工程碩士學(xué)位現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在柔性制造中的應(yīng)用研究畢業(yè)論文

1、 . PAGE49 / NUMPAGES54 . 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在柔性制造中的應(yīng)用研究現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是現(xiàn)代企業(yè)綜合自動(dòng)化領(lǐng)域研究、應(yīng)用、發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，它可以將控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)集成，信息交換的圍從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、制作車間逐步覆蓋到整個(gè)工廠甚至企業(yè)集團(tuán)。它的出現(xiàn)使自動(dòng)化領(lǐng)域產(chǎn)生了一場(chǎng)深刻變革，對(duì)其他相關(guān)領(lǐng)域也產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。本文對(duì)目前國外PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并在研究傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)存在的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了將嵌入式總線橋技術(shù)應(yīng)用于機(jī)加工的柔性制造系統(tǒng)的新方案。通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究，開發(fā)了基于PROFIBUS-DP總線協(xié)議的智能從站，并對(duì)智能從

2、站進(jìn)行軟件與硬件系統(tǒng)開發(fā)，使其具有基本的數(shù)字輸入、輸出、數(shù)顯等功能，實(shí)現(xiàn)了從站與PROFIBUS-DP主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的基本功能，為該技術(shù)在柔性制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。通過本文的研究得出，將PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于機(jī)加工的柔性制造系統(tǒng)，可充分發(fā)揮PROFIBUS-DP的各種優(yōu)點(diǎn)，并能克服傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)中采用485總線技術(shù)的缺陷，對(duì)柔性制造技術(shù)信的改善和提高起到了積極的作用。PROFIBUS-DP智能從站的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)對(duì)我國PROFIBUS技術(shù)深入研究與實(shí)際應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞柔性制造系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線；PROFIBUS-DP；嵌入式總線橋；智能從站Studyon

3、 Applicationof Fieldbusin Flexible Manufacturing SystemThe fieldbus is a new technology ofresearch, applications, development of a modern enterprise integrated automation, and it can integrated the control system and communication network and the exchange of information ranging from devices, product

4、ion workshop and gradually cover the entire plant or enterprise group. It appears that the automation field produces a profound change in other related field, and has a profound influence.In this paper, the author analyzes the status of studying on the technology of the present domestic PROFIBUS in

5、fieldbus, on the basis of shortcoming for studying the traditional flexible manufacturing system, and proposes a new plan which applies bus bridge embeded into flexible manufacturing system. Through researching PROFIBUS-DP fieldbus technology, the author develops the intelligence PROFIBUS-DP slave s

6、tation, and design the software and hardware by it, make it have the functions of digital input, output and digital display basically, realize the telecom with PROFIBUS-DP main station in data. For this technology in the field of flexible manufacturing application it provides an important basis.Acco

7、rding to the paper, applying the PROFIBUS-DP fieldbus to flexible manufacturing system, it exerts all kinds of advantages of PROFIBUS-DP, and outcomes the defects of traditional flexible manufacturing system with taking 485 technology. It has positive influence to improve and enhance the flexible ma

8、nufacturing technology in telecom. The PROFIBUS-DP intelligence slave station both in software and hardware plays a positive role in promoting forward domestic PROFIBUS technology research and practical application.Key words： flexible manufacturing system, fieldbus, PROFIBUS-DP, bus bridge embeded,

9、intelligence slave station目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc246129832摘要 PAGEREF _Toc246129832 h IHYPERLINK l _Toc246129833Abstract PAGEREF _Toc246129833 h IIHYPERLINK l _Toc246129834第1章 緒 論 PAGEREF _Toc246129834 h 1HYPERLINK l _Toc2461298351.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 PAGEREF _Toc246129835 h 1HYPERLINK l _Toc

10、2461298361.2 柔性制造發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc246129836 h 2HYPERLINK l _Toc2461298371.2.1 柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展 PAGEREF _Toc246129837 h 2HYPERLINK l _Toc2461298381.2.2 柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的問題 PAGEREF _Toc246129838 h 2HYPERLINK l _Toc2461298391.3 選題依據(jù)與研究容 PAGEREF _Toc246129839 h 3HYPERLINK l _Toc2461298401.3.1 選題依據(jù) PAGEREF _Toc24

11、6129840 h 3HYPERLINK l _Toc2461298411.3.2 研究容 PAGEREF _Toc246129841 h 3HYPERLINK l _Toc2461298421.3.3 重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題 PAGEREF _Toc246129842 h 4HYPERLINK l _Toc2461298431.4 本課題結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc246129843 h 4HYPERLINK l _Toc246129844第2章構(gòu)建PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線集成方案 PAGEREF _Toc246129844 h 6HYPERLINK l _Toc2461298452.1

12、 現(xiàn)場(chǎng)總線 PAGEREF _Toc246129845 h 6HYPERLINK l _Toc2461298462.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線定義 PAGEREF _Toc246129846 h 6HYPERLINK l _Toc2461298472.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) PAGEREF _Toc246129847 h 6HYPERLINK l _Toc2461298482.1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn) PAGEREF _Toc246129848 h 6HYPERLINK l _Toc2461298492.1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc246129849 h 7HYPERLINK

