基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现

摘要：在详细分析西门子80C166单片机PEC服务工作机制和PROFIBUS-FDL帧格式的基础上，提出了基于该种单片机PEC服务机制的PROFIBUS-FDL从站协议的实现方法，并在实际工作中得到成功应用。 关键词：80C166 PEC服务 PROFIBUS-FDL 当前工业设备制造技术正向高性能、专用化、分布式、网络化方向发展。以前，大量使用PLC实现的控制系统，实践证明虽然安全可靠，但由于PLC本身的技术原因，很难达到更快速的实时控制要求?它们正被高性能的嵌入式专用控制器替代。这种专用控制器的设计，可以进一步提高设备的控制性能;引入现场总线技术，保证专用控制器的系统可集成性，以适应当前分布式、网络化的应用趋势。 本文是在研制棒材生产线飞剪的专用控制器时涉及的一个子课题。为保证该控制器能与现有PLC网连接以及与远程操作站通信，在几乎不增加硬件的基础上，利用核心CPU——西门子80C166所具有的一个类似DMA的功能高效率地实现PROFIBUS-FDL从站协议。 1 西门子80C166单片机 80C166单片机是西门子C166系列16位嵌入式微控制器的第一代产品。其体系结构如图1所示。它结合RISC处理器的优点，克服了CISC处理器在嵌入式应用中的瓶颈;在25MHz时钟频率下，可达到12.5MIPS，几乎所有的指令执行时间小于80ns;在指令处理上，采用四级指令流水线管道结构;在存储管理上，统一线性地址空间可达256KB，具有段?代码、页?数据式管理机制;采用寄存器池，上下文切换时间只要80ns;16位乘法400ns，32位除法800ns，中断响应时间最慢400ns;外部事件控制器PEC服务具有类似DMA的功能，可实现存储器与外设之间的高速数据传输;丰富的在片外设：1KB RAM、10路A/D、76路I/O、7个定时器/计数器、16个比较/捕获单元、2个串行通信接口、在片的WATCHDOG等。 图1 西门子80C166体系结构 2 80C166的PEC服务 2.1 80C166的PEC服务机制 PEC是外部事件控制器的英文缩写。PEC服务是80C166提供的一种特殊数据传输机制。其目的是在原有的中断控制器基础上，用较小的硬件代价、尽可能少占用处理机周期实现内存与外部设备的快速数据交换?类似DMA，但无需专用的DMA控制器。80C166有8路PEC服务通道。用PEC服务进行一次数据传输，仅占用处理机一个机器周期?20MHz时100ns，且不影响当前程序的执行。 2.2 PEC服务的工作过程 通常，当普通中断事件发生时，系统将保存当前CPU状态PSW和程序的地址;然后，根据不同的中断源，进行上下文切换，装载相应的中断矢量，执行相应的中断服务程序;执行完后，恢复被中断程序的上下文，继续执行被中断程序。 对于某一PEC服务，它总是与一具体中断源、中断矢量或中断服务相联系。在80C166中，当一个中断的中断优先级为最高级14或15且定义了与之相关联的PEC服务通道时，该中断就具有PEC服务功能。这时，当该中断请求发生时，将不触发中断服务程序的执行，而是触发PEC服务。当PEC服务经过设定的若干次的外部事件触发后，再触发执行相应的中断服务程序(一个普通中断过程)。

如图2所示。一次PEC服务的工作过程是由PEC控制寄存器定义的，其中计数位域(8位传送计数器)COUNT定义了PEC服务的数据传输次数;源指针、目的指针指明具体的数据传输来源和目的;PEC服务的数据传输过程完全由硬件执行：当中断请求发生时，由硬件将源指针所指单元的内容传给目的指针所指的单元，然后由PEC控制寄存器相应定义位控制是源指针还是目的指针增加1或2，同时COUNT值减1;当多次中断请求使COUNT减为0时，PEC服务完成，触发与之关联的中断服务程序。 2.3 PEC服务应用优势 以串口接收一帧16字节的数据为例。若采用传统的串口接收方式，每接收到一字节，产生一个中断;在中断服务程序中，要将它从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中;当接收满16字节后，进行帧处理。 如果采用PEC服务的方式，只要事先定义好PEC通道就可以了。首先，定义串口接收中断优先级为14或15以及与之相关联的PEC通道。即定义相应PEC通道控制寄存器为：COUNT为16字节传输，源指针为串口接收缓冲器，目的指针为帧接收缓冲区首址且每次传输完成后，目的指针加1。这样，串口每接收到一字节，将触发一次PEC服务，由硬件将数据从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中，但当前执行的程序并不被中断;当16字节完全接收完成后，触发串口接收中断服务程序，进行帧的处理。 与传统的串口接收方式相比较，PEC服务方式在进行数据传输时不中断当前程序的执行，因此节省了大量的上下文切换时间，处理机效率得到大大提高。 下面讨论采用80C166的PEC服务实现PROFIBUS-FDL从站协议的方法。 3 PROFIBUS-FDL帧结构分析 3.1 PROFIBUS-FDL帧结构 PROFIBUS帧的格式有多种形式，但对于从站来说，只要处理三种帧即可。 .无数据且长度固定的帧：

