（电力电子与电力传动专业论文）基于profibusdp分布式智能从站设计与研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t p r o f i b u si so n eo ft h em o s tp o p u l a rf i e l d b u s p r o f i b u s d pw h i c hi su s ef o r r e m o t e - c o n t r o le q u i p m e n ta n di oc o m m u n i c a t i o n si st h em a r k e ts h a r el e a d e ri nf i e d b u s t e c h n o l o g y i nc h i n a ，t h eu s e f u lo ft h ep r o f i b u s - d pa l m o s tr e l yo nt h ep u r c h a s eo ft h e c o m p l e t es e t so fe q u i p m e n t b a s e ds i e m e n s t h i sl e dt oas i g n i f i c a n ti n c r e a s eo f t h ec o s t t h i s a r t i c l ei sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o f i b u s - - d pi nc h i n a , f o c u so nt h ep r o f i b u s - - d p f i e l d b u s sb a s i ct h e o r y , r e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o d so f t h ep r o f i b u s d pd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tp o i n t s t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h eg e n e r a ld e s i g no fp r o f i b u s - d pd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n t s l a v e ，t h e nm a i n l yr e s e a r c h e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f h v a r ed e s i g no fp r o f i b u s d ps l a v e h a r d w a r es t r u c t u r ei si nt h ef o r mo f ”m o t h e r b o a r d + i n t e r f a c e b o a r d ，m o t h e r b o a r du s i n gt h e m c u + c p l d c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ev a r i o u so b j e c t so ft h ei n d u s t r i a l ，d e s i g nt h ed i g i t a l i n t e r f a c eb o a r d ，a n a l o gi n t e r f a c eb o a r d ，t h e r m o c o u p l ea n dh e a tr e s i s t a n c ei n t e r f a c eb o a r d s s o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gp r o f i b u s - d ps l a v ep r o g r a m ，g s dd o c u m e n t , c p l dp r o c e d u r e s ， s o f t w a r ed e b u g g i n ga n de l s e i nt h ea l g o r i t h m ，e m p h a s i s i n go np r a c t i c a l i t ya n de f f e c t i v e n e s s ， d e s i g nas i m p l ea n d e f f e c t i v ep i da l g o r i t h m f i n a l l y , t h ea u t h o rd e b u g g i n g t h ep r o f i b u s - d p s l a v eu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，d i c u