基于STM32F03系列MCU的ProfibusDP从站软核芯片的研究文档格式.docx
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基于STM32F03系列MCU的ProfibusDP从站软核芯片的研究文档格式.docx
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今后的发展趋势是信息化电器会逐步取代现有的第三代电器,工业现场总线将会与互联网融合,逐渐走向“物联网”时代。
国内电器产品加入信息化电器的竞争已经开始,并很快走向白热化。
提供数量大、性价比高的产品仍然是我国工业产品的主要方向。
Profibus总线依靠其现有的优势会在将来的现场总线推广中占据优势。
因此,提供一种可靠的、低成本的Profibus-DP从站接口解决方案能加强国内电器的市场竞争能力,也是一件刻不容缓的事情。
三、研究开发内容和技术关键
(一)研究的内容是:
研究Prifobus的技术标准,详细了解硬件结构、各种报文格式与时序状态,测试进口设备的组网状态与数据。
以ST公司的STM32F103系列MCU为核心,软件模拟Profibus-DP从站协议,建立开放的客户端接口标准,使其达到Profibus-DP从站ASICSPC3的基本功能,可以在大部分场合取代SPC3工作。
(二)本项目的关键技术有:
(1)分析Prifobus的技术标准的各个细节:
Profibus是多主多从的令牌网系统,网络上有1类主站、2类主站、从站,既有主站之间的通讯又有主站与从站之间的通讯,而且有大量的诊断与组态信息,因此需要对标准协议进行详尽的分析测试,使软核芯片在各种网络状态下都能及时识别报文的内容,不会进入未知的状态与错误的状态。
对于本项目,采用Profibus网络分析仪实时记录网络报文内容,人为设计各种通讯状态,逐步分析报文的具体含义并与标准进行校对,做到理论与实际相吻合。
(2)合理规划MCU资源:
Profibus的高效快速是它特点之一,为了保证良好的实时性,采用了比较高的波特率,最高可以到12M(工业现场一般最高使用1.5M),从机响应时间也要求非常快,以1.5M为例,最小的从机响应时间在11-150BITTime(即7.3μS-100μS),用软件模拟需要非常合理分配MCU资源才能达到ASIC的效果。
本项目采用STM32F103的USART与DMA功能,解决高速波特率的接收缓存问题,采用定时器的从模式与基础计数器外部触发复位功能,设计高精度的单稳态逻辑辨识报文的帧间隔,合理规划其16级可优先级嵌套的向量中断,可以满足实现物理层传输的基本要求,速率可以做到1.5M以上。
(3)高效的软件编程:
软核芯片要想实现或接近ASIC的性能,高效的软件编程是必不可少的,本项目中是通过以下几点来做的:
在开始编程之前,做任务模块规划,计算各个软件模块的最长与最短运行时间,进行必要的任务分割,分配模块的执行优先级,使程序运行过程中的时间与次序都是可知与可控的,采用自主知识产权的超小型操作系统调度,使数据安全性与快速性均能得到保证,对需要快速响应的模块做好数据预缓冲与队列机制,中断服务程序时间最优化编程,关键部分汇编语言进行优化。
(4)制订客户端接口与协议:
简单、方便、可靠的二次编程是每个产品工程师的需求,设计一个好的客户端界面决定这颗芯片是否好用。
本项目采用串行通讯方式与客户端CPU进行通讯,客户端只需把软核芯片看成是一个串行的RAM,只需对其地址内容进行读写即可。
另外,可以根据客户的特殊要求,利用芯片多余的资源进行定制。
四、预期目标(主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景)
完成Profibus-DP从站软核芯片之后,能大幅度降低电器产品的网络信息化成本。
(一)主要技术指标
(1)工作电源电压:
2.0~3.6V;
(2)接口电压2.0~5.0V;
(3)满足Profibus-DPV0的协议要求;
(4)最高波特率1.5MBPS;
(5)可以设定从站地址;
(6)客户端接口:
USART方式,简单的地址+数量的读写协议;
(7)具有看门狗功能,任何情况下芯片不会长期锁死;
(8)功耗:
<
0.15W;
软核Profibus接口芯片功能预期目标与ASIC芯片几个重要指标比较:
Profibus-DPASIC芯片SPC3
软核Profibus-DP接口芯片
Profibus-DP从站V0协议
支持
最高通讯波特率
支持9.6K-12M所有的速率
支持9.6K-1.5M之间所有的速率
波特率自适应
控制接口
并行总线接口,需要占用控制CPU20个端口,PCB设计复杂
