基于80C166單片機(jī)PEC服務(wù)的PROFIBUS-FDL從站協(xié)議實(shí)現(xiàn)

摘要：在詳細(xì)分析西門子８０Ｃ１６６單片機(jī)ＰＥＣ服務(wù)工作機(jī)制和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀格式的基礎(chǔ)上，提出了基于該種單片機(jī)ＰＥＣ服務(wù)機(jī)制的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并在實(shí)際工作中得到成功應(yīng)用。

當(dāng)前工業(yè)設(shè)備制造技術(shù)正向高性能、專用化、分布式、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。以前，大量使用ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明雖然安全可靠，但由于ＰＬＣ本身的技術(shù)原因，很難達(dá)到更快速的實(shí)時(shí)控制要求?它們正被高性能的嵌入式專用控制器替代。這種專用控制器的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的控制性能；引入現(xiàn)場總線技術(shù)，保證專用控制器的系統(tǒng)可集成性，以適應(yīng)當(dāng)前分布式、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用趨勢。

本文是在研制棒材生產(chǎn)線飛剪的專用控制器時(shí)涉及的一個(gè)子課題。為保證該控制器能與現(xiàn)有ＰＬＣ網(wǎng)連接以及與遠(yuǎn)程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎(chǔ)上，利用核心ＣＰＵ——西門子８０Ｃ１６６所具有的一個(gè)類似ＤＭＡ的功能高效率地實(shí)現(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議。

１ 西門子８０Ｃ１６６單片機(jī)

８０Ｃ１６６單片機(jī)是西門子Ｃ１６６系列１６位嵌入式微控制器的第一代產(chǎn)品。其體系結(jié)構(gòu)如圖１所示。它結(jié)合ＲＩＳＣ處理器的優(yōu)點(diǎn)，克服了ＣＩＳＣ處理器在嵌入式應(yīng)用中的瓶頸；在２５ＭＨｚ時(shí)鐘頻率下，可達(dá)到１２．５ＭＩＰＳ，幾乎所有的指令執(zhí)行時(shí)間小于８０ｎｓ；在指令處理上，采用四級指令流水線管道結(jié)構(gòu)；在存儲(chǔ)管理上，統(tǒng)一線性地址空間可達(dá)２５６ＫＢ，具有段?代碼?、頁?數(shù)據(jù)?式管理機(jī)制；采用寄存器池，上下文切換時(shí)間只要８０ｎｓ；１６位乘法４００ｎｓ，３２位除法８００ｎｓ，中斷響應(yīng)時(shí)間最慢４００ｎｓ；外部事件控制器ＰＥＣ服務(wù)具有類似ＤＭＡ的功能，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；豐富的在片外設(shè)：１ＫＢ ＲＡＭ、１０路Ａ／Ｄ、７６路Ｉ／Ｏ、７個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、１６個(gè)比較／捕獲單元、２個(gè)串行通信接口、在片的ＷＡＴＣＨＤＯＧ等。

圖1 西門子80C166體系結(jié)構(gòu)

２ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù)

２．１ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù)機(jī)制

ＰＥＣ是外部事件控制器的英文縮寫。ＰＥＣ服務(wù)是８０Ｃ１６６提供的一種特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。其目的是在原有的中斷控制器基礎(chǔ)上，用較小的硬件代價(jià)、盡可能少占用處理機(jī)周期實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外部設(shè)備的快速數(shù)據(jù)交換?類似ＤＭＡ，但無需專用的ＤＭＡ控制器?。８０Ｃ１６６有８路ＰＥＣ服務(wù)通道。用ＰＥＣ服務(wù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，僅占用處理機(jī)一個(gè)機(jī)器周期?２０ＭＨｚ時(shí)１００ｎｓ，且不影響當(dāng)前程序的執(zhí)行。

２．２ ＰＥＣ服務(wù)的工作過程

通常，當(dāng)普通中斷事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將保存當(dāng)前ＣＰＵ狀態(tài)ＰＳＷ和程序的地址；然后，根據(jù)不同的中斷源，進(jìn)行上下文切換，裝載相應(yīng)的中斷矢量，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；執(zhí)行完后，恢復(fù)被中斷程序的上下文，繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。

對于某一ＰＥＣ服務(wù)，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務(wù)相聯(lián)系。在８０Ｃ１６６中，當(dāng)一個(gè)中斷的中斷優(yōu)先級為最高級１４或１５且定義了與之相關(guān)聯(lián)的ＰＥＣ服務(wù)通道時(shí)，該中斷就具有ＰＥＣ服務(wù)功能。這時(shí)，當(dāng)該中斷請求發(fā)生時(shí)，將不觸發(fā)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，而是觸發(fā)ＰＥＣ服務(wù)。當(dāng)ＰＥＣ服務(wù)經(jīng)過設(shè)定的若干次的外部事件觸發(fā)后，再觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(一個(gè)普通中斷過程)。

如圖２所示。一次ＰＥＣ服務(wù)的工作過程是由ＰＥＣ控制寄存器定義的，其中計(jì)數(shù)位域(８位傳送計(jì)數(shù)器)ＣＯＵＮＴ定義了ＰＥＣ服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)；源指針、目的指針指明具體的數(shù)據(jù)傳輸來源和目的；ＰＥＣ服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過程完全由硬件執(zhí)行：當(dāng)中斷請求發(fā)生時(shí)，由硬件將源指針?biāo)�指單元的�?nèi)容傳給目的指針?biāo)�指的單元，然后由ＰＥＣ控制寄存器相�?yīng)定義位控制是源指針還是目的指針增加１或２，同時(shí)ＣＯＵＮＴ值減１；當(dāng)多次中斷請求使ＣＯＵＮＴ減為０時(shí)，ＰＥＣ服務(wù)完成，觸發(fā)與之關(guān)聯(lián)的中斷服務(wù)程序。

２．３ ＰＥＣ服務(wù)應(yīng)用優(yōu)勢

以串口接收一幀１６字節(jié)的數(shù)據(jù)為例。若采用傳統(tǒng)的串口接收方式，每接收到一字節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)中斷；在中斷服務(wù)程序中，要將它從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應(yīng)單元中；當(dāng)接收滿１６字節(jié)后，進(jìn)行幀處理。

如果采用ＰＥＣ服務(wù)的方式，只要事先定義好ＰＥＣ通道就可以了。首先，定義串口接收中斷優(yōu)先級為１４或１５以及與之相關(guān)聯(lián)的ＰＥＣ通道。即定義相應(yīng)ＰＥＣ通道控制寄存器為：ＣＯＵＮＴ為１６字節(jié)傳輸，源指針為串口接收緩沖器，目的指針為幀接收緩沖區(qū)首址且每次傳輸完成后，目的指針加１。這樣，串口每接收到一字節(jié)，將觸發(fā)一次ＰＥＣ服務(wù)，由硬件將數(shù)據(jù)從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應(yīng)單元中，但當(dāng)前執(zhí)行的程序并不被中斷；當(dāng)１６字節(jié)完全接收完成后，觸發(fā)串口接收中斷服務(wù)程序，進(jìn)行幀的處理。

與傳統(tǒng)的串口接收方式相比較，ＰＥＣ服務(wù)方式在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，因此節(jié)省了大量的上下文切換時(shí)間，處理機(jī)效率得到大大提高。

下面討論采用８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務(wù)實(shí)現(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的方法。

３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結(jié)構(gòu)分析

３．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結(jié)構(gòu)

ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀的格式有多種形式，但對于從站來說，只要處理三種幀即可。

．無數(shù)據(jù)且長度固定的幀：

．帶數(shù)據(jù)域且長度固定的幀:

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