6ES7212-1BB23-0XB8产品规格
CAN总线具有突出的可靠性和实时性，适合在复杂的战场环境下工作，基于CAN现场总线的时间信息数据接口，可充分保证时间信息的传送，并为电子时间引信系统提供标准的数据接口，便于应用在其它防空武器系统的嵌入式改造或未来数字化防空武器系统中。本文阐述了CAN现场总线、总线接口技术、时间信息提取电路结构、信息无线发送结构等原理，及如何利用CAN现场总线技术实现时间信息共享技术。
CAN现场总线概述
CAN(Controller AreaNetwork)总线诞生和发展于汽车工业自动控制领域，是两线制多主对等总线型拓扑网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，是唯一有的现场总线(FieldBus)，目前发展到CAN2.0B规范，应用范围极为广泛。
CAN总线用显性和隐性两个互补的逻辑值表示0和1，总线接口上发送显性和隐性位时，总线值是显性，实现逻辑与。根据ISO／OSI参考模型，CAN的层次划分为：数据链路层，包括逻辑链路控制子层和介质访问控制子层；物理层。
CAN总线信息的报文传输有数据帧、远程帧、错误帧和过载帧四种不同类型的帧，数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2种不同格式，标识符域的长度分别为11位和29位。CAN的帧由不同的位域组成，以数据帧为例，它包括7个不同的位域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结尾，如图1所示。
图1
为获得安全的数据发送，CAN总线采取错误检测和处理的措施，在报文传输过程中设有位错误、填充错误、CRC错误、格式错误和应答错误5种错误类型，对于故障的界定有错误激活、错误认可和总线关闭3种状态。
智能节点接口技术
节点是CAN网络上信息的起点和终点，智能节点是指具有微处理器的节点，具体有可靠性、兼容性、信息处理能力等方面的优势。智能节点硬件设计包括CAN控制芯片与MCU的连接和CAN控制芯片与PC的连接，典型的智能节点结构为MCU+CAN控制器+CAN驱动器，具有CAN模块的MCU微控制器将前2者合二为一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，使操作更加方便。PC机上的智能节点设计多采用CAN适配卡，由ISA接口、双口RAM、嵌入式微处理器、CAN控制器、CAN驱动器组成。
智能节点软件设计的核心内容为CAN节点初始化、报文发送和报文接收，还包括CAN总线错误处理、总线关闭处理、接收滤波处理、波特率参数设置、自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算。
采用PIC18F458微控制器设计的智能节点如图2所示。
图2
时间提取单元和编程装置
时间提取单元和编程装置是电子时间引信系统的重要组成部分，两者协调工作完成射弹飞行时间的隔离提取、数据共享和编码发送，设计实现上采用功能电路+数字接口的方案，作为节点连接在CAN总线上。两者的机械结构设计要充分考虑与现有武器装备的机械兼容性和电磁兼容性，不能影响现有装备的结构和工作状态。
时间提取单元时间提取单元的功能是从武器系统火控计算单元中提取射弹飞行时间，并将其发送到CAN总线上，电路结构如图3所示，主要由射弹飞行时间数字量隔离提取电路、射弹飞行时间模拟量隔离提取电路、A／D转换电路、控制信号(开关量)隔离采集电路、数字接口、隔离型DC／DC电源模块等组成，可以提取16位射弹飞行时间数字量或1路射弹飞行时间模拟量、8位控制信号，输出CAN总线信号，使用双绞线在1km的范围内得到高达70kbps的传输速率。
图3
光电隔离电路采用双光耦构成电流串联负反馈电路实现模拟信号，即将两个相同型号的光耦的输入端串联组成差分负反馈，来补偿光耦的非线性电流传输系数，可以得到较好的一致性，使电路传输特性更好。典型的双光耦芯片(如HCNR200)内部结构及其应用电路如图4所示，采用ADC0809芯片完成AD转换，隔离型DC／DC选用爱立信PKV3211PI电源模块，其输入电压范围为9V～36V，输出电压5V，输出功率2.5W。
图4
编程装置编程装置的功能是从CAN总线上获取射弹飞行的时间数据，进行数据编码，并通过射频模块转换为射频信号发送，电路结构如图5所示，由数字接口、微控器、无线射频模块和监控电路组成。微控器AT89S51为电路的核心，完成数据接收、数据编码、射频模块控制、数据串行发送等功能，大大简化了电路结构；监控电路采用X25045，监控微控制器的工作状态，防止程序跑飞；数字接口与时间提取单元相同；无线射频模块采用原厂提供的标准电路板并设置为发送状态，其天线为腐蚀在PCB板上的铜线，在天线外2m～20m的范围内形成射频编程窗口。
编程装置电路板安装在长方体形盒里，外部通过接插件分别与CAN总线(两芯插头和插座)和无线射频模块(7芯的插头和插座)相连接。整个编程装置盒固定与火炮炮箱上方，距炮口约2.5m的位置，且将射频模块PCB板有天线一侧朝向身管方向，以便获得较好的射频性能。
可由主站向变频器发送各类命令：启/停、多段速选择、频率设定、修改参数、故障复位等，主站从变频器读取相关信息：运行方向、输入输出端子状态、运行频率（转速）、电流、电压、参数内容、故障代码等。故而能极大地方便了配有PROFIBUS-DP总线的用户。具体操作过程如下：
