摘要：跟着工厂自动化技能的开展，依据Profibus—DP现场总线与Modbus协议的通讯技能在国内外得到了广泛的运用。然而要完结两者之间数据转化却较为困难，原因是完结两者之间数据转化的产品相对较少。本文针对选用Modbus RTU协议通讯的变频器，供给了一种Prnfibus—DP现场总线与Modbus协议之间转化的通讯接口，首要论述了该接口的软硬件规划方案，并要点介绍了完结通讯接口牢靠性与实时性的办法。试验成果证明了该规划方案的可行性。
跟着工厂自动化技能的开展，现场总线技能现已得到广泛的运用。其间进程现场总线Profibus(Process Fieldbus)是一种面向工厂自动化、流程自动化的国际性现场总线规范，以其灵活性、牢靠性以及高性能价格比等长处广泛运用于制造业自动化、进程自动化、楼宇自动化以及交通电力等范畴。Profibus包含Profibus-DP，Profibus-FMS等系列，其间用于设备级操控体系与涣散式 I/O通讯的Profibus—DP是市场占有率抢先的总线技能，它是世界上仅有的几个开放式现场总线规范之一，也是我国工业自动化范畴行业规范中为数不多的现场总线规范之一。
Modbus协议是广泛运用于电子操控范畴的一种现场总线协议，其免费开放性遭到了许多商业用户的亲睐，成为全球最为盛行的现场总线协议之一。它支撑多种电器接口，如RS-232，RS-485等。Modus协议包含ASCII(美国信息交流码)、RTU(长途终端设备)两种。许多工业设备，包含 PLC，DCS，智能仪表等都在运用Modbus协议作为他们之间的通讯规范。
我国关于Profibus-DP技能的运用和研讨首要以体系集成和工程运用为主，关于完结Profibus—DP与Modbus之间数据转化的产品相对较少，且被一些公司独占，价格昂贵，针对变频器范畴的详细运用的产品更是少之又少，关于不具备DP通讯才能的变频器推行与运用形成了瓶颈。
因而，现在迫切需要开宣布一种设备，能够完结选用Modbus通讯协议的变频器与操控体系中的Profibus—DP主站之间进行通讯，使该类变频器具有Profibus-DP通讯接口。
1 协议转化通讯接口硬件规划
1.1 协议转化通讯接口整体结构框图
图1是针对变频器的Profibus—DP与Modbus协议之间转化的通讯接口整体结构框图，首要包含主操控器、SPC3通讯单元、光耦阻隔电路、RS-485驱动电路、5 V阻隔电源、用户接口电路及相应的外围电路。
1.2 协议转化通讯接口硬件电路规划
如图2所示，协议转化单元中的主操控器选用PHILIPS公司的P89C51RD2HBBD单片机，首要用于操控Profibus-DP 协议芯片SPC3收发DP主站数据，并经过履行P89C51RD2HBBD单片机相应的协议转化程序，将DP数据转化为Modbus数据发送给变频器用户端;经过用户接口电路也可将变频器回来的数据信息经过SPC3通讯单元传送给DP主站;别的，在协议转化进程中，因为变频器端有4种不同的波特率，别离为 19 200bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而关于Profibus—DP其传输速率最高可到达12 Mbps，为防止数据在传输进程中或许发生丢掉的状况，所述协议转化单元另一重要功用即处理DP与Modbus协议在转化进程中呈现的通讯速率不匹配问题：为完结变频器与主操控器之问具有相同的传输速率，主操控器的两个I/O口经过用户接口单元与变频器衔接，在协议转化单元开端作业时，主操控器经过此接口取得变频器发送的波特率挑选信号，依此设置相应的异步串行通讯的波特率，使变频器与主操控器的传输速率共同。
协议转化单元中的Profibus—DP协议芯片SPC3是Siemens为智能从站开发的一款Profibus专用通讯芯片，该芯片集成有完好的DP协议，能自动检测9.6 Kbps到12 Mbps规模的波特率，内部集成有1.5KB的RAM。该芯片是专为循环MS0和非循环的MS1数据交流(即Profibus DP-V0和DP-V1)规划的。使用此芯片只需要很少的外部器材就能够完结一个Profib us的站点;在本通讯接口模块中，其8根数据总线、11根地址总线以及相应操控总线别离与协议转化单元中的主操控器相连;别的，SPC3芯片的数据发送信号TXD，数据接纳信号RXD以及发送使能信号RTS与RS-485驱动电路相接;SPC3的外部时钟接口有24 MHz和48 MHz两种可选，本规划选用48 MHz的有源晶振，为SPC3供给时钟信号。别的，SPC3经过对48 MHz的时钟信号四分频为主操控器供给12 MHz的作业时钟。
