1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR 题 目 ： 基于 PROFIBUS-DP 现场总线的智能液位传感器接口研发 学 院： 信息工程学院 系 自动化系 专业班级： 测控技术与仪器 班 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 讲师 起讫日期： 年 月 至 年 月 摘要 I 基于 PROFIBUS-DP 现场总线的智能液位传感器接口研发 摘要 智能传感器是 近些年由于计算机信息技术、电子科技技术等技术的发展，在传感器基础上所衍生出来的产物。其性能较传统的传感器而言更为的稳定且能够与计算机端进行数据交换，因而广泛应用于工业生产
2、。 而 现场总线系统不仅 是一个 基层 的 通信 信息 网络， 更是一个 开放式的、全新型的自动化控制系统。 其中的拥有领先地位的 则是 PROFIBUS 现场总线。 PROFIBUS-DP 是 组成 PROFIBUS的 三个部分之一。 PROFIBUS-DP 在国际上通用的 总线， 广泛运用于内部设备间的传输 。 VPC3是 针对 PROFIBUS-DP 研发的智能 通讯 芯片 ， 集合运用了总线所需层数来完成系统的通信 。 智能 液位传感器输出的数据 在 经过单片机 的 处理后， VPC3 根据 协议内容 接连到输出 设备 ， 通过这种 方式 完成 液位传感器的数据传输 ， 这样完成了一个
3、借口所需要的功能，达到工业上的要求 。 本 篇 论文首先介绍了 目前 现场总 线技术的概况和 以及 PROFIBUSDP 的发展和现状， 接着着重阐述了 VPC3 的基本性能参数以及各个引脚的作用，最后着重讲解 了 实现 PROFIBUS-DP 现场总线从站 与液位传感器 接口的 上 硬件 与软件上的 设计 方案 。 关键词 ： PROFIBUS-DP； VPC3；现场总线；智能从站 Abstract II Research of Intelligent Module of Liquid Level Sensor Interface Based on PROFIBUS-DP Abstract
4、Intelligent sensor is the product of computer sensor technology and electronic technology development in recent years. Compared with the traditional sensors, its performance is more stable and can exchange data with the computer, so it is widely used in industrial production. The field bus system is
5、 not only a grass-roots communication information network, but also an open, new type of automatic control system. One of the leading ones is the PROFIBUS field bus. PROFIBUS-DP is one of the three parts that make up PROFIBUS. PROFIBUS-DP is widely used in the world, and is widely used in the transm
6、ission between internal devices. VPC3 is an intelligent communication chip for PROFIBUS-DP research and development, which uses the required number of buses to complete the communication of the system. Intelligent liquid level sensor output data through the microcontroller processing, according to t
