现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线以其开放性、可靠性、实时性和灵活扩展等优势已成为自动控制领域的热点。
PROFIBUS是德国于上世纪90年代初指定的国家工业现场总线协议标准，在现场总线的应用中占有相当大的比例，并一直占据着先锋地位。PROFIBUS现场总线技术是开放式、数字化、多点通信的底层控制网，以现场总线为纽带，可以把单个分散的测控设备变成网络节点，形成底层现场智能设备与高层的系统信息共享，满足工业控制体系分布化、扁平化和智能化的发展要求。由于PROFIBUS适用领域的广泛性（它既适用于工业自动化中离散加工过程，也适用于流程自动化中连续和批处理过程），以及它的成熟性、先进性和标志性，开发其从站，具有重大的意义。结合现场总线技术的发展现状，开发了带PROFIBUS-DP接口的电动执行机构。
一、系统总体设计
电动执行机构又称电动执行器、电动头，它是一个执行机构，是通过控制中心给出的控制信号，来控制调节阀（或者其它）的开度。PROFIBUS2DP用于传感器和执行机构的高速数据传输，它以德国标准DIN19245的第1部分为基础。根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mb/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。根据用户的实际情况和需求，开发PROFIBUS-DP接口卡，以方便执行机构接入总线通讯网络。DP卡与主站之间以RS485总线的形式进行数据交换。原理框图如图1所示。
图1 系统总体设计框图
从站由DP卡和主板（电动执行机构）构成。DP卡的核心部分为单片机STC89C51、协议芯片SPC3和带光电隔离的IL485芯片。SPC3是PROFIBUS-DP专用的协议芯片，负责把主站送来的数据拆包，送往单片机，同时把单片机送来的数据打包，送往主站；STC89C51是主板与SPC3的桥梁，负责初始化和协议转换。同时，DP卡也保留了开关量控制和模拟控制部分，满足用户4～20mA模拟控制的需求。该方案的优点为DP卡是一块独立的印刷线路板，在接入PROFIBUS总线网络时使用。
二、系统硬件设计
在硬件设计上，采用西门子的SPC3协议芯片，DP卡设计中最主要的是STC89C51RC微处理器与SPC3的连接。协议芯片SPC3相当于处理器扩展的一个外部RAM，SPC3内部有地址锁存电路，AB5～AB10接地。通过13位地址线和8位数据线进行数据交换，在此电路中，用到AB4～AB0这5位地址线和DB7～DB0这8位数据地址复用总线。DB7～DB0可以产生低8位的地址，高5位由AB4～AB0产生。可寻址范围为0000H～1FFFH。满足SPC3内部的1.5K的空间的寻址（1000H～15FFH）。由于软件开发采用汇编语言编程，所以STC89C51内部的存储空间足够满足设计要求，无需再接外部RAM，如果采用高级语言进行软件设计，则需要考虑外部RAM。
SPC3与IL485采用串行通信，用于通信的4个引脚分别为XCTS、TXD、RXD和RTS。其中XCTS为清除发送信端，此信号低电平有效，表示允许SPC3发送数据，所以此引脚接低电平。RXD和TXD分别表示串行数据的接收和发送端口，RTS接RS485驱动器的输出使能端口，为SPC3的请求发送信号[2]。设计中，采用IL485作为总线驱动器，它的一侧与D型插座连接，另一侧与SPC3连接。由于IL485本身带有光耦，故无需再通过光耦电路。其波特率可达到35M，远远满足设计的需要，所以IL485常用来作为PROFIBUS的传输驱动使用。当信号在总线上传输时，由于阻抗不连续会形成信号反射，导致传输信号畸变。因此，必须在传输线末端加电阻来消除阻抗不连续。所加电阻其值应尽量接近传输线的特征阻抗。而且，当总线上没有其它站处于发射状态时，发射器就禁止，使其处于高阻态，此状态下总线处于“1”。设计时在D型插座的引脚上分别加一上拉电阻和一下拉电阻，使所有的接收器总是处于允许状态。因此，在空闲状态下，每个接收器收到的都是“1”。PROFIBUS2DP总线电缆一般采用屏蔽双绞线，有助于改善电磁兼容性。特征阻抗值与导线的长度无关，一般为100～165Ω[3]。EN50170标准推荐2种类型的电缆：类型A和类型B，如表1所示。本设计采用类型A。
表1 类型A和类型B的电缆比较
三、系统软件设计
