基于智能接口芯片SPC3實現ZJ16E卷接機組電控系統(tǒng)的設計

１、引言

ＳＰＣ３是一種可以廣泛應用于工業(yè)現場總線ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的智能接口芯片?，F場總線技術是一種實現現場級設備數字化通信的工業(yè)現場層網絡通信技術，它可用一條電纜將現場設備連接起來以完成現場設備控制、監(jiān)測和遠程參數化等功能。

煙草行業(yè)的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)的數據傳輸量大，實時性強，并要求在較短的時間內完成各種參數的設置和數據更新。如一個卷接機組生產速度每分鐘可達１６０００支，這樣，在高速運行過程中，機組要對生產的煙支重量、質量等進行實時在線檢測、計算判斷與控制，并采集整個機組的運行狀態(tài)、各傳感器執(zhí)行器的工作狀況以及各分控制系統(tǒng)的實時數據，要求其控制系統(tǒng)必須具有較高的實時性、精確性、可靠性。因此，在卷接機組電控系統(tǒng)的設計中，采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線技術，其總控系統(tǒng)與各分系統(tǒng)的接口芯片采用了ＳＰＣ３。

２、ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線和ＳＰＣ３芯片簡介

２．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線

ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ是歐洲首屈一指的開放式現場總線系統(tǒng)，它的應用領域包括加工制造自動化、過程自動化和樓宇自動化。數據通訊采用標準ＲＳ－４８５接口，傳輸速率可達１２Ｍｂｐｓ，傳輸距離可達２３．８ｋｍ，而且響應時間短、抗干擾能力強。通過雙絞線或光纜進行數據傳輸，極易擴展，它不但能與執(zhí)行器、傳感器接口進行連接，也可以通過各種專用集成電路（ＡＳＩＣ）和接口模塊來簡化設備的連接，最多可以連接１２５個節(jié)點。

２．２ 智能芯片ＳＰＣ３

根據傳輸數據量的大小和智能化程度，ＳＩＭＥＮＳ公司提供了ＳＰＣ２、ＳＰＣ３、ＬＳＰＭ２等不同種類的芯片來連接ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ主站與從站。這里筆者選用ＳＰＣ３來完成本系統(tǒng)的設計。ＳＰＣ３（ＳＩＭＥＮＳ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＣＯＮＴＲＯＬＥＲ ）集成了完整的ＤＰ協議，其中包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。該芯片內部含有１．５ｋＢ的 ＲＡＭ，帶有１１位地址線的并行８位接口，全部存儲器分為１９２段，每段８個字節(jié)，用戶可以立即尋址。ＳＰＣ３支持所有８位處理機和微處理器。也可以自動完成“字節(jié)轉換”，這使得摩托羅拉處理器可以直接正確讀?。保段恢担ǔＷx和寫可通過兩個口（８位數據總線）來完成。

ＳＰＣ３中集成有一個保護監(jiān)視定時器（ＷＡＴＣＨＤＯＧ），應用處理器出現故障時，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 通信將被禁止，這樣就不至于危及外圍設備。作為ＳＰＣ３的心臟，微處理器（ＭＩＣＲＯ ＳＥＱＵＥＮＣＥＲ）控制著系統(tǒng)整個工作過程。在ＵＡＲＴ中，并行數據流和串行數據流完成互換。ＳＰＣ３在發(fā)送第一個字符前會產生ＲＴＳ（ＲＥＱＵＥＳＴ－ＴＯ－ＳＥＮＤ）信號，即請求發(fā)送信號。另外，ＳＰＣ３還具有自動辨識波特率（９．６ｋ～１２Ｍｂｐｓ）的功能。

３、在ＺＪ１９Ｅ電控系統(tǒng)中的應用

ＺＪ１９Ｅ卷接機組電控系統(tǒng)選擇西門子公司工控機作為主站，與觸摸屏組成人機界面？采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線技術和美國Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ公司的Ｉｎ-Ｔｏｕｃｈ７．０工業(yè)組態(tài)軟件實現與重量控制系統(tǒng)、質量檢測系統(tǒng)等從站的通訊與數據交換。在每個ＤＰ從站中都有ＳＰＣ３芯片及其相關的硬件電路。主站上可以設置各種參數，如：機器運行速度、進料情況、煙支數量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等。從站參照這些設定值來控制機器的正常運轉；而機器動態(tài)、靜態(tài)的各種參數則由每個從站進行搜集整理并可在主站上一覽無余。中間的數據傳輸就是ＰＲＯＦＩＢＵＳ的功勞了。每一個模塊（主、從站）的功能實施均可依靠軟件來完成。整個電控系統(tǒng)的框圖如圖１所示。

３．１ 硬件設計

圖２所示是本系統(tǒng)的硬件框圖。ＡＴ８９Ｃ５２是采用先進的ＣＭＯＳ工藝制造的８位微控制器。它具有并行可編程功能的非易失性ＦＬＡＳＨ存儲器，是８０Ｃ５１的派生器件。該控制器具有運算速度快、兼容ＭＣＳ５１指令集的特點，可以閃速可編程、可擦除。它有三個１６位定時／計數器。由于ＡＴ８９Ｃ５２內部集成有８ｋＢ Ｆｌａｓｈ，因此本設計不需另外擴展ＲＯＭ即可進行內部加密。