所述RS-485通讯单元，完结了本接口通讯设备DP从节点的物理层功用，其间，为防止总线信号遭到DP从站设备的搅扰，总线A、B数据信号线接口选用50 M波特率的光耦HCPL 7101阻隔，RTS信号线选用10 M波特率的光耦HCPL0601阻隔;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体系过错，HCPL7101输出端先经过反相器74HC132在接入总线;别的，关于光耦阻隔电源本接口规划选用芯片ADUM5000，ADUM5000为2.5 kV阻隔DC/DC转化芯片，其电源输入为5 V或3.3 V，输出5 V或3.3 V;本规划中所选ADUM50 00的输入输出所选均为5 V，其间输入端电源是由变频器经过用户接口供给，其阻隔出的5 V电源为RS-485驱动电路以及光耦的后级供电。
2 协议转化通讯接口软件规划
2.1 主程序流程
如图3所示，主程序流程：首要初始化SPC3，由DP主站装备相应的组态报文以及参数报文，一起初始化P89C51RD2HBBD单片机的异步串行通讯接口;在SPC3完结初始化后，即可与DP主站进入数据交流状况，等候主站发送指令;若主站有数据输出，单片机取得数据存入输出数据缓冲区(相关于主站)，假如缓冲区无溢出，调用Modbus协议程序，把数据封装为Modbus帧格局，经过串口传送给变频器端。假如输出缓冲区有溢出，发生外部确诊，在DP主站下一次轮询从站获取确诊报文时，发送给主站，由主站给予处理。变频器端在接纳到DP主站发送的指令后，回来呼应数据，单片机经过串口获取该数据，并存入输入数据缓冲区(相关于主站)，若输入缓冲区无溢出，存入SPC3数据缓冲区，等候轮询，与主站交流数据。若有溢出，发生外部确诊，在DP主站下一次轮询从站获取确诊报文时，发送给主站，由主站给予处理。
2.2 要害技能研讨——牢靠性与实时性
在协议转化进程中，因为变频器端有4种不同的波特率，别离为19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而关于Profibus—DP其传输速率最高可到达12 Mbps，两者的通讯速率并不彻底匹配，为防止因为DP主站通讯速率相对变频器较高而致使发送的操控指令信息被掩盖掉，在P89C51RD2HBBD单片机中拓荒输出双缓冲区，即协议转化单元接纳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，当即清空该缓冲区，并置位第一个缓冲区的空标志位，等候下一次数据存储，鄙人次数据到来时，首要检查两个缓冲区的空标志位，把数据存储到现已清空的缓冲区中，再经过协议转化程序处理后及时发送至变频器，经过该双缓冲区然后防止数据信息被掩盖掉的或许性，一起，为防止在一些特别状况下，比方DP通讯速率到达最高，而变频器数据传输速率设置为最低，或许导致双缓冲区溢出而损失防止数据信息被掩盖的功用，可使用SPC3通讯单元发生数据溢出用户确诊报文，发送至DP主站，主站经过读取确诊信息获悉发生过错原因，并作出相应处理。关于变频器侧数据传输速率远远大于DP通讯的波特率时，在单片机中拓荒输入双缓冲区，选用相同的方法到达通讯接口数据传输的牢靠性与实时性。
3 测验试验与成果剖析
