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1、变频装置高速智能PROFIBUS通信接口模块的开发梁涛,宋利杰,孙鹤旭,马爱龙(河北工业大学 电气与自动化学院,天津300130)摘要:为了将变频器接入PROFIBUS总线,实现现场总线的运动控制,采用模块化的设计思想,为所开发的永磁同步电动机数字交流伺服控制器设计开发了高速智能PROFIBUSDP通信接口。该模块采用西门子专用协议芯片SPC3实现PROFIBUSDP主从站之间的串行数据通讯,由双口RAM实现模块与智能控制器之间的高速并行数据通信。实验结果表明,运用该模块可使变频控制器作为从站接入PROFIBUSDP总线,实现了与主站可靠、高速的通信,而且通用性较好。关键词:现场总线;变频器;
2、双口存储器;协议芯片中图分类号:TP29 文献标识码:ADevelopment of PROFIBUS2DP Communication Interface for the ConverterLIANG Tao,SONGLi2jie,SUN He2xu,MA Ai2long(Institute of A utomation,Hebei University ofTechnology,Tianjin300130,China)Abstract:To connect converter to PROFIBUS,achieving motion control via fieldbus,by usin
3、g modular de2sign concept,a high2speed and intelligent PROFIBUS2DP communication interface board was designed and de2veloped for the controller of a PMSM.In this board,a SIEMENS protocol chip SPC3 is adopted for high2speedserial data communication between PROFIBUS2DP master and slave stations.And a
4、DPRAM is used for paral2lel data exchange between the modular and the intelligent controller.It is proved that the converter with thisboard can connect to PROFIBUS2DP as a slave station and achieve reliable high2speed communication withmaster stations.Key words:fieldbus;frequency converter;dual port
5、 RAM;protocol chip 作者简介:梁涛(1975-),男,讲师,Email:liangtao PROFIBUS总线标准基于ISO/OSI开放系统通信模型,是全球范围内唯一能够以标准方式应用于几乎所有领域并贯穿整个过程链的现场总线1,既可以无缝集成HART设备,保护用户的长期投资,又可以安全地用于危险区域。PROFIBUS由3部分组成2:PROFIBUSDP,PA和FMS,其中PFOFIBUSDP是一种高速低成本通信连接,用于设备级控制系统和分散式I/O通信,它的实时性好,数据传输速率9.6kbit/s12 Mbit/s,响应时间为几百s到几百ms,数据传输技术采用RS485,传输
6、介质是可屏蔽双绞线或光纤。通过PROFIBUSDP现场总线可将控制延伸到生产现场,可进一步提高控制系统的实时性和可靠性,还可使系统的安装、调试和维护都很方便。这种被誉为工业控制器的局域网的新型控制模式正逐步广泛地应用在各个工业领域1。目前国内外的新型智能变频调速装置除了具有标准的RS485接口,还至少配有一种高速的现场总线接口,可以与上级控制计算机或PLC进行通信,实现在线位置、速度等信号检测、采集与控制等,可以获得更多的诊断、维护和管理信息,而传输信息的线缆却大大减少了。目前国内开发的一些PROFIBUSDP从站接口大多不具有通用性3,而且通信速率比较低,不适宜在运动控制器和变频调速装置中的
7、应用和推广,为此本文描述专为变频智能调速装置研制的具有高速PROFIBUSDP通信功能的通用接口模块,从而使智能变频调速装置快速接入西门子自动化工业网络中,实现与DP主站的高速数45电气传动 2008年 第38卷 第2期ELECTRIC DRIVE2008Vol.38No.2据通信。适应了工业控制系统向分散化网络化和智能化发展的方向,推广了PROFIBUSDP应用,具有较大的实际工程意义。1 总体结构设计笔者在原开发的全数字交流伺服系统上进行模块化扩展4,5,可使其作为DP从站接入PRO2FIBUSDP通信网络,实现高速数据通信。调速控制系统由永磁同步电动机和惯性轮同轴连接而成,电机为1.6
8、kW的M205B型永磁同步电动机,惯性轮是等效转动惯量为3.0810-2kgm2的钢质圆盘。控制电路总体硬件结构如图1所示,由DSP控制板,功率板,PROFIBUS接口模块3部分组成。功率板主回路为三菱公司的IPM智能功率模块PM15RSH120。DSP控制板以TMS320LF2407A微处理器为核心,还包括DSP外围电路,外部控制信号输入调理电路,测量信号调理电路,显示按键驱动电路。DSP与PROFIBUS智能接口板的CPU之间采用传输速度较高的并行总线进行通信,下面主要介绍采用SPC3的PROFIBUSDP通信模块的软硬件设计和实现。图1 具有PROFIBUSDP接口的变频调速装置示意图F