7、he VPC3 agreement on to an output device, data transmission liquid level sensor in this way, so complete an excuse functions needed to reach the requirements of industry. This paper first introduces the current situation of the field bus technology and PROFIBUS as well as the development and current
8、 status of DP, then focuses on the basic performance parameters of VPC3 and the function of each pin, fina lly focus on the realization of PROFIBUS-DP fieldbus on hardware and software design scheme from the station and the liquid level sensor on the interface. Keyword: PROFIBUS-DP； VPC3； fieldbus ；
9、 intelligent slave station 目录 III 目录 摘要 .1 Abstract . II 第一章 绪论 .1 1.1 现场总线技术的发展和现状 .1 1.2 PROFIBUS 概述 .2 第二章 PROFIBUS-DP 的基本信息、通信原理及作用 .3 2.1 PROFIBUS-DP 的基本信息及通信原理 .3 2.1.1 PROFIBUSDP 基本信息 .3 2.1.2 PROFIBUSDP 通信原理 .4 2.2 PROFIBUS-DP 的作用 .7 第三章 VPC3 的概述 .8 3.1 VPC3 的基本特性 .8 3.2 VPC3 的芯片引脚功能 .9 第四章
10、液位传感器接口设计方案 . 11 4.1 液位传 感器的介绍 . 11 4.1.1 传感器基本原理 . 11 4.2 通信接口硬件设计 .12 4.2.1 C8051 与 VPC3 的接口 .13 4.2.2 VPC3 与 RS485 接口 .15 4.2.3 外部功能扩展 .16 4.2.4 电源模块 .17 4.3 通信接口软件设计 .18 4.3.1 软件总体设计 .18 4.3.2 主程序与中断程序 .18 第五章 总结和展望 .22 5.1 小结及展望 .22 第六章 实物展示及测试环节 .23 6.1 实物图展示 .23 6.2 测试环节及结果 .24 参考文献 .27 致谢 .2
11、9 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 现场总线技术的发展和现状 现场总线是在 20 世纪 80 年代中后期 的时候，由于伴随着工业相关产业的核心技术的一个发展，例如计算机、电子技术的革新而才产生的系统， 代表 着 工业自动化控制发展的最新阶段。 欧洲提出了现场总线的概念 。 紧随着 ， 其他各个国家也纷纷投身到这个领域当中去 。 在当代 ， 由于原有的工业化核心科技更不上生产进度的要求 ， 需要 开始 逐步 向 信息 化 、网络化 方向发展。 且 现场总线系统在经历了一步步的发展和革新之后， 一种全新的可替代老牌工业 系统的新兴技术就诞生了 。 现场总线控制系统 可建立工厂生产过程现场的
12、设施仪表之间的相互联系，并且能够与更高控制管理层取得信息的交换传输， 作为 工业化 通信网络。在现场总线控制系统 之 中， 就是为了得到一个 420mA 的一个信号输出，这标志着现场总线工作的一个正常的运行，而且得到的这个数据也是符合现场总线的这样的一个总体的标准的 。 因现场总线 的发展 有着这样巨大 的 潜力 ， 所以 世界范围内的 各大 集团组织 都愿意 投入财力展开 开发研究 工作 。 到目前为止，现场总线仍然是各个公司 互相 竞争的一个领域，在 不断创新 的过程中， 系统由原来的第四代系 统不断升级，现今已经革新到更高的版本系统 。国际上知名共识之间的相互竞争使得这一领域还未开发出一
