PROFIBUS-DP现场总线智能节点的设计

论文摘要

现场总线是随着数字通信、计算机、自动控制、网络、智能仪表和模块化集成等多种技术发展而出现的一门新兴技术,它是用于现场仪表与控制器之间的一种全分散、全数字、智能、双向、互连、多变量、多接点的串行通信技术,基于现场总线技术的现场总线控制系统（FCS）已经成为自动控制发展的趋势。PROFIBUS- DP现场总线主要用于现场设备之间的通信,有较高的实时性。PROFIBUS-DP现场总线智能节点能将DCS所用的标准信号连接到FCS系统上,实现FCS与DCS的无缝集成,因此PROFIBUS- DP现场总线智能节点的应用具有广阔的发展前景。本文在研究PROFIBUS-DP现场总线基本理论和从站工作状态机制的基础上,提出了PROFIBUS-DP智能节点的软硬件设计方法和该节点设备数据库文件的编写方法,并且搭建了以CP5611为主站,以智能节点为从站的硬件测试平台。该节点的硬件设计主要包括数据采集电路和PROFIBUS-DP通信接口电路。本文采用AT89S52单片机和西门子的SPC3协议芯片来完成现场总线通信接口的设计,数据采集部分将4～20mA的模拟信号转换为1～5V,并通过线性光电隔离器对信号进行隔离,经12位串行A/D转换器对现场信号进行数字化处理后,把数据采集到单片机的内存中。该节点的软件设计主要包括SPC3的初始化程序、SPC3的中断处理程序和数据采集程序,重点是SPC3的初始化程序和中断处理程序,初始化程序主要对SPC3内部64字节的寄存器进行配置,从而设置SPC3的工作方式以及确定输入、输出、诊断等缓冲器的大小和基址指针;中断程序完成新报文的处理。由上述子程序配合具体的应用程序完成了模块化的PROFIBUS-DP智能从站的设计。本文运用STEP7、WINCC和SIMATIC NET等组态软件对DP主站和从站进行软硬件组态,通过简单的单主站和单从站的PROFIBUS-DP现场总线控制系统,对开发的智能节点进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 现场总线控制系统的结构特点
• 1.2 现场总线的本质及发展趋势
• 1.2.1 现场总线本质
• 1.2.2 现场总线系统的发展趋势及国内外的发展状况
• 1.3 课题来源、研究目的、意义及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的及意义
• 1.3.3 主要研究内容
• 第2章 PROFIBUS-DP 现场总线及其通信协议的研究
• 2.1 PROFIBUS 现场总线
• 2.1.1 PROFIBUS 现场总线的分类
• 2.1.2 PROFIBUS-DP 的功能与特性
• 2.2 PROFIBUS-DP 系统工作过程
• 2.2.1 主站与从站的初始化
• 2.2.2 总线上令牌环的建立
• 2.2.3 主站与从站通信的初始化
• 2.2.4 用户的交换数据通信
• 2.3 PROFIBUS-DP 的通信模型
• 2.3.1 PROFIBUS-DP 的物理层
• 2.3.2 PROFIBUS-DP 的数据链路层
• 2.3.3 PROFIBUS-DP 的用户层
• 2.3.4 PROFIBUS-DP 的用户接口
• 2.4 本章小结
• 第3章 PROFIBUS-DP 现场总线智能节点的硬件设计
• 3.1 PROFIBUS-DP 现场总线智能节点硬件的总体设计
• 3.2 智能从站专用通信接口芯片SPC3
• 3.2.1 方式寄存器
• 3.2.2 中断寄存器
• 3.2.3 状态寄存器
• 3.2.4 看门狗定时器
• 3.2.5 SPC3 存储器结构
• 3.2.6 PROFIBUS-DP 接口
• 3.3 PROFIBUS-DP 节点电路的设计
• 3.3.1 CPU 与SPC3 的接口电路
• 3.3.2 SPC3 与RS485 的接口电路
• 3.3.3 数据采集电路
• 3.3.4 其他辅助电路
• 3.4 本章小结
• 第4章 PROFIBUS-DP 智能节点的软件设计
• 4.1 软件设计概述
• 4.2 DP 通信接口程序的设计
• 4.2.1 从站状态机的实现
• 4.2.2 SPC3 初始化程序
• 4.2.3 SPC3 中断处理程序
• 4.3 数据采集程序的设计
• 4.4 GSD 文件的编制
• 4.4.1 GSD 文件概述
• 4.4.2 本设计中PROFIBUS-DP 智能节点的GSD 文件
• 4.5 本章小结
• 第5章 PROFIBUS-DP 智能节点的测试
• 5.1 安装主站软件
• 5.2 使用 STEP7 完成系统配置
• 5.2.1 新建一个项目
• 5.2.2 在主站网卡上新建PROFIBUS 网络
• 5.2.3 Set PG-PC Interface 的设置
• 5.3 配置模拟的PC STATION
• 5.3.1 Simatic Net 的设置
• 5.3.2 配置虚拟的PC Station
• 5.3.3 下载硬件配置信息到虚拟 PC Station 中
• 5.4 组态系统的测试、监控界面
• 5.4.1 建立WINCC 项目
• 5.4.2 添加 PROFIBUS-DP 驱动
• 5.4.3 建立标签
• 5.4.4 组态监控画面并对智能节点测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