9、ig.1The schematic diagram of frequency converterwith PROFIBUSDP interface2 接口模块硬件设计我们为电机驱动控制器所设计的PROFI2BUSDP从站通信接口板(以下简称接口板)由高速CPU芯片、PROFIBUS协议芯片SPC3及双口RAM接口等电路组成。电路如图2所示。2.1 核心微处理器接 口 板 微 处 理 器 选 用Philips公 司 的P89C51RD2高性能单片机,在6时钟周期时频率图2PROFIBUSDP高速接口硬件原理示意图Fig.2The diagram of hardware principle of
10、high speedPROFIBUSDP communication module可高达20 MHz(相当于40 MHz),内含并行可编程的非易失性64k flash EPROM,这样就无须外扩EPROM,简化了外围电路,提高了系统的抗干扰能力。通过同步串行接口线外接一片串行E2PROM,用来保存用户所设置的参数、站地址、识别号、CFG报文、PRM报文、SSA报文、输入数据输出数据的长度等控制器的各种参数值,以避免掉电时数据丢失。电源监视芯片有硬件看门狗功能,主要完成上电复位,电源波动复位和程序出错复位。微处理器的64 k数据存储空间通过地址锁存器、PLD器件实现的译码器划分为4段:0000H
11、-7FFFH(32 k)用于可读写静态存储器SRAM,8000H-9FFFH(8 k)用于SPC3控制器(实际只用8000H-85FFH的1.5 k),A000H-BFFFH(8 k)用于双口可读写存储器DPRAM(实际只用A000H-A800H的2 k),剩余16 k预留给从站设置拨码开关和工作状态指示灯,以增强人机交互功能。这样各芯片的寄存器就映射到数据空间中,在微处理的控制下协同工作。2.2PROFIBUS总线接口主要包括PROFIBUSDP协议处理芯片SPC3,用于PROFIBUSDP从设备的智能通信,起到PROFIBUSDP协议处理器的作用,可独立完成全部PROFIBUSDP协议的通
12、信功能,从而加速通信协议的执行,承担了部分微处理器负载,实现DP从站通信处理3。其内部集成有1.5 k的RAM,整个空间被分为192个段,每段长8个字节,包括:方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器及各种缓冲器指针和缓冲区等。SPC3可以通过配置2个输入引脚XINT/MOT和MODE与各种类型的处理器匹配。55梁涛,等:变频装置高速智能PROFIBUS通信接口模块的开发电气传动 2008年 第38卷 第2期XIN T/MOT表示Intel和Motorola芯片类别。接口板CPU芯片选用了与Intel 8051兼容的高性能单片机,因此设置SPC3工作在Intel异步工作模式下。微处理器通过系统数据、
13、地址总线与SPC3相连,由于异步模式下SPC3有地址锁存功能,因此,复用的低8位地址线与数据线跨过外部地址锁存器,直接与SPC3的DB7DB0相连,在ALE信号的下降沿进行锁存。将SPC3的1.5 k寄存器配置在指定地址空间,微处理器对指定寄存器的读写就可执行相应操作。SPC3的方式寄存器0设置PROFIBUSDP的操作方式。方式寄存器1设置可动态改变的状态。在SPC3芯片内部,将微处理器的并行数据变换成串行数据流发到总线上,同时将从总线上收到的串行数据流变换成并行数据流,以中断形式通知MCU。SPC3可以产生的中断源包括New_SSA_Data,New_Prm_Data,Dx_out,New
14、_cfg_Data,New_Gc_Command等,有一个公共的中断输出,引到相应微处理器的中断输入,产生中断时微处理器可以通过读取中断寄存器来判断SPC3中断的具体原因。SPC3具有3个输入缓冲器,3个输出缓冲器,2个诊断缓冲器,2个辅助缓冲器,1个配置缓冲器,1个参数缓冲器和一个地址设置缓冲器。在SPC3工作前,过程特定的参数(如站首地址,标识号,各种控制位等)要输入到特定的寄存器单元之后SPC3才能正常工作。总线驱动器以及电器隔离部分的作用,主要是为了减少外部PROFIBUS总线信号对系统内部电路的干扰,在总线驱动器和SPC3控制器之间加有高速光电隔离,它的最高速度可达12 M,利用它可
15、以在隔离的状态下保证系统高速可靠通信。与内部电路隔离的PROFIBUS驱动器的供电由高效率的DC/DC变换器完成。2.3 双口RAM芯片在接口板模块和变频调速控制器之间,采用一个2 k字节的双口RAM,来实现两微处理器之间的高速重复不需握手的数据交换。双端口RAM具有两套独立的地址、数据及读写控制线,可同时分别与两个不同的CPU相连,在本模块中一套总线与接口板MCU相连(起始地址配置于0 xA000),另一套总线通过标准并行接口与变频器DSP相连,作为一个2 k RAM允许两微处理器独立地对不同存储区寻址,只有在两个端口对同一个存储单元同时进行访问时才需要进行必要的协调控制,大多数双口RAM都