13、套通用的标准，但就目前而言，国际上公认的一套标准就是 OSI 参考模型，比较为大家所接受。 由于 现场总线技术的兴起， 通过发展与一直不停地 革新，这即将开辟一个新的时代，迎来了工业化发展的又一个高潮，使得工业化生产企业的效益不断地得到提高，也促使了工业化迈向信息通信化的进一步发展。 第一章 绪论 2 1.2 PROFIBUS 概述 PROFIBUS 是由 德国 SIEMMENS 公司组织开发的现场总线技术， 这之后 先后成为德国和欧洲的现场总 线标准，并 且 在 2000 年 的时候 成为 了 IEC61158 现场总线 的 国际标准之一。 PROFIBUS 在国际上是 开放 的， 不 需要
14、关联 设施仪器等厂商 的 一种现场总线规范 ，在工业等领域得到广泛应用 。其中 的 PROFIBUS-DP 是能够高速且自动化程度高的系统 ，也可以 分散式 的输入输出 的通信。 4-20mA 的一个电 信号 的 传输 ，在 使用 系统 的过程中，可以被替换取代。该系统 专为过程 工业化自动设计 ， 使得应用的智能传感器与传感器相应的执行设备联合起来，有一个比较系统的管理 。 智能传感器是 近些年由于计算机信息技术、电子科技技术等技术的发展，在传感器基础上所衍生出来的产物。其性能较传统的传感器而言更为的稳定且能够与计算机端进行数据交换，因而广泛应用于工业生产。而 现场总线系统不仅是一个 基层
15、的通信 信息 网络， 更是一个开放式的、全新型的自动化控制系统。 其中的拥有领先地位的 则是 PROFIBUS 现场总线。 PROFIBUS-DP 是 组成 PROFIBUS的 三个部分之一。 PROFIBUS 可以用于工厂内，在车间之间用来自动监测车间生产，并且能够完成流水线上 设备间 数据 的相互通信，并且加以控制 。 为 了提升 工厂里面的综合化管理 水平 ，自动化管理 水平 ，使得工业上各个车间之间的生 产变得更为的高效，且能够及时通信，完成数据交换，实现产业升级。 因为 PROFIBUS 的兴起，经过发展与不断革新，这即将开辟一个新的时代，迎来了工业化发展的又一个高潮，使得工业化生产
16、企业的效益不断地得到提高，也促使了工业化迈向信息通信化的进一步第二章 PROFIBUS-DP 的基本信息、通信原理及作用 3 第二章 PROFIBUS-DP 的 基本信息 、通信原理及 作用 2.1 PROFIBUS-DP 的 基本信息 及通信原理 2.1.1 PROFIBUSDP 基本信息 （ 1） 行规 PROFIBUSDP 上承载的 协定 有 明确 的 规则 ， 一切信息 需要按照该协议进行传输，然而这些数据的定义是 在协议内有规定的 。 准确地使用这些行规可以使不同的厂商及时是运用不同的设备是有一个明确的规范，具体的行规标准如下 ： （ a） NC/RC 行规 （ 3.052） （ b
17、） 编码器行规 （ 3.062） （ c） 变速传动行规 （ 3.071） （ d） 操作员控制和过程监视行规 （ HMI） （ 2） 传输距离 Profibus 总的 传输速率 的范围是在 9.6K 到 12Mbps 之间 ， 不同速率时候最大传输的距离也是不一样的 ， 在使用 中继器 的时候，最大传输距离可延长到 10km。中继器上的传输介质可以用 光缆 替代 ， 且可连续相继连接达到 127 个站点。 Profibus 支持 多种 传输方式。 在各个系统中都是 主站具有 支配地位，因为主站可 以 主动发送信息 。在多主站系统中 ， 主站轮流支配总站的控制权，事先预先设置好一个预定值流程，
18、这个流程会在各个主站间传递，且各个主站所占用的时间均匀分配 ， 依次传递信息 。 在 每个 主站在 取得 控制权 的时候 时， 占据支配地位，可单对单地对从站索要或者发送 数据 ，实现通信功能。 （ 3） 扩展功能 DP 扩展是在 DP 基本功能的基础上加以延伸，不对 DP 基本功能做出改变 。 （ a） DPM1 与 DP 的 从站 之间进行数据传导，未经过循环 。 （ b） 带 DDLM 读写双向 的 性 能， 且不参与循环 ，读取从站上获得的数据 。 （ c） 新增了一个报警功能，由 DDLM ALAM ACK 功能 负责，主要是处理由从站上传输过来的一些报错，来实现报警功能 。 （ d