13、l _Toc2461298502.2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)概述 PAGEREF _Toc246129850 h 7HYPERLINK l _Toc2461298512.2.1 PROFIBUS技術(shù)的主要發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc246129851 h 8HYPERLINK l _Toc2461298522.2.2 PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系 PAGEREF _Toc246129852 h 8HYPERLINK l _Toc2461298532.2.3 PROFIBUS技術(shù)體系結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc246129853 h 9HYPERLINK

14、 l _Toc2461298542.3 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線 PAGEREF _Toc246129854 h 9HYPERLINK l _Toc2461298552.3.1 PROFIBUS-DP的概念 PAGEREF _Toc246129855 h 10HYPERLINK l _Toc2461298562.3.2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的基本原理與基本功能 PAGEREF _Toc246129856 h 10HYPERLINK l _Toc2461298572.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc246129857 h 11HYPERLINK l _Toc24612985

15、8第3章 PROFIBUSDP從站總線橋技術(shù)解決方案 PAGEREF _Toc246129858 h 12HYPERLINK l _Toc2461298593.1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc246129859 h 12HYPERLINK l _Toc2461298603.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義 PAGEREF _Toc246129860 h 12HYPERLINK l _Toc2461298613.1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc246129861 h 12HYPERLINK l _Toc2461298623.1.3 嵌入式系統(tǒng)的分類 PAGEREF _T

16、oc246129862 h 12HYPERLINK l _Toc2461298633.2 PROFIBUS-DP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理 PAGEREF _Toc246129863 h 13HYPERLINK l _Toc2461298643.3 PROFIBUS-DP智能從站方案比較 PAGEREF _Toc246129864 h 13HYPERLINK l _Toc2461298653.3.1 單片機(jī)+軟件的解決方案 PAGEREF _Toc246129865 h 13HYPERLINK l _Toc2461298663.3.2 使用PROFIBUS通信專用ASIC方案 PAGEREF _To

17、c246129866 h 14HYPERLINK l _Toc2461298673.3.3 應(yīng)用總線橋技術(shù)的解決方案 PAGEREF _Toc246129867 h 15HYPERLINK l _Toc2461298683.4 方案確定 PAGEREF _Toc246129868 h 15HYPERLINK l _Toc2461298693.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc246129869 h 15HYPERLINK l _Toc246129870第4章 PROFIBUS-DP從站硬件選用 PAGEREF _Toc246129870 h 17HYPERLINK l _Toc246129

18、8714.1 總線橋特點(diǎn)與選用 PAGEREF _Toc246129871 h 17HYPERLINK l _Toc2461298724.2 嵌入式PROFIBUS總線橋OEM產(chǎn)品比較選擇 PAGEREF _Toc246129872 h 17HYPERLINK l _Toc2461298734.3 PB-OEM2-SE技術(shù)原理 PAGEREF _Toc246129873 h 17HYPERLINK l _Toc2461298744.4 PB-OEM2-SE技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc246129874 h 18HYPERLINK l _Toc2461298754.5 PB-OEM2-SE

19、外形與布局圖 PAGEREF _Toc246129875 h 19HYPERLINK l _Toc2461298764.5.1 J1-16針接插件管腳定義說明 PAGEREF _Toc246129876 h 19HYPERLINK l _Toc2461298774.5.2 SE狀態(tài)表 PAGEREF _Toc246129877 h 20HYPERLINK l _Toc2461298784.5.3 J2-10針接插件管腳定義說明 PAGEREF _Toc246129878 h 20HYPERLINK l _Toc2461298794.6 PROFIBUS孔(famel)D型插座與接口板連接方式

20、PAGEREF _Toc246129879 h 21HYPERLINK l _Toc2461298804.6.1 D型插座的PROFIBUS信號(hào)定義 PAGEREF _Toc246129880 h 21HYPERLINK l _Toc2461298814.6.2 連接方式0PBD型插座 PAGEREF _Toc246129881 h 22HYPERLINK l _Toc2461298824.6.3 外接口轉(zhuǎn)接板與OEM2-SE模塊連接 PAGEREF _Toc246129882 h 22HYPERLINK l _Toc2461298834.7 PB-OEM2-SE接口板功能選擇開關(guān)SW1 PA

21、GEREF _Toc246129883 h 24HYPERLINK l _Toc2461298844.8 本章小結(jié) PAGEREF _Toc246129884 h 24HYPERLINK l _Toc246129885第5章 PROFIBUS-DP從站軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246129885 h 25HYPERLINK l _Toc2461298865.1 通信規(guī)約 PAGEREF _Toc246129886 h 25HYPERLINK l _Toc2461298875.2 用戶模板串口通信程序流程圖 PAGEREF _Toc246129887 h 26HYPERLINK l _T

