王华

基于ERTEC400的PROFINET IO设备板的研发

王华

日照广播电视大学 山东日照 276826

在PROFINET IO设备模型的基础上，进行基于ERTEC400的PROFINET专用通信ASIC的硬件部分设计与实现。在硬件的基础上，在PNl0400板上移植VxWorks实时操作系统和PROFINET IO协议栈，然后给出用户应用程序的需求分析，并实现用户应用程序。

现场总线；PROFINET；ERTEC 400；VxWorks

1 引言

现场总线技术自20世纪70年代诞生到现在，它的优越性特别多，主要体现在：减少系统线缆，简化系统安装、管理和维护，降低系统的投资和运行成本，增强系统性。这些优越性引起人们的广泛注意，得到很大范围的推广，引起自动控制领域的一场革命。

目前，工业以太网已经在工业企业综合自动化系统中的执行制造层和资源管理层得到广泛的应用，并且呈现出向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。PROFINET是PROFIBUS国际组织提出的基于以太网的自动化标准，定义了跨厂商的通信、自动化系统和工程设计模式。借助PROFINET IO实现一种允许所有站随时访问网络的交换技术，这样，通过多个节点的并行数据传输可更有效地使用网络。

2 现场总线的基本概念

根据IEC和ISA（美国仪表协会）的定义，现场总线（Fieldbus）是连接自动化系统和智能现场设备的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线系统是具有多点数字传输能力和开放连接的底层控制网络。通过它可以实现跨网络的分布式控制，最近几年来，它在交通工程、制造业、楼宇建设、流程工业、环境工程等方面的自动化系统中实现了成功的应用，并且具有广泛的应用前景。

3 PROFINET IO协议架构

3.1 PROFINET通信标准

2008年8月，PROFIBUS国际组织在新闻发布会上提出PROFINET的概念；就在4年之后，就构建好了PROFINET的基础。该标准包括实时通信、安装技术、网络管理以及Web集成功能等方面。PROFINET是一种新的以太网通讯系统，是由西门子公司和PROFINET用户协会开发。PROFINET具有多制造商产品之间的通信能力、自动化和工程模式，并针对分布式智能自动化系统进行了优化。

表1

ISO/OSI模型创建于1978年，它是解决开放系统通信的国际模型。ISO/OSI模型将通信序列分为7个层，PROFINET在该模型中如表1所示。

3.2 PROINETF IO通信类型

1）TCP/IP标准通信。通过TCP/UDP/IP在标准通道上发送没有实时性需求的数据（即非实时数据，NRT），主要用作节点的参数化、组念、读取诊断数据、互连（数据）的加载、非周期数据交换以及传输用户数据的通信通道的协商。

2)实时通信。实时通信又分为3种类型。类型l和类型2是软实时SRT（Software RT）方案，它是经过优化了的基于以太网第二层的实时通信通道。类型3是同步实时IRT。

4 ERTEC400的PROFINET IO设备板硬件设计

ERTEC400的PROFINET IO设备板除了通信控制器之外，还需要通信控制器的支持电路，包括电源系统（可以提供1.5 V、3.3 V、5 V的电源）、时钟电路、复位电路、Flash电路、SRAM电路、以太网电路。另外为了程序和参数的下载，UART口也必须实现。以及为了方便程序的调试，调试口也是必要的。综合考虑，其硬件总体电路图如图1所示。

图1 硬件总体电路图

5 系统软件设计与实现

5.1 VxWorks操作系统的组成

VxWorks操作系统的基本构成部件主要有5个部分：板级支持包BSP（Board Support Package）；微内核wind；网络系统；文件系统；I/O系统。

5.2 Tornado 2.2开发系统结构

该系统提供了创建项目工程和BSP的移植，以及从设计应用程序到调试系统、分析性能等。Tornado 2.2开发系统结构如图2所示。

5.3 软件系统设计

本文将ERTEC400的通用卡分为四层，分别为：上层程序，PROFINET IO实时协议的实现层，VxWorks系统，ERTEC 400的PROFINET通用卡。其中，由于ERTEC 400通用卡是为PROFINET IO设备研制的，因此，上层程序必须具有的功能包括：周期IO数据的交换；块和子模块的插入和拔除；发送报警信息。

5.4 PROFINET IO协议栈的移植

1）移植流程图。本文所要设计的实时操作系统，主要包括内核映象的引导、定制平台，创建VxWorks映象并且将其下载到通用卡，其中定制平台包括修改源代码配置文件、创建和添加定制组件、开发驱动程序。该系统在ERTEC 400的PROFINET IO通用卡上的整个流程图如图3所示。

2）平台定制。针对ERTEC 400的微处理器ARM946处理器，本文所用到的实时多任务操作系统为其提供了一个支持包——integrator946es，使用它将修改好的文件复制到BSP文件的PROFINET IO ERTEC 400下即可。

下面只介绍SRAM存储器的配置：

6 小结

图2 Tornado 2.2开发系统结构图

图3 流程图

在硬件电路的设计中，当前采用了最基本的功能设计，还需要进一步扩充存储器系统，最好扩展一个32 M字节的NAND Flash，8 M的SRAM；需要扩展一个以太网端口来加强现有的串口功能，它主要用来实现程序下载；Flash接口电路和EPROM也需要进一步扩充：扩充一个LBU接口用于LBU主站的数据存取。所有这些工作还需要进一步展开。

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Research and Development based on ERTEC400 PROFINET IO Device Board

Wang Hua

In this thesis, on the basis of the PROFINET IO equipment model, the author carried on the design and practice on PROFINET special communication ASIC hardware based on the ERTEC400.On the basis of the hardware, VxWorks real-time operating system and PROFINET IO protocol stack are transplanted through PNl0400 board, then User applications demand analysis is presented, and the user application program is realized.

field bus; PROFINET; ERTEC 400; VxWorks

TP273

B

1671-489X(2013)12-0044-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.044