王華

基于ERTEC400的PROFINET IO設(shè)備板的研發(fā)

王華

日照廣播電視大學(xué) 山東日照 276826

在PROFINET IO設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于ERTEC400的PROFINET專用通信ASIC的硬件部分設(shè)計與實現(xiàn)。在硬件的基礎(chǔ)上，在PNl0400板上移植VxWorks實時操作系統(tǒng)和PROFINET IO協(xié)議棧，然后給出用戶應(yīng)用程序的需求分析，并實現(xiàn)用戶應(yīng)用程序。

現(xiàn)場總線；PROFINET；ERTEC 400；VxWorks

1 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)自20世紀(jì)70年代誕生到現(xiàn)在，它的優(yōu)越性特別多，主要體現(xiàn)在：減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、管理和維護(hù)，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性。這些優(yōu)越性引起人們的廣泛注意，得到很大范圍的推廣，引起自動控制領(lǐng)域的一場革命。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的執(zhí)行制造層和資源管理層得到廣泛的應(yīng)用，并且呈現(xiàn)出向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)，定義了跨廠商的通信、自動化系統(tǒng)和工程設(shè)計模式。借助PROFINET IO實現(xiàn)一種允許所有站隨時訪問網(wǎng)絡(luò)的交換技術(shù)，這樣，通過多個節(jié)點的并行數(shù)據(jù)傳輸可更有效地使用網(wǎng)絡(luò)。

2 現(xiàn)場總線的基本概念

根據(jù)IEC和ISA（美國儀表協(xié)會）的定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接自動化系統(tǒng)和智能現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)是具有多點數(shù)字傳輸能力和開放連接的底層控制網(wǎng)絡(luò)。通過它可以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的分布式控制，最近幾年來，它在交通工程、制造業(yè)、樓宇建設(shè)、流程工業(yè)、環(huán)境工程等方面的自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)了成功的應(yīng)用，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 PROFINET IO協(xié)議架構(gòu)

3.1 PROFINET通信標(biāo)準(zhǔn)

2008年8月，PROFIBUS國際組織在新聞發(fā)布會上提出PROFINET的概念；就在4年之后，就構(gòu)建好了PROFINET的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)包括實時通信、安裝技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理以及Web集成功能等方面。PROFINET是一種新的以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)，是由西門子公司和PROFINET用戶協(xié)會開發(fā)。PROFINET具有多制造商產(chǎn)品之間的通信能力、自動化和工程模式，并針對分布式智能自動化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

表1

ISO/OSI模型創(chuàng)建于1978年，它是解決開放系統(tǒng)通信的國際模型。ISO/OSI模型將通信序列分為7個層，PROFINET在該模型中如表1所示。

3.2 PROINETF IO通信類型

1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信。通過TCP/UDP/IP在標(biāo)準(zhǔn)通道上發(fā)送沒有實時性需求的數(shù)據(jù)（即非實時數(shù)據(jù)，NRT），主要用作節(jié)點的參數(shù)化、組念、讀取診斷數(shù)據(jù)、互連（數(shù)據(jù)）的加載、非周期數(shù)據(jù)交換以及傳輸用戶數(shù)據(jù)的通信通道的協(xié)商。

2)實時通信。實時通信又分為3種類型。類型l和類型2是軟實時SRT（Software RT）方案，它是經(jīng)過優(yōu)化了的基于以太網(wǎng)第二層的實時通信通道。類型3是同步實時IRT。

4 ERTEC400的PROFINET IO設(shè)備板硬件設(shè)計

ERTEC400的PROFINET IO設(shè)備板除了通信控制器之外，還需要通信控制器的支持電路，包括電源系統(tǒng)（可以提供1.5 V、3.3 V、5 V的電源）、時鐘電路、復(fù)位電路、Flash電路、SRAM電路、以太網(wǎng)電路。另外為了程序和參數(shù)的下載，UART口也必須實現(xiàn)。以及為了方便程序的調(diào)試，調(diào)試口也是必要的。綜合考慮，其硬件總體電路圖如圖1所示。

圖1 硬件總體電路圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 VxWorks操作系統(tǒng)的組成

VxWorks操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成部件主要有5個部分：板級支持包BSP（Board Support Package）；微內(nèi)核wind；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；文件系統(tǒng)；I/O系統(tǒng)。

5.2 Tornado 2.2開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)提供了創(chuàng)建項目工程和BSP的移植，以及從設(shè)計應(yīng)用程序到調(diào)試系統(tǒng)、分析性能等。Tornado 2.2開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文將ERTEC400的通用卡分為四層，分別為：上層程序，PROFINET IO實時協(xié)議的實現(xiàn)層，VxWorks系統(tǒng)，ERTEC 400的PROFINET通用卡。其中，由于ERTEC 400通用卡是為PROFINET IO設(shè)備研制的，因此，上層程序必須具有的功能包括：周期IO數(shù)據(jù)的交換；塊和子模塊的插入和拔除；發(fā)送報警信息。

5.4 PROFINET IO協(xié)議棧的移植

1）移植流程圖。本文所要設(shè)計的實時操作系統(tǒng)，主要包括內(nèi)核映象的引導(dǎo)、定制平臺，創(chuàng)建VxWorks映象并且將其下載到通用卡，其中定制平臺包括修改源代碼配置文件、創(chuàng)建和添加定制組件、開發(fā)驅(qū)動程序。該系統(tǒng)在ERTEC 400的PROFINET IO通用卡上的整個流程圖如圖3所示。

2）平臺定制。針對ERTEC 400的微處理器ARM946處理器，本文所用到的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為其提供了一個支持包——integrator946es，使用它將修改好的文件復(fù)制到BSP文件的PROFINET IO ERTEC 400下即可。

下面只介紹SRAM存儲器的配置：

6 小結(jié)

圖2 Tornado 2.2開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 流程圖

在硬件電路的設(shè)計中，當(dāng)前采用了最基本的功能設(shè)計，還需要進(jìn)一步擴(kuò)充存儲器系統(tǒng)，最好擴(kuò)展一個32 M字節(jié)的NAND Flash，8 M的SRAM；需要擴(kuò)展一個以太網(wǎng)端口來加強(qiáng)現(xiàn)有的串口功能，它主要用來實現(xiàn)程序下載；Flash接口電路和EPROM也需要進(jìn)一步擴(kuò)充：擴(kuò)充一個LBU接口用于LBU主站的數(shù)據(jù)存取。所有這些工作還需要進(jìn)一步展開。

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[2]崔堅,李佳,楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南:下冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

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Research and Development based on ERTEC400 PROFINET IO Device Board

Wang Hua

In this thesis, on the basis of the PROFINET IO equipment model, the author carried on the design and practice on PROFINET special communication ASIC hardware based on the ERTEC400.On the basis of the hardware, VxWorks real-time operating system and PROFINET IO protocol stack are transplanted through PNl0400 board, then User applications demand analysis is presented, and the user application program is realized.

field bus; PROFINET; ERTEC 400; VxWorks

TP273

B

1671-489X(2013)12-0044-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.044