基于STM32F03系列MCU的ProfibusDP从站软核芯片的研究

基于STM32F103系列MCU的Profibus-DP从站软核芯

片的研究与实现可行性报告

一、立项的背景和意义

随着经济全球化的发展，产品大规模自动化生产越来越普及，自动化生产网络从设备级上升到制造执行系统乃至整个企业集团，这就对每一个电器产品与自动化元件提出一个要求，它们必须实时提供最原始的现场数据，通过网络传输到上位机进行调度与管理，因此将来的电器产品必须具有通讯联网功能。

温州是“中国电器之都”，年产量占据全国60%以上。在国外，以德国西门子、法国施奈德公司为代表的3WN6系列断路器产品、ATV312变频器、ATS48软启动器等已投入市场；在国内，网络信息化电器刚刚起步，只有少数几家知名企业进行了有关技术的研究。网络信息化电器的核心特征是通信联网功能，目前，国际上常用的总线标准有Profibus，Modbus，DevideNet，CANopen等等，其中Profibus总线标准（即IEC61158标准）应用最为广泛，主要优点是其开放性、互操作性、环境适应性较强。国际上有300多家大型厂商（包括西门子、施奈德等）都支持与推广Profibus标准。

目前，国内外低压电器的Profibus接口普遍采用Profibus-DP从站形式，大多数企业采用西门子的智能从站ASIC专用芯片SPC3。该芯片价格比较昂贵（人民币约130元），再加上外围器件与软件成本，造成低压电器产品成本超出厂家预期利润空间，这也是国内产品很少有Profibus-DP接口的一个重要原因。因此，本课题所提出的利用性价比高的普通ARM芯片（STM32F103）代替专用的Profibus芯片的方案具有重大的现实意义。

STM32F103系列CPU是ST公司基于ARM Cortex技术内核的32位的处理器，其硬件资源丰富、指令功能强大、运行速度快、工作可靠性高，性价比高（人民币约20元），在电子产品领域被广泛地应用。针对其资源进行有效的分配，使硬件与软件有机地结合，完全可以替代Profibus-DP的ASIC专用芯片，达到降低成本、加快二次研发速度、降低新产品研发风险的目的。本课题就是针对快速发展的信息化电器的趋势与国内企业成本压力的矛盾，在现有条件下实现与国际高端产品快速接轨，采用廉价的高性能MCU开发一种Profibus-DP ASIC的替

代产品即Profibus-DP软核芯片，来解决以上问题。

二、国内外研究现状和发展趋势

目前，国外几大电器巨头（西门子，ABB，欧姆龙，三菱等）的产品都在力推具备总线接口的产品，而最成功的现场总线当属Profibus。2008年底该总线安装点已经超过2800万个，支持厂商300多家。由于它的开放性、互操作性使越来越多的厂商加盟这一阵容，使其发展迅速。

国内情况如下，有少量产品带Profibus接口，技术实现方法一般采用西门子公司的Profibus-DP从站的ASIC芯片SPC3作为核心接口部件，这种方式功能与可靠性比较好。但是现在ASIC芯片没有国产化，价格非常高（人民币约130元），对于产量较大的中端产品来说成本压力很大。同时，使用该款芯片必须购买价格昂贵（人民币约4万元）的专用软件开发包开发。另外，该芯片需要并行总线与CPU接口，占用大量的端口，对主控制器的CPU有很大的限制，不利于降低成本与减小体积。

国内大部分产品只是带有RS485或RS232通讯口，企业自己定的标准与协议，这样各个厂商的标准都不同，成套供应商很难进行联网组合，除非开发专用网关进行组网。但这要耗费大量的人力物力，而且维护相当困难，因此大部分电器的通讯接口没被使用，形同虚设。

