基於Profibus
張強慶，張夢翔，張 霞，胡劍淩
（蘇州大學 電子資訊學院，江蘇 蘇州215006）
設計了一套基於磁致伸縮原理且支援Profibus-DP匯流排通信協定的位移測量系統。系統採用ARM+FPGA的架構，FPGA實現激勵信號產生、回波信號檢測及介面控制等功能，
磁致伸縮；位移感測器；Profibus-DP協議
中圖分類號：TN913；TH711
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170747
中文引用格式：張強慶，張夢翔，
英文引用格式：Zhang Qiangqing，Zhang Mengxiang，Zhang Xia，et al. Design of displacement transducer based on Profibus-DP[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：70-73，77.
0 引言
測量技術是現代工業生產和科學研究中必不可少的一項技術，其中基於磁致伸縮效應的位移測量技術因其穩定性好、量程大以及便於安裝維護等優點，被廣泛應用於各種民用和軍用領域。同時，隨著資訊技術的發展，工業控制系統正朝網路化、分散化和智慧化方向發展，現場匯流排因其所具有的抗干擾能力、數位通信、高環境適應性等特點，
Profibus匯流排技術由德國SIEMENS公司於1987年提出，具有統一匯流排標準、傳送速率快、對複雜系統適應性強以及應用廣、可實現“隨插即用”的特點。其中ProfibusDP是一種高速的低成本通信連接，用於設備及控制系統與分散式I/O設備間的通信，在工業現場應用最廣泛[1]。
本文設計了一種基於Profibus-DP協議的位移感測器，採用ARM+FPGA架構，實現了基於磁致伸縮原理的位移測量，
1 系統設計
本文所設計的位移感測器基於磁致伸縮原理，系統通過產生一定週期的激勵脈衝激勵波導絲，當激勵波遇到位移測量處的永久磁鐵的磁場時將產生磁致伸縮效應，所產生的扭轉波將沿著波導絲以固定的速度傳播，通過在近端檢測扭轉波和激勵波的時間差即可以實現位移的測量[2]。
本文設計的感測器電路主要包括激勵脈衝發生模組、回波接收模組、回波檢測和測量模組、位移計算和補償模組、Profibus-DP匯流排通信模組、主控模組等。其中主控處理器選用ST公司的基於ARM Cortex-M3[3]內核的STM32F103CB完成系統主控、位移計算和補償等功能；Actel公司的A3P060 FPGA作為高速單元實現高精度的回波檢測和測量；Profichip公司的VPC3+S作為匯流排協定晶片實現基於Profibus-DP匯流排協定的位移資料傳輸。
系統工作時，A3P060按照設定的週期T控制激勵脈衝發生模組產生激勵脈衝，激勵脈衝電流將產生環向磁場並沿著波導絲傳播，遇到待測量位置磁鐵的磁場時，產生磁致伸縮效應，波導絲將產生機械扭轉，從而形成扭轉波沿波導絲傳播，在近端被回波檢測裝置轉換為電信號送入回波接收模組中處理。回波接收模組會對信號進行濾波和放大處理後送入比較器，並由A3P060完成回波信號的時間檢測。A3P060將檢測得到的時間資訊通過SPI介面發送至處理器STM32F103CB，STM32F103CB利用資料處理和位移計算演算法對採集到的時間資訊進行位移計算、溫度補償以及位移非線性補償處理後，最後將計算的位移經SPI介面傳送至Profibus-DP通信模組VPC3+S，完成與主站的資料交換。
系統設計中採用RS485匯流排作為Profibus-DP的實體層介面，匯流排界面線路均通過光電隔離模組連接到DP匯流排，以保證資料的可靠通信。
溫濕度感測器選用DHT11數位溫濕度感測器，採用單線雙向制，由STM32F103CB主動讀取感測器的資料資訊。
2 Profibus-DP協定實現
Profibus-DP匯流排協定集成了ISO/OSI模型的實體層、資料連結層，並根據實際需求加入使用者層。一個DP系統，最多支援使用126個網站，各網站賦予唯一的邏輯位址。DP系統採用權杖控制+分時輪詢的Token_Passing主從輪詢協議，兼具分散式和主從式控制機制特點，特別適合對反應時間、可靠性、網路負荷有特殊要求的通信。