s s i n gt h ep r o b l e m si nr e s e a r c h i n ga n dd e b u g g i n g t h i si s s u er e a c h e di t si n i t i a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s t h es l a v eh a sb e e nc o n n e c t e dw i t h s i m a t i cs 7 3 0 0p l cs u c c e s s f u l l yu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o g r a m m ei sf e a s i b l e ，t a l l yw i t hp r o f i b u s d ps t a n d a r d i ti sag o o dr e f e r e n c et om a n y p r o j e c t si 1 1c o r r e l a t i v ea r e a k e y w o r d ：p r o f i b u sf i e l d b u s ，p r o f i b u s d ps l a v e ，s p c 3 ，c p l d i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：j 塑雌 抛子年月夕。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 盟斗 知吁年月岁。日 上论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 1 绪论 1 1 现场总线概述 1 1 1 现场总线的发展及其现状 现场总线是连接现场智能设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通讯系统。主 要解决工业中现场的智能化仪器仪表、执行器、执行机构等现场设备间的数字通信以及 这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。遵循i s o 的o s i 丌放系统互连 参考模型的全部或部分通讯协议 s 】。 现场总线的概念起源于7 0 年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器 的控制信号由一组总线以数字信号的形式传送，不必每个信号都用一组信号线。自8 0 年代末以来，几种现场总线技术如c a n 、h a r t 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 等已经逐渐 成熟并对工业自动化进程形成影响。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，近年来， 控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展，测控技术、计算机控制和通信领域 的结合应用已经成为大势所趋。工业自动化目前正朝现场总线控制系统的方向发展。基 于现场总线的控制系统( f c s ) 成为新一代的工业控制系统，将逐步取代传统的d c s ，这 是技术发展的必然要求【7 】。 现场总线要在我国自控领域广泛应用，得到测控系统基础设备的强有力的支持是必 不可少的。我国目前现场总线的发展和国外相比还有一定的差距，但是随着国家经济技 术的发展，我国正在大力缩短我国仪器仪表与国外的差距，振兴我国仪表工业，现场总 线智能仪表与系统作为关键技术列入国家“九五 科技公关计划。公关的主要任务是研 究制定我国现场总线自动化仪表与系统总体方案；研究开发现场总线控制系统及软件。 目前，h a r t 协议智能仪表与系统的开发已取得重要成果，部分产品已经批量生产。 p r o f i b u s 协议智能仪表与系统的开发也取得了重要的阶段成果，目前还在不断完善和 致力于产业化工作之中。 1 1 2p r o f i b u s 现场总线技术简介 p r o f i b u s 现场总线由1 3 家企业和5 家研究机构联合开发，p r o f i b u s 是p r o c e s s f i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即e n 5 0 1 7 0 欧洲标准。目前世 界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供p r o f l b u s 接口。p r o f i b u s 已 经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，是成熟技术，其应用范围如图1 1 2 1 所示。 p r o f i b u s 满足了生产过程现场数据可存取性的重要要求，一方面覆盖了传感器执行器 领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特别在“分散f o ” 领域，由于大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用，因此p r o f i b u s 早在8 9 1 镕* ? 