22、oc2461298885.3 軟件程序 GSD PAGEREF _Toc246129888 h 27HYPERLINK l _Toc2461298895.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc246129889 h 32HYPERLINK l _Toc246129890第6章 PROFIBUS-DP在柔性制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc246129890 h 33HYPERLINK l _Toc2461298916.1 FMS柔性制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 PAGEREF _Toc246129891 h 33HYPERLINK l _Toc2461298926.1.1 FMS柔性制造實(shí)驗(yàn)平

23、臺(tái)基本功能要求 PAGEREF _Toc246129892 h 33HYPERLINK l _Toc2461298936.1.2 系統(tǒng)硬件的搭建 PAGEREF _Toc246129893 h 33HYPERLINK l _Toc2461298946.1.3 FMS柔性制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信系統(tǒng)構(gòu)建 PAGEREF _Toc246129894 h 34HYPERLINK l _Toc2461298956.2 系統(tǒng)的安裝與軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc246129895 h 34HYPERLINK l _Toc2461298966.2.1 軟件、硬件的安裝 PAGEREF _Toc24612989

24、6 h 34HYPERLINK l _Toc2461298976.2.2 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc246129897 h 35HYPERLINK l _Toc2461298986.3 調(diào)試系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc246129898 h 39HYPERLINK l _Toc2461298996.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 PAGEREF _Toc246129899 h 41HYPERLINK l _Toc2461299006.4.1 對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行集中管理情況測(cè)試 PAGEREF _Toc246129900 h 41HYPERLINK l _Toc2461299016.4.2 機(jī)床參

25、數(shù)的遠(yuǎn)程管理測(cè)試 PAGEREF _Toc246129901 h 41HYPERLINK l _Toc2461299026.4.3 機(jī)床加工狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控 PAGEREF _Toc246129902 h 42HYPERLINK l _Toc2461299036.4.4 機(jī)床加工信息的實(shí)時(shí)采集 PAGEREF _Toc246129903 h 42HYPERLINK l _Toc2461299046.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc246129904 h 44HYPERLINK l _Toc246129905結(jié)論 PAGEREF _Toc246129905 h 45HYPERLINK l _

26、Toc246129906參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc246129906 h 46HYPERLINK l _Toc246129907攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文 PAGEREF _Toc246129907 h 49HYPERLINK l _Toc246129908致 PAGEREF _Toc246129908 h 50HYPERLINK l _Toc246129909個(gè)人簡歷 PAGEREF _Toc246129909 h 51第1章 緒 論1.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是順應(yīng)企業(yè)綜合自動(dòng)化需求而發(fā)展起來的新技術(shù)，是控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)的集成，信息交換的圍已從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、制作車間逐

27、步覆蓋了工廠到企業(yè)集團(tuán)14。第一代過程控制體系結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)50年代前的基地式的氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)。第二代過程控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展為使用模擬信號(hào)。第三代過程控制體系結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，中心控制采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)或單片機(jī)，以取代控制系統(tǒng)部分儀表盤，這種控制系統(tǒng)有很多缺點(diǎn)，比如模擬信號(hào)數(shù)字化是在計(jì)算機(jī)端完成，使得信號(hào)在傳輸過程中受到各類干擾，使得系統(tǒng)在抗干擾方面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)十分困難，此外，計(jì)算機(jī)一旦出現(xiàn)故障，便會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓5。20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)第四代過程控制體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用嵌入式技術(shù)：在現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備中嵌入微處理器，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備了智能化特點(diǎn)，多臺(tái)分散在現(xiàn)場(chǎng)微處理器，利用數(shù)據(jù)

28、總線連接在一起，避免了集中式控制系統(tǒng)整體癱瘓的缺點(diǎn)6。但是它也存在著一些缺點(diǎn)，如系統(tǒng)不開放、可擴(kuò)展性不強(qiáng)、可靠性低、集成能力不強(qiáng)等。隨著集成電路的發(fā)展，許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備置微控制器，有智能化的功能，可以實(shí)現(xiàn)線性化等功能，設(shè)計(jì)中，可以在這些設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一數(shù)據(jù)接口。這樣，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)傳遞的是數(shù)字信號(hào)。這種通信網(wǎng)絡(luò)它克服了集散控制系統(tǒng)(DCS)存在的問題，真正實(shí)現(xiàn)了分布式控制，具有高度的靈活性和開放性。在現(xiàn)代制造業(yè)中的集成制造系統(tǒng)(CIMS)一般是由和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)和工廠管理級(jí)等構(gòu)成的一個(gè)多層的大規(guī)模控制系統(tǒng)7，如圖1-1所示。圖1-1 總線系統(tǒng)分層控制圖Fig.1-1 Layer contr

29、ol sketch of system-bus是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它們底層設(shè)備控制、通信、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)完成；同時(shí)也接受管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理命令并執(zhí)行8,9。1.2 柔性制造發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷增加以與產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，在生產(chǎn)過程中必須提高產(chǎn)品制造的柔性以提高生產(chǎn)效率，采用柔性制造的概念可以縮短生產(chǎn)周期，降低能耗，降低生產(chǎn)成本，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。柔性制造系統(tǒng)便是在由此應(yīng)運(yùn)而生的10。在柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域，西歐、美國和日本走在世界的前列，而美國是最早的國家，起初是由自動(dòng)生產(chǎn)線改建，用數(shù)控機(jī)床代

