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基於PROFIBUS—PA通信接口的智能電磁流量計設計

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-02-04 10:50

0 引言
    工業現場有時需要將電磁流量計直接接人工廠低層網絡並具有智能功能,傳統的電磁流量計輸出的多是模擬信號,流量計和控製係統之間的長距離傳輸會帶來幹擾並引入誤差,降低測量精度,而且不能和數字控製係統直接匹配。PROFIBUS—PA是PROFIBUS對過程自動化的解決方案,它將自動化係統和過程控製係統與壓力、溫度和流量等現場設備連接起來。使用PROFIBUS.PA時,隻需一條雙絞線就可傳送信息,同時進行測量、控製和調節,這樣不僅節省成本而且可減少過程控製係統所需的輸入/輸出模塊數量。它允許設備在操作過程中進行維修、接通和斷開,即使在潛在爆炸區也不會影響其他從站。
1 具有PROFIBUS-PA接口的智能電磁流量計的組成
    本文所開發的智能電磁流量計由傳感單元、信號轉換單元、微處理器單元和網絡接口單元組成,硬件設計結構框圖如圖1所示。傳感單元由勵磁電路、電磁感應信號采集和信號調理(包括信號放大和降噪處理)電路組成;信號轉換單元主要包括AD轉換器和數字信號處理器;微處理器單元是一個ARM處理器,主要完成數據的處理,包括流量計算、數據存儲、非線性補償、自診斷、數據輸入輸出調度(包括本地數據顯示和外部輸入輸出數據控製等);網絡接口單元是實現測量到信息無縫接入網絡的關鍵,這裏采用西門子ASIC協議芯片SPC4和SIM1.2實現PROFIBUS—PA總線協議。
圖1 硬件設計結構框圖
    圖1 硬件設計結構框圖

2 網絡接口的硬件和軟件設計
2.1 硬件設計
    PROFIBUS.PA總線接口主要由從站智能芯片SPC4、調試解調器芯片SIM1.2和ARM芯片組成,如圖2所示。
圖2 網絡接口硬件結構框圖
    圖2 網絡接口硬件結構框圖
    本文選用的ARM芯片是一款基於32位ARM7DMI-S內核的高性能單片機,帶有256 K字節嵌入式高速FLASH存儲器,具有外部存儲器控製器,該控製器可同時支持多達4個單獨配置的存儲器組,每個存儲器組都支持SRAM、FLASH、ROM或外部IO器件。本設計在ARM芯片的外部存儲器接口的BANK0上使用SPC4,8位總線方式,數據總線使用了DO~D7,地址總線使用了A1~A10,SPC4的複位信號用ARM 的GPIO實現,片選和讀寫使能引腳接到ARM 的外部存儲器控製器的片選和寫使能引腳上。
    從站智能通信芯片SPC4,集成了PROFIBUS.PA的物理層和鏈路層的完整協議,能自動檢測波特率(從9.6 kbit/s一12 Mbit/s),有專門的接收發送器進行串並轉換,還包括曼徹斯特編解碼器和CRC校驗,由於該芯片具有低功耗管理係統,因此特別適用於本征安全場合。SPC4具有1.5 Kbyte的信息報文存儲器,采用44管腳的PQFP封裝,最大的數據傳輸速率為31.25 kbit/s。SPC4上電後自動執行PROFIBUS.PA從站狀態機,負責將PROFIBUS-PA總線傳來的數據解析,並通過外部中斷通知ARM,同時將ARM傳來的數據打包,通過SIM1.2上傳給PROFIBUS.PA總線,從而將電磁流量計的數據傳送到主站並接收來自主站的數據。SPC4電路原理圖如圖3所示。
圖3 SPC4電路原理圖
    圖3 SPC4電路原理圖

    SIM1-2芯片是西門子公司開發的一種MAU芯片,能吸收總線上附加電源電流並具有高阻特性,通過總線供電,數據傳輸符合IEC61 158.2的曼徹斯特編碼技術。其電路原理圖如圖4所示。該芯片支持PRO—FIBUS.PA的傳輸技術,支持的通信為31.25 kbit/s,具有低功耗管理係統,它自身的電流損耗非常小。由於SIM1—2芯片自身電源電流隻能從PA總線上獲取,最大為50 mA,而電磁流量計設計中輸出顯示和勵磁再加上模擬量輸出的電流消耗以及各芯片的電流消耗很大,單從總線上獲取滿足不了要求,這就需要把供電電路分成兩個部分,SIM1.2部分電路通過PA總線上獲取電流,其他電路全部由外部電源供電,因而在SPC4和SIM1-2之間的三線通信線路需要光耦隔離。
圖4 SIM1—2電路原理圖
    圖4 SIM1-2電路原理圖
2.2 軟件設計
    簡單來講PA 協議就是DP 協議加上符合IEC61158.2的現場設備行規構成的,所以PA使用DP的基本功能傳輸測量值和狀態,使用DP擴展功能對現場設備設置參數及操作。大部分DPVO和DPV1狀態機製已經集成在SPC4芯片內部,需要由ARM單片機完成芯片的初始化、數據緩衝區的讀寫與交換以及中斷處理,同時需要軟件實現V1非循環通信與PA行規參數內容的結合。PROFIBUS—PA從機軟件設計必須要滿足的要求是:在PLC或PC等主站與該從站進行通信時,必須盡可能簡單而快速地完成實時循環數據傳輸,為此采用中斷方式處理數據交換。
    PROFIBUS—PA總線通信模塊程序主要包括兩部分:PA接口控製器SPC4的初始化和中斷處理程序,主程序循環流程如圖5所示。
圖5 主循環程序流程
    圖5 主循環程序流程

