基于80C32单片机和SPC3芯片的通讯适配器实现纸机控制系统的设计

现代纸机传动控制系统广泛地采用了总线通讯同步控制方式，纸机的控制精度、可靠性和实时性有了很大的提高。在工业现场控制系统中有时会出现不同生产厂家的装置设备连接在同一个网络中，而这些设备各自支持不同的通讯协议。为了解决这一问题，我们开发出了一种通信适配器，它能够实现从普通RS485到高速PRoFIBUS—DP的转换，可同时支持几种不同的通信协议，不仅能作为从站接口模块将带有普通RS485接口的工控产品接入～I］PROFIBUS-DP网络中，且能作为网桥实现支持不同协议的网络之间的互联，便于信息交换及系统集成。

1、 PROFIBUS—DP通讯适配器的设计

1．1 通讯适配器的硬件设计

为了使硬件更有通用性，使用更加灵活，在设计硬件时给予充分考虑，可以在不改动硬件而只改动软件的情况下实现更多的功能。通信适配器的硬件主要有以下几个部分：

系统的主控核心，我们选择了Intel公司的51系列单片机80C32；

PROFIBUS-DP接口模块，主要使用了西门子公司为优化的智能PROFIBUS-DP从站提供的专用SPC3芯片，SPC3芯片集成了PROFIBUS—DP协议，遵照EN50170标准，可以完成DP协议的处理；

普通RS485接口模块，主要由光电隔离、电平转换等组成，由于实际应用中使用的通信速率较低，在光耦器件的选择上没有特别严格的要求，在此使用TP521光隔；

存储单元扩展方面，扩展了一片27C512程序存储器和一片型号为6264的外部RAM，作为数据存储器的扩展；

为保证接口电路可靠工作，还使用了看门狗电路。

1．2 通讯适配器的软件设计

在软件上，主要是完成两种协议的互转，为此，我们可以利用协议互转模型来实现。主要思路如下：当主站向从站发送信息时，通信适配器对接收到的数据进行分析，剥离出有用的数据信息，然后以符合所连接的设备支持的协议格式重新封装发送给设备，完成对设备的操作；当从站向主站回送信息时，通信适配器对设备所发送过来的数据进行分析，再交由SPC3以PROFIBUS—DP协议标准发送给主站。另外，单片机还负责对SPC3的初始化、合理配置以及各种报文的处理。单片机主程序流程如图2所示。

2、 PR0FIBUS—DP通讯适配器在纸机控制系统中的应用

2．1 工程应用背景

造纸机传动控制系统是一种多电机分部式传动系统，传动点多，各传动点之间需要满足一定的速比关系，并且有时需要在压榨部、施胶部或压光部进行负荷分配控制，这就对控制设备进行实时数据处理的能力提出了更高的要求，传统的RS485总线通信方式只适用于不多于20个传动点、控制相对简单的低速造纸机，一旦车速达到500m／min，传动点多于20个，系统便出现明显的数据传输滞后、反应慢 车速波动、工作不稳定等现象。为了适应大型、高速、高性能造纸机的发展趋势，新的总线控制方式。以及通讯接口就需要及时地被研发出来。

2．2 造纸机传动控制系统中

PROFIBUS-DP通讯网络结构在工程应用中，我们以可编程控制器PLC作为控制核心、变频器作为功率执行单元来实现多电机的同步运行。下面我们以纸机传动控制系统中使用得比较广泛的ABB公司的ACS400系列变频器、西门子MIDIMASTER系列变频器以及西门子PLC为例，分析PRoFIBUS—DP通信适配器完成协议之间互相转换的过程。

PLC通讯一般使用RS485总线协议方式，为了接入高速DP数据处理通道，我们需要通讯适配器将其从RS485总线方式转换为PROFIBUS-DP总线方式；ACS系列变频器支持MoDBUS协议，而MIDIMASTER系列变频器支持USS协议，这两种协议互不兼容，互相之间无法交换数据，由于本通信适配器同时集成了对MODBUS协议和USS协议的支持，因此可以通过本通信适配器，将ACS400系列变频器和西门子MIDIMASTER系列变频器接入到同一个PROFIBUS-DP网络中，其连接示意图如图3所示。实际中通过对通信接口程序的补充，还可以完成对其它在物理上使用普通RS485接口协议的支持，即可实现更多支持不同协议设备的连接到同一个PROFIBUS—DP网络中。

2．3 通讯适配器对各变频器在软件上的实现过程

通讯适配器对各变频器的操作在软件上实现过程如下：DP主站向通信适配器发送数据，通信适配器在接收到数据后，对其进行解析，然后根据所连接的变频器类型，把数据重新封装成标准MODBUS格式或者USS格式发送给变频器，变频器在接收到数据后，回送响应信息，完成相应的操作，通信适配器再将接收到的响应信息重新解析封装成PROFIBUS-DP格式，然后回送给主站。这样，一次操作完成。

2．4 通讯适配器与变频器的数据交换

假设对于站地址为05的ACS400系列变频器，要求其EXT1运行频率为5Hz，则主站向通信适配器发送数据交换报文，通讯适配器解析出报文中的数据单元DU如下：控制字，04H、7FH；给定1，07H、D0H；给定2，00H、00H；未用，00H、00H。假设此时使用的数据长度为8字节（实际中还可使用12字节），变频器的通信参数已进行正确设定。

通信适配器在对此数据单元进行分析后，向变频器发送如下格式所示的数据：地址，05H；命令，06H；寄存器代码，000 1 H ；数据，07D0H；CRC，DA22H。变频器接收到数据后回送的响应数据为：地址，05H；命令，06 H ；寄存器代码，000 1 H ；数据，07DOH；CRC，DA22H。且完成相应的操作。

由于USS协议与MODBUS协议不兼容， 主站在对西门子MIDIMASTER变频器进行操作时，本通信适配器所收发送数据格式是不同的。例如，对于站地址为03的西门子MIDIMASTER变频器，要求改变其运行频率为25Hz。则本通信适配器在对主站发出的数据交换报文进行解析后，向变频器发送如下的数据：STx，02H；LGE，0CH ；ADR，03H ；PKE ，0000H ；IDN ，0000H ；VAL，0000H lSTW ，0C7FH ；HSW ，2000H；BCC，5EH。变频器在接收到数据后，回送如下响应数据为：STx，02H ；LGE，0CH ；ADR ，03H ；PKE，0000H lIDN ，0000H lV AL，0000H lSTW ，0C7FH ；HSW ，2000H IBCC，5EH。且完成相应操作。

3 、结语

结合纸机传动控制系统，对PROFIB U S-DP通信适配器的应用进行了说明，它能够提高设备选择的灵活性；提高纸机控制系统的可靠性、准确性及抗干扰能力。

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