| 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(xié)議的實現(xiàn)方法,并在實際工作中得到成功應用。 關鍵詞：８０Ｃ１６６ ＰＥＣ服務 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)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(shù)據(jù)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(xiàn)存儲器與外設之間的高速數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)內存與外部設備的快速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(lián)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(lián)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(shù)位域(８位傳送計數(shù)器)ＣＯＵＮＴ定義了ＰＥＣ服務的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù);源指針、目的指針指明具體的數(shù)據(jù)傳輸來源和目的;ＰＥＣ服務的數(shù)據(jù)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(lián)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(shù)據(jù)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(lián)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)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(shù)據(jù)且長度固定的幀： 
．帶數(shù)據(jù)域且長度固定的幀: 
． 帶數(shù)據(jù)域且長度可變的幀: 
其中,各字段說明如下：
ＳＤ１：無數(shù)據(jù)幀的開始定界符,＃１０Ｈ; ＳＤ２：可變長度幀的開始定界符,＃６８Ｈ; ＳＤ３：固定長度幀的開始定界符,＃Ａ２Ｈ; ＥＤ：結束定界符,＃１６Ｈ; ＬＥ與ＬＥｒ：ＬＥ與ＬＥｒ相同,都表示長度占一個字節(jié),它是ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ的字節(jié)數(shù)總和; ＤＡ與ＳＡ：ＤＡ目的站地址與ＳＡ源站地址各占一個字節(jié); ＦＣＳ：校驗段,占一個字節(jié),它采用不計進位的求和運算得到校驗碼。校驗域為ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ; ＦＣ：幀控制字字段,占一個字節(jié); ＳＹＮ：同步字段,至少３３空閑位(邏輯電平１),但僅在請求幀及令牌幀前出現(xiàn),不允許在字符之間出現(xiàn)。 ３．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀結構的特點 從上面的幀格式可以看出幀的長度不固定。發(fā)送時,幀的長度是已知的;但接收時,幀的長度是未知的。因此,要提高接收效率,只能采用分段方式接收,隨時解析和保存關鍵信息,并確定隨后接收的字節(jié)數(shù)。
４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協(xié)議的ＰＥＣ服務實現(xiàn) ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站的數(shù)據(jù)接收及應答過程分三個階段完成：第一階段,幀的完整接收;第二階段,根據(jù)接收到的ＦＣ幀控制字字段,判斷主站正在進行怎樣的數(shù)據(jù)請求;第三階段,從站組織應答幀,啟動幀的發(fā)送過程。 第二階段的幀控制字處理請參考ＰＲＯＦＩＢＵＳ標準的相關內容。對于第三階段的組織和發(fā)送應答幀,由于數(shù)據(jù)長度和內容已知,只要定義好串口發(fā)送中斷／服務,定義好相應的ＰＥＣ通道：源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址＋１、目的地址為串口發(fā)送緩沖器、ＣＯＵＮＴ域為發(fā)送字節(jié)數(shù)－１,將所要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)寫入串口發(fā)送緩沖器,即可觸發(fā)串口發(fā)送相關的ＰＥＣ服務;當ＣＯＵＮＴ減為０時,觸發(fā)串口發(fā)送中斷服務子程序,完成串口數(shù)據(jù)發(fā)送過程。由于該過程實現(xiàn)簡單,不作詳細討論。這里主要討論第一階段的幀完整接收實現(xiàn)過程。 從上面的幀結構分析可見,幀的長度是不固定的。因此,為提高接收效率,應用ＰＥＣ服務分三步進行數(shù)據(jù)的批量接收。 ４．１ 第一步：幀頭接收 首先,初始化時,定義串口接收ＰＥＣ服務為連續(xù)接收三字節(jié),用于接收幀的前三字節(jié)。 由第一個字符ＳＤｘ(ｘ＝１,２,３)判斷幀類型;對于不帶數(shù)據(jù)固定長度幀和帶數(shù)據(jù)固定長度幀接下來的兩個字符是ＤＡ、ＳＡ,判斷ＤＡ是否為本機地址;而對于帶數(shù)據(jù)長度可變幀,接下來的兩個字符是ＬＥ、ＬＥｒ,判斷其是否相等。 若以上判斷都成立,則需定義下一次ＰＥＣ服務的接收字符數(shù)：對于固定長度幀,定義ＰＥＣ批量接收三字節(jié)數(shù)據(jù),并保存ＤＡ、ＳＡ;對于可變長度幀,定義ＰＥＣ服務接收四字節(jié)數(shù)據(jù),轉第二步; 若ＬＥ≠ＬＥｒ或ＤＡ目的地址非本站地址,則重回到初始狀態(tài),進行幀頭接收。 ４．２ 第二步：幀控制字接收 由于主站幀的連續(xù)發(fā)送,會再次觸發(fā)ＰＥＣ服務。由串口接收ＰＥＣ服務連續(xù)接收三或四字節(jié)后,處理如下： ．不帶數(shù)據(jù)固定長度幀,接收三字節(jié),分別為ＦＣ、ＦＣＳ、ＥＤ。對ＦＣＳ和ＥＤ分別完成累加和校驗與幀結束判斷后,將幀控制字ＦＣ保存,轉去執(zhí)行幀控制字處理。 ．帶數(shù)據(jù)固定長度幀 接收三字節(jié)分別為ＦＣ和數(shù)據(jù)單元的前兩個字節(jié),保存ＦＣ,定義ＰＥＣ服務接收后八個數(shù)據(jù)字節(jié),轉第三步。 ．帶數(shù)據(jù)可變長度幀,接收了四字節(jié),分別為ＳＤ、ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ。對ＳＤ再進行一次判斷,之后判斷ＤＡ是否為本機地址,保存ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ,定義ＰＥＣ服務接收余下的數(shù)據(jù)字節(jié)長度由ＬＥ確定,轉第三步。 ４．３ 第三步：幀數(shù)據(jù)接收 當串口接收ＰＥＣ服務連續(xù)接收八或更多的字節(jié)后,處理如下： ．帶數(shù)據(jù)固定長度幀,接收八個字節(jié),分別為余下的六字節(jié)數(shù)據(jù)和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗與幀結束判斷完畢后,轉去執(zhí)行幀控制字處理。 ．帶數(shù)據(jù)長度可變幀,接收了ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ＋２個字節(jié),分別ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ個數(shù)據(jù)字節(jié)和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗與幀結束判斷完畢后,進行協(xié)議要求的目的地址和原地址的地址擴展判斷和保存,轉去執(zhí)行幀控制字處理。 ４．４ 串口接收中斷服務子程序 以上三步都由串口接收中斷服務子程序負責完成。每一步對應不同的處理狀態(tài)。為提高程序的執(zhí)行效率,用有限狀態(tài)機實現(xiàn)。以１、２、３分別表示上述幀接收三個步驟,４表示幀控制字處理狀態(tài),其狀態(tài)轉換如圖３。 采用這種協(xié)議實現(xiàn)方法,在最近研制的棒材生產線的飛剪控制器中運行效果良好。
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