基于STM32的DP/PA Link设计

张彪+范福基

摘 要：给出了通过使用MCU、ARM和FPGA芯片的配合工作，为上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间提供网络转换的实现方法，该方法安全可靠。

关键词：STM32；上位冗余；下位非冗余；网络转换；实现方法

中图分类号：TP368 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0045-04

0 引 言

DP/PA LINK模块实现上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换。对于较高级别的系统（面向自动化设备），DP/PA LINK是DP从站，只占用较高级别DP主站系统的一个节点；DP/PA LINK是PA主站，PA总线系统中的现场设备不占用上级DP总线系统的节点地址。

1 功能描述

本模块通过64针欧式连接器与底座连接，可配置为模块单机或冗余使用。通过设置底座上的终端电阻，在下级DP总线网络中可作中间节点，也可作末端节点。

1.1 硬件功能框图

DP/PA LINK模块的硬件电路功能框图如图1所示。可用于实现上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换。

图1 模块原理框图

图1中的MCU选用ST公司的STM32F100R8T6，它采用基于ARM最新架构的32位Cortex-M3内核，结合了执行Thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设，系统时钟最高24 MHz，芯片性能达1.25 DMIPS/MHz，内嵌64 KB的FLASH和8 KB的SRAM，片上资源丰富，功能上完全可以满足系统设计需求。

ARM选用LPC2214FBD144，表贴，TQFP封装，144引脚，Philips。集成有16 KB的片内RAM及256 KB的片内FLASH。

模块的DP数据转发、长发故障的判断、读取监控电源的状态、通道灯的状态显示等基本由硬件逻辑完成。硬件可编程逻辑器件选用Xilinx公司性价比相对较高的spartan-6系列的xc6slx9器件，它具有5 720个LUT（查找表），9 152个LC（逻辑单元），11 440个FF（触发器），32个Block RAM （18Kb Each），最大用户引脚102个，144-pin TQFP封装。

1.2 时钟设计

本模块的时钟要求是低成本、能够正常起振、不停振、温漂小。图2给出了本模块的时钟树。下面以MCU晶体为例来进行说明。

图2 时钟树

MCU选择石英晶体。本次设计中主要从HC-49XA-G20SSA-8.000MHz和HC-49XA-C20SSA-12MHz二者中选择一个，二者都满足性能要求，在MCU内部容易倍频得到48 MHz时钟频率，但是HC-49XA-G20SSA-8.000MHz为工业级，工作温度范围宽，所以选型HC-49XA-G20SSA-8.000MHz。晶体参数表如表1所列。

1.3 电路元器件的选择

本电路中采用22 pF±5%陶瓷电容，电路中的振荡器的增益余量用于表明振荡器是否起振。外部电阻REXT可选择904 Ω，这样，就仍然能够保证正常起振。

针对选型的晶体HC-49XA-G20SSA-8.000MHz，可通过计算得到对UART波特率的影响。MCU的时钟树从引脚输入8 MHz，经PLL倍频到24 MHz作为系统时钟。因为UART波特率越高时钟的误差对波特率的影响越大。MCU支持的最大波特率为1.5 MHz。假定在波特率为1.5 MHz时，计数器的时钟为系统时钟24 MHz，UART的预分频数值为16。因为每发送一个字节，都会重新检测起始位，因此，波特率的误差只存在于一个字节的发送周期内。这样可以计算发送一个字节（10位）产生的累积信号偏移+检测间隔误差的偏移量为：±（132 PPM*11*16+1/32）=±5.45%。由于UART接收都是在信号中间位置捕捉信号，所以，时钟的误差对UART的性能不会产生影响。

关于时钟误差对MCU定时器的影响。因为MCU的定时器主要用于超时定时，所以对时钟的精度要求不高，即时钟误差对定时器的影响可以忽略不计。

1.4 DP总线设计

DP 总线通信芯片采用TI公司的SN65HVD06D，其通信速率可达10 Mb/s；最小差动输出电压为2.5 V（54 ?负载）；ESD保护超过16 kV；同时带有上电、掉电保护功能，支持热插拔。图3所示是485电路的功能框图。485电路包括6部分，MCU、POWER、双网切换控制、两个485收发器、欧式连接器。