本系統選用VPC3+S實現Profibus-DP匯流排協定，採用SPI介面實現VPC3+S與STM32F103CB的通信。VPC3+S是完整集成Profibus-DP協定的通信晶片，支援資料傳輸速率達到12 Mb/s，在系統中完成位址識別、處理通信中的資訊、資料安全序列以及DP通信協議的處理等任務。
3 軟體設計
3.1 主流程
主流程主要進行系統及各模組的初始化以及資料處理和位移計算，流程圖如圖3。
上電時，首先系統初始化，設置STM32F103CB工作頻率。接著對GPIO、SPI等外設進行初始化操作，點亮LED工作指示燈。再對通信晶片VPC3+S進行初始化和配置操作，然後不斷查詢資料準備好標誌位元。STM32F103CB通過SPI中斷接收時間資料，主程序對回波峰整形、時間資料濾波，再計算位移並對位移結果進行溫度補償和非線性補償。最後，STM32F103CB通過SPI中斷發送位移結果到通信晶片VPC3+S。VPC3+S將位移資料封裝成Profibus-DP框架格式，發送到RS485匯流排上。
3.2 位移計算模組
FPGA將時間資料通過SPI發送到STM32F103CB，如果有符合條件的回波峰，選出並計算該峰上升沿和下降沿的平均值，然後將該平均值送入資料濾波處理函數進行去極值平均處理，提高資料穩定性，最後將處理後的位移值通過SPI發送給VPC3+S通信晶片。位移計算流程圖如圖4。
選取峰的原則為：若最高級幅值有符合條件的峰，則取最高級幅值的峰，否則取次高一級幅值的峰，以此類推；若最高一級幅值符合條件的峰不止一個，則取前面的峰。取最大一級幅值對應的上升沿和下降沿的時間平均值作為當前回波峰的時間資料。
系統的時間資料採用去極值平均濾波，隨後系統對資料進行去抖動處理、溫度補償和非線性補償處理，得到最終的延時資料，資料乘以波速得到位移資料。
3.3 VPC3+S通信模組
實現Profibus-DP主從站通信過程，首先要對從站VPC3+S進行初始化[4]。主要內容包括：中斷及功能寄存器值配置、從站位址值設定、看門狗設置、內部空間計算、緩衝區分配等。初始化流程如圖5所示。
從站系統經過初始化操作和使能，通過主站確認資訊進入工作狀態，與主站進行迴圈資料交換。從站判斷主站是否有資料輸出，有則讀取，否則可以直接將採集到的現場資料主動地發送給主站，如此迴圈。同時從站可以及時回應主站的參數化、組態、修改地址等插斷要求。
4 系統調試與測試
從站搭建調試完成，構建完整通信系統還需主站。本設計使用瑞典HMS工業網路有限公司提供的Anybus-M系列板卡AB5030主站模組。
本文對系統的溫漂性能[5]進行了測試，圖6(a)和圖6(b)分別給出了同一個組件在隨機選取位置升溫和降溫情況下測得的溫漂結果。測試時保持測量位置不變，改變環境溫度，測得相應的位移資訊。圖中橫坐標為溫度，縱坐標為測量得到的位移，實線為補償前的，虛線為補償後的。由圖可見，在溫漂補償前，在60 ℃的大溫差範圍內，位移溫漂分別達到3 mm和2 mm左右，採用溫度補償演算法後溫漂降低到0.5 mm和0.3 mm左右，滿足產品（6 μm+5 ppm×L）/℃的溫漂要求，其中L為元件長度。
圖7(a)和圖7(b)是位移精度測試圖，圖中橫坐標為光柵尺測得的位移，縱坐標為本系統測試得到的位移與光柵尺測得位移的誤差值。圖7(a)為未非線性位移補償前的測量誤差，圖7(b)為補償後的測量誤差。由圖可知，經補償後在整個量程範圍內，測量誤差控制在±0.1 mm範圍內，滿足系統精度的要求[6]。
5 總結
本文提出了基於Profibus-DP匯流排的位移感測器設計方案，採用ARM+FPGA的系統架構將位移測量轉化為時間測量。測量結果表明，該位移感測器解析度達到10 μm，通過設計溫漂補償演算法和非線性位移補償演算法，測量精度達到±0.1 mm，滿足設計要求。系統採用Profibus-DP匯流排，實現了位移感測器網路化、智慧化的要求。實踐表明，將該位移感測器應用在工業機床中，運行穩定，測量結果準確，抗干擾能力強。
參考文獻
[1] 劉強，甘永梅，王兆安.PROFIBUS-DP現場匯流排通訊介面的開發[J].電子技術應用，2001(9)：39-41.
