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基于80C166單片機PEC服務的PROFIBUS-FDL從站協議實現
摘要：在詳細分析西門子８０Ｃ１６６單片機ＰＥＣ服務工作機制和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀格式的基礎上，提出了基于該種單片機ＰＥＣ服務機制的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議的實現方法，并在實際工作中得到成功應用。當前工業(yè)設備制造技術正向高性能、專用化、分布式、網絡化方向發(fā)展。以前，大量使用ＰＬＣ實現的控制系統(tǒng)，實踐證明雖然安全可靠，但由于ＰＬＣ本身的技術原因，很難達到更快速的實時控制要求?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計，可以進一步提高設備的控制性能；引入現場總線技術，保證專用控制器的系統(tǒng)可集成性，以適應當前分布式、網絡化的應用趨勢。
本文是在研制棒材生產線飛剪的專用控制器時涉及的一個子課題。為保證該控制器能與現有ＰＬＣ網連接以及與遠程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎上，利用核心ＣＰＵ——西門子８０Ｃ１６６所具有的一個類似ＤＭＡ的功能高效率地實現ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議。
１ 西門子８０Ｃ１６６單片機
８０Ｃ１６６單片機是西門子Ｃ１６６系列１６位嵌入式微控制器的第一代產品。其體系結構如圖１所示。它結合ＲＩＳＣ處理器的優(yōu)點，克服了ＣＩＳＣ處理器在嵌入式應用中的瓶頸；在２５ＭＨｚ時鐘頻率下，可達到１２．５ＭＩＰＳ，幾乎所有的指令執(zhí)行時間小于８０ｎｓ；在指令處理上，采用四級指令流水線管道結構；在存儲管理上，統(tǒng)一線性地址空間可達２５６ＫＢ，具有段?代碼?、頁?數據?式管理機制；采用寄存器池，上下文切換時間只要８０ｎｓ；１６位乘法４００ｎｓ，３２位除法８００ｎｓ，中斷響應時間最慢４００ｎｓ；外部事件控制器ＰＥＣ服務具有類似ＤＭＡ的功能，可實現存儲器與外設之間的高速數據傳輸；豐富的在片外設：１ＫＢ ＲＡＭ、１０路Ａ／Ｄ、７６路Ｉ／Ｏ、７個定時器／計數器、１６個比較／捕獲單元、２個串行通信接口、在片的ＷＡＴＣＨＤＯＧ等。
圖1 西門子80C166體系結構
２ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務
２．１ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務機制
ＰＥＣ是外部事件控制器的英文縮寫。ＰＥＣ服務是８０Ｃ１６６提供的一種特殊數據傳輸機制。其目的是在原有的中斷控制器基礎上，用較小的硬件代價、盡可能少占用處理機周期實現內存與外部設備的快速數據交換?類似ＤＭＡ，但無需專用的ＤＭＡ控制器?。８０Ｃ１６６有８路ＰＥＣ服務通道。用ＰＥＣ服務進行一次數據傳輸，僅占用處理機一個機器周期?２０ＭＨｚ時１００ｎｓ，且不影響當前程序的執(zhí)行。
２．２ ＰＥＣ服務的工作過程
通常，當普通中斷事件發(fā)生時，系統(tǒng)將保存當前ＣＰＵ狀態(tài)ＰＳＷ和程序的地址；然后，根據不同的中斷源，進行上下文切換，裝載相應的中斷矢量，執(zhí)行相應的中斷服務程序；執(zhí)行完后，恢復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，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務相聯系。在８０Ｃ１６６中，當一個中斷的中斷優(yōu)先級為最高級１４或１５且定義了與之相關聯的ＰＥＣ服務通道時，該中斷就具有ＰＥＣ服務功能。這時，當該中斷請求發(fā)生時，將不觸發(fā)中斷服務程序的執(zhí)行，而是觸發(fā)ＰＥＣ服務。當ＰＥＣ服務經過設定的若干次的外部事件觸發(fā)后，再觸發(fā)執(zhí)行相應的中斷服務程序(一個普通中斷過程)。
如圖２所示。一次ＰＥＣ服務的工作過程是由ＰＥＣ控制寄存器定義的，其中計數位域(８位傳送計數器)ＣＯＵＮＴ定義了ＰＥＣ服務的數據傳輸次數；源指針、目的指針指明具體的數據傳輸來源和目的；ＰＥＣ服務的數據傳輸過程完全由硬件執(zhí)行：當中斷請求發(fā)生時，由硬件將源指針所指單元的內容傳給目的指針所指的單元，然后由ＰＥＣ控制寄存器相應定義位控制是源指針還是目的指針增加１或２，同時ＣＯＵＮＴ值減１；當多次中斷請求使ＣＯＵＮＴ減為０時，ＰＥＣ服務完成，觸發(fā)與之關聯的中斷服務程序。
２．３ ＰＥＣ服務應用優(yōu)勢
以串口接收一幀１６字節(jié)的數據為例。若采用傳統(tǒng)的串口接收方式，每接收到一字節(jié)，產生一個中斷；在中斷服務程序中，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)相應單元中；當接收滿１６字節(jié)后，進行幀處理。
如果采用ＰＥＣ服務的方式，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以及與之相關聯的ＰＥＣ通道。即定義相應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，由硬件將數據從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區(qū)相應單元中，但當前執(zhí)行的程序并不被中斷；當１６字節(jié)完全接收完成后，觸發(fā)串口接收中斷服務程序，進行幀的處理。
與傳統(tǒng)的串口接收方式相比較，ＰＥＣ服務方式在進行數據傳輸時不中斷當前程序的執(zhí)行，因此節(jié)省了大量的上下文切換時間，處理機效率得到大大提高。
下面討論采用８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務實現ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議的方法。
３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結構分析
３．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結構
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。
．無數據且長度固定的幀：
．帶數據域且長度固定的幀:
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