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基于Profibus-DP的网络测量系统的研究 |
| 摘 要：随着企业信息化的开展，管理网络与底层控制网络实现无缝链接显得极为迫切和重要。以PC机和工作站为基础，通过组建网络来构成实用的测控系统，在网络上进行测试和数据采集，实现测试设备的远距离测试与诊断，使分散在不同地理位置不同功能的测试设备联接在一起，有利于提高生产效率和共享信息资源。基于PROFIBUS-DP协议的从站芯片LSPM2配以双端口RAM和微处理器，采用过程映像的方法，在内部存储区域中，划分I/O点的过程映像区，实现监控主站和底层I/O点之间的数据交换。为异构系统的数据交换模式进行了有益的探索。 关键词：PROFIBUS-DP; 液位测量; 双端口RAM 1 引言 网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使许多科学技术和生产领域发生了巨大的变革。网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测控新领域，两者的融合正使信息和控制两大领域的相关理论和技术得到迅速发展。工业现场测控网络正成为国内外研究的热点。 PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，系统配置的描述包括站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式以及所使用的总体参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与DP从站交换信息;二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的;DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。 2 系统结构 2.1 测控系统网络结构 系统有三层结构，最底层为数据采集与处理系统层，完成过程数据的液位、温度等数据的实时采集与处理，通过过程映像区与从站芯片实现过程数据的交换;中间层为过程的监控层，完成过程数据的统计、报表、安全监测等功能;最上层为企业的信息系统数据库，完成生产的调度与管理、库存统计与周转等功能。如图1所示。  图1 测控系统网络结构图  图2 从站结构示意图 2.2从站构成原理 2.2.1从站结构 基于PROFIBUS-DP协议的从站芯片LSPM2配以双端口RAM和微处理器实现了从站的测控和通信功能。其结构如图2所示。测控系统将传感装置的各种信号送入输入过程映像区，简单从站芯片定时读取输入过程映像区的过程数据;而简单从站芯片将来自PROFIBUS-DP主站的输出数据定时送至输出过程映像区，测控系统将输出映像区的数据读出并送至输出设备。 2.2.2从站芯片 LSPM2是西门子公司用于开发PROFIBUS-DP简单从站的专用芯片，支持PROFIBUS-DP协议。作为简单的PROFIBS接口模块，只需外接晶振片、复位电路、总线接口驱动装置、无需编写任何程序就可以实现简单的从站功能。主站经7层模型的第2层寻址LSPM2，当LSPM2收到无误的报文后，它会自动根据DIN E 19245 的第3部分产生所需求的响应报文。LSPM2的技术参数为：支持PROFIBUS-DP协议;最大传输速率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率;LSPM2采用80管脚PQFP封装;LSPM2具有集成的32I/O位（其中16个可诊断输入），8个诊断位;部分I/O可设置为输入或输出;集成的看门狗（WATCHDOG TIMER）;外部时钟接口24MHZ或48MHZ;5VDC供电。芯片构成的系统简单，无需辅助CPU，也不用专用开发包调试，是一种最简单而且成本最低的实现PROFIBUS-DP协议的协议芯片。其最大的优点在于开发周期短，产品成本较低，技术指标高，自主性强等。  图3 LSPM2内部结构图 LSPM2的参数输入是通过外接串行EEPROM或移位寄存器实现的。当采用EEPROM时，两个16位的字作为参数被存放在EEPROM内，地址分别为：00H和01H。字00H的第0～6位是从站地址，字01H是16位的设备识别码，数值在十进制的1～126中选择。如果超出范围，LSPM2自动将EEPROM设为126，并将检测位变为“0”。在启动或复位后，LSPM2从EEPROM中的00H，01H获得参数，并载入到内部的参数寄存器中。 LSPM2内部集成了EEPROM的控制单元，它能在内部产生一个读/写周期，将RD-EEPROM和WR-EEPROM两个标志位置位，并在外部相应的管脚上产生控制信号。