基于PROFIBUS现场总线技术的产品设计与开发

摘要

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的，它是安装在生产过程区域的现场设备(或仪表)与控制室内的自动控制装置(或系统)之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。 在现有的各种现场总线标准中，PROFIBUS现场总线因具有通信实时性强、高传输率、低成本、拓扑结构灵活多样、冗余性强、适于各种工控领域等优点而得到广泛应用。PROFIBUS包括PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三个系列，其中用于设备级控制系统与分散式I/O通信的PROFIBUS-DP是市场占有率领先的总线技术。 目前市场上PROFIBUS产品主要是西门子、ABB等国外公司提供的，PROFIBUS-DP接口产品的开发相对比较容易，目前在国内有一些企业已经开发出PROFIBUS-DP接口产品，PROFIBUS-PA总线产品的开发相对比较困难，所以国内市场上的PROFIBUS-PA总线接口产品都是由国外引进的，价格昂贵，也有一些企业正着力于PA产品的开发。由于DP与PA的协议不同，需要利用耦合器进行转换，目前国际上应用的耦合器主要是ABB、德国P+F倍加福的成品，但价格昂贵。国内，尚未有人进行耦合器的开发。因此本课题的研究及时填补了一种有极大市场潜力的研究领域，对自动化控制领域技术进步和缩小与国外技术水平的差距，对提高我国在自动化领域的国产化率等具有重要意义。 本文从分析PROFIBUS现场总线的技术特点和优势、基本特性、协议组成，以及PROFIBUS的传输技术入手。对PROFIBUS-DP与PROFIBUS-PA进行了详细的研究。 首先详细研究PROFIBUS-DP，PROFIBUS-DP采用RS-485传输技术:数据编码采用不归零码(NRZ)，每八位二进制数(<1字节)按11位的顺序被传输，补充了开始位、终止位和奇偶校验位。分析PROFIBUS-DP的基本功能及扩展功能、设备类型、数据通信、系统配置、报文传输分析等。 接着深入研究PROFIBUS-PA关键技术:物理层使用IEC61158-2传输技术，这是一种位同步协议，采用曼彻斯特双向L码编码方式提高了总线通信的可靠性；传输数据遵循使得现场设备可以实现互操作性的PA行规；介绍PA通信特性。 本文重点是耦合器的开发设计，首先了解耦合器的功能及原理，对目前市场上存在的智能协议芯片进行研究分析，提出了选用智能芯片DPC31进行产品开发的思路，对DPC31内部机制进行研究，利用DPC31和51单片机进行耦合器的开发，实现协议的转换(数据编码:NRZ与曼彻斯特码的相互转换；波特率的改变)。论文提出了一种可行性的方案。 最后，本文对课题的研究工作进行了总结，并对耦合器的开发提出了进一步的研究方向和方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概论

1.1课题来源及论文主要内容

1.1.1问题引入

1.1.2课题主要任务

1.2 PROFIBUS现场总线概述

1.2.1 PROFIBUS现场总线

1.2.2 PROFIBUS基本特性

1.2.3 PROFIBUS协议结构

1.2.4传输技术

1.2.5 PROFIBUS总线存取

第二章PROFIBUS-DP现场总线技术

2.1 PROFIBUS-DP的基本功能

2.2 PROFIBUS-DP扩展功能

2.3 PROFIBUS-DP设备类型

2.4 DP设备之间的数据通信

2.4.1 DP通信关系和DP数据交换

2.4.2初始化阶段，重启动和用户数据通信

2.5系统配置

2.6物理层传输方式及数据链路层服务的实现

2.6.1物理层传输方式

2.6.2数据链路层服务的实现

2.7 PROFIBUS-DP报文传输分析

2.7.1 PROFIBUS-DP报文结构

2.7.2 PROFIBUS-DP报文通信的基本顺序

2.7.3系统响应时间

2.8 DP从站状态机的实现

第三章PROFIBUS-PA现场总线技术

3.1实现IEC1158-2传输技术

3.2实现PROFIBUS-PA设备行规

3.2.1 PA通信特性

3.2.2应用特性

3.2.3功能块

第四章耦合器的研究

4.1 PROFIBUS-DP与PA的连接

4.2耦合器的原理

4.3智能协议专用芯片

4.3.1主设备的ASIC

4.3.2智能从设备ASIC

4.3.3带有处理器内核的从设备ASIC

4.3.4简单从设备ASIC

4.3.5 ASIC芯片的关键内核----SIM1

4.4 DPC31简介

第五章耦合器的设计

5.1串行总线接口

5.1.1异步物理单元

5.1.2同步物理单元(曼彻斯特)

5.2地址定位

5.3 DP数据BUFFER结构分配

5.4同步串行接口(SSC接口)

5.4.1 DPC31中SSC接口单元

5.4.2 SSC接口工作原理

5.5 DPC31的中断处理

5.6软件设计

5.6.1主程序设计

5.6.2中断程序设计

5.7系统配置

5.8 GSD文件简介

5.8.1 GSD文件的组成

5.8.2 GSD文件格式

第六章总结

致谢

参考文献：

附录(攻读学位期间发表的学术论文及参与研究的项目)