图3 485电路功能框图

Power部分主要为MCU、双网切换控制器和485收发器提供电源。MCU是485电路的控制器，主要发送串行数据、接收串行数据、诊断485电路故障、切换网络和切断故障等功能。表2所列是双网切换控制器的真值表。

表2 双网切换控制器真值表

SEL 数据流 接收的网络

1 TXDA→TXD A网

0 TXDB→TXD B网

模块的DP双网采用双UART来实现。发送数据时，MCU通过CTRA、CTRB信号分别控制两路485收发器的发送使能。发送数据时，MCU通过SEL控制双网控制器选择MCU的TXDA或TXDB与TXD相连，这样UARTA或者UARTB会向两个485收发器同时发送数据。发送侧双网选择的真值表如表2所示。RXDA和RXDB为接收端口，它接入MCU的UARTA和UARTB。这样双网的数据同时进入两个UART，由MCU内部诊断及切换逻辑选择其中一个UART的数据进行处理。

485收发器是完成485差分信号到串行通信的转换，由485芯片、外围上下拉电路和防护电路组成。485收发器的差分信号通过欧式连接器连接到RS485总线上，进行通信。

2 读取站地址、CPU类型和模块类型设计

模块读取位于模块上的开关电路及底座上的跳线来获得站地址。站地址开关电路如图4所示。

图4 站地址开关原理框图

模块的站地址需要两列排针，每列上有一对针插入短路器，可将IO模块站地址设置为10～109号。一列排针表示站地址十位上的数字1～10，另一列排针表示站地址个位上的数字0～9。图5所示是站地址原理矩阵图。

图5 站地址原理矩阵图

图5中，COM1～COM2组成十位数行，NO.1～NO.5组成列，共可以构成10种状态，COM3～COM4组成个位数行，NO.1～NO.5组成列也可以构成10种状态，所以可以表示100种地址。图6所示是本系统的站地址逻辑图。

读取站地址时，首先在MCU初始化时，将/OE_MCU_MOUDE、/OE_STATION_ADDR、/OE_ST_ADDR_COM信号初始化为高电平，将LE_ST_ADDR_COM信号初始化为低电平。

读取站地址个位0～4，假设图6中，短路器把4号地址短路，MCU引脚/OE_ST_ADDR_COM发出低电平信号，即片选74LVC573芯片。数据总线[DB0：DB4]输出0x1E。然后MCU通过引脚LE_ST_ADDR_COM发出高电平，锁存数据总线DB[0：4]数据，0x1E。由于三态门74LVTH125每一路片选和数据端连接在一起，当输入为低电平时，才输出低电平；当输入为高电平时，输出为三态。这样74LVTH125输出端COM1为低电平，COM2、COM3和COM4为三态。这样通过底座上的跳线可以读取个位0～4范围内的站地址。然后MCU发出高电平的/OE_ST_ADDR_COM信号，和低电平的/OE_STATION_ADDR信号，片选读站地址74LVT245芯片。由于短路器把4号地址短路，COM1能把低电平信号通过跳线传送到数据线DB0上。由于其他地址为未有短路器，保持为上拉的高电平。这样MCU数据总线上的数据位0x0F。MCU通过读取数据总线DB[0：4]获取个位0～4范围内的站地址，然后MCU发出高电平的/OE_STATION_ADDR信号，完成读取。

读取站地址个位5～9，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

读取站地址十位1～5和读取站地址十位6～10，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

当跳线个位或十位同时存在多余一个短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。当跳线个位和十位上都不存在短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。

由于在站地址电路的74器件需要提高热插拔等级，所以选用LVT逻辑器件，支持二级热插拔。由于74LVC573抗静电和热插拔防护等级不高，不支持三态，所以在74LVC573后附加一个支持二级热插拔等级的74LVTH125，并在输出电路上增加嵌位二极管，防护静电。74LVT245和防护电路能够抗静电和支持热插拔。

3 冗余电路的设计

PA模块支持切换式冗余方式，模块自行完成切换并告知主控I/O自身的主从状态。互锁机制是保证只有一个主机的关键逻辑，主从机互锁电路如下图7所示。图8所示是主从机互锁时序图。

图7 主从机互锁逻辑框图

经过主从切换后，B机最终将变为主机，其工作原理如下：

未启动状态，上电之后，双机的本板升主使能信号均为逻辑0状态，因此经过与非门之后，双机均处于逻辑1状态（备机状态），双机的本机状态输出同时通过上拉电阻保持在高电平状态。

