ProfibuS-DP/Modbus协议转换模块的研究与设计

摘要

计算机技术和微电子技术的快速发展，在很大程度上推动了工业自动化的进程，各厂商的生产效率也因此得到了迅速提高。伴随着工业控制的要求不断提高，原有的集散控制系统在很多情况下难以满足生产需求，现场总线技术正是在这种背景下应运而生。由于自身的诸多优点，现场总线迅速赢得了各大公司和厂商的青睐。但在快速发展的同时，也出现了一些新的问题:有能力的企业不断推出自己的总线标准，而且各有优点，但彼此之间的不兼容给用户带来了极大的不便。
　　因此，不同总线设备的系统集成逐渐成为又一个研究热点，本文的设计也是基于这一背景提出的。在查阅大量相关著作的前提下，本文选择了应用广泛的两种现场总线标准Modbus以及Profibus-DP作为研究方向，设计了一款基于STM32微处理器的Profibus-DP/Modbus协议转换模块。通过它可以将Modbus从设备方便地接入Profibus-DP网络，这不仅解决了Modbus组网能力不强的问题，同时也缩短了工程周期，降低了系统更新换代的费用。
　　在现有的Profibus-DP从站的设计方案中，大部分采用专用协议芯片完成，而这些芯片大多由国外企业生产，不仅价格昂贵，给生产商带来很大的成本压力，而且对我国的总线事业的发展有一定的阻碍作用;同时选择专用协议芯片设计，降低了模块使用的灵活度。鉴于以上原因，本文采用了软件方案来完成协议转换模块中DP从站侧的开发。
　　考虑到工业现场的复杂情况以及生产控制的严格要求，本文从软硬件两方面对协议转换模块的可靠性和实时性进行了设计。在硬件设计方面，系统采用了稳定性及性价比很高的STM32系列的微处理器，使数据传输速率可以达到1.5Mbps，较以前的软件设计有很大提升;同时在接口设计时采用了具有隔离功能的驱动芯片，以此来减少现场信号对系统的影响。在软件设计方面，DP从站侧使用DMA功能进行串口收发，使得微处理器可以节省出时间去处理其他事务;在模块内部采用了单缓冲区的设计，以此来保证系统使用的都是当前的最新数据;对数据处理过程中可能发生的异常情况的分析，采用了中断机制来保证系统能及时作出响应;另外，在对各种波特率自适应算法综合对比后，采用了耗费资源少的穷举法来对可能的波特率变化进行及时的响应，来保证数据接收的正确性。
　　最后，借助西门子公司的S7-300系列PLC作为Profibus-DP主站，串口调试工具commix模拟Modbus从站设备，STEP7软件作为组态工具搭建了模块测试平台。测试结果表明:本文设计的转换模块能够较好地实现系统设定的各项指标，正确高效完成Profibus-DP与Modbus数据的转换，具有一定的研究价值和推广意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 现场总线概述

1．2．1 现场总线简介

1．2．2 现场总线的特点及优点

1．2．3 现场总线的研究现状及发展趋势

1．3 现场总线协议的集成化研究现状

1．4 课题的主要研究内容

1．5 论文章节安排

第二章 相关总线协议研究

2．1 Modbus总线协议介绍

2．1．1 Modbus协议概述

2．1．2 Modbus通信原理

2．1．3 Modbus协议数据传输方式

2．1．4 Modbus功能码介绍

2．2 Profibus总线协议介绍

2．2．1 概述

2．2．2 Profibus通信系统及通信机制

2．2．3 Profibus的总线时序关系

2．2．4 Profibus数据链路层服务功能介绍

2．2．5 Profibus报文帧介绍

2．2．6 GSD文件介绍

第三章 系统的整体设计及硬件设计方案

3．1 系统整体设计方案选择

3．1．1 转换模块的工作原理及系统结构

3．1．2 网关的设计方案选择

3．2 系统硬件设计方案介绍

3．2．1 转换模块硬件结构图

3．2．2 转换模块硬件电路设计

3．2．3 硬件电路设计小结

第四章 协议转换模块的软件实现方案

4．1 协议转换模块主程序设计

4．2 串口通讯程序的实现

4．2．1 串口通讯方式介绍

4．2．2 Modbus主站侧串口收发程序

4．2．3 DP从站侧串口收发程序

4．3 波特率自适应算法介绍及实现

4．3．1 码元宽度实时监测算法

4．3．2 分段特征值匹配算法

4．3．3 八倍频匹配算法

4．4 DP从站功能程序设计

4．5 Modbus主站程序的实现

4．6 通信程序的实现

4．7 GSD文件编写

第五章 协议转换模块的测试与分析

5．1 测试平台介绍

5．2 实验步骤

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在校期间发表论文