摘要：探討了DP/PA Coupler在NT6000係統中的應用，具體(ti) 描述了DP/PA耦合器的軟硬件的實現方法，為(wei) 將Profibus-PA總線轉換為(wei) Profibus-DP並接入NT6000控製係統中，實現DCS和現場總線技術的完美結合提供了解決(jue) 方案。
關(guan) 鍵詞：NT6000；Profibus-PA；Profibus-DP；DP/PA耦合器
1 概述
Profibus由三個(ge) 兼容部分組成，即Profibus-PA、DP以及FMS。Profibus-PA技術以符合國際標準IEC61158的Profibus-DP為(wei) 基礎，增加了PA行規和相應的傳(chuan) 輸技術，具有通過串行總線係統連接和通過數據線進行供電的特點，能更好的滿足過程控製領域的需求。
南京G22恒峰自動化集團股份有限公司DCS係統已經開發出了Profibus DP主站和Profibus DP從(cong) 站，可以將Profibus DP從(cong) 站通過主站接入DCS係統，但由於(yu) 沒有PA耦合器產(chan) 品，Profibus PA從(cong) 站產(chan) 品隻能借助其他公司的PA耦合器接入我公司DCS。DP/PA Coupler（KM633B）是我公司自2012年開始自主研發、設計的產(chan) 品，以適應各種場合的應用需要，完善我公司現場總線控製係統，降低成本，提升競爭(zheng) 力。
2 係統及模塊的總體(ti) 結構圖
KM633B為(wei) NT6000係統Profibus DP/PA耦合器模件，帶有一個(ge) Profibus DP接口和一對Profibus PA接口。每一個(ge) DP/PA耦合器最大可輸出300mA電流，最多可以連接25個(ge) 標準Profibus PA從(cong) 站。DP/PA耦合器的通信波特率是固定的，DP端口為(wei) 45.45Kbps，PA端口為(wei) 31.25Kbps。
圖1 DP/PA耦合器整體(ti) 框架
DP/PA Coupler的主要功能是耦合DP和PA總線，為(wei) 兩(liang) 種不同物理層、不同幀格式、不同編碼的總線提供無縫連接。PA總線端的波特率固定為(wei) 31.25Kbps，使用IEC61158-2物理層，將信號調製到電源線上，使用直流平衡的曼徹斯特編碼。DP總線端的波特率固定為(wei) 45.45Kbps，使用RS485物理層，使用標準的UART數據幀，使用不歸零碼。
3 硬件設計
圖2 DP轉換為(wei) PA過程
DP/PA Coupler是一種雙路冗餘(yu) RS485-Profibus PA總線轉換器，提供一種將Profibus PA總線轉換為(wei) 通用冗餘(yu) RS485總線的方法。本裝置提供一路符合IEC61158-2規範的9V-32V的輸出電源，用來給PA從(cong) 站設備供電。提供2路冗餘(yu) 的RS485總線接口，用來和RS485接口的控製設備通信。如圖2所示，本裝置由帶有阻抗調節、輸出保護功能的電源模塊，媒體(ti) 連接單元（MAU）電路，PA總線隔離電路，FPGA電路，處理器電路以及2路冗餘(yu) 、隔離的RS485電路組成。以ARM和FPGA為(wei) 處理核心，省去了ASIC，MAU電路使用分離的原件實現，節省了成本，降低了價(jia) 格。
圖3 可變阻抗PA電源設計
PA總線輸出電源是可變輸出阻抗的特殊電源，在直流輸出時，輸出阻抗很小，要求小於(yu) 50Ω，以方便PA總線從(cong) 站從(cong) 總線上取電，在31.25Kbps的工作波特率時，輸出阻抗很大，要求大於(yu) 3KΩ，以方便調製解調信號到電源線上。其工作原理如圖3所示。
4 軟件設計
4.1 FPGA軟件設計
