM歐姆電阻構(gòu)成，專門在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為DP從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路打開，時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)在DPC31內(nèi)部鎖相環(huán)電路中被倍頻為48MHz，作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘； 所述DPC31通信單元中的PA時(shí)鐘電路，由16M赫茲頻率的有源晶振及相應(yīng)的外圍電路組成，專門在本嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置為PA從節(jié)點(diǎn)類型時(shí)為DPC31協(xié)議芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)DPC31內(nèi)部振蕩電路關(guān)閉，該外部16M時(shí)鐘信號(hào)不會(huì)被倍頻，直接作為DPC31內(nèi)部工作時(shí)鐘。
4.如權(quán)利I所述裝置，其特征在于所述電源電路由一個(gè)穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3V、兩個(gè)電源隔離芯片ADUM5000及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成；整個(gè)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(shè)備提供；LM1117-3. 3V為800mA低壓差線性穩(wěn)壓芯片，5V電源經(jīng)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(shí)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(zhuǎn)換器，ADUM5000的電源輸入為5V或3. 3V，輸出5V或3. 3V可調(diào)；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(gè)3. 3V為DPC31協(xié)議芯片內(nèi)部鎖相環(huán)模擬電源供電，另一片隔離出一個(gè)5V為RS-485驅(qū)動(dòng)電路光耦的后級(jí)供電。
5.如權(quán)利I所述裝置，其特征在于所述外部數(shù)據(jù)交換電路由一片雙口RAM芯片、一片74HC573鎖存器及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成；雙口 RAM的型號(hào)為IDT7130，一個(gè)雙口 RAM芯片配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)對(duì)該存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行隨機(jī)性的訪問，作為主控制單元中微處理器與外部設(shè)備的共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用以交換該微處理器與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息，并由雙口 RAM硬件提供地址爭(zhēng)用判優(yōu)邏輯，避免由于對(duì)雙口 RAM同一地址單元數(shù)據(jù)的讀寫情況發(fā)生而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)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(shù)據(jù)線使用，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂?，總線采用分時(shí)復(fù)用操作方法，而雙口 RAM IDT7130的數(shù)據(jù)線和地址線是分開的，這時(shí)就需要使用鎖存器74HC573，當(dāng)該微處理器與外部雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)；雙口 RAM芯片右端地址總線、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和邏輯控制信號(hào)；雙口 RAM左端的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線通過用戶接口電路與外部設(shè)備互聯(lián)，由外部設(shè)備提供地址、數(shù)據(jù)和邏輯控制信號(hào)。
全文摘要
一種基于DPC31的過程現(xiàn)場(chǎng)總線DP/PA一體化嵌入式從節(jié)點(diǎn)通信裝置，包括主控制單元，用于控制DPC31通信單元進(jìn)行總線通信，設(shè)置從節(jié)點(diǎn)類型，并通過LED指示電路指示接口裝置的當(dāng)前工作狀態(tài)；DPC31通信單元，實(shí)現(xiàn)了DP/PA總線協(xié)議的物理層、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層以及部分應(yīng)用層功能，與主控制單元一起構(gòu)成一個(gè)完整的DP/PA從節(jié)點(diǎn)；電源電路，為整個(gè)裝置各部分電路提供所需電源；外部數(shù)據(jù)交換電路，實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備與本裝置的數(shù)據(jù)交換；用戶接口電路，為外部設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)備都可以通過本裝置與PROFIBUSDP/PA總線進(jìn)行通信。
文檔編號(hào)G05B19/042GK102724090SQ20121015965
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者倪建云, 孫慶, 賈超, 陳在平 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)