在国内基于软件实现Profibus-DP的低成本优点与灵活性早为人所知，但由于Profibus协议比较复杂，实时性要求极高，没有进行专业深入的研究与仪器设备的支持很难实现，另外高性能MCU在此前的价格一直居高不下导致使用软件模拟并没有太大优势，所以国内尚无软件模拟Profibus-DP协议的成功应用案例。

今后的发展趋势是信息化电器会逐步取代现有的第三代电器，工业现场总线将会与互联网融合，逐渐走向“物联网”时代。国内电器产品加入信息化电器的竞争已经开始，并很快走向白热化。提供数量大、性价比高的产品仍然是我国工业产品的主要方向。 Profibus总线依靠其现有的优势会在将来的现场总线推广中占据优势。因此，提供一种可靠的、低成本的Profibus-DP从站接口解决方案能加强国内电器的市场竞争能力，也是一件刻不容缓的事情。

三、研究开发内容和技术关键

（一）研究的内容是：

研究Prifobus的技术标准，详细了解硬件结构、各种报文格式与时序状态，测试进口设备的组网状态与数据。以ST公司的STM32F103系列MCU为核心，软件模拟Profibus-DP从站协议，建立开放的客户端接口标准，使其达到Profibus-DP从站ASIC SPC3的基本功能，可以在大部分场合取代SPC3工作。 （二）本项目的关键技术有：

(1) 分析Prifobus的技术标准的各个细节：Profibus是多主多从的令牌网系统，

网络上有1类主站、2类主站、从站，既有主站之间的通讯又有主站与从站之间的通讯，而且有大量的诊断与组态信息，因此需要对标准协议进行详尽的分析测试，使软核芯片在各种网络状态下都能及时识别报文的内容，不会进入未知的状态与错误的状态。对于本项目，采用Profibus网络分析仪实时记录网络报文内容，人为设计各种通讯状态，逐步分析报文的具体含义并与标准进行校对，做到理论与实际相吻合。 (2) 合理规划MCU资源：Profibus的高效快速是它特点之一，为了保证良好

的实时性，采用了比较高的波特率，最高可以到12M（工业现场一般最高使用1.5M），从机响应时间也要求非常快，以1.5M为例，最小的从机响应时间在11-150 BIT Time(即7.3 μS-100 μS)，用软件模拟需要非常合理分配MCU资源才能达到ASIC的效果。本项目采用STM32F103的USART与DMA功能，解决高速波特率的接收缓存问题，采用定时器的从模式与基础计数器外部触发复位功能，设计高精度的单稳态逻辑辨识报文的帧间隔，合理规划其16级可优先级嵌套的向量中断，可以满足实现物理层传输的基本要求，速率可以做到1.5M以上。

(3) 高效的软件编程：软核芯片要想实现或接近ASIC的性能，高效的软件编

程是必不可少的，本项目中是通过以下几点来做的：在开始编程之前，做任务模块规划，计算各个软件模块的最长与最短运行时间，进行必要的任务分割，分配模块的执行优先级，使程序运行过程中的时间与次序都是可知与可控的，采用自主知识产权的超小型操作系统调度，使数据安全性与快速性均能得到保证，对需要快速响应的模块做好数据预缓冲与队列机制，中断服务程序时间最优化编程，关键部分汇编语言进行优

化。

(4) 制订客户端接口与协议：简单、方便、可靠的二次编程是每个产品工程

师的需求，设计一个好的客户端界面决定这颗芯片是否好用。本项目采用串行通讯方式与客户端CPU进行通讯，客户端只需把软核芯片看成是一个串行的RAM，只需对其地址内容进行读写即可。另外，可以根据客户的特殊要求，利用芯片多余的资源进行定制。

四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）

完成Profibus-DP从站软核芯片之后，能大幅度降低电器产品的网络信息化成本。

（一） 主要技术指标

(1) 工作电源电压：2.0～3.6V； (2) 接口电压2.0～5.0V；

(3) 满足Profibus-DP V0的协议 …… 此处隐藏：2643字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……