论上 年就成为德h t 业标h t i d i n l 9 2 4 5 ，9 6 年被批准为瞅洲标准e n5 0 17 0 v 2 ，9 9 午p r o f i b u s 成为固h 、标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分，2 0 0 6 年1 1 爿2 0 h p r o f i b u s 也正c 成为一h 第个 工q p 墒讯领域现场总线技术罔家标准嗍。 阁1j21p r o f i b u s l 1 2 , q 范闱 i s o o s i 通讯标准模型山七层组成，并分成两类。一类是面向用户的第血层到第七 层另一类是面向网络的第一层到第四层。第一层到第四层描述数据从一个地方传输到 另一个地方，第五层到第七层培用户提供适当的方式去访问网络系统。p r o f i b u s 协i 卫 采用i s o o s i 模型的第层、第二层和第七层，如图i12 2 所示。 i限凸lll； 一 ! | _ e 硕1 二论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 适合可编程控制器与分散的f o 设备之间的通讯；p r o f i b u s p a 使用扩展的 p r o f i b u s d p 协议进行数据传输，保证本质安全和通过总线对现场设备供电。使用 d p p a 耦合器和d p p al i n k 很容易将p a 设备集成到p r o f i b u s d p 网络之中； p r o f i b u s f m s 使用了第一层、第二层和第七层。f m s 处理单元级( p l c 和p c ) 的数 据通信，功能强大的f m s 服务可在广泛的的应用领域内使用，并为解决复杂通讯任务 提供了很大的灵活性。 表1 1 2 1p r o f i b u s 三种通讯协议 类型p r o f i b u s f s mp r o f i 】3 u s d pp r o f i b u s p a 应用范用通用自动化控制工厂白动化控制过程自动化控制 速度特性通用快速慢速 目前，国外的一些大的仪器仪表制造厂，都推出了相应的支持p r o f i b u s d p 总线 的控制系统以及相应的产品，包括各种传感器，执行器以及各种数据采集模块等。而就 国内而言，我国的科研单位和大专院校也一直在跟踪p r o f i b u s d p 现场总线的发展， 并开始了p r o f i b u s d p 的研究工作。包括北京鼎实科技、正泰集团以及浙江大学、西 安电子科技大学等企业和科研院所都开始研制基于p r o f i b u s d p 的各种现场总线产品 和设备，希望相关产品的国产化。目前，在国内工厂自动化领域，p r o f i b u s d p 总线 技术相关产品的需求正在不断增大，因此，带有p r o f i b u s 接口的智能从站的开发与研 究在我国有着广阔的前景。 1 2 研究问题的提出 随着现代自动化技术的不断发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备监 控、管理的各个层次，逐步形成了以现场总线为基础的自动化企业信息系统。由于采用 数字信号替代模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行参数值、多个 设备状态、故障信息) ，这就为简化系统结构、提高系统的可靠性、减少连接电缆与各 种安装、维护费用创造了条件。结构上，现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构 形式，采用智能现场设备，使得控制系统功能能够直接在现场完成，实现分散控制。 在众多现场总线中，p r o f i b u s 现场总线是其中最具影响力的总线之一，具有传输 速度高，可用于对时间要求苛刻的复杂控制系统，包含多种行规以保证不同厂家产品之 间的通用性等特点，在国内应用量最多。其中用于设备级控制系统与分布式f o 通讯的 p r o f i b u s d p 已经用于我国的制造、电力、化工、铁路等自动化领域。 但是，如果采用成套的设备，如采用以p l c 为核心的系统，将存在以下两个方面 的问题：1 ) 我国自主研发的设备较少，基本采用国外的成套设备，将使得系统的成本 大大提高，很多企业无法接受，限制了系统的推广2 ) 随着系统点数的增大，将会大大 加重主控制器的负担，降低系统运行的效率。 3 1 绪论 硕士论文 本文正是围绕以上问题和工程实际提出的。即设计一种以单片机为核心的 p r o f i b u s d p 分布式智能从站，在能够满足系统对可靠性的要求的同时，降低系统的 成本，完成系统的分散控制以满足企业和社会的实际需求，以此推动p r o f i b u s d p 现 场智能仪器仪表和设备国产化的发展，这将有利于我国仪器仪表事业的发展，有力地推 动现场总线技术和现场总线控制系统在我国的应用和发展。