一种基于变频器的Profibus-DP通信接口设计

一种基于变频器的Profibus-DP通信接口设计

我国对于Profibus-DP技术的应用和研究主要以系统集成和工程应用为主，对于实现Profibus—DP与Modbus之间数据转换的产品相对较少，且被一些公司垄断，价格昂贵，针对变频器领域的具体应用的产品更是少之又少，对于不具备DP通信能力的变频器推广与应用形成了瓶颈。

因此，目前迫切需要开发出一种装置，可以实现采用Modbus通信协议的变频器与控制系统中的Profibus—DP主站之间进行通信，使该类变频器具有Profibus-DP通信接口。

1 协议转换通信接口硬件设计

1.1 协议转换通信接口总体结构框图

1.2 协议转换通信接口硬件电路设计

2 协议转换通信接口软件设计

2.1 主程序流程

如图3所示，主程序流程：首先初始化SPC3，由DP主站配置相应的组态报文以及参数报文，同时初始化P89C51RD2HBBD单片机的异步串行通信接口;在SPC3完成初始化后，即可与DP主站进入数据交换状态，等待主站发送命令;若主站有数据输出，单片机取得数据存入输出数据缓冲区(相对于主站)，如果缓冲区无溢出，调用Modbus协议程序，把数据封装为Modbus帧格式，通过串口传送给变频器端。如果输出缓冲区有溢出，产生外部诊断，在DP主站下一次轮询从站获取诊断报文时，发送给主站，由主站给予处理。变频器端在接收到DP主站发送的命令后，返回响应数据，单片机通过串口获取该数据，并存入输入数据缓冲区(相对于主站)，若输入缓冲区无溢出，存入SPC3数据缓冲区，等待轮询，与主站交换数据。若有溢出，产生外部诊断，在DP主站下一次轮询从站获取诊断报文时，发送给主站，由主站给予处理。

2.2 关键技术研究——可靠性与实时性

在协议转换过程中，由于变频器端有4种不同的波特率，分别为19 200 bps，9 600 bps，4 800 bps，2 400 bps，而对于Profibus—DP其传输速率最高可达到12 Mbps，两者的通信速率并不完全匹配，为防止由于DP主站通信速率相对变频器较高而致使发送的控制命令信息被覆盖掉，在P89C51RD2HBBD单片机中开辟输出双缓冲区，即协议转换单元接收DP主站发送数据时，先将其存储在第一个缓冲区，待数据转送给变频器后，立即清空该缓冲区，并置位第一个缓冲区的空标志位，等待下一次数据存储，在下次数据到来时，首先查看两个缓冲区的空标志位，把数据存储到已经清空的缓冲区中，再通过协议转换程序处理后及时发送至变频器，通过该双缓冲区从而避免数据信息被覆盖掉的可能性，同时，为防止在一些特殊情况下，比如DP通信速率达到最高，而变频器数据传输速率设置为最低，可能导致双缓冲区溢出而丧失避免数据信息被覆盖的功能，可利用SPC3通信单元产生数据溢出用户诊断报文，发送至DP主站，主站通过读取诊断信息获知产生错误原因，并作出相应处理。对于变频器侧数据传输速率远远大于DP通信的波特率时，在单片机中开辟输入双缓冲区，采用同样的方式达到通信接口数据传输的可靠性与实时性。

对于DP主站的初始化，如图5所示，当DP主站完成参数报文配置和组态报文配置，在得到诊断信息00 0C 00 0100 08之后便进入数据交换阶段，如图6所示，实线方框圈起的部分为DP主站发送的变频器命令，虚线方框圈起的部分为变频器返经过DP与Modbus协议转换接口返回的响应数据，通过Proficore监测界面可以看到，DP主站输出的数据与所接收到的数据都为06 C8 00 00 25，其中，06 C8 00 00 25为DP主站向变频器发送的控制启动命令，变频器在正确接收到该控制命令之后，将所接收到的数据返回至DP主站，以便告知主站命令数据正确接收。

另外，如图7所示，通过串口调试助手获得的协议转换接口转换的Modbus数据为01 06 C8 00 00 25 76 71，总共8个字节，其中01为变频器定义的地址，76 71为Modbus数据的CRC校验码，06 C8 00 00 25为实际的数据部分，与DP主站发送和接收到的数据一致。

由于Profibus—DP通信速率最高可达到12 Mbps，对于变频器端定义了四种不同的波特率，分别为19 200bps，9600bps，4 800 bps，2 400 bps，为了验证协议转换接口在不同通信速率下转换数据的正确性与可靠性，通过DP主站以及协议转换接日分别设置不同频率的通信速率，经过上述实验对此通信接口进行多次测试，均能保证数据传输正确。

4 结论

与现有技术相比，本设计针对采用Modbus RTU协议的变频器，提供了一种Modbus与Profibus-DP之间进行协议转换的通信接口装置。通过实验验证，本通信接口软硬件设计正确，可以实现采用Modbus RTU协议的变频器与DP主站进行通信，且数据转换实时可靠。在一定程度上，对于采用Modbus协议通信的变频器，本通信接口扩大了其应用范围，具有重要的实际意义。

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