DP/PA耦合器的设计与应用

1 概述
        Profibus由三个兼容部分组成，即Profibus-PA、DP以及FMS。Profibus-PA技术以符合标准IEC61158的Profibus-DP为基础，增加了PA行规和相应的传输技术，具有通过串行总线系统连接和通过数据线进行供电的特点，能更好的满足过程控制领域的需求。
南京科远自动化集团股份有限公司DCS系统已经开发出了Profibus DP主站和Profibus DP从站，可以将Profibus DP从站通过主站接入DCS系统，但由于没有PA耦合器产品，Profibus PA从站产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年开始自主研发、设计的产品，以适应各种场合的应用需要，完善我公司现场总线控制系统，降低成本，提升竞争力。
2 系统及模块的总体结构图
        KM633B为NT6000系统Profibus DP/PA耦合器模件，带有一个Profibus DP接口和一对Profibus PA接口。每一个DP/PA耦合器zui大可输出300mA电流，zui多可以连接25个标准Profibus PA从站。DP/PA耦合器的通信波特率是固定的，DP端口为45.45Kbps，PA端口为31.25Kbps。
 

 
                                                                    图1 DP/PA耦合器整体框架
        DP/PA Coupler的主要功能是耦合DP和PA总线，为两种不同物理层、不同帧格式、不同编码的总线提供无缝连接。PA总线端的波特率固定为31.25Kbps，使用IEC61158-2物理层，将信号调制到电源线上，使用直流平衡的曼彻斯特编码。DP总线端的波特率固定为45.45Kbps，使用RS485物理层，使用标准的UART数据帧，使用不归零码。
3 硬件设计
 

                                                                                        图2 DP转换为PA过程
        DP/PA Coupler是一种双路冗余RS485-Profibus PA总线转换器，提供一种将Profibus PA总线转换为通用冗余RS485总线的方法。本装置提供一路符合IEC61158-2规范的9V-32V的输出电源，用来给PA从站设备供电。提供2路冗余的RS485总线接口，用来和RS485接口的控制设备通信。如图2所示，本装置由带有阻抗调节、输出保护功能的电源模块，媒体连接单元（MAU）电路，PA总线隔离电路，FPGA电路，处理器电路以及2路冗余、隔离的RS485电路组成。以ARM和FPGA为处理核心，省去了ASIC，MAU电路使用分离的原件实现，节省了成本，降低了价格。
 

 
                                                                                        图3 可变阻抗PA电源设计
        PA总线输出电源是可变输出阻抗的特殊电源，在直流输出时，输出阻抗很小，要求小于50Ω，以方便PA总线从站从总线上取电，在31.25Kbps的工作波特率时，输出阻抗很大，要求大于3KΩ，以方便调制解调信号到电源线上。其工作原理如图3所示。
4 软件设计
4.1 FPGA软件设计
        在DP/PA Coupler中FPGA的作用就是将PA总线上的曼彻斯特ma流数据进行解析，以中断的形式传送ARM，进行PA-DP协议的转换；当接收到从ARM发送过来的DP数据时，FPGA将其转化成曼彻斯特ma流，调制到PA总线上，然后发送到PA总站。

 
                                                                                       图4 FPGA中曼彻斯特解码
        PA总线上的曼彻斯特ma是以31.25Kbps的速度传输，每个bit是32us（N+、N-是特殊的32us），有效数据在32us的时间内高低电平时间各占一半。空闲时，信号输入引脚RxS_PA一直处于低电平，当在RxS_PA引脚上检测到信号的上升沿，并且紧接着检测到了16bit（或者为8bit）的前导码P，接着是起始符SOF，说明PA总线上收到了一帧数据，而非干扰信号，将PA总线上的干扰信号滤除。
        理想的曼彻斯特编码在一个时钟周期的中间发生跳变，但实际工业现场的PA总线上，曼彻斯特编码的跳变并不一定在一个时钟周期的正中，会发生抖动。在每个曼彻斯te码bit的1/4、3/4处设置采样点sample。在sample处将RxS_PA直接赋值给data_buf，同时对data_buf进行左移位的操作。当有前导码与起始符的到来，在此时将控制寄存器CtrlReg0[0]置高，开始接收数据。在sample处将RxS_PA与clk_syc_m进行异或处理，得到实际当前曼彻斯特ma对应的不归零码的值，并在clk_syc_m的上升沿将数据提取出来存放在数据寄存器里面，并依此左移1位，当接收计数器bit_rcvd为8时，更新数据缓冲寄存器，达到数据提取的效果。当data_buf的低16位为16'hb326时，说明检测到停止符EOF，此时将接收使能置低、CtrlReg0[0]置低，代表一帧数据接收全部完毕，等待下一帧的开始，如此循环往复。
 

                                                                                         图5 FPGA解码流程
4.2 ARM软件设计
        FPGA通过FlexBus总线与ARM进行通信。
 

                                                                                        图6 ARM软件框架
        如图6所示，此产品中，ARM处理器使用Freescale的K60 ARM Cortex M4内核，其主要作用是：PA?DP帧结构转换、CRC?FCS校验转换、DP?PA帧结构转换、FCS?CRC校验转换、CPLD与K60处理器接口、数据缓冲区、Profibus DP串口收发程序（固定45.45Kbps）。
5 KM633B在NT6000中的应用
        如图7所示，Profibus DP/PA耦合器在系统配置时无需组态，对Profibus主站而言，DP/PA耦合器是透明的，在组态中不可见。
 

图7 KM633B在NT6000中的位置
        KM633B使用DIN导轨安装方式，安装前请注意底部拨码开关。KM633B可以使用在DP电缆的任何地方，在DP总线中间或终端均可，但需要注意的是，如果耦合器连接在DP电缆的中间，无需连接终端电阻，如果将KM633B连接在DP电缆的终端，必须要连接终端电阻。KM633B必须连接在PA总线的终端。总线布线时需远离动力电缆及变频器等强干扰设备。

6 总结
        随着自动化技术的进一步提高，Profibus-PA总线必将得到进一步的推广和使用。科远NT6000 DCS系统通过Profibus DP/PA Coupler可以和Profibus-PA从站集成，zui大限度的发挥Profibus-PA现场总线的优势，提高系统的可靠性、可维护性，为客户节约布线成本和后期维护费用，从而为用户创造价值。