串行接口,2-4线接口,占用控制CPU2-4个端口,使用方便,PCB设计简单
应用软件编程
复杂,需要购买专用开发包,部分协议在主控制CPU完成
非常简单,只需通过串口进行简单的配置与读写
供电电压
4.5-5.5V
2.0-3.6V
接口电压
0-5.0V
功耗
0.4W
0.12W
客户定制功能
无
有
芯片面积
15×
15mm2
10×
10mm2
价格
130元
25元(含软件)
通过上表的比较,软核芯片除了波特率不能超过1.5M以外,其他主要性能均达到或超过SPC3,另据调查,90%以上的实际现场总线应用均没有使用超过1.5M的波特率组网,因为超过1.5M以后网络故障率直线上升,因此该项目的预期目标完全具有实用价值。
(二)知识产权申请情况
研发具有自主知识产权产品,发表相关学术论文2篇以上。
(三)应用或产业化前景
1、Profibus-DP是比较复杂的协议,该软核芯片开发成功后,企业的产品工程师可以绕过复杂的协议研究过程与购买昂贵的专用开发包(约4万元),只需用串行口进行简单的读写即可实现Profibus-DP接口开发,节约了大量的研发财力与物力,避免因开发疏漏使初期上市产品产生召回等不良后果,解决行业的共性问题。
2、企业选用该软核芯片做为Profibus-DP的接口芯片,可以比ASIC低80%的采购成本,给企业早日进入网络化阵容提供有力的帮助,量产之后,将给企业带来巨大的经济效益。
3、能为本地企业提供良好的技术培训与技术支持,量身定制最合适的方案。
如一些功能不是十分复杂的产品,可以利用此芯片的富余资源进行定制,省去主控CPU,进一步降低成本、功耗及体积,这是国外芯片制造商所做不到的。
4、软核芯片试制成功后,先在温州某知名电器公司试用一段时间,待产品成熟后再推向市场。
可使合作厂家每年增产200万元以上。
预期市场前景看好,以温州地区为例,共有约1000家电器生产厂家计,预计年需求量将达到30万颗左右,若以每颗25元计,市场年产值750万元,利税100余万元。
五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
(一)研究方案与技术路线
1、查阅有关Profibus底层的协议的资料,利用西门子公司S7-300系列PLC作为1类主站、触摸屏做为2类主站,远程智能IO模块、远程智能模拟量模块作为从站等搭建Profibus-DP的测试平台;
2、
利用Softing公司的Profibus网络分析仪进行监测,详细分析其中的报文并与IEC61158标准进行核对,详细分析其报文的结构与运行过程;
3、对各报文的时间参数进行统计与分析,并与标准进行核对;
4、针对Profibus-DP的特点选择一款STM32F103系列的MCU,对其硬件资源进行规划,主要是定时器、DMA、USART、矢量中断之间的协调配合;
5、设计并搭建基于STM32F103系列MCU的Profibus-DP从站实验平台;
6、编写软件,建立高效的多任务系统,逐步解决物理层、数据链路层、应用层通讯,编写客户端接口程序,芯片运行情况监视程序。
利用总线测试平台进行反复测试与不断修改;
7、编写GSD文件;
8、将调试成功的方案植入智能式断路器,进行全面测试;
9、量产前改进。
(二)组织方式与课题分解
课题分解为Profibus-DP协议分析、Profibus-DP协议软件模拟技术、客户端软件接口技术三个子课题。
研发小组设置负责人1名,小组成员5名。
六、计划进度安排
起始年月
进度目标要求
2010.1至2010.5
分析Profibus协议,搭建协议测试平台,确定设计方案;
2010.6至2011.6
根据设计方案进行硬件实验平台设计,软件设计,反复改进与测试;
2011.7至2011.10
将试制成功的芯片试用于实际产品,总结改进;
2011.11至2011.12
完成课题,组织专家鉴定、验收。
七、现有工作基础和条件
1、依托现有科技平台
本重点实验室于2005年成立,2006年7月市政府发文同意成立“市级行业技术研究中心”,市科学技术局也给予了很大的支持。
本中心主要依托我校的人才资源优势和仪器设备优势,是一个以工业科技创新为研究对象的科研平台,研究内容包括科技创新和社会服务两个方面。
2、项目的前期工作基础
前期已作了大量的调研与分析,项目申报负责人参加了“PROFIBUS技术工程师资格认证培训”并获得资格证书,团队人员长期从事嵌入式系统产品研发,对微机通讯技术、电磁兼容性技术与MCS51、AVR、PIC、ARM等MCU编程技术十分精通,并已经成功地把Modbus总线技术应用于多种实际量产产品。
对STM32F103系列MCU具有深入地了解与应用,对于本项目已进行前期的可行性硬、软件评估,并设计出可行的研究方案。
3、工作条件