30、替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床再加上數(shù)字控制系統(tǒng)，便構(gòu)成FMS，在美國，F(xiàn)MS單元得到了快速的發(fā)展，到90年代，柔性制造單元已超過了1萬套。日本與德國在這方面也得到了很好的發(fā)展。1994年初，世界各國已投入運(yùn)行的柔性制造系大概有3000多條，日本占世界首位，擁有2100多條。當(dāng)前著名的FMS生產(chǎn)廠家有：日本的LIJ崎、日立精機(jī)、法那科、豐田工機(jī)；美國的Keamey&Trecker, Ingersoll Milling, Cincinnati Milacron, , Bendax Sundstund； Werner&Kolb, Burkhardt& Weber, SIEMENS , HullerHilley以與Sc

31、harman等11。我國發(fā)展的較晚，1986年10月我國第一條FMS投入運(yùn)行， 863計(jì)劃啟動(dòng)之后，促進(jìn)了我國FMS技術(shù)的發(fā)展，自行開發(fā)和引進(jìn)了一些系統(tǒng)，至1995年建成約34套柔性制造系統(tǒng)，與歐美、日本相比差距很大，圖1-2為典型的FMS示意圖。圖1-2典型的FMS示意圖Fig.1-2Sketch of typical FMS1.2.2柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的問題柔性制造系統(tǒng)發(fā)展雖然日漸成熟，但在網(wǎng)絡(luò)信息化、控制模式等方面還有許多待改進(jìn)的地方，早期，在柔性制造系統(tǒng)的控制方式中，多采用集中控制模式：所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都由中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。這種控制模式使得系統(tǒng)軟件很龐大，所有的功能都要有中心實(shí)時(shí)去

32、處理，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度下降，進(jìn)而可靠性降低。有一個(gè)突出的問題是：管理層的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，而車間級(jí)和設(shè)備級(jí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)相對(duì)落后，這樣就使得設(shè)備級(jí)成為了“信息孤島”。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)解決了柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的這些問題。早期的柔性制造系統(tǒng)中，信息的傳遞較多的是采用RS232、I/O接口、MAP網(wǎng)絡(luò)方式或DCS方式，前兩種方式的傳輸速度太低，已經(jīng)無法滿足FMS的要求，對(duì)于后兩種方式，MAP不具備實(shí)時(shí)特性。DCS相對(duì)來說是不錯(cuò)的解決方案，但與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，現(xiàn)場(chǎng)總線有更明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著微控芯片工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，出現(xiàn)了大量的智能設(shè)備，如溫度變送器等，不但具有PID控制和運(yùn)算功能，還具有輸出特

33、性補(bǔ)償、自診斷、自校驗(yàn)等功能，這使得FMS的控制結(jié)構(gòu)開始由集中控制的方式向分布式控制模式發(fā)展，而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是這種方式的主要技術(shù)。1.3選題依據(jù)與研究容1.3.1選題依據(jù)本課題是基于數(shù)控生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)中心開展的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用技術(shù)的研究。通過分析柔性制造系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)以與嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中的嵌入式總線橋應(yīng)用于FMS的方案，以達(dá)到改善和提高FMS之目的。1.3.2研究容本課題將在充分研究目前國傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)的前提下，結(jié)合目前我國國Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的研究現(xiàn)狀，提出將Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于FMS的方法，在今后的研究中

34、，將通過研究Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用專用集成芯片開發(fā)基于Profibus-DP協(xié)議的從站，對(duì)從站進(jìn)行軟件與硬件的開發(fā)，通過編寫數(shù)據(jù)庫文件，實(shí)現(xiàn)與主站的基本數(shù)據(jù)通信。為了使研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本研究將建立在一個(gè)小型柔性制造系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)柔性制造模型中各個(gè)單元的控制與管理，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，為實(shí)際應(yīng)用提供理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。具體容分四個(gè)層次：（1）研究Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線橋的原理與應(yīng)用，構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)站點(diǎn)集成方案在構(gòu)建系統(tǒng)集成方案過程中，第一個(gè)要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是傳輸方案的選擇與接口的匹配。Profibus提供三種傳輸類型：DP、FMS的RS485傳輸、PA的IEC115

35、8-2傳輸、光纖傳輸，考慮到光纖傳輸有良好的抗干擾性，本方案選用光纖，但目前現(xiàn)場(chǎng)的大部分設(shè)備接口是RS485，需要解決二者之間的轉(zhuǎn)換。第二個(gè)問題是總線存取協(xié)議，主站和主站之間采用令牌傳送的方式，從站與主站之間采用主從傳送方式。（2）研究Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線橋的通信原理，設(shè)計(jì)主站與從站的硬件結(jié)構(gòu)在完成集成安裝的基礎(chǔ)上，在Profibus-DP通信方面，關(guān)鍵是設(shè)備通信接口解決方案，在設(shè)計(jì)從站的方案中，一般有三種：一種是直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種方案開發(fā)周期長，測(cè)試復(fù)雜；第二種是采用從站接口模塊，這種方案靈活性較差；第三種是采用Profibus專用ASIC與單片機(jī)結(jié)合，其中單片機(jī)不參與處理總線