[2] 蔣愷.基於ARM的磁致伸縮位移感測器的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2012.
[3] 宋岩.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航太大學出版社，2009.
[4] ZHANG P，SHI Y.A design of slave station interface circuit of Profibus-DP[C].Computer Science and Service System(CSSS)，2011 International Conference on.IEEE，2011：1927-1930.
[5] 李叢珊，姜印平.一種磁致伸縮位移感測器的優化設計方法[J].傳感技術學報，2014(9)：1202-1207.
[6] SECO F，MARTIN J M，JIMENEZ A R.Improving the accuracy of magnetostrictive linear position sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2009，58(3)：722-729.
從而形成扭轉波沿波導絲傳播，在近端被回波檢測裝置轉換為電信號送入回波接收模組中處理。回波接收模組會對信號進行濾波和放大處理後送入比較器，並由A3P060完成回波信號的時間檢測。A3P060將檢測得到的時間資訊通過SPI介面發送至處理器STM32F103CB，STM32F103CB利用資料處理和位移計算演算法對採集到的時間資訊進行位移計算、溫度補償以及位移非線性補償處理後，最後將計算的位移經SPI介面傳送至Profibus-DP通信模組VPC3+S，完成與主站的資料交換。系統設計中採用RS485匯流排作為Profibus-DP的實體層介面，匯流排界面線路均通過光電隔離模組連接到DP匯流排，以保證資料的可靠通信。
溫濕度感測器選用DHT11數位溫濕度感測器，採用單線雙向制，由STM32F103CB主動讀取感測器的資料資訊。
2 Profibus-DP協定實現
Profibus-DP匯流排協定集成了ISO/OSI模型的實體層、資料連結層，並根據實際需求加入使用者層。一個DP系統，最多支援使用126個網站，各網站賦予唯一的邏輯位址。DP系統採用權杖控制+分時輪詢的Token_Passing主從輪詢協議，兼具分散式和主從式控制機制特點，特別適合對反應時間、可靠性、網路負荷有特殊要求的通信。
本系統選用VPC3+S實現Profibus-DP匯流排協定，採用SPI介面實現VPC3+S與STM32F103CB的通信。VPC3+S是完整集成Profibus-DP協定的通信晶片，支援資料傳輸速率達到12 Mb/s，在系統中完成位址識別、處理通信中的資訊、資料安全序列以及DP通信協議的處理等任務。
3 軟體設計
3.1 主流程
主流程主要進行系統及各模組的初始化以及資料處理和位移計算，流程圖如圖3。
上電時，首先系統初始化，設置STM32F103CB工作頻率。接著對GPIO、SPI等外設進行初始化操作，點亮LED工作指示燈。再對通信晶片VPC3+S進行初始化和配置操作，然後不斷查詢資料準備好標誌位元。STM32F103CB通過SPI中斷接收時間資料，主程序對回波峰整形、時間資料濾波，再計算位移並對位移結果進行溫度補償和非線性補償。最後，STM32F103CB通過SPI中斷發送位移結果到通信晶片VPC3+S。VPC3+S將位移資料封裝成Profibus-DP框架格式，發送到RS485匯流排上。
3.2 位移計算模組
FPGA將時間資料通過SPI發送到STM32F103CB，如果有符合條件的回波峰，選出並計算該峰上升沿和下降沿的平均值，然後將該平均值送入資料濾波處理函數進行去極值平均處理，提高資料穩定性，最後將處理後的位移值通過SPI發送給VPC3+S通信晶片。位移計算流程圖如圖4。
