基于嵌入式总线桥的PROFIBUS- DP从站地磅称重仪表C9G设计

为了提高高速条件下地磅仪表重量数据传输的稳定与可靠性，文章提出了运用新 塘Cortex- M0芯片NUC200与北京鼎实嵌入式总线桥模块相配合的方式，设计了一款从站地磅称重仪表C9G，以便接入DP网络，与主站实现信息交互；仪表采用NUC200作为CPU控 制器通过I/O 口实现对总线桥模块读写、初始化等信号的控制，通过串口实现和总线桥之间 Profibus数据的发送和接收；采用嵌入式接口板提供Profibus^ DP/V0从站通信接口。

引言

现场总线在工业控制中越来越重要，作为当 今主要现场总线之一的Profibus已经成为国际标 准，并在全世界得到了广泛的应用。由于Profibus 是一个开放的标准体系，对于地磅称重仪表，只要提 供Profibus接口和描述产品特性的GSD设备数据 库文仲就可以接入到任何Profibus网络中。

C9G是最新研发的一款三入三出隔爆称 重配料控制表，可与传感器连接组成配料秤、定 量包装秤、控制秤等。它隔爆等级高，防爆标志 为 Exd [ia IIC Ga]IICT6 Gb ；接口 丰富，带隔离 4- 20mA/0- 5V/0-10V模拟量输出，全隔离RS485/

RS232双串口高速输出以及外接大屏幕电流环输出接口；通信方式灵活，标配Modbus-Rtu通信，也 可选配Profibus- DP通信接口。

地磅称重仪表通常作为从站采用Profibus- DP通 信，C9GDP通信部分的核心是采用了北京鼎实嵌 入式Profibus总线桥。总线桥是北京鼎实专门针对 自动化行业应用现场总线技术瓶颈问题，即传统 仪表和现场设备不具备现场总线通信能力，无法 接入现场总线系统而设计开发的现场总线通信接 口系列产品，它以OEM方式提供嵌入式Profibus 接口，方便用户在短时间内推出具有自主知识产 权的Profibus产品。称重仪表的CPU通过串行接 口向OEM总线桥接口板读/写输入/输出数据， 接口板自动将其转换成Profibus-DP协议与Profibus主站进行通信。

1.硬件设计

C9G Profibus- DP称重仪表采用新塘32位 Cortex- M0 芯片 NUC200LD2AN 作为 CPU 控制器， 其内建64KB字节的Flash存储器，以及8K字节 SRAM, 4K字节用于存储ISP引导代码的ROM 带有两路UART 口，如图1所示。C9G主板通过 J1-16针插座与接口板相连，为接口板提供两路独 立电源供电，微控制器通过UART0向接口板读/ 写输入/输出数据，接口板通信部分的核心采用 SPC3集成电路，SPC3是一种用于从站的智能通信 芯片，支持Profibus-DP协议，它可独立完成全部 Profibus- DP通信功能，将称重仪表的串口数据自动 转换成Profibus- DP协议与Profibus主站进行通信。

C9G主板J1-16针接插件部分管脚定义说明见 下表1所示：

如图2所示，C9G主板带有两路串口，串口 0 是Profibus- DP和RS232通信复用串口，利用二极 管的单向导通性保证CPU数据输入线的正常工作， 在程序设计的时候要注意两者通信的排他性，串 口 0在用于Profibus- DP通信时不可再用与RS232 通信。另外一个串口 1预留为RS485通信口，在 此不做详细讲述。

2.软件设计

C9G主板和接口板通过串口连接，Txd、Rxd 为TTL电平，半双工，每个字节用11bits传送，1 个启始位、8个数据位、1个偶校验位、1个停止 位，通讯波特率固定设为9600, C9G主板的通信 基本过程是：

（1）初始化：如图3所示，C9G主板按固定波特率向接口板发初始化报文，初始化报文共49字 节长度，包含从站站号、ID号、I/O配置数据长 度、I/O配置数据、接收数据长度、发送数据长 度、用户参数长度、校验和字节等数据，从站地 址范围为0?126，I/O 口配置为6个字重量数据输 入,1个仪表状态标志位信息输入字节，1个仪表 控制指令字节输出，然后等待接口板的回答；接 口板接收到初始化报文后，如果偶校验及校验和 无错，检查初始化报文参数，回答初始化成功/失 败报文给C9G，接口板回答初始化成功后，进入 数据交换状态。

（2）数据交换过程：如图4所示，循环进行， C9G主板主动向接口发送PROFIBUS输入数据 (包含6个字重量数据和1个字节仪表状态标志位 信息，接收PROFIBUS输出数据（1个字节，仪 表控制指令，上升沿有效。

3.实验仿真与数据分析

本文使用鼎实PBStudio+工具监测Profibus-DP 信号，在计算机上安装好PBStudio+软件上，配合 硬件使用，在没有Profibus主站的情况下，能够模 拟Profibus- DP V0主站，对总线上的所有从站进 行判断和分析。如图5所示，在监控软件上可以 看到Profibus- DP总线状态，从站3(C9G称重仪表） 已经进入数据循环交换状态，在图6界面可以观 察到仪表配置信息，以及仪表输入输出 Profibus- DP 数据。

如图7所示，从报文结构上分类，Profibus- DP通信中规定了数种报文类型：SD1 (10H、SD2 (68H、SD4 (DCH、SC (E5H。

从报文功能上分类，Profibus DPV0通信中包 含的报文种类有诊断报文（SD2、参数化报文 (sd2、配置报文（Sd^、数据交换输入输出报文 Sd1sd2、主站令牌传输（SD4、FDL站点状态 报文(SD1)、短应答报文(SO等

通过PBStudio+工具，可以监测通信数据报 文，以下是部分数据监测报文举例：

（1）此报文为数据交换报文，源地址0,目标 地址3,数据为0。

4.小结

地磅称重仪表C9G通过鼎实嵌入式接口板实现了 与主站如PLC的通信，完成通信协议的转换。 其实现的主要功能如下：

（1）支持 Profibus- DP/V0 协议。

（2）共输出13字节长度，其中包含12字节浮 点型毛重、皮重、净重数据，可选高字节在前或 低字节在前，以及1个字节的仪表状态信息，包 含零位、净重、稳定标志。

（3）共输入1字节长度，为仪表控制指令，上 升沿有效，可执行清零和除皮动作。

（4）可选从站地址1?126。

采用嵌入式总线桥的办法实现地磅称重仪表 Profibus-DP通信可以缩短研发周期，以期快速投 入市场，但从成本考虑，使用Profibus通信专用ASIC开发更为有利，但开发周期长，对开发技术 要求较高。