在DP/PA Coupler中FPGA的作用就是將PA總線上的曼徹斯特碼流數據進行解析，以中斷的形式傳(chuan) 送ARM，進行PA-DP協議的轉換；當接收到從(cong) ARM發送過來的DP數據時，FPGA將其轉化成曼徹斯特碼流，調製到PA總線上，然後發送到PA總站。
圖4 FPGA中曼徹斯特解碼
PA總線上的曼徹斯特碼是以31.25Kbps的速度傳(chuan) 輸，每個(ge) bit是32us（N+、N-是特殊的32us），有效數據在32us的時間內(nei) 高低電平時間各占一半。空閑時，信號輸入引腳RxS_PA一直處於(yu) 低電平，當在RxS_PA引腳上檢測到信號的上升沿，並且緊接著檢測到了16bit（或者為(wei) 8bit）的前導碼P，接著是起始符SOF，說明PA總線上收到了一幀數據，而非幹擾信號，將PA總線上的幹擾信號濾除。
理想的曼徹斯特編碼在一個(ge) 時鍾周期的中間發生跳變，但實際工業(ye) 現場的PA總線上，曼徹斯特編碼的跳變並不一定在一個(ge) 時鍾周期的正中，會(hui) 發生抖動。在每個(ge) 曼徹斯特碼bit的1/4、3/4處設置采樣點sample。在sample處將RxS_PA直接賦值給data_buf，同時對data_buf進行左移位的操作。當有前導碼與(yu) 起始符的到來，在此時將控製寄存器CtrlReg0[0]置高，開始接收數據。在sample處將RxS_PA與(yu) clk_syc_m進行異或處理，得到實際當前曼徹斯特碼對應的不歸零碼的值，並在clk_syc_m的上升沿將數據提取出來存放在數據寄存器裏麵，並依此左移1位，當接收計數器bit_rcvd為(wei) 8時，更新數據緩衝(chong) 寄存器，達到數據提取的效果。當data_buf的低16位為(wei) 16'hb326時，說明檢測到停止符EOF，此時將接收使能置低、CtrlReg0[0]置低，代表一幀數據接收全部完畢，等待下一幀的開始，如此循環往複。
圖5 FPGA解碼流程
4.2 ARM軟件設計
FPGA通過FlexBus總線與(yu) ARM進行通信。
圖6 ARM軟件框架
如圖6所示，此產(chan) 品中，ARM處理器使用Freescale的K60 ARM Cortex M4內(nei) 核，其主要作用是：PA?DP幀結構轉換、CRC?FCS校驗轉換、DP?PA幀結構轉換、FCS?CRC校驗轉換、CPLD與(yu) K60處理器接口、數據緩衝(chong) 區、Profibus DP串口收發程序（固定45.45Kbps）。
5 KM633B在NT6000中的應用
如圖7所示，Profibus DP/PA耦合器在係統配置時無需組態，對Profibus主站而言，DP/PA耦合器是透明的，在組態中不可見。
圖7 KM633B在NT6000中的位置
KM633B使用DIN導軌安裝方式，安裝前請注意底部撥碼開關(guan) 。KM633B可以使用在DP電纜的任何地方，在DP總線中間或終端均可，但需要注意的是，如果耦合器連接在DP電纜的中間，無需連接終端電阻，如果將KM633B連接在DP電纜的終端，必須要連接終端電阻。KM633B必須連接在PA總線的終端。總線布線時需遠離動力電纜及變頻器等強幹擾設備。
6 總結
隨著自動化技術的進一步提高，Profibus-PA總線必將得到進一步的推廣和使用。G22恒峰NT6000 DCS係統通過Profibus DP/PA Coupler可以和Profibus-PA從(cong) 站完美集成，最大限度的發揮Profibus-PA現場總線的優(you) 勢，提高係統的可靠性、可維護性，為(wei) 客戶節約布線成本和後期維護費用，從(cong) 而為(wei) 用戶創造價(jia) 值。
參考文獻
[1] PROFIBUS Specification (EN 50170)，PI,1998
[2] NT6000-KM633B產(chan) 品手冊(ce) ，G22恒峰自動化集團股份有限公司，2013
[3] 雙路冗餘(yu) RS485總線-Profibus PA總線轉換器，G22恒峰自動化集團股份有限公司，2013
