摘要 主要介绍利用MSP430实现带恒温系统的PROFIBUS-DP从站。系统主要采用西门子SPC3现场总线接口芯片和TI的MSP430处理器。SPC3芯片包括全部的DP协议，可独立完成全部通信协议，最高可用于12 Mb/s总线。同时，MSP430芯片具有丰富的外围功能，在功率驱动部件的作用下，从站能独立完成系统的测控任务，较好的满足分布式控制要求。文中给出系统的硬件构成和软件的设计思想。

关键词 PROFIBUS-DP 现场总线 SPC3 MSP430

引言
现场总线技术打破了DCS系统孤立、开放程度低的现状,建立起不依赖于任何厂商的开放式控制系统,组成的系统可靠性高、可维护性好。
在现有的各种现场总线标准中，PROFIBUS现场总线是一种很流行的现场总线标准，占有很大的市场份额。鉴于这种情况，如何把各个相互关联或独立的测量、控制单元，通过网络连接到PROFIBUS现场总线的网络中就显得尤为重要。DP是PROFIBUS其中的一支，是目前使用最广泛的总线系统之一，它安装简单、拓扑结构多样、易于实现冗余、通信实时可靠、功能比较完善，DP从站只使用了DP协议的很小一部分，开发起来十分经济。
TI公司的MSP430系列是超低功耗型单片机，它将大量外围模块整合到片内，特别适合于设计片上系统，这正好可以满足带有测控系统的DP从站设计。
1系统总体结构
系统主要由MSP430F149和SPC3以及一些外围电路构成。其中SPC3芯片集成了DP协议中的FDL层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理，大大减少接口模块微处理器中的软件程序，因此可用于12 Mb/s总线。微处理器操作SPC3芯片就像操作其内部RAM。MSP430F149单片机具有丰富的外围功能，内部集成有多通道12位的A/D转换器、定时器Timer_A和Timer_B、硬件乘法器以及60 KB的Flash和2 KB的RAM，具备串行在线编程功能。正是考虑到MSP430有如此强大的功能，本系统构成DP的从站，集通信、采集和I/O为一体，不仅能独立完成数据采集、处理、控制任务，并能依赖协议芯片SPC3连接到PROFIBUS现场总线中，完成与主站的通信。系统总体结构如图1所示。
2系统硬件设计配置
该DP从站包括：温度采集、处理控制、现场通信等，能单独完成现场测量控制，也可与多个从站和主站一起构建一个大系统，完成整体的测量控制任务。
2.1通信模块
SPC3在选用Intel芯片模式并工作于同步模式时，内部有自己的地址锁存及解码电路，所以CPU的低8位地址线不经过573锁存器直接与SPC3连接(低8位地址线与8位数据线分时共用传输线)。CPU的高8位地址线直接与SPC3的AB0～AB7相连,且必须为00000XXX (X表示0、1信号都行)，AB8～AB10必须为低。在此片选信图1系统结构框图号输入引脚不起作用,应当将其接至高电平。MSP430F149是无外扩总线的微控制器，当它与SPC3接口时，可以以Intel模式分配部分I/O口作为SPC3的地址、数据及控制总线接口，其接口时序通过编程用软件实现。
图2即为SPC3与MSP430的引脚连线。将P5口作为A/DBUS复用，P2口作为高8位地址线与SPC3的AB线相连，中断信号线与P1.0口相连，SPC3复位、读、写、ALE信号线则与P3口的低四位连接。选用Intel 80C32单片机模式，只要用软件模拟信号线就可以实现从站通信。
图2SPC3与MSP430的连接图3是访问SPC3内部RAM的示意图，内部集成了1.5 KB的双口RAM。整个RAM采用8B的段结构方式，分成192段，所有需要分配地址的BUF指针，必须指向段的开头。DP通信的服务存取点由SPC3自动建立，各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。用户可以通过总线接口访问SPC3内部RAM。CPU与SPC3通过SPC3的RAM交换数据，SPC3的双口RAM应在CPU地址空间统一分配地址。
需要注意的是，MSP430是采用低电源电压（1.8 V～3.6 V）供电，而SPC3是采用5 V供电，在3.3 V驱动5 V门限时没什么问题，但要使5 V驱动3.3 V电路时就很容易损坏电路元件，所以要有一个电平转换接口。电平转换方法有多种，可以是双电压（一边3.3 V，另一边5 V）供电的双向驱动器来实现;也可以简单采用电阻分压的方法，如图4所示。在这需要对DB线和X/INT线实行电平转换。
图3访问SPC3内部RAM示意图图4SPC3与MSP430的逻辑连接图DP从站采用RS485串行通信方式，分别连SPC3的4个引脚：XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS的含义为清除发送，是SPC3的输入信号，表示允许SPC3发送数据。此信号低电平有效，应接低电平不变。RTS为SPC3的请求发送信号，其最终接到收发器的输出使能端。RXD和TXD分别为串行接收和发送端口。为提高系统的抗干扰新书介绍
单 片 机 与 控 制 技 术