外接看門狗電路ＭＡＸ７０５用于為微控制器提供保護，它能在單片機上電時可靠復位，并能在斷電時防止程序跑飛，從而避免ＳＰＣ３中的數據被修改。另外，本系統(tǒng)也可采用手動復位，以便在調試或出現故障時使整套系統(tǒng)同時復位。

為了防止外界干擾對系統(tǒng)產生影響，單片機與下位機的通訊采用ＲＳ－４８５接口電路來進行光耦隔離。其收發(fā)接口采用ＨＣＰＬ２６０１、ＤＨＣＰＬ７７２１及ＳＮ７５１７６等進行隔離，以保證數據可靠傳輸，消除干擾。

ＳＰＣ３有８根數據線和１１根地址線，其中低８位地址線與數據線復用。外接不同的單片機會使ＳＰＣ３一些管腳上的電平出現差異，其相應的意義也不同。這一點與別的接口片子有很大區(qū)別，ＳＰＣ３與外接ＡＴ８９Ｃ５２ 的連線見圖３所示。

３．２ 軟件設計

ＳＰＣ３的軟件設計主要包括ＡＴ８９Ｃ５２微控制器的軟件設計以及ＳＰＣ３的初始化程序設計。通訊協議主要由上位機的客戶服務程序來完成，單片機ＡＴ８９Ｃ５２主要實現智能終端與協議識別，以及與下位機的通訊和數據轉存，同時完成下位機與雙口ＲＡＭ的連接控制，保證數據轉換安全可靠的進行，避免通訊沖突。

ａ．單片機控制程序設計

單片機的控制程序由三部分組成：初始化部分用于完成單片機和所有外圍電路的初始化以及終端和協議的識別；主循環(huán)部分用于讀寫雙口ＲＡＭ，同時對上位機進行檢查和計算以完成數據采集，進而實現數據的轉存和交換；而中斷服務程序則完成相應的中斷處理并執(zhí)行雙口ＲＡＭ的共同協議。

ＳＰＣ３內部含有１．５ｋＢ的ＲＡＭ（即０００Ｈ—５ＦＦＨ），利用外接單片機可以確定該ＲＡＭ的確切地址。同時，根據ＳＰＣ３產生的中斷，單片機還可對ＳＰＣ３接收到的主站輸出數據進行轉存，以便從站讀取，此外也可以處理從站通過ＳＰＣ３發(fā)給主站的數據等。ＳＰＣ３實質上是主站與從站間的“通訊站”，即就是將主站發(fā)來的數據包解開送給從站，并將從站送來的數據打包給主站。詳見圖４的程序框圖（其中“輸入、輸出”是相對主站而言的）。

ＳＰＣ３的初始化程序包括設置ＳＰＣ３允許的中斷、寫入從站號碼和地址、設置ＳＰＣ３中的各種寄存器和緩沖器等；而中斷程序主要處理ＰＲＭ報文、ＣＦＧ報文、ＳＳＡ報文。由于這些報文來自主站，所以，ＳＰＣ３的初始化需要主站的支持才能進行。不同的主站有不同的數據存取空間，因而分到每個從站的數據量也不同。這樣，在初始化ＳＰＣ３時，配置的數據字節(jié)數也將相應改變。只有每個從站地址在同一個系統(tǒng)中是唯一的，主站與每一個從站才能準確無誤地通訊。

ｂ． 上位機程序簡介

上位機的管理軟件主要通過客戶服務程序來完成協議轉換和存儲，以及數據的分析和顯示。單片機上傳的數據信息經過相應的協議校驗確認后，可用來完成各種參數的設置和數據的交換。在對傳輸數據進行識別時，單片機首先接收上位機客戶服務程序軟件下傳的校驗和，在經過確認是協議識別指令后，再上傳一個表示就緒的狀態(tài)幀，然后接收識別用的數據幀。在經過檢驗后，如果確認數據幀有錯，那么，系統(tǒng)將返回相應的狀態(tài)幀并等待上位機重新發(fā)送數據，而如果數據正確，則返回狀態(tài)幀，然后開始對終端單元進行識別。

由于每個ＰＲＯＦＩＢＵＳ 總線上的主站、從站完全有可能是不同廠商的產品，因此，在組建系統(tǒng)時需要有設備描述文件，即ＧＳＤ文件。ＧＳＤ文件是用特定格式描述現場設備技術參數的ＡＳＣＩＩ文件，它是在專門軟件環(huán)境下編輯生成的，詳情可參見參考文獻。使用根據ＧＳＤ文件生成的組態(tài)工具可以將不同廠商的設備集成在同一總線系統(tǒng)中。這就是智能型芯片正常工作的“環(huán)境”。一旦對含有ＳＰＣ３的ＤＰ 從站生成ＧＳＤ文件，就相當于該從站持有了一個通用“身份證”，這樣，這個從站就可以在任何ＤＰ主站下組建總線系統(tǒng)了。

４、結束語

本文詳盡地敘述了基于ＡＴ８９Ｃ５２的智能芯片ＳＰＣ３的設計使用方法，由于ＡＴ８９Ｃ５２沒有外擴ＲＯＭ和ＲＡＭ，而將程序直接放在其內部閃存中，因此，該方法具有外圍電路簡單、與處理器并口兼容性好、時序控制簡單易懂、可靠性和性價比都比較高等優(yōu)點。但應注意：ＳＰＣ３的初始化是一個難點，也是一個比較重要的環(huán)節(jié)。

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