16、提供了中断、信号量、READY信号等手段来避免双方同时访问同一存储单元,这样可使系统传输速度和效率提高50%。采用这种芯片,使得电路设计简化,集成度高,数据交换更快速、可靠。需要指出的是这种采用标准并行接口的设计增加了PROFIBUS接口板的通用性,可以通过简单扩展,使其作为RAM嵌入到大多智能仪表设备中,从而具有PROFI2BUSDP通信的功能。这种模块化软硬件设计和扩展方式具有通用性,可以推广应用到其它总线,如Device net,Ethernet等,使已开发的智能控制设备无需硬件改动和软件编程,只更换接口模块就可接入其它总线。3 通信接口软件设计接口板软件的主要模块及其之间的调用关系如图
17、3所示,左侧虚线框内为DPRAM软件模块,右侧虚线框为SPC3软件模块,中间是MCU的主循环模块,程序运行的驱动源是两个中断服务例程(ISR)。图3 数据交换状态下接口板的程序流程图Fig.3The flow chart of interface board processduring data2exchange由于SPC3芯片集成了PROFIBUSDP协议,能处理PROFIBUSDP状态机,P89C51RD2处理器只需要对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种报文的处理,其中对SPC3的初始化非常重要,分配从站参数和从站地址设定中断事件的中断程序;根据组态数据计算输入输出长度,辅65电气传动
18、 2008年 第38卷 第2期梁涛,等:变频装置高速智能PROFIBUS通信接口模块的开发助缓冲区分配,缓冲区初始化,设置I/O数据长度等。在从站中,除了诊断报文外,其它报文都在P89C51RD2中断事件中进行处理。接口模板的初始化报文(发送、接收)固定长度49字节;接口板与控制器之间数据交换报文(发送、接收),长度在初始化报文中设定,最大为256字节;PROFIBUS输入/输出数据量可自由设定,最大224字节输入和224字节输出。DPRAM驱动程序主要完成MCU和DSP之间的数据交换工作。为了使数据交换高效、顺利地进行并且能避免双方对DPRAM的读写冲突,对2 k双端口RAM内存单元进行了合
19、理的定义,并规定了它们的访问权限,如表1所示。表1DPRAM 2 k存储空间分配表Tab.1The distribution of the storage space of DPRAM地址变量及功能DSP权限MCU权限0000FFSLAVE_CFG0.256P2ROFIBUS从站配置参数读写只读0 x1002FFSend_BUF0.499发送缓冲区读写只读0 x3004FFRec_BUF0.499接收缓冲区只读读写7FASend_H发送缓冲区头指针读写只读7FBSend_T发送缓冲区尾指针只读读写7FCRec_H接收缓冲区头指针只读读写7FDRec_T接受缓冲区尾指针读写只读7FEDSP_In
20、t DSP中断只读读写7FFMCU_Int单片机中断读写只读Send_Buf和Rev_Buf配合Send_ H,Send_T,Rev_ H,Rev_ T组成了两个FIFO循环缓冲队列,其目的是缓解CPU速度的不匹配,提高数据传输效率。用户DSP程序的编写是在原PMSM控制程序的基础上添加PROFIBUSDP接口驱动扩展而成,这主要是对DPRAM的初始化和访问,可以通过中断或轮询的方式实现。因为本系统对实时性要求严格,本文采用中断方式进行输出数据和诊断数据处理。4 高速PROFIBUSDP总线通信的实现 接口板制作完成后,笔者搭建了PROFIBUSDP单主网络环境并进行了测试。通过该模块,将变频
21、控制器作为从站接入PROFIBUSDP总线,主站是安装有PROFIBUS通信网卡CP5611的PC机,它通过屏蔽双绞线可以和多台装有此类接口的变频控制器相连。针对系统从站的配置,采用COM PROFIBUS软件对系统进行组态,编辑相应的GSD文件,编译后下载到主站单元中。用上位机监控软件进行测试,结果表明PC机主站与从站的通信速率最高可达12 M,响应时间由ms级缩短到s级。利用PC机采集到的永磁同步机的速度信号,绘制了曲线图如图4所示。图4 上位机通过PROFIBUS监控的电动机速度曲线Fig.4The speed curve of motor under PROFIBUS supervis
22、or实验证明,本文针对同步电机驱动控制器所设计的PROFIBUSDP从站通信接口,具有很强的实用性和通用性。不仅提高了信号的传输精度、速度、可靠性和抗干扰性,而且降低了系统成本,方便安装、调试、维护及功能扩展。可广泛应用于工业控制各个领域。此外,设计PROFIBUSDP从站通信接口有利于我国自主研发具有PROFIBUS通信功能的智能从站设备,对推动国内现场总线在传动行业的发展应用,加快与国际接轨,增强企业竞争力具有积极的作用。参考文献1 阳宪惠,金以慧.企业网络系统中的现场总线技术J.自动化与仪表,1998,13(1):1-72 张志峰,王坚,赵静.现场总线ProfibusDP主从站数据交换探讨J.低压电器,2004(4):35-373 孙鹤旭,包致远,董砚,等.采用步进控制方法的永磁同步电动机数字实现J.电气传动,2006,36(3):23-254 董砚,孙鹤旭,包致远,等.基于矩角控制的永磁同步电动机位置控制系统J.电工技术学报,2006,21(1):87-925 魏亮,宋立群,许剑勇,等.ProfibusDP现场总线从站通信接口的开发J.低压电器,2002(5):39-41收稿日期:2007201219修改稿日期:200720921975梁涛,等:变频装置高速智能PROFIBUS通信接口模块的开发电气传动 2008年 第38卷 第2期