36、協(xié)議，這種方案開發(fā)成本較低，技術(shù)指標(biāo)高。這一部分將對(duì)三種方案進(jìn)行理論與實(shí)踐分析，并最終確定一種最合理的方案，同時(shí)，將進(jìn)一步研究這種方案需要設(shè)計(jì)的外圍電路，并搭建一個(gè)調(diào)試與測(cè)試平臺(tái)需要的Profibus系統(tǒng)，用于以下在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）研究Profibus-DP從站與柔性制造單元的接口與數(shù)據(jù)交換在以上系統(tǒng)方案與通信原理建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究通信單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口電路與數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端，Profibus-DP一般采用RS485傳輸技術(shù)，為了達(dá)到抗干擾的目的，將進(jìn)一步研究信號(hào)與電源的隔離技術(shù)，如在接口電路上采用光隔離與變壓器隔離技術(shù)等，這是這一部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)格式的定義

37、上也是一個(gè)重點(diǎn)研究的容。（4）軟件的編制通過討論分析，軟件應(yīng)包含管理、控制、監(jiān)控、報(bào)警等功能，軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵在于接口的控制。（5）在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用通過搭建柔性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用前面研究成果構(gòu)建實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證軟硬件研究成果。1.3.3重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題（1）構(gòu)建基于Profibus-DP總線的通信與控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以提高其可靠性，保證高速的傳輸性能，使系統(tǒng)的集成能力加強(qiáng)。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線單元與柔性制造單元之間的接口電路設(shè)計(jì)。（3）軟件的編制以與對(duì)各接口的控制與管理。1.4本課題結(jié)構(gòu)本課題的研究工作主要是研究設(shè)計(jì)一個(gè)適合制造加工車間環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系

38、統(tǒng)，為機(jī)械加工生產(chǎn)管理與維護(hù)人員提供與時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境信息，推動(dòng)柔性制造系統(tǒng)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。本論文各章的基本容如下：第1章是緒論，簡要介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和柔性制造技術(shù)發(fā)展與出現(xiàn)的問題，引出選題依據(jù)與研究容。第2章介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、特點(diǎn)、發(fā)展歷程、協(xié)議模型與技術(shù)體系結(jié)構(gòu)；論述了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的基本原理、功能、報(bào)文結(jié)構(gòu)、總線定時(shí)與數(shù)據(jù)庫文件。第3章論述了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類，介紹了Profibus-DP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理，并對(duì)其從站接口進(jìn)行方案比較、選擇。第4章論述了Profibus-DP從站接口的硬件嵌入式總線橋產(chǎn)品的選用，介紹了其外形、布局圖、插座、接口板連接與開

39、關(guān)。第5章論述了Profibus-DP從站軟件的通信規(guī)約、串口通信程序流程圖與其軟件程序。第6章論述了Profibus-DP從站在柔性制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。介紹了其試驗(yàn)平臺(tái)搭建，系統(tǒng)安裝、軟件調(diào)試、調(diào)試原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。第2章 構(gòu)建PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線集成方案2.1現(xiàn)場(chǎng)總線2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線定義現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、雙向、智能、多變量、互聯(lián)、多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被稱為自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它起到溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備之間以與與更高級(jí)別的控制管理層之間進(jìn)行聯(lián)系的作用。所以它不僅僅是一個(gè)基層

40、的網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種新型全分布式、開放式的控制系統(tǒng)13。2.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)中，一般設(shè)備之間采用一對(duì)一的連線，位于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和管理層的控制器之間均采用一對(duì)一的物理連接。而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與此有很大的區(qū)別，由于采用了智能設(shè)備，所以，現(xiàn)場(chǎng)總線可以把控制室的控制模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也具有通信的能力，這樣就徹底實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)分散的控制14-16。兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖2-1所示。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)示意圖圖2-1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2-1 Structure contrast in

41、Fieldbus control system and traditional control system2.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，控制系統(tǒng)功能直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，而不依賴控制室，實(shí)現(xiàn)徹底的分散性控制。具有以下特點(diǎn)17-18：(1) 系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指各不同廠家的通信協(xié)議公開，不同設(shè)備之間能進(jìn)行互連，并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線研究的目的就是要一個(gè)建立統(tǒng)一的基于工廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這個(gè)開放系統(tǒng)可以與任何一樣標(biāo)準(zhǔn)的其它智能設(shè)備或系統(tǒng)相連。(2) 互可操作性與互用性所謂的互可操作性是指，可以實(shí)現(xiàn)互連的設(shè)備、系統(tǒng)之間的信息溝通可實(shí)行一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的

