1概述

Profibus由三個兼容部分組成，即Profibus-PA、DP以及FMS。Profibus-PA技術以符合國際標準IEC61158的Profibus-DP為基礎，增加了PA行規和相應的傳輸技術，具有通過串行總線系統連接和通過數據線進行供電的特點，能更好的滿足過程控制領域的需求。

南京科遠自動化集團股份有限公司DCS系統已經開發出了ProfibusDP主站和ProfibusDP從站，可以將ProfibusDP從站通過主站接入DCS系統，但由于沒有PA耦合器產品，ProfibusPA從站產品只能借助其他公司的PA耦合器接入我公司DCS。DP/PACoupler（KM633B）是我公司自2012年開始自主研發、設計的產品，以適應各種場合的應用需要，完善我公司現場總線控制系統，降低成本，提升競爭力。

2系統及模塊的總體結構圖

KM633B為NT6000系統ProfibusDP/PA耦合器模件，帶有一個ProfibusDP接口和一對ProfibusPA接口。每一個DP/PA耦合器zui大可輸出300mA電流，zui多可以連接25個標準ProfibusPA從站。DP/PA耦合器的通信波特率是固定的，DP端口為45.45Kbps，PA端口為31.25Kbps。

圖1DP/PA耦合器整體框架

DP/PACoupler的主要功能是耦合DP和PA總線，為兩種不同物理層、不同幀格式、不同編碼的總線提供無縫連接。PA總線端的波特率固定為31.25Kbps，使用IEC61158-2物理層，將信號調制到電源線上，使用直流平衡的曼徹斯特編碼。DP總線端的波特率固定為45.45Kbps，使用RS485物理層，使用標準的UART數據幀，使用不歸零碼。

3硬件設計

圖2DP轉換為PA過程

DP/PACoupler是一種雙路冗余RS485-ProfibusPA總線轉換器，提供一種將ProfibusPA總線轉換為通用冗余RS485總線的方法。本裝置提供一路符合IEC61158-2規范的9V-32V的輸出電源，用來給PA從站設備供電。提供2路冗余的RS485總線接口，用來和RS485接口的控制設備通信。如圖2所示，本裝置由帶有阻抗調節、輸出保護功能的電源模塊，媒體連接單元（MAU）電路，PA總線隔離電路，FPGA電路，處理器電路以及2路冗余、隔離的RS485電路組成。以ARM和FPGA為處理核心，省去了ASIC，MAU電路使用分離的原件實現，節省了成本，降低了價格。圖3可變阻抗PA電源設計

PA總線輸出電源是可變輸出阻抗的特殊電源，在直流輸出時，輸出阻抗很小，要求小于50Ω，以方便PA總線從站從總線上取電，在31.25Kbps的工作波特率時，輸出阻抗很大，要求大于3KΩ，以方便調制解調信號到電源線上。其工作原理如圖3所示。

4軟件設計

4.1FPGA軟件設計

在DP/PACoupler中FPGA的作用就是將PA總線上的曼徹斯特ma流數據進行解析，以中斷的形式傳送ARM，進行PA-DP協議的轉換；當接收到從ARM發送過來的DP數據時，FPGA將其轉化成曼徹斯特ma流，調制到PA總線上，然后發送到PA總站。

圖4FPGA中曼徹斯特解碼

PA總線上的曼徹斯特ma是以31.25Kbps的速度傳輸，每個bit是32us（N+、N-是特殊的32us），有效數據在32us的時間內高低電平時間各占一半。空閑時，信號輸入引腳RxS_PA一直處于低電平，當在RxS_PA引腳上檢測到信號的上升沿，并且緊接著檢測到了16bit（或者為8bit）的前導碼P，接著是起始符SOF，說明PA總線上收到了一幀數據，而非干擾信號，將PA總線上的干擾信號濾除。

理想的曼徹斯特編碼在一個時鐘周期的中間發生跳變，但實際工業現場的PA總線上，曼徹斯特編碼的跳變并不一定在一個時鐘周期的正中，會發生抖動。在每個曼徹斯te碼bit的1/4、3/4處設置采樣點sample。在sample處將RxS_PA直接賦值給data_buf，同時對data_buf進行左移位的操作。當有前導碼與起始符的到來，在此時將控制寄存器CtrlReg0[0]置高，開始接收數據。在sample處將RxS_PA與clk_syc_m進行異或處理，得到實際當前曼徹斯特ma對應的不歸零碼的值，并在clk_syc_m的上升沿將數據提取出來存放在數據寄存器里面，并依此左移1位，當接收計數器bit_rcvd為8時，更新數據緩沖寄存器，達到數據提取的效果。當data_buf的低16位為16'hb326時，說明檢測到停止符EOF，此時將接收使能置低、CtrlReg0[0]置低，代表一幀數據接收全部完畢，等待下一幀的開始，如此循環往復。

圖5FPGA解碼流程

4.2ARM軟件設計

FPGA通過FlexBus總線與ARM進行通信。

圖6ARM軟件框架

如圖6所示，此產品中，ARM處理器使用Freescale的K60ARMCortexM4內核，其主要作用是：PA?DP幀結構轉換、CRC?FCS校驗轉換、DP?PA幀結構轉換、FCS?CRC校驗轉換、CPLD與K60處理器接口、數據緩沖區、ProfibusDP串口收發程序（固定45.45Kbps）。

5KM633B在NT6000中的應用

如圖7所示，ProfibusDP/PA耦合器在系統配置時無需組態，對Profibus主站而言，DP/PA耦合器是透明的，在組態中不可見。

圖7KM633B在NT6000中的位置

KM633B使用DIN導軌安裝方式，安裝前請注意底部撥碼開關。KM633B可以使用在DP電纜的任何地方，在DP總線中間或終端均可，但需要注意的是，如果耦合器連接在DP電纜的中間，無需連接終端電阻，如果將KM633B連接在DP電纜的終端，必須要連接終端電阻。KM633B必須連接在PA總線的終端。總線布線時需遠離動力電纜及變頻器等強干擾設備。

6總結

隨著自動化技術的進一步提高，Profibus-PA總線必將得到進一步的推廣和使用。科遠NT6000DCS系統通過ProfibusDP/PACoupler可以和Profibus-PA從站完美集成，zui大限度的發揮Profibus-PA現場總線的優勢，提高系統的可靠性、可維護性，為客戶節約布線成本和后期維護費用，從而為用戶創造價值。

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