一种基于变频器的Profibus-DP通信接口设计

　　摘要：随着工厂自动化技术的发展，基于Profibus—DP现场总线与Modbus协议的通信技术在国内外得到了广泛的应用。然而要实现两者之间数据转换却较为困难，原因是实现两者之间数据转换的产品相对较少。本文针对采用Modbus RTU协议通信的变频器，提供了一种Prnfibus—DP现场总线与Modbus协议之间转换的通信接口，主要阐述了该接口的软硬件设计方案，并重点介绍了实现通信接口可靠性与实时性的方法。实验结果证明了该设计方案的可行性。

　　随着工厂自动化技术的发展，现场总线技术已经得到广泛的应用。其中过程现场总线Profibus(Process Fieldbus)是一种面向工厂自动化、流程自动化的国际性现场总线标准，以其灵活性、可靠性以及高性能价格比等优点广泛应用于制造业自动化、过程自动化、楼宇自动化以及交通电力等领域。Profibus包括Profibus-DP，Profibus-FMS等系列，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，它是世界上仅有的几个开放式现场总线标准之一，也是我国工业自动化领域行业标准中为数不多的现场总线标准之一。

　　Modbus协议是广泛应用于电子控制领域的一种现场总线协议，其免费开放性受到了很多商业用户的亲睐，成为全球最为流行的现场总线协议之一。它支持多种电器接口，如RS-232，RS-485等。Modus协议包括ASCII(美国信息交换码)、RTU(远程终端设备)两种。许多工业设备，包括 PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

　　我国对于Profibus-DP技术的应用和研究主要以系统集成和工程应用为主，对于实现Profibus—DP与Modbus之间数据转换的产品相对较少，且被一些公司垄断，价格昂贵，针对变频器领域的具体应用的产品更是少之又少，对于不具备DP通信能力的变频器推广与应用形成了瓶颈。

　　因此，目前迫切需要开发出一种装置，可以实现采用Modbus通信协议的变频器与控制系统中的Profibus—DP主站之间进行通信，使该类变频器具有Profibus-DP通信接口。

　　1 协议转换通信接口硬件设计

　　1.1 协议转换通信接口总体结构框图

　　图1是针对变频器的Profibus—DP与Modbus协议之间转换的通信接口总体结构框图，主要包括主控制器、SPC3通信单元、光耦隔离电路、RS-485驱动电路、5 V隔离电源、用户接口电路及相应的外围电路。

　　1.2 协议转换通信接口硬件电路设计

　　如图2所示，协议转换单元中的主控制器采用PHILIPS公司的P89C51RD2HBBD单片机，主要用于控制Profibus-DP 协议芯片SPC3收发DP主站数据，并通过执行P89C51RD2HBBD单片机相应的协议转换程序，将DP数据转换为Modbus数据发送给变频器用户端;通过用户接口电路也可将变频器返回的数据信息通过SPC3通信单元传送给DP主站;另外，在协议转换过程中，由于变频器端有4种不同的波特率，分别为 19 200bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而对于Profibus—DP其传输速率最高可达到12 Mbps，为防止数据在传输过程中可能产生丢失的情况，所述协议转换单元另一重要功能即解决DP与Modbus协议在转换过程中出现的通信速率不匹配问题：为实现变频器与主控制器之问具有相同的传输速率，主控制器的两个I/O口通过用户接口单元与变频器连接，在协议转换单元开始工作时，主控制器通过此接口获得变频器发送的波特率选择信号，依此设置相应的异步串行通信的波特率，使变频器与主控制器的传输速率一致。

　　协议转换单元中的Profibus—DP协议芯片SPC3是Siemens为智能从站开发的一款Profibus专用通信芯片，该芯片集成有完整的DP协议，能自动检测9.6 Kbps到12 Mbps范围的波特率，内部集成有1.5KB的RAM。该芯片是专为循环MS0和非循环的MS1数据交换(即Profibus DP-V0和DP-V1)设计的。利用此芯片只需要极少的外部器件就可以实现一个Profib us的站点;在本通信接口模块中，其8根数据总线、11根地址总线以及相应控制总线分别与协议转换单元中的主控制器相连;另外，SPC3芯片的数据发送信号TXD，数据接收信号RXD以及发送使能信号RTS与RS-485驱动电路相接;SPC3的外部时钟接口有24 MHz和48 MHz两种可选，本设计采用48 MHz的有源晶振，为SPC3提供时钟信号。另外，SPC3通过对48 MHz的时钟信号四分频为主控制器提供12 MHz的工作时钟。

所述RS-485通信单元，实现了本接口通信装置DP从节点的物理层功能，其中，为避免总线信号受到DP从站设备的干扰，总线A、B数据信号线接口采用50 M波特率的光耦HCPL 7101隔离，RTS信号线采