因而具有较强的现实意义和 广泛的应用前景。 。 1 3 作者所做的工作和论文内容安排 1 3 1 作者所做的工作 作者本次毕业设计中所作的工作主要在以下几个方面 1 分析并讨论了基于p r o f i b u s d p 分布式从站的实现方法，完成了p i 心i b u s d p 从站的总体软硬件结构设计。 2 根据实际系统的要求，按照“模块化思想 设计开发出了用以p r o f i b u s d p 总线通讯的主机板以及针对不同输入输出信号的模拟量接口板，数字量接口板、热电偶 接口板和热电阻接口板。 3 设计完成了p r o f i b u s d p 分布式从站单片机程序，p r o f i b u s d p 中g s d 文 件的编写以及c p l d 程序设计。 4 设计了调试系统的总体结构，并完成了系统的调试工作，对调试结果进行了分 析。并对设计调试中所遇到的主要问题进行了讨论。 1 3 1 论文内容安排 论文分为7 章进行叙述。本文后续章节主要包括以下内容： 第二章介绍了p r o f i b u s d p 分布式智能从站的功能要求和性能参数，完成了从站 的总体设计。 第三章详细叙述了p r o f i b u s d p 分布式智能从站的硬件设计。 第四章详细叙述了p r o f i b u s d p 分布式智能从站的软件设计。 第五章叙述了p o r i f u b u s d p 分布式智能从站调试系统的搭建和调试结果，并讨 论了设计调试中的相关问题。 第六章是本文的结论，对本课题的工作进行了总结，并对以后开发设计提出了建议。 4 硕i ：论文 基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 2p r o f i b u s d p 分布式智能从站总体设计 2 1p r o f i b u s d p 分布式智能从站功能要求与性能指标 2 1 1p r o f i b u s d p 分布式智能从站功能要求 本次课题主要目标是设计出一种具有较高适应性和可靠性的基于p r o f i b u s d p 分 布式智能从站，该从站应当能够连接工业中常用的各种传感器，执行器，能够采集多路 电压、电流信号，并能够根据系统预先设置的参数和主站的命令对数据进行分析，处理， 然后输出或者通过p r o f i b u s d p 总线发送到主站，由主站再进行处理，监控。下面作 者对各个功能要求具体介绍。 5 多通道测量功能 可以同时对多个通道数据进行检测控制。各个通道的输入输出应当是工业中常用的 电压、电流、热电偶和热电阻信号。 6 可扩展功能 可以根据现场实际系统的要求，添加，或者减少相应的输入输出接口模块，能够方 便的进行安装、拆卸和组态。 7 通信功能 系统应当能够连接p r o f i b u b s d p 总线，从而能够和p l c 等设备形成分布式控制 系统，能够连接其他支持p r o f u b s d p 总线的设备。 8 。控制功能 系统应当具有一定的控制功能，如p i d 控制，并能存储一定的控制参数，可以根据 现场系统的情况，由主站修改从站的p i d 参数，以适应现场的变化。 2 1 2p r o f i b u s d p 分布式智能从站性能指标 根据2 1 1 节所述功能要求，本次设计的基于p r o f i b u s d p 智能从站主要性能参 数如表2 1 2 1 、表2 1 2 2 。 2p r o f i b u s d p 分布式智能从站总体设计 硕士论文 表2 1 2 1 系统主要性能指标 系统土要性能参数及资源 最人采集点数8 0 总线方式p r o f i b u s d p 9 6 k b p s1 9 2 k b p s4 5 4 5 k b p s 支持通讯速度9 3 7 5 k b p s18 7 5 k b p s5 0 0 k b p s 1 5 m b p s3 m b p s 设计方式模块化 温度范围o 7 0 外型尺寸1 3 0 m m 1 4 0 m m 工作电源2 4 v 隔离电源 滤波方式数字平均滤波 片内f l a i s h8 k 片内r a m2 5 6 外扩e e p r o m5 1 2 k 外扩r a m1 6 k 表2 1 2 2 系统接口板性能指标 系统接口极性能指标 模拟量数字量 接口板类型 模拟量板 热电偶极热电阻板数字量板 输入类型4 2 0 m ak 型热电偶p t l 0 0 热电阻2 4 v 输出类型0 2 0 m a无无2 4 v a d 转换分辨率1 2 位1 2 位1 2 位无 a d 转换时间 3 5 u s 3 5 u s 3 5 u s无 d a 转换分辨率8 位无无无 d a 转换时间 o1 0 v u r m i o e 。i x 旦一 2 v4 柚o n 船l f 9 d 6 9 4 图3 2 2 2v i 转换电路 到此，模拟量输入输出接口板介绍完毕，原理图如图3 2 2 3p r o f i b u s d p 分布式智能从站硬件设计 硕士论文 硝隅+ 苕留窘 ：= 绑 ：到 罐趣。 。营， 疃 一 营照 巨一试糌 q 蚤三守 罪罪 虻蛰， 襄量矗 瑁匿鼋藿 黛。