1 概述
        Profibus由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus-PA、DP以及FMS。Profibus-PA技術(shù)以符合標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的Profibus-DP為基礎(chǔ)，增加了PA行規(guī)和相應(yīng)的傳輸技術(shù)，具有通過串行總線系統(tǒng)連接和通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電的特點(diǎn)，能更好的滿足過程控制領(lǐng)域的需求。
南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)股份有限公司DCS系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出了Profibus DP主站和Profibus DP從站，可以將Profibus DP從站通過主站接入DCS系統(tǒng)，但由于沒有PA耦合器產(chǎn)品，Profibus PA從站產(chǎn)品只能借助其他公司的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(fā)、設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，以適應(yīng)各種場合的應(yīng)用需要，完善我公司現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，降低成本，提升競爭力。
2 系統(tǒng)及模塊的總體結(jié)構(gòu)圖
        KM633B為NT6000系統(tǒng)Profibus DP/PA耦合器模件，帶有一個(gè)Profibus DP接口和一對Profibus PA接口。每一個(gè)DP/PA耦合器zui大可輸出300mA電流，zui多可以連接25個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Profibus PA從站。DP/PA耦合器的通信波特率是固定的，DP端口為45.45Kbps，PA端口為31.25Kbps。
 

 
                                                                    圖1 DP/PA耦合器整體框架
        DP/PA Coupler的主要功能是耦合DP和PA總線，為兩種不同物理層、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31.25Kbps，使用IEC61158-2物理層，將信號調(diào)制到電源線上，使用直流平衡的曼徹斯特編碼。DP總線端的波特率固定為45.45Kbps，使用RS485物理層，使用標(biāo)準(zhǔn)的UART數(shù)據(jù)幀，使用不歸零碼。
3 硬件設(shè)計(jì)
 

                                                                                        圖2 DP轉(zhuǎn)換為PA過程
        DP/PA Coupler是一種雙路冗余RS485-Profibus PA總線轉(zhuǎn)換器，提供一種將Profibus PA總線轉(zhuǎn)換為通用冗余RS485總線的方法。本裝置提供一路符合IEC61158-2規(guī)范的9V-32V的輸出電源，用來給PA從站設(shè)備供電。提供2路冗余的RS485總線接口，用來和RS485接口的控制設(shè)備通信。如圖2所示，本裝置由帶有阻抗調(diào)節(jié)、輸出保護(hù)功能的電源模塊，媒體連接單元（MAU）電路，PA總線隔離電路，F(xiàn)PGA電路，處理器電路以及2路冗余、隔離的RS485電路組成。以ARM和FPGA為處理核心，省去了ASIC，MAU電路使用分離的原件實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了成本，降低了價(jià)格。
 

 
                                                                                        圖3 可變阻抗PA電源設(shè)計(jì)
        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(shí)，輸出阻抗很小，要求小于50Ω，以方便PA總線從站從總線上取電，在31.25Kbps的工作波特率時(shí)，輸出阻抗很大，要求大于3KΩ，以方便調(diào)制解調(diào)信號到電源線上。其工作原理如圖3所示。
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)
        在DP/PA Coupler中FPGA的作用就是將PA總線上的曼徹斯特ma流數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以中斷的形式傳送ARM，進(jìn)行PA-DP協(xié)議的轉(zhuǎn)換；當(dāng)接收到從ARM發(fā)送過來的DP數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將其轉(zhuǎn)化成曼徹斯特ma流，調(diào)制到PA總線上，然后發(fā)送到PA總站。

 
                                                                                       圖4 FPGA中曼徹斯特解碼
        PA總線上的曼徹斯特ma是以31.25Kbps的速度傳輸，每個(gè)bit是32us（N+、N-是特殊的32us），有效數(shù)據(jù)在32us的時(shí)間內(nèi)高低電平時(shí)間各占一半?？臻e時(shí)，信號輸入引腳RxS_PA一直處于低電平，當(dāng)在RxS_PA引腳上檢測到信號的上升沿，并且緊接著檢測到了16bit（或者為8bit）的前導(dǎo)碼P，接著是起始符SOF，說明PA總線上收到了一幀數(shù)據(jù)，而非干擾信號，將PA總線上的干擾信號濾除。
        理想的曼徹斯特編碼在一個(gè)時(shí)鐘周期的中間發(fā)生跳變，但實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的PA總線上，曼徹斯特編碼的跳變并不一定在一個(gè)時(shí)鐘周期的正中，會發(fā)生抖動。在每個(gè)曼徹斯te碼bit的1/4、3/4處設(shè)置采樣點(diǎn)sample。在sample處將RxS_PA直接賦值給data_buf，同時(shí)對data_buf進(jìn)行左移位的操作。當(dāng)有前導(dǎo)碼與起始符的到來，在此時(shí)將控制寄存器CtrlReg0[0]置高，開始接收數(shù)據(jù)。在sample處將RxS_PA與clk_syc_m進(jìn)行異或處理，得到實(shí)際當(dāng)前曼徹斯特ma對應(yīng)的不歸零碼的值，并在clk_syc_m的上升沿將數(shù)據(jù)提取出來存放在數(shù)據(jù)寄存器里面，并依此左移1位，當(dāng)接收計(jì)數(shù)器bit_rcvd為8時(shí)，更新數(shù)據(jù)緩沖寄存器，達(dá)到數(shù)據(jù)提取的效果。當(dāng)data_buf的低16位為16'hb326時(shí)，說明檢測到停止符EOF，此時(shí)將接收使能置低、CtrlReg0[0]置低，代表一幀數(shù)據(jù)接收全部完畢，等待下一幀的開始，如此循環(huán)往復(fù)。
 

                                                                                         圖5 FPGA解碼流程
4.2 ARM軟件設(shè)計(jì)
        FPGA通過FlexBus總線與ARM進(jìn)行通信。
 

                                                                                        圖6 ARM軟件框架
        如圖6所示，此產(chǎn)品中，ARM處理器使用Freescale的K60 ARM Cortex M4內(nèi)核，其主要作用是：PA?DP幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、CRC?FCS校驗(yàn)轉(zhuǎn)換、DP?PA幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、FCS?CRC校驗(yàn)轉(zhuǎn)換、CPLD與K60處理器接口、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、Profibus DP串口收發(fā)程序（固定45.45Kbps）。
5 KM633B在NT6000中的應(yīng)用
        如圖7所示，Profibus DP/PA耦合器在系統(tǒng)配置時(shí)無需組態(tài)，對Profibus主站而言，DP/PA耦合器是透明的，在組態(tài)中不可見。
 

圖7 KM633B在NT6000中的位置
        KM633B使用DIN導(dǎo)軌安裝方式，安裝前請注意底部撥碼開關(guān)。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?？偩€布線時(shí)需遠(yuǎn)離動力電纜及變頻器等強(qiáng)干擾設(shè)備。

6 總結(jié)
        隨著自動化技術(shù)的進(jìn)一步提高，Profibus-PA總線必將得到進(jìn)一步的推廣和使用?？七h(yuǎn)NT6000 DCS系統(tǒng)通過Profibus DP/PA Coupler可以和Profibus-PA從站集成，zui大限度的發(fā)揮Profibus-PA現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性，為客戶節(jié)約布線成本和后期維護(hù)費(fèi)用，從而為用戶創(chuàng)造價(jià)值。