42、通信，而互用性指的是不同生產(chǎn)廠家之間的類似設(shè)備可以進(jìn)行互換互用。(3) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化與功能的自治性 現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)字處理與控制等智能功能分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中進(jìn)行完成，靠現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備就完全可完成諸多自動(dòng)控制的基本功能。(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可完成自動(dòng)控制的諸多基本功能，這樣就從根本上改變了原來DCS集中和分散相結(jié)合而構(gòu)成的集散控制體系，大大提高了可靠性。(5) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，支持同軸電纜、雙絞線、光纜、紅外線、電力、射頻線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)體現(xiàn)出優(yōu)越性，優(yōu)點(diǎn)如下19：(1) 節(jié)省硬件數(shù)量與

43、投資現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)不需要單獨(dú)的計(jì)算單元，可以用PC機(jī)作為操作站，這樣可節(jié)省硬件投資。(2) 節(jié)省安裝費(fèi)用由于接線十分簡單，這樣既節(jié)省了投資，也減少工作量。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用達(dá)60%以上。(3) 節(jié)省維護(hù)開銷現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷功能，這些診斷信息可送往控制室，在控制室可以查詢相關(guān)信息，以便快速排除故障，縮短維護(hù)時(shí)間。(4) 用戶具有高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，用戶便可以選不同的廠商的設(shè)備進(jìn)行集成系統(tǒng)，這樣可避免系統(tǒng)集成不兼容的問題，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)掌握在用戶自己手中。(5) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度大大提高，同時(shí)由于系統(tǒng)的結(jié)

44、構(gòu)簡化，現(xiàn)場(chǎng)儀表部功能也有所加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，進(jìn)而可提高系統(tǒng)工作的可靠性。2.2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)概述PROFIBUS符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，IEC61158是一種國際性開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、開放的標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠商目前都為他們的設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS接口。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為PROFIBUSPA，PROFIBUSDP，PROFIBUSFMS三個(gè)兼容部分20。(1) PROFIBUS-PA主要是應(yīng)用在面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面， 適合于防爆場(chǎng)合，在傳輸方面，電源和通信數(shù)據(jù)全部采用總線并行傳輸。PROFIBUS-P

45、A所采用的協(xié)議是擴(kuò)展的PROFIBUS-DP。傳輸技術(shù)方面采用的是IEC1158-2，硬件上采用分段式的耦合器，可以方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。(2) PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的使用取代了模擬信號(hào)線，由于協(xié)議較簡單，它適用于分布式控制系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用在制造業(yè)中的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)是高速低成，在傳輸速度上，可選用9.6kbps12Mbps。(3) PROFIBUS-FMS用于解決車間級(jí)的通信任務(wù)，適用于大圍和較為復(fù)雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUS-FMS與PROFIBUS-DP在傳輸技術(shù)上是一樣的，總線訪問協(xié)議也一樣，所以說，兩套系統(tǒng)可在一根電纜上操

46、作。本設(shè)計(jì)將采用PROFIBUS-DP總線技術(shù)。2.2.1PROFIBUS技術(shù)的主要發(fā)展歷程從80年代就開始，學(xué)者們就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行了研究，國際上眾多設(shè)備制造商陸續(xù)推出他們各自的總線標(biāo)準(zhǔn)以與總線產(chǎn)品。目前，像這樣的現(xiàn)場(chǎng)總線在全球就有200多種，它們各有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但有個(gè)問題是，他們不能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國際電工委員會(huì)從1984年開始，經(jīng)過長期的探討，最終形成了國際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。標(biāo)準(zhǔn)中，共采用了8種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，而PROFIBUS就是其中第三種。PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)，它所應(yīng)用的領(lǐng)域包括樓宇智能化、過程自動(dòng)化、加工制造等行業(yè)，它是目前廣泛應(yīng)用的一種

47、非常成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在自身的產(chǎn)品上提供PROFIBUS接口。到目前為止，在世界圍，已安裝運(yùn)行的帶有PROFIBUS總線的設(shè)備超過1000萬。我國的中國現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)成立于1997年6月，并建立了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品演示與認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，其主要的職責(zé)是推廣PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用研究，同時(shí)開展我國PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證工作。2.2.2PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線可以將設(shè)備從底級(jí)到中間執(zhí)行級(jí)分散開來。由于通信協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，所以不需要復(fù)雜的接口就可以實(shí)現(xiàn)。如果拿ISO/OSI協(xié)議模型進(jìn)行比較，PROFIB

48、US協(xié)議包含第1、2、7層，如圖2-2所示21。7應(yīng)用層6表達(dá)層5會(huì)話層4傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層ISO/OSI模型應(yīng)用過程用戶層7應(yīng)用層網(wǎng) 絡(luò) 管 理63-6層未用5432數(shù)據(jù)鏈路層1物理層PROFIBUS協(xié)議模型圖2-2PROFIBUS與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系Fig.2-2 The relationship of PROFIBUS agreement and ISO/OS model agreement。2.2.3 PROFIBUS技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖2-3PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)Fig.2-3PROFIBUS architecture2.3 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線PRO