2.2.1 SPC4的初始化程序
    在SPC4正常工作之前,需要進行初始化,以配置需要的寄存器,包括設置協議芯片的中斷允許、寫入從站識別號和地址、設置SPC4允許的中斷、設置方式寄存器、設置診斷緩衝區、參數緩衝區、配置緩衝區、地址緩衝區、初始長度,並根據以上初始值得出各緩衝區的指針和輔助區的指針,根據傳輸數據的長度確定輸出緩衝區及指針。
    初始化程序流程如圖6所示,先是設置內部中斷使能、內部看門狗參數、地址和標識號,其中包括SPC4中斷寄存器和模式寄存器的設定、看門狗定時器的設定、SPC4從站地址信息的設置等;其次是對SPC4寄存器中的變量名稱的設定,其中包括有關進入數據交換狀態的設定和退出數據交換狀態的設定;然後是診斷緩衝區、配置緩衝區、參數緩衝區和輔助緩衝區的長度和指針的設置;最後設置輸入數據、輸出數據緩衝區的長度和指針。其中某些參數的設定要與GSD文件相符。完成以上工作後,就可以啟動SPC4,從而完成SPC4的初始化工作。
圖6 初始化程序流程
    圖6 初始化程序流程

2.2.2 中斷處理程序
    ARM對SPC4的調度是通過中斷實現的,係統主程序通過響應SPC4的各種中斷輸出來處理數據的通信,SPC4有一個能報告所有有關通信事件的公共中斷輸出端,ARM 程序檢測到此外部中斷後,通過讀取SPC4內部的中斷寄存器來判斷中斷類型。SPC4共有16個中斷事件,包括新的參數報文事件、新的組態報文、數據交換、發送診斷、新從站地址、進入或退出數據交換等,ARM單片機根據中斷寄存器的狀態對SPC4接收到的網絡上主站發送的數據進行轉存,並根據要求組織外部診斷等。中斷程序流程圖如圖7所示。對於循環的數據交換,主站循環發送請求與從站進行數據交換。
圖7 中斷程序流程
    圖7 中斷程序流程

    對於非循環數據通信,分為兩種,一種是與一類主站的通信,它實現了數據讀寫和從站的報警功能,其數據的交換不一定是在一個循環周期內完成的,通信過程是:主站發出數據讀取請求後,從站返回一個短確認報文,在下一個周期,主站對該從站就上一個周期的請求進行輪訓,直到從站返回響應報文。另一種是與二類主站的通信,它不像一類主站有一個上電初始化的過程,通過這個過程包括參數的設置、組態和診斷來識別屬於它的從站,二類從站沒有這個過程,所以在和從站進行數據交換之前,必須先初始化數據通道,二類主站發送初始化請求報文,從站收到報文後馬上回複響應報文並提供空閑的SAP,主站用新的SAP進行初始化輪詢,直到從站給出初始化響應報文,打開SAP進行數據交換,數據交換結束後,主站發送退出報文,從站給予短確認應答。
3 GSD文件編寫
    為了能夠使全世界不同廠家製造的不同設備集成到同一個控製係統中,其所要解決的關鍵是設備之間的互操作性及設備之間順利通信的問題。PROFIBUS組織定義的電子設備數據單GSD文件就是解決這個問題的方案,它明確定義了設備的生產廠商,所支持的通信協議及傳輸速率等。DPV1從站與DPV0從站相比,額外支持在主站和從站之間的非循環數據交換,DPV1從站可用於讀取和寫人數據記錄,以實現對處於運行模式下的從站進行參數的重新分配,此外,DPV1從站可以設置報警,確保主站CPU能處理報警觸發事件。在GSD文件中對於周期性訪問,比如瞬時流量和累計流量,用Module定義的數據結構來做周期性數據交換;對於非周期性訪問的數據,比如對從機的設置等,可以根據功能的劃分定義一些slot.每個slot是一組功能關聯緊密參數的集合。當進行PROFIBUS網絡係統組態時,通過載入這個設備的CSD文件,可以很容易地把不同製造商的設備組態到PROFIBUS網絡中。
4係統測試
    為了對設計的PROFIBUS-PA現場總線接口模塊進行驗證,需要搭建相應的測試係統。采用西門子的PLC400作為一類主站,與設計的PROFIBUS-PA現場總線接[J模塊進行通信測試。測試通信時,應先完成主、從站之間的循環數據通信,成功後逐步實現各類非循環數據通信。使用SIMATIC MANAGER T程工具加載每個PA設備的CSD文件,經配置後下載到PLC400即可實現PA的基本功能,組態後的界麵如圖8所示。
圖8  在SIMATIC MANAGER中的硬件組態
    圖8  在SIMATIC MANAGER中的硬件組態
    在DP接口屬性中設置DP主站的模式為DPV1,才可以使用非周期性訪問來設置儀表參數。PLC400作為一類主站,實現的總線訪問協議包括主站間的循環令牌環、主從站間的主從協議。PLC在一個限定的時間內對總線有控製權,從站隻是響應主站的請求,它對主站沒有控製權。PLC主站完成總線通信控製和管理,完成周期性數據訪問,二類主站完成非周期性的數據訪問,如數據讀寫、係統配置、故障診斷等,二類主站包括操作員1=作站、編程器等。圖9為在SIM ATICMANAGER中和PLC聯機在線讀取流量的界麵。
圖9在SIMATIC MANAGER中的硬件組態
    圖9在SIMATIC MANAGER中的硬件組態
5結語
    本文設計的電磁流量計PROFIBUS-PA接口模塊,克服了傳統電磁流量計在數據傳輸和組網等方麵的不足,改變了傳統流量計與特定測控設備點到點的連接方式,使流量計能方便地接入到工廠低層現場總線網絡,數據傳輸快速而且可靠性高,顯著減少了現場布線的複雜程度和維護工作。

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