基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现

摘要：在详细分析西门子８０Ｃ１６６单片机ＰＥＣ服务工作机制和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ帧格式的基础上，提出了基于该种单片机ＰＥＣ服务机制的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ从站协议的实现方法，并在实际工作中得到成功应用。关键词：８０Ｃ１６６ ＰＥＣ服务 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ 当前工业设备制造技术正向高性能、专用化、分布式、网络化方向发展。以前，大量使用ＰＬＣ实现的控制系统，实践证明虽然安全可靠，但由于ＰＬＣ本身的技术原因，很难达到更快速的实时控制要求它们正被高性能的嵌入式专用控制器替代。这种专用控制器的设计，可以进一步提高设备的控制性能；引入现场总线技术，保证专用控制器的系统可集成性，以适应当前分布式、网络化的应用趋势。 本文是在研制棒材生产线飞剪的专用控制器时涉及的一个子课题。为保证该控制器能与现有ＰＬＣ网连接以及与远程操作站通信，在几乎不增加硬件的基础上，利用核心ＣＰＵ——西门子８０Ｃ１６６所具有的一个类似ＤＭＡ的功能高效率地实现ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ从站协议。 １ 西门子８０Ｃ１６６单片机 ８０Ｃ１６６单片机是西门子Ｃ１６６系列１６位嵌入式微控制器的第一代产品。其体系结构如图１所示。它结合ＲＩＳＣ处理器的优点，克服了ＣＩＳＣ处理器在嵌入式应用中的瓶颈；在２５ＭＨｚ时钟频率下，可达到１２．５ＭＩＰＳ，几乎所有的指令执行时间小于８０ｎｓ；在指令处理上，采用四级指令流水线管道结构；在存储管理上，统一线性地址空间可达２５６ＫＢ，具有段代码、页数据式管理机制；采用寄存器池，上下文切换时间只要８０ｎｓ；１６位乘法４００ｎｓ，３２位除法８００ｎｓ，中断响应时间最慢４００ｎｓ；外部事件控制器ＰＥＣ服务具有类似ＤＭＡ的功能，可实现存储器与外设之间的高速数据传输；丰富的在片外设：１ＫＢ ＲＡＭ、１０路Ａ／Ｄ、７６路Ｉ／Ｏ、７个定时器／计数器、１６个比较／捕获单元、２个串行通信接口、在片的ＷＡＴＣＨＤＯＧ等。图1 西门子80C166体系结构２ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服务 ２．１ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服务机制 ＰＥＣ是外部事件控制器的英文缩写。ＰＥＣ服务是８０Ｃ１６６提供的一种特殊数据传输机制。其目的是在原有的中断控制器基础上，用较小的硬件代价、尽可能少占用处理机周期实现内存与外部设备的快速数据交换类似ＤＭＡ，但无需专用的ＤＭＡ控制器。８０Ｃ１６６有８路ＰＥＣ服务通道。用ＰＥＣ服务进行一次数据传输，仅占用处理机一个机器周期２０ＭＨｚ时１００ｎｓ，且不影响当前程序的执行。 ２．２ ＰＥＣ服务的工作过程 通常，当普通中断事件发生时，系统将保存当前ＣＰＵ状态ＰＳＷ和程序的地址；然后，根据不同的中断源，进行上下文切换，装载相应的中断矢量，执行相应的中断服务程序；执行完后，恢复被中断程序的上下文，继续执行被中断程序。 对于某一ＰＥＣ服务，它总是与一具体中断源、中断矢量或中断服务相联系。在８０Ｃ１６６中，当一个中断的中断优先级为最高级１４或１５且定义了与之相关联的ＰＥＣ服务通道时，该中断就具有ＰＥＣ服务功能。这时，当该中断请求发生时，将不触发中断服务程序的执行，而是触发ＰＥＣ服务。当ＰＥＣ服务经过设定的若干次的外部事件触发后，再触发执行相应的中断服务程序(一个普通中断过程)。如图２所示。一次ＰＥＣ服务的工作过程是由ＰＥＣ控制寄存器定义的，其中计数位域(８位传送计数器)ＣＯＵＮＴ定义了ＰＥＣ服务的数据传输次数；源指针、目的指针指明具体的数据传输来源和目的；ＰＥＣ服务的数据传输过程完全由硬件执行：当中断请求发生时，由硬件将源指针所指单元的内容传给目的指针所指的单元，然后由ＰＥＣ控制寄存器相应定义位控制是源指针还是目的指针增加１或２，同时ＣＯＵＮＴ值减１；当多次中断请求使ＣＯＵＮＴ减为０时，ＰＥＣ服务完成，触发与之关联的中断服务程序。 ２．３ ＰＥＣ服务应用优势 以串口接收一帧１６字节的数据为例。若采用传统的串口接收方式，每接收到一字节，产生一个中断；在中断服务程序中，要将它从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中；当接收满１６字节后，进行帧处理。 如果采用ＰＥＣ服务的方式，只要事先定义好ＰＥＣ通道就可以了。首先，定义串口接收中断优先级为１４或１５以及与之相关联的ＰＥＣ通道。即定义相应ＰＥＣ通道控制寄存器为：ＣＯＵＮＴ为１６字节传输，源指针为串口接收缓冲器，目的指针为帧接收缓冲区首址且每次传输完成后，目的指针加１。这样，串口每接收到一字节，将触发一次ＰＥＣ服务，由硬件将数据从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中，但当前执行的程序并不被中断；当１６字节完全接收完成后，触发串口接收中断服务程序，进行帧的处理。 与传统的串口接收方式相比较，ＰＥＣ服务方式在进行数据传输时不中断当前程序的执行，因此节省了大量的上下文切换时间，处理机效率得到大大提高。 下面讨论采用８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服务实现ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ从站协议的方法。 ３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ帧结构分析 ３．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ帧结构 ＰＲＯＦＩＢＵＳ帧的格式有多种形式，但对于从站来说，只要处理三种帧即可。 ．无数据且长度固定的帧： ．带数据域且长度固定的帧: ． 带数据域且长度可变的帧: 其中，各字段说明如下： ＳＤ１：无数据帧的开始定界符，＃１０Ｈ； ＳＤ２：可变长度帧的开始定界符，＃６８Ｈ； ＳＤ３：固定长度帧的开始定界符，＃Ａ２Ｈ； ＥＤ：结束定界符，＃１６Ｈ； ＬＥ与ＬＥｒ：ＬＥ与ＬＥｒ相同，都表示长度占一个字节，它是ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ的字节数总和； ＤＡ与ＳＡ：ＤＡ目的站地址与ＳＡ源站地址各占一个字节； ＦＣＳ：校验段，占一个字节，它采用不计进位的求和运算得到校验码。校验域为ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ； ＦＣ：帧控制字字段，占一个字节； ＳＹＮ：同步字段，至少３３空闲位(逻辑电平１)，但仅在请求帧及令牌帧前出现，不允许在字符之间出现。 ３．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ帧结构的特点 从上面的帧格式可以看出帧的长度不固定。发送时，帧的长度是已知的；但接收时，帧的长度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，随时解析和保存关键信息，并确定随后接收的字节数。４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ从站协议的ＰＥＣ服务实现 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ从站的数据接收及应答过程分三个阶段完成：第一阶段，帧的完整接收；第二阶段，根据接收到的ＦＣ帧控制字字段，判断主站正在进行怎样的数据请求；第三阶段，从站组织应答帧，启动帧的发送过程。 第二阶段的帧控制字处理请参考ＰＲＯＦＩＢＵＳ标准的相关内容。对于第三阶段的组织和发送应答帧，由于数据长度和内容已知，只要定义好串口发送中断／服务，定义好相应的ＰＥＣ通道：源地址为发送数据缓冲区首址＋１、目的地址为串口发送缓冲器、ＣＯＵＮＴ域为发送字节数－１，将所要发送数据的第一个字节写入串口发送缓冲器，即可触发串口发送相关的ＰＥＣ服务；当ＣＯＵＮＴ减为０时，触发串口发送中断服务子程序，完成串口数据发送过程。由于该过程实现简单，不作详细讨论。这里主要讨论第一阶段的帧完整接收实现过程。 从上面的帧结构分析可见，帧的长度是不固定的。因此，为提高接收效率，应用ＰＥＣ服务分三步进行数据的批量接收。 ４．１ 第一步：帧头接收 首先，初始化时，定义串口接收ＰＥＣ服务为连续接收三字节，用于接收帧的前三字节。 由第一个字符ＳＤｘ(ｘ＝１,２,３)判断帧类型；对于不带数据固定长度帧和带数据固定长度帧接下来的两个字符是ＤＡ、ＳＡ，判断ＤＡ是否为本机地址；而对于带数据长度可变帧，接下来的两个字符是ＬＥ、ＬＥｒ，判断其是否相等。 若以上判断都成立，则需定义下一次ＰＥＣ服务的接收字符数：对于固定长度帧，定义ＰＥＣ批量接收三字节数据，并保存ＤＡ、ＳＡ；对于可变长度帧，定义ＰＥＣ服务接收四字节数据，转第二步； 若ＬＥ≠ＬＥｒ或ＤＡ目的地址非本站地址，则重回到初始状态，进行帧头接收。 ４．２ 第二步：帧控制字接收 由于主站帧的连续发送，会再次触发ＰＥＣ服务。由串口接收ＰＥＣ服务连续接收三或四字节后，处理如下： ．不带数据固定长度帧，接收三字节，分别为ＦＣ、ＦＣＳ、ＥＤ。对ＦＣＳ和ＥＤ分别完成累加和校验与帧结束判断后，将帧控制字ＦＣ保存，转去执行帧控制字处理。 ．带数据固定长度帧 接收三字节分别为ＦＣ和数据单元的前两个字节，保存ＦＣ，定义ＰＥＣ服务接收后八个数据字节，转第三步。 ．带数据可变长度帧，接收了四字节，分别为ＳＤ、ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ。对ＳＤ再进行一次判断，之后判断ＤＡ是否为本机地址，保存ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ，定义ＰＥＣ服务接收余下的数据字节长度由ＬＥ确定，转第三步。 ４．３ 第三步：帧数据接收 当串口接收ＰＥＣ服务连续接收八或更多的字节后，处理如下： ．带数据固定长度帧，接收八个字节，分别为余下的六字节数据和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校验与帧结束判断完毕后，转去执行帧控制字处理。 ．带数据长度可变帧，接收了ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ＋２个字节，分别ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ个数据字节和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校验与帧结束判断完毕后，进行协议要求的目的地址和原地址的地址扩展判断和保存，转去执行帧控制字处理。 ４．４ 串口接收中断服务子程序 以上三步都由串口接收中断服务子程序负责完成。每一步对应不同的处理状态。为提高程序的执行效率，用有限状态机实现。以１、２、３分别表示上述帧接收三个步骤，４表示帧控制字处理状态，其状态转换如图３。 采用这种协议实现方法，在最近研制的棒材生产线的飞剪控制器中运行效果良好。