本重点实验室具有比较完备的研发、测试设备,如嵌入式系统开发平台、快速PCB制作设备、EMC测试设备及各种高精度电参数测试仪器等,能提供比较良好的研发环境,并有多家长期合作的大型低压电器企业,能够提供实际产品测试的渠道。
4、参加相关的项目:
“新一代低压万能式断路器(ACB)的研究与开发”
八、经费预算
项目名称:
基于STM32F103系列MCU的Profibus-DP从站软核芯片的研究与实现金额单位:
万元
序号
概算科目名称
合计
财政拨款
经费
地方部门配套经费
自筹经费
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
1
一、经费支出(合计)
28
18
10
2
1、设备费
10
3
2、能源材料费
7
4
3、设计实验费
1.9
5
4、信息费
2.2
6
5、会议调查费
6、租赁费
8
7、验收费
9
8、人员费
9、管理费
0.9
二、经费来源(合计)
1、申请财政经费
2、地方、部门配套拨款
3、自筹经费
(1)单位自有货币资金
(2)其他资金
财政科技经费拨付进度申请
第1年
第2年
第3年
金额
12
比例(%)
67
33
基于STM32F103系列MCU的Profibus-DP从站软核芯片的研究与实现项目经费总额为28万元,现对各项支出的主要用途及测算理由说明如下:
1、设备费13万元(全部自筹经费)
主要购买PROFIBUS-DP+PA协议分析仪、PROFIBUS-DP网络检测仪、PROFIBUS-DP网络在线监测仪、PROFIBUS主动式连接电缆、PROFIBUS主模式通讯卡、计算机、仿真器,用于开发调试和测试。
其中:
PROFIBUS-DP网络检测仪1台4.5万元
PROFIBUS-DP网络在线监测仪1台3.8万元
PROFIBUS主动式连接电缆1台0.1万元
PROFIBUS主模式通讯卡1台0.5万元
笔记本计算机1台1.1万元
2、能源材料费7万元(全部财政拨款经费)
本项目需要制作1台Profibus测试平台、10套模拟Profibus-DPASIC实验平台,主要由实验台基板、PLC模块、远程IO模块、模拟量模块、通讯卡、通讯电缆、专用通讯接头及部分电子元器件组成。
PLC模块2台1.0万元
电源模块1台0.1万元
触摸屏1台1.0万元
远程IO模块2只0.5万元
模拟量模块2台0.7万元
通讯卡2块1.0万元
通讯电缆1000米1.1万元
Profibus-DP通讯接头40个0.6万元
Profibus-DP从站ASIC实验板1套0.5万元
Profibus-DP软核实验板10套(包括电子元器件)0.2万
辅助材料0.2万元
损耗0.1万元
3、设计实验费1.9万元(全部财政拨款经费),用于:
线路板制版费:
0.3万元
Profibus测试平台实验费0.3万元
Profibus-DPASIC实验板实验费0.3万元
实际产品应用设计实验费1.0万元
4、信息费2.2万元(全部财政拨款经费)
(1)出版/文献/信息传播/知识产权事物费1.2万元
(A)资料、文件、图纸、论文等的复印、打印、装订费:
打印0.5元/张计,
每年每家参加单位需0.5元/张×
1000张=0.05万元,2家单位2年计0.05×
2×
2=0.2万元;
(B)文献查新费、信息资料的检索费:
研发期内委托查新机构进行国内查新共1次,计0.1万元;
(C)专利申请及维护费:
按浙江省专利事务所平均收费标准:
发明专利,0.6万元/项;
实用新型专利,0.3万元/项,计0.9万元。
主要用于试制样品过程中的电费。
(2)专家咨询费1万元
(1)会议咨询费:
以每年2次计,2年计4次,每次1天,每次2人,按1000元/天/人,计0.8万元;
(2)高级技术人员通信咨询费:
每年10次,2年共20次,按100元/次,计20×
100=0.2万元。
5、会议费1万元(全部财政拨款经费)
主要用于项目组汇报研讨交流会议,每年4次,每个单位每次派2人参加,会期1天,本项目组2个参与单位在2年间共4次/年×
2人/单位×
2单位×
1天/次×
2年=32人·
天,以200元/天/人计,计300元/天/人计×
32人·
天=0.96万元,计1万元。
6、租赁费无
7、验收费2万元(全部财政拨款经费)
8、人员费3万元(全部财政拨款经费)
主要用于科研机构人员进行技术开发、设计,装配、调试等费用以及临时聘用人员和学生的工资劳务费用。
9、管理费0.9万元(全部财政拨款经费)
按申请财政补贴18万元的5%计算。
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- 基于 STM32F03 系列 MCU ProfibusDP 站软核 芯片 研究