ProfibuS-DP/Modbus协议转换模块的研究与设计

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计算机技术和微电子技术的快速发展,在很大程度上推动了工业自动化的进程,各厂商的生产效率也因此得到了迅速提高。伴随着工业控制的要求不断提高,原有的集散控制系统在很多情况下难以满足生产需求,现场总线技术正是在这种背景下应运而生。由于自身的诸多优点,现场总线迅速赢得了各大公司和厂商的青睐。但在快速发展的同时,也出现了一些新的问题:有能力的企业不断推出自己的总线标准,而且各有优点,但彼此之间的不兼容给用户带来了极大的不便。  因此,不同总线设备的系统集成逐渐成为又一个研究热点,本文的设计也是基于这一背景提出的。在查阅大量相关著作的前提下,本文选择了应用广泛的两种现场总线标准Modbus以及Profibus-DP作为研究方向,设计了一款基于STM32微处理器的Profibus-DP/Modbus协议转换模块。通过它可以将Modbus从设备方便地接入Profibus-DP网络,这不仅解决了Modbus组网能力不强的问题,同时也缩短了工程周期,降低了系统更新换代的费用。  在现有的Profibus-DP从站的设计方案中,大部分采用专用协议芯片完成,而这些芯片大多由国外企业生产,不仅价格昂贵,给生产商带来很大的成本压力,而且对我国的总线事业的发展有一定的阻碍作用;同时选择专用协议芯片设计,降低了模块使用的灵活度。鉴于以上原因,本文采用了软件方案来完成协议转换模块中DP从站侧的开发。  考虑到工业现场的复杂情况以及生产控制的严格要求,本文从软硬件两方面对协议转换模块的可靠性和实时性进行了设计。在硬件设计方面,系统采用了稳定性及性价比很高的STM32系列的微处理器,使数据传输速率可以达到1.5Mbps,较以前的软件设计有很大提升;同时在接口设计时采用了具有隔离功能的驱动芯片,以此来减少现场信号对系统的影响。在软件设计方面,DP从站侧使用DMA功能进行串口收发,使得微处理器可以节省出时间去处理其他事务;在模块内部采用了单缓冲区的设计,以此来保证系统使用的都是当前的最新数据;对数据处理过程中可能发生的异常情况的分析,采用了中断机制来保证系统能及时作出响应;另外,在对各种波特率自适应算法综合对比后,采用了耗费资源少的穷举法来对可能的波特率变化进行及时的响应,来保证数据接收的正确性。  最后,借助西门子公司的S7-300系列PLC作为Profibus-DP主站,串口调试工具commix模拟Modbus从站设备,STEP7软件作为组态工具搭建了模块测试平台。测试结果表明:本文设计的转换模块能够较好地实现系统设定的各项指标,正确高效完成Profibus-DP与Modbus数据的转换,具有一定的研究价值和推广意义。
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