摘 要：隨著企業信息化的開展，管理網絡與底層控制網絡實現無縫鏈接顯得極為迫切和重要。以PC機和工作站為基礎，通過組建網絡來構成實用的測控系統，在網絡上進行測試和數據采集，實現測試設備的遠距離測試與診斷，使分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯接在一起，有利于提高生產效率和共享信息資源。基于PROFIBUS-DP協議的從站芯片LSPM2配以雙端口RAM和微處理器，采用過程映像的方法，在內部存儲區域中，劃分I/O點的過程映像區，實現監控主站和底層I/O點之間的數據交換。為異構系統的數據交換模式進行了有益的探索。 關鍵詞：PROFIBUS-DP; 液位測量; 雙端口RAM 1 引言 　　網絡信息技術的迅猛發展和廣泛應用，使許多科學技術和生產領域發生了巨大的變革。網絡信息技術與智能測控技術的結合，產生了基于網絡環境的智能測控新領域，兩者的融合正使信息和控制兩大領域的相關理論和技術得到迅速發展。工業現場測控網絡正成為國內外研究的熱點。 　　PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統，系統配置的描述包括站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式以及所使用的總體參數。每個PROFIBUS-DP系統可包括以下三種不同類型設備：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與DP從站交換信息;二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的;DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（I/O設備、驅動器、HMI、閥門等）。 2 系統結構 　　2.1 測控系統網絡結構 　　系統有三層結構，最底層為數據采集與處理系統層，完成過程數據的液位、溫度等數據的實時采集與處理，通過過程映像區與從站芯片實現過程數據的交換;中間層為過程的監控層，完成過程數據的統計、報表、安全監測等功能;最上層為企業的信息系統數據庫，完成生產的調度與管理、庫存統計與周轉等功能。如圖1所示。 [align=center] 圖1 測控系統網絡結構圖[/align] [align=center] 圖2 從站結構示意圖[/align] 　　2.2從站構成原理 　　2.2.1從站結構 　　基于PROFIBUS-DP協議的從站芯片LSPM2配以雙端口RAM和微處理器實現了從站的測控和通信功能。其結構如圖2所示。測控系統將傳感裝置的各種信號送入輸入過程映像區，簡單從站芯片定時讀取輸入過程映像區的過程數據;而簡單從站芯片將來自PROFIBUS-DP主站的輸出數據定時送至輸出過程映像區，測控系統將輸出映像區的數據讀出并送至輸出設備。 　　2.2.2從站芯片 　　LSPM2是西門子公司用于開發PROFIBUS-DP簡單從站的專用芯片，支持PROFIBUS-DP協議。作為簡單的PROFIBS接口模塊，只需外接晶振片、復位電路、總線接口驅動裝置、無需編寫任何程序就可以實現簡單的從站功能。主站經7層模型的第2層尋址LSPM2，當LSPM2收到無誤的報文后，它會自動根據DIN E 19245 的第3部分產生所需求的響應報文。LSPM2的技術參數為：支持PROFIBUS-DP協議;最大傳輸速率12Mbit/s，可自動檢測并調整數據傳輸速率;LSPM2采用80管腳PQFP封裝;LSPM2具有集成的32I/O位（其中16個可診斷輸入），8個診斷位;部分I/O可設置為輸入或輸出;集成的看門狗（WATCHDOG TIMER）;外部時鐘接口24MHZ或48MHZ;5VDC供電。芯片構成的系統簡單，無需輔助CPU，也不用專用開發包調試，是一種最簡單而且成本最低的實現PROFIBUS-DP協議的協議芯片。其最大的優點在于開發周期短，產品成本較低，技術指標高，自主性強等。 [align=center] 圖3 LSPM2內部結構圖[/align] 　　LSPM2的參數輸入是通過外接串行EEPROM或移位寄存器實現的。當采用EEPROM時，兩個16位的字作為參數被存放在EEPROM內，地址分別為：00H和01H。字00H的第0～6位是從站地址，字01H是16位的設備識別碼，數值在十進制的1～126中選擇。如果超出范圍，LSPM2自動將EEPROM設為126，并將檢測位變為“0”。在啟動或復位后，LSPM2從EEPROM中的00H，01H獲得參數，并載入到內部的參數寄存器中。 　　LSPM2內部集成了EEPROM的控制單元，它能在內部產生一個讀/寫周期，將RD-EEPROM和WR-EEPROM兩個標志位置位，并在外部相應的管腳上產生控制信號。讀寫周期的指令由9位組成，從EEPROM里串行讀取。第一位是啟始位（1），后2位是操作碼，決定了讀、寫和擦除等操作，后面的6位是地址。除了EEPROM的方法外，還可以采用外接的移位寄存器的方式給LSPM2輸入參數，此時芯片內部的移位寄存器可以獨立產生用于控制移位寄存器的控制序列。