软件的设计主要是完成STC89C51自身和SPC3的初始化，启动SPC3，进行数据的接收和发送（这里的接收和发送有2部分，一是单片机与SPC3之间的数据传递，二是单片机与主板之间的数据传递，即从主板读入数据，然后传递给SPC3，SPC3协议芯片对数据进行处理，发送到PROFIBUS2DP总线上由主站接收），还有完成处理诊断事务、中断的处理、用户接口数据的处理等。程序主循环流程如图2所示[4]。
图2 DP卡程序主循环流程图
由于STC89C51有内部扩展，而单片机要访问外部RAM，即协议芯片SPC3，故在单片机初始化完成之后，要禁止内部扩展。
通信主要包括2个部分，主站与DP卡和DP卡与主板。主站与DP卡采用主从方式通讯。在上电后对单片机和SPC3都进行了初始化，之后程序进入主循环，主循环主要是从站和主站进行数据交换，诊断变化的处理。DP卡与主板之间通过串口进行通信。DP卡或主板在发送报文前，要先送握手信号，并且在报文发送过程中，握手信号一直有效，直到报文发送完成才可以取消握手信号。DP卡送给主板的握手信号高电平有效，主板送给DP卡的握手信号低电平有效。通过软件主要实现4个功能，协议功能如表2所示。1号功能（F1）为参数报文的发送与响应，2号功能（F2）为地址的发送与响应，这2个报文是通过中断子程序处理进入报文数据交换子程序。3号功能（F3）为动作命令的发送与响应，4号功能（F4）为状态发送与响应，这2个数据的传输都在主循环程序中用查询中断进入数据交换子程序。
表2 协议功能
四、抗干扰部分的设计
为提高电动执行机构的抗干扰性，DP卡从硬件和软件上做了如下工作：
（1）做PCB线路板时，应考虑接地抗干扰的问题，见参考文献[5]中的“PCB板的接地问题”。
（2）输入/输出通道上采用电气隔离，如采用光电隔离的IL485芯片。电源的电气隔离，采用IB0505LS这种5V到5V的隔离转换电源。
（3）采用CD4538芯片做外部看门狗，如图3所示，此接法是上升沿触发的可重触发单稳态电路。单片机STC89C51的P1.4口设计成输出口，由STC89C51的CPU向看门狗电路发送喂狗信号—正脉冲，在2个正脉冲间隔内，P1.4保持为低电平（此功能要结合软件才能实现）。当系统正常工作时，每隔0.5s来一个正脉冲，芯片10脚的信号始终保持低电平，从而使看门狗电路对单片机不起作用。若由于程序跑飞或进入死循环，则CD4538得不到P1.4口送来的喂狗信号，芯片的10脚就会输出一个脉宽为5ms的高电平信号，使单片机复位。
图3 看门狗硬件电路图
五、PROFIBUS2DP通信实验
实验采用单主站，2台从站的方式进行通讯。选用SIEMENS公司S72300PLC系列CPU315-2DP，配置一个通信处理器CP34225作为PROFIBUS-DP系统的主站，DP卡与电动执行机构为从站。在计算机上安装SIMATICSTEP 7V5.2软件，使用SIEMENS的GSD2EditorV211（可以从PROFIBUS用户组织的网站下载http：//www.profibus.com），建立从站的GSD文件，可以减少编写GSD的周期，并能保证文件格式的正确性，然后下载到模块中，如图4所示。理论上波特率在9.6kb/s～12Mb/s，但在实际应用中，要考虑传输距离和抗干扰的问题。一般工业上采用19.2kb/s，波特率的高低直接影响着传输距离。若传输距离不够，可加中继器（最多可以加9个）。
图4 组网测试时的硬件组态架构
图5 通过PLC操纵执行器和获取执行器状态数据的数据表界面
如图5所示，通过此界面，可以同时操作2台执行器，并且能实时监测反馈状态，及时了解执行器的运行情况。在实验中，执行了动作到全开、全关、到指定位置及立即停止4个命令，达到了预期效果。在状态反馈中，常见的综合报警如电源掉电、电源缺相、阀位溢出、开关过矩、电机过热和电机失速等，都能在实验中准确反应出来[8]。
六、结论
本文介绍了适用于电动执行机构的PROFIBUS-DP接口卡，成功地接入PROFIBUS总线网络，达到了控制和反馈的预期目标。实验证明STC89C51单片机的性价比较高，能够满足DP卡的通信要求。开发过程也证明利用SPC3专用芯片进行从站开发，能使开发简化，节省时间和人力。由于工厂工作的连续性，有必要进一步开发冗余的DP卡，以保证通信的可靠性，同时也便于检修。目前来说，分散控制系统（DCS）已经比较成熟，而现场总线控制系统（FCS）自身还存在一些局限性，但是，从长远来看，总线在经济性、精确性、开放性、灵活性和可维护性上，都有很大的优势。因此，开发总线产品具有广阔的市场前景。