.带数据域且长度固定的帧:

. 带数据域且长度可变的帧:

其中，各字段说明如下： SD1：无数据帧的开始定界符，#10H; SD2：可变长度帧的开始定界符，#68H; SD3：固定长度帧的开始定界符，#A2H; ED：结束定界符，#16H; LE与LEr：LE与LEr相同，都表示长度占一个字节，它是DA+SA+FC+?DATA-UNIT的字节数总和; DA与SA：DA?目的站地址与SA?源站地址各占一个字节; FCS：校验段，占一个字节，它采用不计进位的求和运算得到校验码。校验域为DA+SA+FC+?DATA-UNIT; FC：帧控制字字段，占一个字节; SYN：同步字段，至少33空闲位(逻辑电平1)，但仅在请求帧及令牌帧前出现，不允许在字符之间出现。 3.2 PROFIBUS帧结构的特点 从上面的帧格式可以看出帧的长度不固定。发送时，帧的长度是已知的;但接收时，帧的长度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，随时解析和保存关键信息，并确定随后接收的字节数。

4 PROFIBUS-FDL从站协议的PEC服务实现 PROFIBUS-FDL从站的数据接收及应答过程分三个阶段完成：第一阶段，帧的完整接收;第二阶段，根据接收到的FC帧控制字字段，判断主站正在进行怎样的数据请求;第三阶段，从站组织应答帧，启动帧的发送过程。 第二阶段的帧控制字处理请参考PROFIBUS标准的相关内容。对于第三阶段的组织和发送应答帧，由于数据长度和内容已知，只要定义好串口发送中断/服务，定义好相应的PEC通道：源地址为发送数据缓冲区首址+1、目的地址为串口发送缓冲器、COUNT域为发送字节数-1，将所要发送数据的第一个字节写入串口发送缓冲器，即可触发串口发送相关的PEC服务;当COUNT减为0时，触发串口发送中断服务子程序，完成串口数据发送过程。由于该过程实现简单，不作详细讨论。这里主要讨论第一阶段的帧完整接收实现过程。 从上面的帧结构分析可见，帧的长度是不固定的。因此，为提高接收效率，应用PEC服务分三步进行数据的批量接收。 4.1 第一步：帧头接收 首先，初始化时，定义串口接收PEC服务为连续接收三字节，用于接收帧的前三字节。 由第一个字符SDx(x=1,2,3)判断帧类型;对于不带数据固定长度帧和带数据固定长度帧接下来的两个字符是DA、SA，判断DA是否为本机地址;而对于带数据长度可变帧，接下来的两个字符是LE、LEr，判断其是否相等。 若以上判断都成立，则需定义下一次PEC服务的接收字符数：对于固定长度帧，定义PEC批量接收三字节数据，并保存DA、SA;对于可变长度帧，定义PEC服务接收四字节数据，转第二步; 若LE≠LEr或DA目的地址非本站地址，则重回到初始状态，进行帧头接收。 4.2 第二步：帧控制字接收 由于主站帧的连续发送，会再次触发PEC服务。由串口接收PEC服务连续接收三或四字节后，处理如下： .不带数据固定长度帧，接收三字节，分别为FC、FCS、ED。对FCS和ED分别完成累加和校验与帧结束判断后，将帧控制字FC保存，转去执行帧控制字处理。 .带数据固定长度帧? 接收三字节?分别为FC和数据单元的前两个字节，保存FC，定义PEC服务接收后八个数据字节，转第三步。 .带数据可变长度帧，接收了四字节，分别为SD、DA、SA、FC。对SD再进行一次判断，之后判断DA是否为本机地址，保存DA、SA、FC，定义PEC服务接收余下的数据字节?长度由LE确定，转第三步。 4.3 第三步：帧数据接收 当串口接收PEC服务连续接收八或更多的字节后，处理如下： .带数据固定长度帧，接收八个字节，分别为余下的六字节数据和FCS、ED。在累加和校验与帧结束判断完毕后，转去执行帧控制字处理。 .带数据长度可变帧，接收了DATA-UNIT+2个字节，分别DATA-UNIT个数据字节和FCS、ED。在累加和校验与帧结束判断完毕后，进行协议要求的目的地址和原地址的地址扩展判断和保存，转去执行帧控制字处理。 4.4 串口接收中断服务子程序 以上三步都由串口接收中断服务子程序负责完成。每一步对应不同的处理状态。为提高程序的执行效率，用有限状态机实现。以1、2、3分别表示上述帧接收三个步骤，4表示帧控制字处理状态，其状态转换如图3。 采用这种协议实现方法，在最近研制的棒材生产线的飞剪控制器中运行效果良好。