j一心 龟商商晚声弦崦 罐秘霎 盥 l l 图3 2 2 模拟量输入输出接口板 3 3 数字量输入输出接口板设计 在工业数据采集系统中，常用的各种开关，继电器，可控硅等，都是开关量的输入 输出信号，但是这种开关量的信号一般都不能直接接入系统中，必须经过相应的隔离、 转换，本次系统中的数字量输入输出板的设计，如图3 3 1 就是为了完成以上功能。 图3 3 1 数字量输入输出板 硕士论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 3 3 1 数字量输入通道设计 数字量输入通道主要包括光电隔离电路和输入缓冲器组成。电路采用2 4 v 漏型输 入，总共设计了8 路，分别为1 0 0 1 0 7 ，由于其电路结构类似，现任选其中4 路进行 讨论。如图3 3 1 1 所示，传感器输出的2 4 v 开关信号首先经过电阻分压后接入光电隔 离芯片t l p 5 2 1 ，经过光电隔离后再接入总线缓冲芯片7 4 h c t 2 4 4 。当控制信号r d 为低 电平，并且数字量输入使能信号c sd 1 1 有效时，通过与门7 4 h c t 0 8 使得总线缓冲芯片 7 4 h c t 2 4 4 芯片使能端有效，从而单片机读取数字量输入信号。 u 2 0 8 l v c c 1 4 + 5 v 1 3 u 1 b4 b 1 2 c 渊。牵 2 4 y 耋87 ，x x l y4 2 b g n d 牛 2 y3 a g n d3 y u 2 0 l 1 0 0 c2 l ll y l 1 8d 0 i o 1c4 1 a 2 l y 2 1 6d l 1 0 2c6 l 3l y 3 1 4d 2 1 0 3c8 l a 4i t 4 1 2d 3 1 0 4c1 l 2 a 12 y 1 9d 4 1 0 5 c1 3 2 a 22 y 2 7d 5 1 0 6c1 55d 6 1 07c 1 7 2 a 32 y 3 3d 7 c s - 2 哇4 1 2 a 42 y 4 2 0 + 5 v l o ev c c 1 9l og n d 2 0 eg n d 7 4 h c t 2 “ 洲d 图3 3 1 1 数字量输入通道设计 以1 0 0 为例，输入经r 2 0 1 和r 2 2 9 分压和限流后加在光隔内部二极管和发光二极 管两端。若1 0 0 输入为高电平，则光隔导通，u 2 0 4 的1 5 脚1 0 0c 拉高到+ 5 v ；若1 0 0 输入为低电平，则光隔关断，u 2 0 4 的1 5 脚1 0 0c 被拉低到g n d 。d 2 1 9 用于反向保护， 同时在输入端有感性负载时，可以防止信号突变而产生感应电势的影响。d 2 0 3 为指示 灯，显示当前输入状态。 3 3 2 数字量输出通道设计 数字量输出通道主要包括锁存器和数字量输出电路组成，数字量输出电路内部采用 直流输出，。总共设计了8 路，分别为q o o q o 7 ，由于各路电路结构类似，现任选其中 4 路进行讨论。 如图3 3 2 1 所示，由系统总线输出的数字量信号首先经过8 位锁存芯片7 4 h c t 3 7 7 ， 该芯片的1 1 脚接w r 信号，控制信号的锁存。然后7 4 h c t 3 7 7 的输出q 端接到光电隔 离芯片t l p 5 2 1 ，经过光电隔离后在输入芯片u l n 2 8 0 3 a ，经过放大后输出。 2 7 3p r o f i b u s d p 分布式智能从站硬件设计 硕十论文 u 2 c s _ d 0 11 e 7 c c 2 0 + s v d 03 一 2 q 0 0 - c d l4 d oq 0 5 q 01 - c d 27 d i q 1 6q o2 c d 38 i ) 2q 2 9q o3 _ - c d 41 3 i ) 3 1 2q d4 _ c d 51 4 d 4q 4 1 5q 05 _ c d 61 7 d 5q 2 1 6q 0 6 c d 71 8 d 6掣 1 9q 07 d 7 觚l l1 0g n d c ：l eg n d 7 忸c t 研+ 5 v - j 旦l a f 白 q 0 0 b 1 l bl c 1 8q 0 7 q 0 1 b 2 俎 2 c 1 7 q 0 6 q o2 b 3 3 b3 c 1 6 q 0 5 q 03 b 4 4 b 4 c 1 5q 04 q 04 b 5 弱 5 c 1 4q 0 3 q 0 皿 6 韶 6 c 1 30 0 2 q o 6 1 b 7 7 b7 c 1 2q 0 ，1 q o7 b 8 8 b8 c 1 1q 0 0 m91 0l 掰dc 。m u l 斟刎j 图3 3 2 1 数字量输出通道设计 以q 0 4 为例，当c sd o 信号为低，7 4 h c t 3 7 7 有效，使能该输出端，若d 4 为高 电平，则q o 4 c 也高电平，使光隔t l p 5 2 1 的一通道截止，则q 0 4 b 上拉到5 v ，为高电 平，输入到u l n 2 8 0 3 a ，经过电流放大，使得输出q o 4 出为高，而当d 4 为低电平，则 q o 4 c 也为低，使得光隔t l p 5 2 1 的一通道导通，q o 4 b 相当于接地，为低电平，输入 到u l n 2 8 0 3 a ，使得输出q o 4 为低。 