一种基于变频器的Profibus-DP通信接口设计

用10 M波特率的光耦HCPL0601隔离;此外，为防止设备启用时，RTS信号高电平占用总线而引起总线系统错误，HCPL7101输出端先经过反相器74HC132在接入总线;另外，对于光耦隔离电源本接口设计采用芯片ADUM5000，ADUM5000为2.5 kV隔离DC/DC转换芯片，其电源输入为5 V或3.3 V，输出5 V或3.3 V;本设计中所选ADUM50 00的输入输出所选均为5 V，其中输入端电源是由变频器通过用户接口提供，其隔离出的5 V电源为RS-485驱动电路以及光耦的后级供电。

　　2 协议转换通信接口软件设计

　　2.1 主程序流程

　　如图3所示，主程序流程：首先初始化SPC3，由DP主站配置相应的组态报文以及参数报文，同时初始化P89C51RD2HBBD单片机的异步串行通信接口;在SPC3完成初始化后，即可与DP主站进入数据交换状态，等待主站发送命令;若主站有数据输出，单片机取得数据存入输出数据缓冲区(相对于主站)，如果缓冲区无溢出，调用Modbus协议程序，把数据封装为Modbus帧格式，通过串口传送给变频器端。如果输出缓冲区有溢出，产生外部诊断，在DP主站下一次轮询从站获取诊断报文时，发送给主站，由主站给予处理。变频器端在接收到DP主站发送的命令后，返回响应数据，单片机通过串口获取该数据，并存入输入数据缓冲区(相对于主站)，若输入缓冲区无溢出，存入SPC3数据缓冲区，等待轮询，与主站交换数据。若有溢出，产生外部诊断，在DP主站下一次轮询从站获取诊断报文时，发送给主站，由主站给予处理。

　　2.2 关键技术研究——可靠性与实时性

　　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19 200 bps，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，两者的通信速率并不完全匹配，为防止由于DP主站通信速率相对变频器较高而致使发送的控制命令信息被覆盖掉，在P89C51RD2HBBD单片机中开辟输出双缓冲区，即协议转换单元接收DP主站发送数据时，先将其存储在第一个缓冲区，待数据转送给变频器后，立即清空该缓冲区，并置位第一个缓冲区的空标志位，等待下一次数据存储，在下次数据到来时，首先查看两个缓冲区的空标志位，把数据存储到已经清空的缓冲区中，再通过协议转换程序处理后及时发送至变频器，通过该双缓冲区从而避免数据信息被覆盖掉的可能性，同时，为防止在一些特殊情况下，比如DP通信速率达到最高，而变频器数据传输速率设置为最低，可能导致双缓冲区溢出而丧失避免数据信息被覆盖的功能，可利用SPC3通信单元产生数据溢出用户诊断报文，发送至DP主站，主站通过读取诊断信息获知产生错误原因，并作出相应处理。对于变频器侧数据传输速率远远大于DP通信的波特率时，在单片机中开辟输入双缓冲区，采用同样的方式达到通信接口数据传输的可靠性与实时性。

　　3 测试实验与结果分析

　　为了验证本文所设计的Profibus-DP与Modbus协议转换接口软硬件的正确性与合理性，结合实验室现有的实验条件，采用PLC 300作为DP主站，搭建实验测试平台。测试流程如图4所示：首先，对DP主站进行初始化，在进入DP主站进入数据交换状态时，根据变频器实际的控制命令，由DP主站向变频器端发送控制命令帧，协议转换接口在接收到DP主站发送的数据后，解析出实际的变频器控制命令，将其封装为Modbus数据，送至变频器端，变频器根据所接收到的Modbus数据，做出相应的回复，其返回数据再通过DP与Modbus协议通信接口转换为DP帧格式的数据送至DP主站。同时为了更加直观的观察协议转换接口转换的DP数据与Modbus数据，分别采用ProfiTrace对DP主站发送和接收的数据进行监控，同时，协议转换接口将所得到Modbus数据送至串口调试助手，通过串口调试助手监控所转换的Modbus数据的与DP主站所交换的数据是否相同，从而提高了测试试验的可信度，也更进一步验证了协议转换接口的功能的可靠性。其中ProfiTrace为DP数据监测装置，通过相应的操作软件Proficore可以实时的获取DP总线上传输的数据。

对于DP主站的初始化，如图5所示，当DP主站完成参数报文配置和组态报文配置，在得到诊断信息00 0C 00 0100 08之后便进入数据交换阶段，如图6所示，实线方框圈起的部分为DP主站发送的变频器命令，虚线方框圈起的部分为变频器返经过DP与Modbus协议转换接口返回的响应数据，通过Proficore监测界面可以看到，DP主站输出的数据与所接收到的数据都为06 C8 00 00 25，其中，06 C8 00 00 25为DP主站向变频器发送的控制启动命令，变频器在正确接收到该控制命令之后，将所接收