1） 硬件配置：PLC侧---Q系列PLC基本三件套（基板、电源、CPU）+ PROFIBUS-DP主站模块（QJ71PB92D）；变频器侧---A、F系列变频器 + PROFIBUS-DP从站适配卡FR-A5NP或FR-E5NP（仅对E系列变频器）。
2） 系统构成：
3） 参数设置：
a 用设备数据文件（*.GSD）使主站识别PROFIBUS-DP总线下的设备功能及特点，在主站设置软件列表中已有部分厂商（包括三菱）的设备数据文件，如驱动、阀门、I/O、HMI、PLC等。可选择与所用从站性质相符的文件，若列表中无对应的设备数据文件，可从国际互联网或三菱网站中下载（FR-A5NP对应名称:MEAU0865.GSD）
b 启动设置软件GX Configurator-DP，在主站中设定相关参数，除链接模式（通常模式0 或扩展模式E）和站号（一个主站时应设0）。
c 其余内容（波特率、间隔时间、超时检测、控制时间等）均可取默认值。进行总线设置时，也不必改动原设置，可确认默认值。选择自动刷新。
d 建立从站并设定相关参数，选定除0以外的站号（1-125）和与CPU通讯的输入输出元件的编号（X、Y、M、D等），其余可用默认值。在三菱变频器与该总线链接时，输入输出各占6个字元件（12字节），它们中包括了：参数号（PNU）和任务及应答ID（AK）、参数索引、参数值、变频器 状态字。
4） 将变频器中的从站适配卡FR-A5NP的站号开关SW2、SW1分别设为0和1，即为一号站。并将部分相关部分参数设于网络工作方式：Pr79=0、2或6；Pr338=Pr339=0；Pr340=1或2，并进行断电后再通电，使新的设置生效，以后每次开机后即进入网络运作模式。
5） 程序编制：以上工作完备并准确无误即可建立通讯。由于PROFIBUS-DP是基于485方式根本上的现场总线（CC-bbbb也相类似），并且主-从站间进行着轮回（polling）通讯，每次循环只能执行一件工作，或发出某一指令或接受某一信息，即各类运行指令和状态信息均占用相同的缓冲存储器或字元件，故而需用程序保证其分时工作。
以上事例可供相关用户参考，用户所用主站非三菱产品（如西门子等），也可参照这里的设置方法和程序结构，较方便地与三菱变频器链接。
1 引言
70年代工业控制仪表统一采用4~20mA的标准信号，但随着信息量的增加，出现了4~20mA传输的瓶颈效应。为了解决这一效应，80年代出现了一种新技术―现场总线（FieldBus），现场总线的技术关键就是把通讯总线一直延伸到现场设备，使许多现场设备（如PLC、智能变送器、变频器）可在同一总线进行双向多信息数字通讯；并且采用国际性现场总线后，可以方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。目前，绝大多数传动设备驱动采用变频驱动控制。但变频器控制大多采用模拟信号连接，使现场信号的连接的工作量大、费用高。鉴于此，本文介绍一种采用PROFIBUS-DP过程现场总线通讯技术的数字连接控制方案，自动化单元和变频器采用不同厂家的产品，分别采用西门子公司的S7-300PLC和ABB公司的ACS627交流变频器，并结合某厂鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用PROFIBUS-DP现场总线技术的变频器通讯原理及实现方法。
2 PROFIBUS总线拓扑结构
该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在PROFIBUS-DP网中的通讯及控制机理。图1为PROFIBUS-DP网的一种典型配置，其中PLC为西门子公司的SIMATICS7-315-2DP型和S7-200，交流变频器为ACS627型，NPBA-12为与之配套的通讯适配器，上位机中装有STEP7软件，用于对S7-300PLC编程和对PROFIBUS-DP网进行组态和通讯设置。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP网中作为主站(Master)时，可分别带像ACS627变频器从站(Sl***e)共32个。当然，从站也可以是其他现场智能设备，如S7-200、ET200系列。
ACS627型变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入PROFIBUS-DP网中作为从站，接受从主站S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从PROFIBUS-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。
图1 PROFIBUS-DP网的总线拓扑结构
3 通讯机理
3.1 PROFIBUS的特点及介质存取方式
PROFIBUS(ProcessFieldBus―过程现场总线)为欧洲的开放式现场总线系统。其由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三部分组成，其中PROFIBUS-DP主要应用于现场级，是一种高速的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用，可满足快速又简单地完成数据的实时传输。