19、） DPM2 与从站 之间进行 信息 传导 的时候 ，未 通过 循环 。 第二章 PROFIBUS-DP 的基本信息、通信原理及作用 4 2.1.2 PROFIBUSDP 通信原理 （ 1） 速率判别 速率：在 分布系统中， 如果它有 32 个站点的时候， PROFIBUS-DP 可以 对所有站点传送 512 字节每秒的 输入和 512 字节每秒的输出 。 诊断功能： PROFIBUS-DP 中含有经过扩展的模块可以对从站上传输过来的数据进行采集 。 其中 诊断 内容分为三个 级别 ： 本站诊断：在温度压力等因素异常时候本站采取一些措施 。 模块诊断： 传输过程中的吗，某一站点出现输入 /输出
20、问题 。 通过诊断 ：单个出现的某个 I/O 模块的问题 。 （ 2） 构成系统 PROFIBUS-DP 的协议可以组成 单 个主站系统、以及 多 个主站系统，不过在每个总站上节点的个数不超过 126 个 。每个系统 均 需要 涵盖如下三种类型不同的设施 ： （ a） 一级 DP 主站 （ DPM1） ： 该主站类似于一个大脑，是系统中的中央处理器例如其他一些 PLC 之类的，还涵盖了 PC 端口 。 （ b） 二级 DP 主站 （ DPM2） ： 该 主站 的主要功能 是 完成 程序编译，并在系统运行的过程中也充当面板的职责，实时监控并报告系统中出现的错误。 （ c） DP 从站： 该站点
21、是 基础站点，主要完成信息采集以及信息的输出工作 。 （ d） 单主站系统： 在系统启动 运作 的过程中， 有且 只有一个主站 。 （ e） 多主站系统： 在 PROFIBUS-DP 系统上并非只 呈现 一个 主站 ，可出现多个主站的情况 。 其中的每个主站，与其对应的从站构成一个个系统，是系统中的子系统 。 而且每一个主站均可对从站上输入输出的信息进行读取 ，但 有且仅有 一个主站 可以 对 DP 从站 输入 数据。 PROFIBUS 协议中的 DP 从站状态转换如图 2-1 所示，图中展示了 DP 从站从上电到进入正常的主从数据交换阶段的状态转换过程，从这个过程可以了解从站的通信状态转换。
22、 第二章 PROFIBUS-DP 的基本信息、通信原理及作用 5 图 2-1 从站的用户接口状态机 （ 3） 系统行为 系统 的 行为 由 DPM1 一级 DP 主站 的操作状态 所决定 ， 而系统内部以及总线上的设施决定了这些状态，其中典型的 三种状态 如下 ： 停止： DPM1 与各级从站间停止输入输出的状态 。 清除： DPM1 可以 读取各个从站上的 传来的 信息并且能够 保证 从站上的信息不被故障所破坏 。 运行： DPM1 能够在此时与从站间进行数据的交换，其中包括了 对从站中的输入信息进行读 取，也能够对从站中的输入信息进行写入 。 在运行模式下有如下两种运行状态： （ a） D
23、PM1 设施 在预设好的时间范围内 ， 抉择一部分从站并将其状态有一定周期的输送到这些从站上面去 。 Power-On Wait-Prm Wait-Cfg DATA-Exch Check-Freeze Check-Clear 第二章 PROFIBUS-DP 的基本信息、通信原理及作用 6 （ b） DPM1 在数据传输过程中产生报错的时候 ， 会将此时 一切 从站 内 的数据转入到一个 模式 叫清除 状态 ，此时处理完错误类型之后才会重新转入清除状态并且将 DPM1 的状态改变 。 （ 4） 循环数据 DPM1 与其从站间的信息传送 是由 DPM1 依照协议规定的内容排好次序传送的 。 在总线
24、系统的集成中 ， 我们可以对主站和从站之间的关系进行新一轮的定义，确定他们之间的关 系在决定传输时按何种方式进行传输 。 DMP1 向所有 从站间的 完成 信息传输 时 分 为三个步骤：第一步先设定好参数，第二步对系统进行组态，最后在对数据进行传输。在这个过程当中，每个从站自身的数据需要与主站之间的数据进行比较。在主站与从站间的数据与他们构成的组态中的实际相匹配的时候才能进入到下一步，即主从站间的数据传输阶段。 （ 5） 组态设备 除 了主站从站之间的性能 外， 主站和从站在 DP 系统内还有一些其他的拓展功能使得总线可通过这些完成组态编辑 。 （ 6） 锁定模式 DPM1 设备 可按程序主动执行向从站的用户数据循环传输 ， 其设施 也可以在特殊情况下对一组或者多组关联的从站发送特定的指令以及命令 。 这些指令通过有选择性的传输发送给指定的从站，主要是为了实现再指令下达的时候，使得所被控制的从站实现一个同步状态。