數據通過外部移位寄存器串行傳輸到內部移位寄存器上并從內部寄存器的第23位開始在時鐘的作用下向右移動。所傳輸的數據包括16位的設備識別碼（ID number）和8位的從站地址。應該注意的是從站地址采用的是BCD編碼，范圍是十進制的1～99。芯片內部集成的移位寄存控制器是一個獨立的部分。 　　2.2.3雙端口RAM實現數據交換 　　單片機AT89C52和從站協議芯片LSPM2之間的數據交換是通過雙端口RAM實現的。DS1609 是具有256 字節的雙端口隨機存取存儲器, 它在一個存儲器器件上連接了兩個可異步操作的地址/數據總線, 兩個端口都有各自獨立的RAM 控制信號, 可以無限制地訪問所有256 字節的存儲單元。 　　芯片有兩組對稱的8位地址/數據線和三根控制線，雙端口可以異步操作，輸入和輸出三態。引腳的A、B標識分別對應A、B兩端口。分時操作方式，讀寫周期的前段為地址處理時間，后段為數據處理時間。未選中時，對應的端口呈高阻。 　　I/O點在DS1609的存儲區域中形成自己的過程映像區。DS1609的存儲區域按輸入輸出分為輸入過程映像區和輸出過程映像區。I/O點過程映像區在存貯區域的WORD0～WORD127范圍內： 　　（1）輸入模塊的數據可以分別被單片機AT89C52寫入和LSPM2讀取數據。 　　（2）同理，LSPM2和單片機可以分別向輸出模塊寫入和讀取數據。 [align=center] 圖4 DS1609 讀周期的工作時序圖 圖5 DS1609 寫周期的工作時序圖[/align] 　　DS1609 雙端口RAM 讀周期的工作時序如圖4所示。當任一端口的讀周期開始時，首先把地址送到地址數據復用總線AD0～AD7，然后端口選擇控制/CE置為低電平，這個控制信號使得地址在RAM 內部鎖定。當地址保持時間過后，地址信號可從總線上撤銷，當/C E 和/O E 都為低電平有效時,AD0～AD7 輸出的數據有效。只要信號保持低電平，數據仍然有效。在/C E 或/O E 的上升沿后，讀周期結束。然后，地址/數據總線將回復到高阻狀態。在讀周期期間，/W E 必須保持高電平。 　　DS1609 雙端口RAM 寫周期的工作時序如圖5所示。當任一端口的寫周期開始時, 首先把地址信號送到地址數據復用總線AD0～AD7，然后端口選擇控制信號/C E 置為低電平，這個控制信號使得地址鎖存于RAM 內部，和讀周期一樣，在地址保持時間過后，地址信號可從總線上撤銷。接著寫允許控制信號/WE置為低電平，開始寫周期的數據寫操作，隨著/CE和/WE都為低電平，將欲寫到選定存儲單元的數據送到地址數據復用總線。在/CE或/WE的上升沿，數據被寫入存儲器并且結束寫周期。當寫周期一結束，數據就可以從總線上撤銷。 在寫周期期間，/O E 必須保持高電平。 3 基于現場總線的液位測量原理 　　為了克服在測定油罐中油品的液位、質量、壓力、密度、溫度等參數時，測量精度不能滿足在線計量的要求，聲波測量法的長期穩定性較差，伺服和磁致伸縮等測量方法造價過高的問題，采用拉線式位移光電編碼器與靜壓檢測相結合的綜合測量系統，同時采取固定距離差的對稱傳感器裝置，精確地測量出油品的密度,能夠很好的解決上述問題。拉線式位移光電編碼器精確監測靜壓傳感裝置的位移量，利用可逆計數器實現位移量的測量，溫度、壓力傳感器實現溫度壓力的測量，由A/D轉換器，經AT89C52單片機和Profibus-DP簡單從站芯片與上位機進行通信。 　　本系統采用光電編碼器檢測液位。當傳感裝置發生位置變化時，光電編碼器便會發出A、B兩相相差90度的數字脈沖信號，脈沖的個數與位移量呈比例關系，且正轉時A相超前B相 90度，反轉時B相超前A相90度。 　　拉線盒的線繩被拉出或縮回使其轉子轉動，旋轉的轉子帶動增量式編碼器轉動，編碼器每轉動一圈發出一萬個脈沖，脈沖的輸出電平標準為RS-422，轉成TTL電平標準后，通過可逆計數器實現脈沖計數，讀入單片機，從而實現液位的測量，液位測量誤差小于±1mm。 [align=center] 圖6 基于網絡液位測量系統原理圖[/align] 4 結論 　　本文作者創新點：系統采用PROFIBUS-DP簡單從站芯片與通用微處理器之間增加雙端口RAM的系統架構，實現了PROFIBUS-DP智能從站的功能。通過過程映像區的合理設置，實現了網絡測控系統中各節點的數據交換，實現了監控主站和底層I/O點之間的數據交換，是異構系統數據交換模式的一種高效結構。 　　本液位測量系統實現了大量程的精確測量，測量誤差小于±1mm，且量程在0～50m范圍內液位測量誤差與量程無關。 參考文獻： 　　[1]Hoske M T Applying Fieldbus Technology Control Engineering , 1998,45（6）:53 　　[2]紀文剛,魏永祿,張吉月.基于PROFIBUS-DP的燒結過程控制系統的設計與實現.微計算機信息,2005,21（5）:51-52 　　[3] 溫寶博，紀文剛，張惠平。基于MODBUS/TCP的以太網總線適配器的數據交換。北京石油化工學院學報，2002，3：12～14.