選取峰的原則為：若最高級幅值有符合條件的峰，則取最高級幅值的峰，否則取次高一級幅值的峰，以此類推；若最高一級幅值符合條件的峰不止一個，則取前面的峰。取最大一級幅值對應的上升沿和下降沿的時間平均值作為當前回波峰的時間資料。
系統的時間資料採用去極值平均濾波，隨後系統對資料進行去抖動處理、溫度補償和非線性補償處理，得到最終的延時資料，資料乘以波速得到位移資料。
3.3 VPC3+S通信模組
實現Profibus-DP主從站通信過程，首先要對從站VPC3+S進行初始化[4]。主要內容包括：中斷及功能寄存器值配置、從站位址值設定、看門狗設置、內部空間計算、緩衝區分配等。初始化流程如圖5所示。
從站系統經過初始化操作和使能，通過主站確認資訊進入工作狀態，與主站進行迴圈資料交換。從站判斷主站是否有資料輸出，有則讀取，否則可以直接將採集到的現場資料主動地發送給主站，如此迴圈。同時從站可以及時回應主站的參數化、組態、修改地址等插斷要求。
4 系統調試與測試
從站搭建調試完成，構建完整通信系統還需主站。本設計使用瑞典HMS工業網路有限公司提供的Anybus-M系列板卡AB5030主站模組。
本文對系統的溫漂性能[5]進行了測試，圖6(a)和圖6(b)分別給出了同一個組件在隨機選取位置升溫和降溫情況下測得的溫漂結果。測試時保持測量位置不變，改變環境溫度，測得相應的位移資訊。圖中橫坐標為溫度，縱坐標為測量得到的位移，實線為補償前的，虛線為補償後的。由圖可見，在溫漂補償前，在60 ℃的大溫差範圍內，位移溫漂分別達到3 mm和2 mm左右，採用溫度補償演算法後溫漂降低到0.5 mm和0.3 mm左右，滿足產品（6 μm+5 ppm×L）/℃的溫漂要求，其中L為元件長度。
圖7(a)和圖7(b)是位移精度測試圖，圖中橫坐標為光柵尺測得的位移，縱坐標為本系統測試得到的位移與光柵尺測得位移的誤差值。圖7(a)為未非線性位移補償前的測量誤差，圖7(b)為補償後的測量誤差。由圖可知，經補償後在整個量程範圍內，測量誤差控制在±0.1 mm範圍內，滿足系統精度的要求[6]。
5 總結
本文提出了基於Profibus-DP匯流排的位移感測器設計方案，採用ARM+FPGA的系統架構將位移測量轉化為時間測量。測量結果表明，該位移感測器解析度達到10 μm，通過設計溫漂補償演算法和非線性位移補償演算法，測量精度達到±0.1 mm，滿足設計要求。系統採用Profibus-DP匯流排，實現了位移感測器網路化、智慧化的要求。實踐表明，將該位移感測器應用在工業機床中，運行穩定，測量結果準確，抗干擾能力強。
參考文獻
[1] 劉強，甘永梅，王兆安.PROFIBUS-DP現場匯流排通訊介面的開發[J].電子技術應用，2001(9)：39-41.
[2] 蔣愷.基於ARM的磁致伸縮位移感測器的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2012.
[3] 宋岩.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航太大學出版社，2009.
[4] ZHANG P，SHI Y.A design of slave station interface circuit of Profibus-DP[C].Computer Science and Service System(CSSS)，2011 International Conference on.IEEE，2011：1927-1930.
[5] 李叢珊，姜印平.一種磁致伸縮位移感測器的優化設計方法[J].傳感技術學報，2014(9)：1202-1207.
[6] SECO F，MARTIN J M，JIMENEZ A R.Improving the accuracy of magnetostrictive linear position sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2009，58(3)：722-729.