PROFIBUS-DP参考模型是根据IEEE802标准委员会制定的局域网标准第1层（物理层）、第2层（数据链路层）和用户接口层建立的，由于工业上的特殊需要省略了3～6层。
PROFIBUS-DP的物理层与OSI参考模型的第1层相同，其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流，它采用ETARS485协议，半双工方式，传输速率在9.6K~12M波特率之间可选，对应的通讯距离在1000米~100米。根据大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤2种传输电缆。
PROFIBUS网络允许单主从或多主从系统。单主从系统主从站之间采用主从原理通讯。图1为单主多从型，这种方式的特点：S7-300作为系统主站在工作时间内一直占有总线控制权，与网中的从站进行通讯为纯主从式通讯。若两个以上的SIMATICS7作为主站组成多主系统时，采用的是逻辑令牌环网结构。令牌总线中的令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权。令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站在一定的时间内执行主站工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或所有的从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发完了所需要发送的帧，或者该主站的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站。
3.2 数据链路控制的帧结构及类型
图1中主站与从站之间的通讯介质存取控制规约符合ISO的OSI参考模型数据链路层中HDLC（数据链路控制协议）的非平衡正常响应模式，主站与从站之间HDLC传送帧的结构如图2所示，其中F为标志字段(8位)；A为地址字段，在非平衡模式下为从站地址；控制字段C作为HDLC帧的关键字段表示了帧类型、编号、命令和控制信息，如图3所示，控制字段C将HDLC的帧分成了3种类型：信息帧(I)、监控帧(S)与无编号帧(U)。
图2 PROFIBUS-DP的HDLC结构
图3 HDLC控制字段的3种格式
信息帧(Inbbbbation)中N(S)表示当前发送数据帧的顺序号；N(R)表示该站下一接收帧的序号，N(R)有捎带确认的作用，它表示该站已正确接收序号为[N(R)-1]帧及以前的各帧。下一次应接收序号为N(R)值的帧，N(R)与N(S)用于全双工通信的帧发送与接收顺序控制、差错控制与流量控制等通信控制。信息帧中的探询/终止(P/F，Poll/Final)位与S和U帧中的相同。
监控帧(Supervisory)不带有数据信息，除了用于实现监督控制功能，还可以用于协调通信双方状态，并能实现差错控制与流量控制的作用。
无编号帧(Unnumbered)用于提供附加的链路控制功能，可以在需要时发出，而不影响信息帧的交换顺序。
信息字段I则是由PKW+PZD的应用数据构成，其中PKW字段用于写入控制字或读出状态字等更改和观察变频器的任意参数一般为4个字长；PZD字段用于变频器的具体控制字、设置点（任务：主站至变频器）或状态字的实际值（响应：变频器至主站）的数据传输，一般为2～10个字长。
在变频传动装置PROFIBUS的结构中，ABB变频器使用PROFIBUS-DP通讯模块（NPBA-12）进行数据传输主要是周期性的：主机从从机读取输入信息并把输出信息反送给从机。在周期性的数据传输中，周期型通道通信使用的数据结构为PPO（参数过程对象）消息，报文结构及PPO消息类型如图4所示。
图4 周期型传输报文结构及PPO对象类型
用周期型通道进行数据传送，可用数据被划分成两个区域：过程数据区（PZD）和参数区（PKW），它们以各自的报文进行数据传送。控制字、设定值和状态字、实际值须依照“过程数据连接”所规定的路径进行连接，过程数据的传输才有效。FCS为帧校验字段，每帧都包含此序列，它可对整个帧的内容，即地址、控制和信息等作循环冗余校验。
3.3 数据链路层工作过程
图1的系统结构为非平衡多点结构，其特点是：由一个主站控制着多个从站，主站发出命令，从站给出响应，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路；HDLC的数据传输模式采用了正常响应模式(NRM，NormalResponseMode)，在这种模式下，从站由主站发送“置正常响应模式”（SNRM）而置于此方式，从站可以发送多个帧，直到以下一种情况发生为止：从站没有信息帧可发送，未完成帧的数目已达大值或从站被主站停止。下面以图1中主站和从站2为例具体说明PROFIBUS-DP网数据链路层的工作过程。具体分3个阶段：数据链路的建立，数据传输和数据链路的释放，如图5所示。
图5 PROFIBUS-DP数据链路层的工作过程
阶段为数据链路的建立阶段。主站使用U帧的SNRM命令，在地址字段A中填入从站A的地址，表示在多个从站的多点结构中选择A为与之连接的从站，探询位P为1，记为U:A，SNRM，P。从站A接到SNRM命令后，用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链路的确认，记为U:A，UA，F。终止位F用于主站对探询P的应答。