杨宁主编胡学军副主编
北京航空航天大学出版社
2005年3月出版定价：33.00元
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性，接口部分要在电气上隔离。RS485总线驱动一侧与主站连接，另一侧通过光耦与SPC3连接。因为必须满足PROFIBUSDP的最大数据传输速率为12 Mb/s这一要求，输入输出通道上的电气隔离需采用高速光耦。RXD和TXD的通道电气隔离可以采用HCPL7101，RTS采用HCPL0601，总线驱动芯片用SN65ALS176D等。
PROFIBUS通信协议保障了通信的高可靠性，但这是以硬件和软件设计为基础的。在通信接口设计时，必须遵循一定的规范，如信号的隔离，总线接口与收发间避免线路过长，电源的滤波处理，收发器和光耦的限流电阻和负载电阻必须与收发器光耦配合适当等。
2.2恒温模块
恒温模块包括测温部分和控制部分等。测温部分由热电阻、不平衡电桥、放大电路构成。在精度要求不是非常高的情况下，温度敏感元件可以选用WZB型Pt100热电阻。可以根据阻值和温度的关系式Rt=Rt0(1+At+Bt2+Ct4)（其中A=3.968 47×10-3，B=-5.847×10-7，C=-4.22×10-12)来计算阻值，或是采用分度表查询的方式。热电阻的3根引出线接不平衡电桥。由于测量值U0偏小，要将U0两端输出接到如图5所示的放大电路，最后得到的值Ua输入到MSP430的A/D口。在测量部分要注意电压匹配问题。
MSP430F149供电电压在1.8 V～3.6 V，大部分情况选用3.3 V。处理器内部A/D转换的参考电压分AVCC、2.5 V和1.5 V，为了计算上的方便选用2.5 V。测量电桥的供电电压采用2.5 V，由温压管提供。为保证A/D口输入信号电平Ua值在0～2.5 Ｖ，需选择一个恰当的放大倍数。图5测量放大电路经放大后再通过一个光隔（IL200）处理，最后才输入到A/D转换部分。
控制部分是利用MSP430的Timer_B在比较模式下输出脉宽调制（PWM）波来实现D/A转换的工作原理。MSP430F149的P4口含有这一功能，在这选用P4口作为输出控制端口。PWM信号是一种周期(T)固定而占空比(τ)不定的数字信号。如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。MSP430F149可以采用CCR0来控制周期Ｔ，而用与定时器对应的CCRx寄存器来控制占空比的变化。也就是说，CCRx的值决定了各自正脉冲的宽度。因此，CCRx值的变化就可产生可变宽度的脉冲;若CCRx不变，将产生固图6PWM复位／置位示意图定宽度的脉冲，如图6所示。通过这个模拟信号去驱动执行机构（加热器），完成控制功能。
如果需要，可以扩展人机界面，包括键盘和显示等。可以将系统通过MSP430的UART口连到PC机，这里不再详细介绍。
3系统软件组成
系统软件采用模块化设计，下面介绍各模块。
通信模块。该模块程序包括3个部分：SPC3的初始化程序，SPC3的中断处理程序和具体的I/O应用程序。同样程序采用结构化编程思想，以便于以后的功能拓展。SPC3的初始化程序应放在具体I/O应用的前面;SPC3的中断输出作为CPU的中断输入。在SPC3正常工作之前，进行初始化，以配置各个需要的寄存器，如图7所示。中断处理程序用于处理SPC3发生的各种事件。主要有新的参数报文事件，全局控制命令报文事件，进入或退出数据交换状态事件，新的配置报文事件，新的地址设置报文事件，监测到波特率事件和看门狗溢出事件等。数据输入和输出处理(输入输出相对于主站而言)以及用户诊断数据输入可放在应用程序循环中。
图7SPC3初始化程序功能框图测量模块、数据处理和输出控制模块。因为该从站也是一个独立的测控系统，这要求从站与主站的通信与否不会引起该测控系统的中断，除非是主机正常命令。处理器会持续的采集测量值，并与设定值比较，视情况将结果存放或用来报警。控制模块则是将比较后的结果取出，通过PWM推动执行机构，实现控制功能。
结语
现场总线结构优于传统仪表和计算机组成的系统，使各主站(如监控中心、化学分厂等)通过并行控制获得大量现场数据，而不是逐级传输，对以前集散型控制系统有较好的改进，而且无论是主站还是从站故障都不会导致系统崩溃，使系统的实用性、可靠性、易用性、易维护性得到很大提高。
本文从一个应用实例来阐述如何利用MSP430将一个独立的小系统构建成PROFIBUS DP从站，以便接入一个现场总线的控制网络，进而连入Intranet、Internet。
参考文献
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5魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例. 北京：北京航空航天大学出版社,2002
6刘强,甘永梅,王兆安. PROFIBUSDP现场总线通信接口的开发. 电子技术应用,2001（9）李永杰，硕士研究生;周斌，副教授。研究方向测试计量及仪器。