读写周期的指令由9位组成，从EEPROM里串行读取。第一位是启始位（1），后2位是操作码，决定了读、写和擦除等操作，后面的6位是地址。除了EEPROM的方法外，还可以采用外接的移位寄存器的方式给LSPM2输入参数，此时芯片内部的移位寄存器可以独立产生用于控制移位寄存器的控制序列。数据通过外部移位寄存器串行传输到内部移位寄存器上并从内部寄存器的第23位开始在时钟的作用下向右移动。所传输的数据包括16位的设备识别码（ID number）和8位的从站地址。应该注意的是从站地址采用的是BCD编码，范围是十进制的1～99。芯片内部集成的移位寄存控制器是一个独立的部分。 2.2.3双端口RAM实现数据交换 单片机AT89C52和从站协议芯片LSPM2之间的数据交换是通过双端口RAM实现的。DS1609 是具有256 字节的双端口随机存取存储器, 它在一个存储器器件上连接了两个可异步操作的地址/数据总线, 两个端口都有各自独立的RAM 控制信号, 可以无限制地访问所有256 字节的存储单元。 芯片有两组对称的8位地址/数据线和三根控制线，双端口可以异步操作，输入和输出三态。引脚的A、B标识分别对应A、B两端口。分时操作方式，读写周期的前段为地址处理时间，后段为数据处理时间。未选中时，对应的端口呈高阻。 I/O点在DS1609的存储区域中形成自己的过程映像区。DS1609的存储区域按输入输出分为输入过程映像区和输出过程映像区。I/O点过程映像区在存贮区域的WORD0～WORD127范围内： （1）输入模块的数据可以分别被单片机AT89C52写入和LSPM2读取数据。 （2）同理，LSPM2和单片机可以分别向输出模块写入和读取数据。  图4 DS1609 读周期的工作时序图  图5 DS1609 写周期的工作时序图 DS1609 双端口RAM 读周期的工作时序如图4所示。当任一端口的读周期开始时，首先把地址送到地址数据复用总线AD0～AD7，然后端口选择控制/CE置为低电平，这个控制信号使得地址在RAM 内部锁定。当地址保持时间过后，地址信号可从总线上撤销，当/C E 和/O E 都为低电平有效时,AD0～AD7 输出的数据有效。只要信号保持低电平，数据仍然有效。在/C E 或/O E 的上升沿后，读周期结束。然后，地址/数据总线将回复到高阻状态。在读周期期间，/W E 必须保持高电平。 DS1609 双端口RAM 写周期的工作时序如图5所示。当任一端口的写周期开始时, 首先把地址信号送到地址数据复用总线AD0～AD7，然后端口选择控制信号/C E 置为低电平，这个控制信号使得地址锁存于RAM 内部，和读周期一样，在地址保持时间过后，地址信号可从总线上撤销。接着写允许控制信号/WE置为低电平，开始写周期的数据写操作，随着/CE和/WE都为低电平，将欲写到选定存储单元的数据送到地址数据复用总线。在/CE或/WE的上升沿，数据被写入存储器并且结束写周期。当写周期一结束，数据就可以从总线上撤销。 在写周期期间，/O E 必须保持高电平。 3 基于现场总线的液位测量原理 为了克服在测定油罐中油品的液位、质量、压力、密度、温度等参数时，测量精度不能满足在线计量的要求，声波测量法的长期稳定性较差，伺服和磁致伸缩等测量方法造价过高的问题，采用拉线式位移光电编码器与静压检测相结合的综合测量系统，同时采取固定距离差的对称传感器装置，精确地测量出油品的密度,能够很好的解决上述问题。拉线式位移光电编码器精确监测静压传感装置的位移量，利用可逆计数器实现位移量的测量，温度、压力传感器实现温度压力的测量，由A/D转换器，经AT89C52单片机和Profibus-DP简单从站芯片与上位机进行通信。 本系统采用光电编码器检测液位。当传感装置发生位置变化时，光电编码器便会发出A、B两相相差90度的数字脉冲信号，脉冲的个数与位移量呈比例关系，且正转时A相超前B相 90度，反转时B相超前A相90度。 拉线盒的线绳被拉出或缩回使其转子转动，旋转的转子带动增量式编码器转动，编码器每转动一圈发出一万个脉冲，脉冲的输出电平标准为RS-422，转成TTL电平标准后，通过可逆计数器实现脉冲计数，读入单片机，从而实现液位的测量，液位测量误差小于±1mm。  图6 基于网络液位测量系统原理图 4 结论 本文作者创新点：系统采用PROFIBUS-DP简单从站芯片与通用微处理器之间增加双端口RAM的系统架构，实现了PROFIBUS-DP智能从站的功能。通过过程映像区的合理设置，实现了网络测控系统中各节点的数据交换，实现了监控主站和底层I/O点之间的数据交换，是异构系统数据交换模式的一种高效结构。 本液位测量系统实现了大量程的精确测量，测量误差小于±1mm，且量程在0～50m范围内液位测量误差与量程无关。 |