第二阶段为数据帧的传输阶段，主站中的固有程序循环执行，向特定的数据块DBi中写入指令参数，特定的功能块FBj从中读取参数并向从站2发送，个编号为0的信息帧中N(S)=0，由于未接到2的从站帧，N(R)=0，此I帧记为I:A，N(S)=0，N(R)=0，第二、三个从主站连续发送的信息帧则记为I:A，N(S)=1，N(R)=0与I:A，N(S)=2，N(R)=0。如果主站在发送第三个帧时使用了探询位P，从站2也有信息帧要发送，则此I帧记为I:A，N(S)=0，N(R)=3，其中N(S)=0表示从站2发送的I帧序号为0；N(R)=3表示从站2已正确接收序号为2及它以前的I帧，下一次主站发送的I帧序号应为3，这里的N(R)也起到了对主站发送I帧的捎带确认作用，若从站2只有一帧发送，应标志终止符F，此时的I帧为I:A，N(S)=0，N(R)=3，F。
第三阶段为数据链路的释放阶段。当主站和从站2都没有信息帧要发送，或者主站将与从站1建立链路连接时，则应释放此链路连接，此时，主站可使用U帧释放连接命令DISC，从站2用U帧的UA予以确认。至此，一次完整的数据链路中帧的传输过程结束。
4 过程数据互连及应用实例
就该系统中PLC（主站）与ABB变频器（从站）通讯来考虑，实质上是一个过程数据互连的问题。过程数据互连为连接设定值和控制位到NPBA-12的双端口RAM寄存器，包括设定值通道主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口RAM时，被传送的过程数据才是有效的。
具体实现步骤如下：
4.1 STEP7项目系统组态及通信编程
(1) 使用STEP7组态软件，进入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件组态。
(2) 选定S7-315-2DP为主站系统，将NPBA-12的GSD(设备数据库)文件倒入STEP7的编程环境中，软件组态NPBA-12到以S7-315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型（如PPO3），设定站点网络地址。如果选择其它的PPO类型，考虑到所取信号的PZD码字节数大于4个字节，因为连接驱动装置从站的数据是一个整体，如果数据多于4个字节，它们会成为连续数据，而S7系统中，数据类型大是双字（4个字节），只有当它们被分开后才能被读出，需要在主程序中调用两个功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现对变频器的通信控制。
(3) 建立一数据块，用于与变频器数据通信；建立一变量表，用于观测实时通讯效果。
4.2 变频器参数设置及过程参数互连
(1) 启动变频器，完成如下参数设置：
50.02-(0)DP；（选择PROFIBUS-DP协议）
50.03-(3)PPO4；（选择PPO类型，变频器上的PPO类型应与PLC上组态的PPO类型一致）
50.04=2；（NPBA-12的总线地址，即变频器的站点地址）
(3) 过程参数互连：过程参数互连完成NPBA-12双端口RAM连接器与变频器相应参数的定义和连接，包括主站（PLC）到变频器的连接和变频器到主站（PLC）的连接两部分。在变频器上设定下列连接参数。
① 从PLC发送到传动装置变频器的PZD值：
PZD1-控制值、PZD2-频率给定值、PZD3-速度设定值。
② 传动装置变频器发送到PLC的PZD值。
PZD1-状态值、PZD2-频率实际值、PZD3-速度实际值。
(4) 上述参数设置正确后，S7-300PLC就可以与变频器进行实时的数据通讯了。在变量表中，进行在线监视，可观测其通讯情况。
5 结论
从以上的讨论可知，PROFIBUS-DP网只有三层结构，是一种低级的工业局域网，而使用了主－从方式的介质存取控制方式，使该网的实时性远远高于其它局域网，特别适合用于工业现场。该网在本项目的运用中效果良好，从站ABB变频器、S7-200与主站S7-300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时，也存在一定的缺陷，如若向网中增加或删减站点时，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的分散型控制技术(DCS)相比，PROFIBUS-DP网有着无可比拟的优点。在DCS系统中，仪表是非智能化的设备，它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输，而FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用，具有智能化的特点；将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析，从而实现了“危险分散”，增加了整个系统的可靠性；采用了开放式的结构和统一的，网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程，即兼顾了产品的兼容性。后，PROFIBUS-DP网络传输速度高、抗干扰能力强，是一种性能优良的现场总线控制网络。