由于外接的数字量输出信号多用于驱动继电器等执行部件，需要一定的电流才能工 作，所以本次设计作者选用u n l 2 8 0 3 驱动芯片，该芯片最多可输出5 0 0 m a 的电流，输 出电压可达5 0 v ，本次设计则选用工业中最常用的2 4 v 输出。与传统的由三级管组成的 放大电路相比，减少了系统的分立元件的数量，提高了系统的可靠性。由于7 4 h c t 3 7 7 ， t l p 5 2 1 均为常用芯片，在这里都不再做详细介绍，读者可参考相关的芯片手册。 至此，数字量输入输出板设计已经介绍完毕，其原理图如图3 3 2 硕七论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 3 4 热电偶接口板设计 图3 3 2 数字量输入输出接口板 热电偶是目前工业温度测量中最常用的传感器之一，但是在以往应用中，热电偶测 温主要存在着以下几方面的问题【1 2 】： 需要进行调零、电压放大和线性化等繁琐的工作； 需要温度变送器转换成标准电压或者电流信号后才能进行采集 需要冷端保持在0 。c ，希望在室温下测量就需要冷端补偿 k 型热电偶，是一种使用广泛而价格低廉的温度传感器，其最高测量稳定可达1 3 0 0 。具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点，广泛应用 于各种温度采集系统中。本次设计就是对于以上问题，针对工业温度测量中常用的k 型 热电偶，设计的一种电路。 图3 4 1 热电偶板 3p r o f l b u s d p 分布式智能从站硬件设计硕上论文 如图3 4 1 所示为热电偶数据采集板，主要由多路选择电路、k 型热电偶调理电路 和a d 转换电阻组成，其中a d 转换电路与模拟量输入输出接口板中a d 转换电路基 本一致，这里不再详细说明，下面主要针对多路选择电路和k 型热电偶调理电路做详细 介绍。 本次设计中，采用专用的k 型热电偶调理芯片a d 5 9 5 ，a d 5 9 5 为a d 公司设计的 k 型热电偶信号调理专用芯片。【1 3 】具有热电偶信号放大和零点补偿双重功能，具有以下 特性： 低阻抗电压输出：1 0 m v 片内零点补偿 电源电压范围：+ 5 v 一1 5 v 一 低功耗： l m w 热电偶断线报警功能 o 1 d m 佩l m f 孓 2 4 口 a d 5 9 5 _ i i i3 62 inf6-4 o d1 m f 7 - 5 70 6 53 a m7 i 瓶 v l 强b j8 档c 图3 4 2 热电偶多路选择调理电路 如图3 4 2 所示，8 路热电偶输入端i n 0 - - - i n 7 。接入多路选择芯片c d 4 0 5 1 ，由地址 信号a i 、a 2 、a 3 控制选择一路由a d 5 9 5a i n 输入k 型热电偶芯片a d 5 9 5 的1 4 脚， a d 5 9 5 的1 脚要求接热电偶正极且接地，模拟开关切换的是各热电偶的负极。通过模拟 开关c d 4 0 5 1 的热偶信号是负电压，按一般要求其第7 脚w e e ) 需接负电源，电位器 r 5 1 3 用于微调冷端补偿电压。a d 5 9 5 的1 2 、1 3 脚是热电偶，经过补偿、线性化后由 v i n d 输出，直接接入a d 转换电路，进行a d 转换。a d 5 9 5 的7 脚是负电源端，由 于不测0 以下的温度，7 脚可接地。 热电偶部分a d 转换电路与模拟量输入输出接口板基本一致，由于篇幅限制，在这 里作者不再详细阐述。 热电偶接口板原理图如图3 4 3 所示： 3 0 硕上论文 基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 3 5 热电阻接口板设计 图3 4 3 热电偶接口板 热电阻也是目前工业温度测量中最常用的传感器之一，而p t l 0 0 型热电阻具有稳定 性好、温度范围宽、抗震动、抗冲击等优点，在0 - 8 5 0 范围内，其阻值r t - - 1 0 0 ( 1 + a t + b t 2 ) ，式中：a = 3 9 0 8 0 2 1 0 一3 ，b 一5 8 0 1 9 5 1 0 一7 ，为使用最为广泛的 热电阻之一。然而，在设计温度测量系统时必须要考虑到以下两方面的问题l l 叫 1 线路电阻对测量精度的影响 由于热电阻的电阻分度数很小，p t l 0 0 的分度数只有0 3 9 0 8 0 2q 。c ，因此在温度一 电压信号测量中，线路本身电阻对测量精度会产生很大的影响。 2 热电阻的非线性问题 从式r t = 1 0 0 ( 1 + a t + b t 2 ) 中可以看出，热电偶r t 与所测量对象的温度t 并不是 线性关系的，其中有二次方项b t 2 ，影响着温度测量的精度。 本次设计，就是针对以上的问题，设计一种热电阻接口板。 3p r o f i b u s d p 分布式智能从站硬件设计硕士论文 图3 5 1 热电阻接口板 如图3 5 1 所示为热电阻接口板，从图中可以看出本次设计中，热电阻接口板主要 由多路选择电路、电阻一电流转换电路、调理电路和a d 转换电路组成，其中，调理电 路和a d 转换电路与模拟量输入输出接口板上的电路一致，在这里不再详细介绍，下面 作者将详细介绍多路选择和电阻一电流转换电路设计。 