49、FIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線有特定的硬件結(jié)構(gòu)，專用的通信報(bào)文結(jié)構(gòu)以與預(yù)先規(guī)定的總線定時(shí)。下面就這幾個(gè)方面分別敘述22-32。2.3.1 PROFIBUS-DP的概念DP的英文是Decentralized Periphery，即分散化外圍設(shè)備。PROFIBUS-DP主要是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，它響應(yīng)的時(shí)間從幾微秒到幾百毫秒，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6Kbps-I2Mbps，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個(gè)報(bào)文多達(dá)144個(gè)字節(jié)，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。PROFIBUS-DP可以廣泛地應(yīng)用于電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，低壓電控配電成套設(shè)備，數(shù)控加工設(shè)備，樓宇自動(dòng)化等。PROFIBUS-DP協(xié)議是專為自動(dòng)化工廠中的分布式I/O設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)

50、設(shè)備所要求的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的。典型的DP配置為單主站結(jié)構(gòu)，DP主站和DP從站之間的通信是遵從主從原則的。也就是說當(dāng)主站需要時(shí)，DP從站僅僅可以變的主動(dòng)一些，DP主站和從站之間的用戶數(shù)據(jù)可以進(jìn)行連續(xù)不斷的交換，而不需管用戶的數(shù)據(jù)怎樣。2.3.2PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的基本原理與基本功能(1) 傳輸技術(shù)采用RS-485傳輸技術(shù)，傳輸介質(zhì)可以選擇雙絞線電纜或屏蔽雙絞線電纜，也可以選擇光纜進(jìn)行傳輸，傳輸波特率的圍為9.6Kbps12Mbps。一般不超過1200m。(2) 設(shè)備類型在PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)中，有兩種設(shè)備：主站和從站。主站也有兩種類型：第一類DP主站(DPM1)采用如PLC、

51、PC等設(shè)備的中央可編程控制器；第二類DP主站(DPM2)為可編程、組態(tài)的設(shè)備。(3) 總線結(jié)構(gòu)與其通信PROFIBUSDP支持單主站與多主站兩種系統(tǒng)。單主站系統(tǒng)只有一個(gè)活動(dòng)主站，多主站系統(tǒng)是指在總線上連有多個(gè)主站。任何一個(gè)主站都可以讀取DP從站上輸入/輸出的信息，但有一個(gè)限制：只有一個(gè)DP主站允許對(duì)從站寫數(shù)據(jù)。圖2-4為PROFIBUS-DP系統(tǒng)。若干個(gè)DP-主可以用讀功能訪問一個(gè)DP-從PROFIBUS-DP多主系統(tǒng)的組成：-多個(gè)主設(shè)備（1類or 2類）-1到最多124個(gè)DP-從-在同一個(gè)總線上最多126個(gè)設(shè)備圖2-4PROFIBUS-DP多主系統(tǒng)Fig.2-4The multi-maste

52、r PROFIBUS-DP systems2.4 本章小結(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被稱為自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它不僅僅是一個(gè)基層的網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種新型全分布式、開放式的控制系統(tǒng)，PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)，它是目前廣泛應(yīng)用的一種非常成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在自身的產(chǎn)品上提供PROFIBUS接口。本章首先介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)特點(diǎn)與其優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了PROFIBUS協(xié)議的三種模型與其技術(shù)結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了分析比較，提出選擇PROFIBUS-DP的思路，接下來介紹了PROFIBUS-DP的基本原理、基本功能，給出了PROFI

53、BUS-DP報(bào)文結(jié)構(gòu)與設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件。第3章 PROFIBUSDP從站總線橋技術(shù)解決方案PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)EN50170是完整的開放的、與制造商無關(guān)的、無知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。原則上，PROFIBUS協(xié)議在任何微處理器(MCU)上都可以實(shí)現(xiàn)。建立PROFIBUS-DP可以有多種形式來實(shí)現(xiàn)，本章將對(duì)方案的選擇與確定進(jìn)行詳細(xì)闡述。3.1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在很大程度上嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)改變了人們的生活方式，這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)在諸如工業(yè)自動(dòng)化、國防、運(yùn)輸?shù)群芏囝I(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用33-36。3.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)一般被定義為：“嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

54、”。其中包括三個(gè)基本要素：“嵌入性”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”與“專用性”。3.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)“嵌入性”的特點(diǎn)：因?yàn)槭强刂菩酒乔度氲綄?duì)象的系統(tǒng)里面，所以芯片必須要滿足被嵌入對(duì)象系統(tǒng)本身的環(huán)境要求，如物理、電氣環(huán)境、成本等要求。嵌入式設(shè)備指的是部嵌入智能芯片的設(shè)備，比如：含單片機(jī)的手機(jī)、儀器儀表、家用電器、機(jī)器人、工控單元、PDA等。3.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類(1) 嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎(chǔ)部件就是通用PC中的CPU，在應(yīng)用中，一般是將微處理器安裝在專門設(shè)計(jì)的線路板上，同時(shí)，為了最大限度的減小系統(tǒng)體積和功耗，只保留和應(yīng)用有關(guān)的功能。需要指出的是，雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本一樣，但為