双机启动后，先启动的模块（A或B自由竞争）通过自诊断发现本机正常，置本机升主使能信号为1，本机随即将主从状态输出为0。后启动的模块发现自身自诊断正常，也置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已率先输出为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。

主机通过自诊断发现本机有故障，置本机升主使能信号为0进行主动降从，从机升主。

主从机进行切换后，当前从机通过自诊断发现本机无卡件致命故障，恢复置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已被置为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。通过这种方式实现了A和B两者只能有一个主状态，可以同时为从状态，即实现了主从机互锁机制。

4 结 语

本次设计通过使用MCU、ARM和FPGA芯片的配合工作，能为上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换提供一个安全可靠的转换方案。

参 考 文 献

[1]王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]刘伟明，杜林.基于DM9000A和LPC2214的嵌入式以太网接口设计[J].电子测量技术，2008（6）：92-95.

[3]凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M] .上海：华东理工大学出版社，2008.

[4]唐仕斌，曾文海，戴瑜兴，等. 嵌入式Internet以太网接口设计及实现[J]. 低压电器，2003（2）： 41-44.

[5]张瑞瑞，马晨普. 一种精简可靠的低成本嵌入式以太网接口设计[J]. 电子产品世界，2006（23）：79-81.

Design of DP / PA Link based on STM32

ZHANG Biao1， FAN Fu-ji2

（1. Xidian University， Xian 710071， China； 2. Beijing HollySys Systems Engineering Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract： An implement method for providing the network conversion to the equipments between host redundancy PROFIBUS-PA systems and lower non-redundant PROFIBUS-PA systems is introduced， which uses the matching work of MCU， ARM and FPGA chips. The method would be a safe and reliable conversion program.

Keywords： STM32； host redundancy； lower non-redundant； network switch； implementation method

485收发器是完成485差分信号到串行通信的转换，由485芯片、外围上下拉电路和防护电路组成。485收发器的差分信号通过欧式连接器连接到RS485总线上，进行通信。

2 读取站地址、CPU类型和模块类型设计

模块读取位于模块上的开关电路及底座上的跳线来获得站地址。站地址开关电路如图4所示。

图4 站地址开关原理框图

模块的站地址需要两列排针，每列上有一对针插入短路器，可将IO模块站地址设置为10～109号。一列排针表示站地址十位上的数字1～10，另一列排针表示站地址个位上的数字0～9。图5所示是站地址原理矩阵图。

图5 站地址原理矩阵图

图5中，COM1～COM2组成十位数行，NO.1～NO.5组成列，共可以构成10种状态，COM3～COM4组成个位数行，NO.1～NO.5组成列也可以构成10种状态，所以可以表示100种地址。图6所示是本系统的站地址逻辑图。

读取站地址时，首先在MCU初始化时，将/OE_MCU_MOUDE、/OE_STATION_ADDR、/OE_ST_ADDR_COM信号初始化为高电平，将LE_ST_ADDR_COM信号初始化为低电平。

读取站地址个位0～4，假设图6中，短路器把4号地址短路，MCU引脚/OE_ST_ADDR_COM发出低电平信号，即片选74LVC573芯片。数据总线[DB0：DB4]输出0x1E。然后MCU通过引脚LE_ST_ADDR_COM发出高电平，锁存数据总线DB[0：4]数据，0x1E。由于三态门74LVTH125每一路片选和数据端连接在一起，当输入为低电平时，才输出低电平；当输入为高电平时，输出为三态。这样74LVTH125输出端COM1为低电平，COM2、COM3和COM4为三态。这样通过底座上的跳线可以读取个位0～4范围内的站地址。然后MCU发出高电平的/OE_ST_ADDR_COM信号，和低电平的/OE_STATION_ADDR信号，片选读站地址74LVT245芯片。由于短路器把4号地址短路，COM1能把低电平信号通过跳线传送到数据线DB0上。由于其他地址为未有短路器，保持为上拉的高电平。这样MCU数据总线上的数据位0x0F。MCU通过读取数据总线DB[0：4]获取个位0～4范围内的站地址，然后MCU发出高电平的/OE_STATION_ADDR信号，完成读取。