ll i1 6 a 0 ”v2 l 0 蜘 蝴 l nd r f b 35 s l 蛐 9 r t c 36 s 2 昀! d 3， s 3 1 左1 3 , 5 4 ，+ s l 量 0 口 匹 s 2 b s 3 b j ! 一 绺科t 研 毯 m 嚣凹耳1 6 i ll 21 6 a 0 + 2 l 姒l4 l nd e 矗f lj s i d 曩 e t c l6 s 2 r - l7 s 3 b 讹1 3 s + r t b 21 2 s l b r t c 2l l s 2 b s 3 t 臼! d 21 0 s 4 b x 珊c p 耳l o ， 图3 5 2 热电阻接口板多路选抒转换电路 如图3 5 2 所示为热电阻接口板多路选择转换电路，其中x 1 0 5 为b u r r 1 汛o w n 公司生产的自带传感器激励源和内黄线性化电路的4 - - - , 2 0 m a 变送器芯片，可以直接与 铂电阻相连构成温度传感器变送电路。该芯片具有良好的线性补偿功能，消除了线路电 阻产生的误差，该芯片主要有以下特点： 3 2 硕：l = 论文 基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 外围电路简单，可两线连接，也可以采用三线制连接。 可对热电阻线性化 宽电压范围7 5 - - - 3 6 v 高共模抑制比c m r ：8 6 d b m i n 。低温漂0 4 u v 在本次设计中，热电阻采用三线制连接方式，与两线制相比，当热电阻放置距离较 远时，三线连线方式可以提供更高的精度。如图3 5 2 所示，热电阻的三根线分别通过2 片双4 选一的多路选择器m a x 3 0 9 接到x t r l 0 5 的1 4 脚、1 脚和6 脚上。由地位信号 a 1 、a 2 作为路选信号选通相应的通道。当x t r l 0 5 工作时，芯片的的1 脚和1 4 脚提供 两路8 0 0 u a 的紧密电流源来激励外接的铂电阻和置零电阻r 4 2 5 ，该电阻对应铂电阻在 量程范围内的最小测温点的电阻值。可以通过改变3 脚和4 脚间的电阻r 4 2 3 调节以适 应不同的温度测量范围。该芯片输出为4 - 一2 0 m a 的信号。下面作者将具体说明图中 r 4 2 3 、r 4 2 5 、r 4 2 6 、r 4 2 7 的阻值计算i 1 ，j ： 设选取的温度测量范围的下限记做t m i n ，测量的上线记为t m a x ，则 r 4 2 5 = 热电阻在t m i n 是的电阻值。 r 4 2 3 ：2 ( r 2 - r z ) ( r l - r z ) ( 2 1 ) ( 足一r 1 ) r 4 2 6 ：坠堡二刍l ( 2 2 ) 2 ( 2 蜀一是一r z ) r 4 2 7 ：( r m + r 4 2 3 ) ( r 2 - r 1 ) ( 2 3 ) 2 ( 2 r i 一心二r z ) 其中羁为铂电阻在三型堕芸垒竺时的电阻值；r 为铂电阻在t m a x 时的电阻值； 尺，为芯片内部电阻为l k q 。 如设计测量温度为0 c - - , 2 0 0 。c ，温度测量值的分辩率为o 1 ，根据上面的公式， 计算求得对应的电阻值如下： 墨= r ：1 0 0 。= 1 3 8 5q ； r z = 1 0 0q ；r2 r ：2 0 0 。= 1 7 5 8q ；r 4 2 3 = 1 5 6 4q ： r 4 2 6 = 1 6 0 9 4 8 q ；r 4 2 7 = 1 8 6 1 1 9 q ；为了保证测温范围内的线性度和测量精度，作者采 用阻值比较相近的电阻+ 可调电阻的方式实现。 该芯片的输出为4 , - 2 0 m a 的电流信号，直接接到调理电路，变为0 1 0 v 的电压信 号后送入a d 转换，由于该部分电路和模拟量输入部分电路一样，作者在这里不再详细 介绍。 热电阻接1 3 板电路如图3 5 3 。 3 3 3p r o f i b u s d p 分布式智能从站硬件设计 硕士论文 3 6 小结 图3 5 3 热电阻接口板 本章主要介绍了基于p r o f i u b s d p 分布式智能从站的硬件设计，介绍了 p r o f i b u s d p 分布式智能从站硬件设计实现，包括主机板、模拟量接口板、数字量接 口板和热电偶、热电阻接口板五部分，并对每部分的重要电路给出了详细的解释说明。 硕士论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 4p r o f i b u s d p 分布式智能从站软件设计 4 1p r o f i b u s d p 状态机模型 p r o f i b u s d p 的状态机机制能保证d p 从站的行为一致性，d p 芯片s p c 3 中集成 了该协议的状态机制，不用用户直接参与处理，但是，对于开发人员来说，只有对该状 态机有一定程度的了解，才能了解d p 从站是如何工作的。 