为了验证本文所规划的Profibus-DP与Modbus协议转化接口软硬件的正确性与合理性，结合试验室现有的试验条件，选用PLC 300作为DP主站，建立试验测验渠道。测验流程如图4所示：首要，对DP主站进行初始化，在进入DP主站进入数据交流状况时，依据变频器实践的操控指令，由DP主站向变频器端发送操控指令帧，协议转化接口在接纳到DP主站发送的数据后，解分出实践的变频器操控指令，将其封装为Modbus数据，送至变频器端，变频器依据所接纳到的Modbus数据，做出相应的回复，其回来数据再经过DP与Modbus协议通讯接口转化为DP帧格局的数据送至DP主站。一起为了愈加直观的调查协议转化接口转化的DP数据与Modbus数据，别离选用ProfiTrace对DP主站发送和接纳的数据进行监控，一起，协议转化接口将所得到Modbus数据送至串口调试帮手，经过串口调试帮手监控所转化的Modbus数据的与DP主站所交流的数据是否相同，然后提高了测验试验的可信度，也更进一步验证了协议转化接口的功用的牢靠性。其间ProfiTrace为DP数据监测设备，经过相应的操作软件Proficore能够实时的获取DP总线上传输的数据。
关于DP主站的初始化，如图5所示，当DP主站完结参数报文装备和组态报文装备，在得到确诊信息00 0C 00 0100 08之后便进入数据交流阶段，如图6所示，实线方框圈起的部分为DP主站发送的变频器指令，虚线方框圈起的部分为变频器返经过DP与Modbus协议转化接口回来的呼应数据，经过Proficore监测界面能够看到，DP主站输出的数据与所接纳到的数据都为06 C8 00 00 25，其间，06 C8 00 00 25为DP主站向变频器发送的操控发动指令，变频器在正确接纳到该操控指令之后，将所接纳到的数据回来至DP主站，以便奉告主站指令数据正确接纳。
别的，如图7所示，经过串口调试帮手取得的协议转化接口转化的Modbus数据为01 06 C8 00 00 25 76 71，一共8个字节，其间01为变频器界说的地址，76 71为Modbus数据的CRC校验码，06 C8 00 00 25为实践的数据部分，与DP主站发送和接纳到的数据共同。
因为Profibus—DP通讯速率最高可到达12 Mbps，关于变频器端界说了四种不同的波特率，别离为19 200bps，9600bps，4 800 bps，2 400 bps，为了验证协议转化接口在不同通讯速率下转化数据的正确性与牢靠性，经过DP主站以及协议转化接日别离设置不同频率的通讯速率，经过上述试验对此通讯接口进行屡次测验，均能保证数据传输正确。
4 定论
综上所述，本协议转化通讯接口是在一块电路板上有用的集成了Profibus-DP智能从站接口，又嵌入了DP数据与Modbus数据转化功用，使选用Modbus RTU协议通讯的变频器能够与选用Profibus—DP协议的主站通讯。在硬件方面，选用P89C51RD2HBBD+SPC3协议芯片+RS485驱动电路，即可完结Modbus协议与Profibus-DP协议之间的转化，经过用户接口与变频器物理衔接;在软件方面，依据变频器的四类操控指令：操控变频器起停、读变频器当时状况、设置变频器参数与读取变频器参数，由DP主站把操控指令转化成相应的DP帧格局数据发送到本设备的DP从节点，主操控器经过SPC3通讯单元获取该数据之后，将其封装为Modbus数据，使用单片机的异步串行接口发送给变频器，到达操控变频器的意图，相同，变频器依据接纳到的操控指令回来相应的数据信息，主操控器经过用户接口电路取得，并提取有用数据将其发送至SPC3协议芯片的输出缓冲区，与DP主站进行周期性交流数据，别的，为完结变频器与DP主站的通讯速率匹配，经过在主操控器内部RAM拓荒5字节的双缓冲区，在主操控器经过SPC3通讯单元接纳DP主站数据时，先判别两缓冲区的空标志位，将数据存储到空标志位为0的缓冲区中，经协议转化处理发送给变频器后，当即清空该缓冲区以及相应的空标志位，等候下一次数据传输，一起，为保证协议转化的安全牢靠性，假如双缓冲区发生溢出的状况时，经过SPC3通讯单元发生溢出确诊报文回来至DP主站，由DP主站做出相应的处理。
与现有技能比较，本规划针对选用Modbus RTU协议的变频器，供给了一种Modbus与Profibus-DP之间进行协议转化的通讯接口设备。经过试验验证，本通讯接口软硬件规划正确，能够完结选用Modbus RTU协议的变频器与DP主站进行通讯，且数据转化实时牢靠。在必定程度上，关于选用Modbus协议通讯的变频器，本通讯接口扩展了其运用规模，具有重要的实践意义。