读取站地址个位5～9，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

读取站地址十位1～5和读取站地址十位6～10，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

当跳线个位或十位同时存在多余一个短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。当跳线个位和十位上都不存在短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。

由于在站地址电路的74器件需要提高热插拔等级，所以选用LVT逻辑器件，支持二级热插拔。由于74LVC573抗静电和热插拔防护等级不高，不支持三态，所以在74LVC573后附加一个支持二级热插拔等级的74LVTH125，并在输出电路上增加嵌位二极管，防护静电。74LVT245和防护电路能够抗静电和支持热插拔。

3 冗余电路的设计

PA模块支持切换式冗余方式，模块自行完成切换并告知主控I/O自身的主从状态。互锁机制是保证只有一个主机的关键逻辑，主从机互锁电路如下图7所示。图8所示是主从机互锁时序图。

图7 主从机互锁逻辑框图

经过主从切换后，B机最终将变为主机，其工作原理如下：

未启动状态，上电之后，双机的本板升主使能信号均为逻辑0状态，因此经过与非门之后，双机均处于逻辑1状态（备机状态），双机的本机状态输出同时通过上拉电阻保持在高电平状态。

双机启动后，先启动的模块（A或B自由竞争）通过自诊断发现本机正常，置本机升主使能信号为1，本机随即将主从状态输出为0。后启动的模块发现自身自诊断正常，也置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已率先输出为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。

主机通过自诊断发现本机有故障，置本机升主使能信号为0进行主动降从，从机升主。

主从机进行切换后，当前从机通过自诊断发现本机无卡件致命故障，恢复置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已被置为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。通过这种方式实现了A和B两者只能有一个主状态，可以同时为从状态，即实现了主从机互锁机制。

4 结 语

本次设计通过使用MCU、ARM和FPGA芯片的配合工作，能为上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换提供一个安全可靠的转换方案。

参 考 文 献

[1]王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]刘伟明，杜林.基于DM9000A和LPC2214的嵌入式以太网接口设计[J].电子测量技术，2008（6）：92-95.

[3]凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M] .上海：华东理工大学出版社，2008.

[4]唐仕斌，曾文海，戴瑜兴，等. 嵌入式Internet以太网接口设计及实现[J]. 低压电器，2003（2）： 41-44.

[5]张瑞瑞，马晨普. 一种精简可靠的低成本嵌入式以太网接口设计[J]. 电子产品世界，2006（23）：79-81.

Design of DP / PA Link based on STM32

ZHANG Biao1， FAN Fu-ji2

（1. Xidian University， Xian 710071， China； 2. Beijing HollySys Systems Engineering Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract： An implement method for providing the network conversion to the equipments between host redundancy PROFIBUS-PA systems and lower non-redundant PROFIBUS-PA systems is introduced， which uses the matching work of MCU， ARM and FPGA chips. The method would be a safe and reliable conversion program.

Keywords： STM32； host redundancy； lower non-redundant； network switch； implementation method

485收发器是完成485差分信号到串行通信的转换，由485芯片、外围上下拉电路和防护电路组成。485收发器的差分信号通过欧式连接器连接到RS485总线上，进行通信。

2 读取站地址、CPU类型和模块类型设计

模块读取位于模块上的开关电路及底座上的跳线来获得站地址。站地址开关电路如图4所示。

图4 站地址开关原理框图

模块的站地址需要两列排针，每列上有一对针插入短路器，可将IO模块站地址设置为10～109号。一列排针表示站地址十位上的数字1～10，另一列排针表示站地址个位上的数字0～9。图5所示是站地址原理矩阵图。

图5 站地址原理矩阵图

图5中，COM1～COM2组成十位数行，NO.1～NO.5组成列，共可以构成10种状态，COM3～COM4组成个位数行，NO.1～NO.5组成列也可以构成10种状态，所以可以表示100种地址。图6所示是本系统的站地址逻辑图。

读取站地址时，首先在MCU初始化时，将/OE_MCU_MOUDE、/OE_STATION_ADDR、/OE_ST_ADDR_COM信号初始化为高电平，将LE_ST_ADDR_COM信号初始化为低电平。