c 吾) 参数化错误 s e t _ p r m ，n o to k 组态错误 c h k _ c f g ，n o to k 。= 设置从站地址 s e t s l a v e _ a d d 攀wait pr mz 砥盛 等待组态 w a i tc f g 从站状态诊断 s l a v e _ d i a g 读参数 g e t _ p r m 从站状态诊断 s l a v e _ d l a g 读组态 g e t - c f g 从站诊断 s la v e d i a g 数据交换 d a t a _ e x c h a g e 读书入，读输出 r e a di n p u t s 、r e a do u t p u t s 图4 1 1p r o f i b u s d p 状态机模型 如图4 1 1 所示为p r o f i b u s d p 的状态图，从站加电后的启动顺序为：设置从站 地址一诊断请求一参数化一组态一诊断请求数据交换。当从站处于“p o w e ro n 上电 状态时，从站将接受来自主站的地址设置“s e ts l a v ea d d r e s s 报文，接着，从站将得 到一个“g e t c f g ”报文，参数化或“w a i t _ p r m ”报文，等待参数化。当参数化完毕后， 从站将收到主站对它的配置信息，即“c h kc f g ”报文，此报文中规定了输入、输出字 节数等信息。当参数化与组态经诊断确认正确后，从站进入数据交换状态。下面作者将 详细介绍各个状态的动作及其报文结构。 4 1 1 参数化从站 当系统上电或复位，参数化报文就将被发送，参数化报文至少含有根据标准要求的 信息，一开始的7 个字节将强制发送到每一个从站，报文如图4 1 2 所示，将包括以下 内容： ， 从站操作有无监视定时器，由于可靠性的要求，可检测是否有一个主站已停止 活动。 3 s 4p r o f i b u s d p 分布式智能从站软件设计 硕士论文 规定t s d r ( 在总线空闲时间己到达后从站要求的响应时间) 。 f r e e z e s y n c ( 锁定同步) 方式，可用于传动和计数器。 d p 从站对于其他主站的使能禁止。 用于全局控制报文分配的配置。 主站地址的识别地址。 与用户有关的参数 像冀 慌譬 伐翟 定时篷襁嚣蔫无纛活 镄建方式请求 一步方式 棼镇定鳙袋 锻窆馕求 i 事书2 与7 墨亡i i i 妄圈。的嚆黼鏊 钉3 电墨曲嗽舞救 一旺7 酲皿。一 事镪兰主衄诼掰鼍。蠢拿节 字案主5 咄职确号，二掌窜 卿晤t 地址田, o 一 图4 1 2 参数化报文以及参数化报文格式 当从站收到主站的报文后，将做简短的应答( e 5 ) 用以确认，不报告参数化错误， 除非主站在以后发出诊断请求报文，参数化报文格式如表4 1 2 所示。其中第l 字节设 定从站状态，第2 、3 字节用来设定d p 看门狗定时器的时间因数。其计算公式如下： t w d ( s ) = 1 0 m s w df a c tl w df a c t2 ( 1 1 ) 第3 字节是从站的最小延迟应答时间( t s d r ) 。这是从站等到它被允许发送一个响应 帧到d p 主站的最小等待时间。第4 、5 字节分别为识别号( i d e n t ) 。只有参数化数据中的 识别号与从站自己的识别号相同时，从站才接收这个参数化帧。第6 字节为d d l m 的 全局控制建立组。第7 字节是从站特有的参数数据。 4 1 2 组态化从站。 从站完成参数化后，进入w a i tc f g 状态，等待组态报文c h kc f g 。组态报文中 规定输入、输出字节数，在每次报文循环中，主站告知从站有多少个i o 字节要交换。 普通组态数据以字节为单位，每个字节最大可定义3 2 字节的输入输出。如图4 1 2 1 所 3 6 硕j 二论文基于p r o f i b u s d p 分布式智能从站设计与研究 示为普通组态报文格式。 1 i 一整体一致性 图4 1 2 1 普通组态报文格式 除了普通组态报文以外，为了使d p 主站组态时能得到更大的全局一致性数据区，可 以使用特殊的组态报文，特殊组态报文有两个字节组成，第一个字节指明这是特殊组态 报文，后面紧跟一字节输入，其格式如图4 1 2 2 。 2 特殊组 7 o 一没有i o 0 l 一输入 1 0 - 输出 数据长度 数据单位：字，字节 一致性 图4 1 2 2 特殊组态报文格式 当从站收到来自主站的组态化报文后，从站将组态报文与自己已存储的组态数据校 核，在报文的数据单元中可写入1 6 字节或字，在个字节或字中可综合有同样格式的 输入或数据，如不能在一个字节中进行组合，则不同的字节有可能要更多的存储器开销。 对组态报文的应答是“e 5 ”。如比较时，从站发现组态信息与g s d 文件中的相应项目不 符合，则从站将报告主站组态不正确，主站将不会与从站进行数据通信。 3 7 4p r o f i b u s d p 分布式智能从站软件设计 硕” 二论文 4 1 3 从站诊断 诊断信息在刚开始上电或者复位和组态完成后将先后发送两次，从站应当在当前数 据通信时，采用高优先权的响应报文。在下一次总线循环时，主站向这一从站请求诊断 以代替正常的数据交换。所有主站都可以向每一从站请求诊断数据。p r o