55、了滿足應(yīng)用場(chǎng)合的特殊要求，嵌入式微處理器在工作溫度、可靠性與抗電磁干擾等多方面都做了很大的增強(qiáng)。(2) 嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，一般是以某一種微處理器的核為核心，在芯片部集成有RAM、ROM/EPROM,、總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D、D/A等各種必要外設(shè)。與嵌入式微處理器相比，單片化是它的最大特點(diǎn)，因?yàn)轶w積減小，功耗和成本也隨之下降，而可靠性得到了大大的提高，目前它是嵌入式系統(tǒng)的主流。(3) 嵌入式DSP處理器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，DSP處理器進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，使它適合于執(zhí)行DSP算法，這樣編譯的效率較高，同時(shí)相對(duì)指令執(zhí)行的速度也高，基于DSP的算在大量的進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，尤其是在FFT、數(shù)字濾波與

56、頻譜分析等方面，同時(shí)，DSP應(yīng)用也逐漸過渡到采用嵌入式的DSP處理器。 (4) 嵌入式片上系統(tǒng)(SoC) 隨著半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是SoC。3.2 PROFIBUS-DP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理如圖3-1所示為PROFIBUSDP從站接口的雙向數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換原理，不論是實(shí)現(xiàn)RS232到PROFIBUSDP通信轉(zhuǎn)換，還是實(shí)現(xiàn)I/O到PROFIBSUDP之間的通信轉(zhuǎn)換，都是通過在RAM區(qū)中所建立的數(shù)據(jù)緩沖來進(jìn)行的，MCU通過對(duì)兩個(gè)通信數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)據(jù)交換的控制來實(shí)現(xiàn)PROFIBUS到I/O的雙向數(shù)據(jù)之通信。MCURAM區(qū)PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)緩沖區(qū)I/O或RS

57、232數(shù)據(jù)緩沖區(qū)PROFIBUS-DPI/O、RS232接口圖3-1 PROFIBUS-DP從站接口轉(zhuǎn)換原理Fig.3-1 The conversion Principle diagram of PROFIBUS-DP slave station interface protocol3.3 PROFIBUS-DP智能從站方案比較PROFIBUS協(xié)議只要在微處理器(MCU) 外部或部安裝上異步串行的通信接口即可完成，但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較高（超過500Kbit/s）或需要使用IEC1158-2傳輸技術(shù)來進(jìn)行傳輸時(shí)，建議使用專用芯片。設(shè)計(jì)PROFIBUS-DP智能從站一般有三種方案：單片機(jī)加軟件解決方

58、案、PROFIBUS通信專用ASIC解決方案以與應(yīng)用總線橋技術(shù)解決方案37-40。3.3.1單片機(jī)+軟件的解決方案單片機(jī)上一般都安裝UART，所以數(shù)鏈路層協(xié)議可以由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖3-2所示。但PROFIBUS的通信協(xié)議比較復(fù)雜，軟件實(shí)現(xiàn)是使用MCU微控制器，完全利用軟件實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議，軟件實(shí)現(xiàn)包括在MCU中進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)PROFIBUSDP的全部功能，諸如PROFIBUSDP通信協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層FDL服務(wù)存取點(diǎn)SAP程序編寫等，有相當(dāng)開發(fā)難度，而且受到單片機(jī)波特率的限制：按波特率的計(jì)算(32位或16位)：波特率=或者，由此得：；波特率=12M,T=65535；單片機(jī)主頻f=38

59、4M；波特率=12M，T=1；單片機(jī)主頻=92M而對(duì)于一般我們的單片機(jī)來說：=24M，T=65535; =750K =1.5M。但實(shí)際上，這種方法做不到，它不僅對(duì)開發(fā)人員的要求較高，而且程序編寫工作量很大，開發(fā)周期也較長，需要開發(fā)者對(duì)PROFIBUSDP的協(xié)議有一個(gè)非常透徹的了解。軟件實(shí)現(xiàn)方式雖較簡單，只需要外部加上總線接驅(qū)動(dòng)的芯片、晶振等，但也有一個(gè)突出的問題，就是傳輸速率受MCU芯片工作頻率的限制，所以軟件實(shí)現(xiàn)傳輸速率仍達(dá)不到理想速度，這樣開發(fā)出來的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)較低?？偩€接驅(qū)動(dòng)芯片8051MCUI/OPROFIBUS-DP總線圖3-2 使用單片機(jī)的PROFIBUS-DP從站接口框圖Fig.

60、3-2 The interface using SCM diagram of PROFIBUS-DP slave Station3.3.2使用PROFIBUS通信專用ASIC方案采用單片機(jī)、用PROFIBUS通信專用ASIC，如：SPM2，LSPM2，SPC3，SPC4，DPC31，ASPC2等芯片和一些外圍電路來實(shí)現(xiàn)。通常采用智能從站通信接口芯片SPC3，如圖3-3所示。RS-485驅(qū)動(dòng)帶電流隔離DP現(xiàn)場(chǎng)總線SPC3芯片微處理器80C3280X8680C166HC11HC16HC91648MHZRESETDATA/ADDRINTWR/RDReset圖3-3 使用SPC3的PROFIBUS-D