读取站地址个位0～4，假设图6中，短路器把4号地址短路，MCU引脚/OE_ST_ADDR_COM发出低电平信号，即片选74LVC573芯片。数据总线[DB0：DB4]输出0x1E。然后MCU通过引脚LE_ST_ADDR_COM发出高电平，锁存数据总线DB[0：4]数据，0x1E。由于三态门74LVTH125每一路片选和数据端连接在一起，当输入为低电平时，才输出低电平；当输入为高电平时，输出为三态。这样74LVTH125输出端COM1为低电平，COM2、COM3和COM4为三态。这样通过底座上的跳线可以读取个位0～4范围内的站地址。然后MCU发出高电平的/OE_ST_ADDR_COM信号，和低电平的/OE_STATION_ADDR信号，片选读站地址74LVT245芯片。由于短路器把4号地址短路，COM1能把低电平信号通过跳线传送到数据线DB0上。由于其他地址为未有短路器，保持为上拉的高电平。这样MCU数据总线上的数据位0x0F。MCU通过读取数据总线DB[0：4]获取个位0～4范围内的站地址，然后MCU发出高电平的/OE_STATION_ADDR信号，完成读取。

读取站地址个位5～9，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

读取站地址十位1～5和读取站地址十位6～10，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

当跳线个位或十位同时存在多余一个短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。当跳线个位和十位上都不存在短路器时，MCU将认为存在故障，无法读取站地址。

由于在站地址电路的74器件需要提高热插拔等级，所以选用LVT逻辑器件，支持二级热插拔。由于74LVC573抗静电和热插拔防护等级不高，不支持三态，所以在74LVC573后附加一个支持二级热插拔等级的74LVTH125，并在输出电路上增加嵌位二极管，防护静电。74LVT245和防护电路能够抗静电和支持热插拔。

3 冗余电路的设计

PA模块支持切换式冗余方式，模块自行完成切换并告知主控I/O自身的主从状态。互锁机制是保证只有一个主机的关键逻辑，主从机互锁电路如下图7所示。图8所示是主从机互锁时序图。

图7 主从机互锁逻辑框图

经过主从切换后，B机最终将变为主机，其工作原理如下：

未启动状态，上电之后，双机的本板升主使能信号均为逻辑0状态，因此经过与非门之后，双机均处于逻辑1状态（备机状态），双机的本机状态输出同时通过上拉电阻保持在高电平状态。

双机启动后，先启动的模块（A或B自由竞争）通过自诊断发现本机正常，置本机升主使能信号为1，本机随即将主从状态输出为0。后启动的模块发现自身自诊断正常，也置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已率先输出为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。

主机通过自诊断发现本机有故障，置本机升主使能信号为0进行主动降从，从机升主。

主从机进行切换后，当前从机通过自诊断发现本机无卡件致命故障，恢复置本机升主使能信号为1，但是与非门的输入信号-对板主从信号已被置为0，导致本机主从状态输出被锁定，因此本机主从状态输出始终为1。通过这种方式实现了A和B两者只能有一个主状态，可以同时为从状态，即实现了主从机互锁机制。

4 结 语

本次设计通过使用MCU、ARM和FPGA芯片的配合工作，能为上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换提供一个安全可靠的转换方案。

参 考 文 献

[1]王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]刘伟明，杜林.基于DM9000A和LPC2214的嵌入式以太网接口设计[J].电子测量技术，2008（6）：92-95.

[3]凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M] .上海：华东理工大学出版社，2008.

[4]唐仕斌，曾文海，戴瑜兴，等. 嵌入式Internet以太网接口设计及实现[J]. 低压电器，2003（2）： 41-44.

[5]张瑞瑞，马晨普. 一种精简可靠的低成本嵌入式以太网接口设计[J]. 电子产品世界，2006（23）：79-81.

Design of DP / PA Link based on STM32

ZHANG Biao1， FAN Fu-ji2

（1. Xidian University， Xian 710071， China； 2. Beijing HollySys Systems Engineering Ltd.， Beijing 100176， China）

Abstract： An implement method for providing the network conversion to the equipments between host redundancy PROFIBUS-PA systems and lower non-redundant PROFIBUS-PA systems is introduced， which uses the matching work of MCU， ARM and FPGA chips. The method would be a safe and reliable conversion program.

Keywords： STM32； host redundancy； lower non-redundant； network switch； implementation method