基于STM32F03系列MCU的ProfibusDP从站软核芯片的研究

基于STM32F103系列MCU的Profibus-DP从站软核芯

片的研究与实现可行性报告

一、立项的背景和意义

随着经济全球化的发展，产品大规模自动化生产越来越普及，自动化生产网络从设备级上升到制造执行系统乃至整个企业集团，这就对每一个电器产品与自动化元件提出一个要求，它们必须实时提供最原始的现场数据，通过网络传输到上位机进行调度与管理，因此将来的电器产品必须具有通讯联网功能。

温州是“中国电器之都”，年产量占据全国60%以上。在国外，以德国西门子、法国施奈德公司为代表的3WN6系列断路器产品、ATV312变频器、ATS48软启动器等已投入市场；在国内，网络信息化电器刚刚起步，只有少数几家知名企业进行了有关技术的研究。网络信息化电器的核心特征是通信联网功能，目前，国际上常用的总线标准有Profibus，Modbus，DevideNet，CANopen等等，其中Profibus总线标准（即IEC61158标准）应用最为广泛，主要优点是其开放性、互操作性、环境适应性较强。国际上有300多家大型厂商（包括西门子、施奈德等）都支持与推广Profibus标准。

目前，国内外低压电器的Profibus接口普遍采用Profibus-DP从站形式，大多数企业采用西门子的智能从站ASIC专用芯片SPC3。该芯片价格比较昂贵（人民币约130元），再加上外围器件与软件成本，造成低压电器产品成本超出厂家预期利润空间，这也是国内产品很少有Profibus-DP接口的一个重要原因。因此，本课题所提出的利用性价比高的普通ARM芯片（STM32F103）代替专用的Profibus芯片的方案具有重大的现实意义。

STM32F103系列CPU是ST公司基于ARM Cortex技术内核的32位的处理器，其硬件资源丰富、指令功能强大、运行速度快、工作可靠性高，性价比高（人民币约20元），在电子产品领域被广泛地应用。针对其资源进行有效的分配，使硬件与软件有机地结合，完全可以替代Profibus-DP的ASIC专用芯片，达到降低成本、加快二次研发速度、降低新产品研发风险的目的。本课题就是针对快速发展的信息化电器的趋势与国内企业成本压力的矛盾，在现有条件下实现与国际高端产品快速接轨，采用廉价的高性能MCU开发一种Profibus-DP ASIC的替

代产品即Profibus-DP软核芯片，来解决以上问题。

二、国内外研究现状和发展趋势

目前，国外几大电器巨头（西门子，ABB，欧姆龙，三菱等）的产品都在力推具备总线接口的产品，而最成功的现场总线当属Profibus。2008年底该总线安装点已经超过2800万个，支持厂商300多家。由于它的开放性、互操作性使越来越多的厂商加盟这一阵容，使其发展迅速。

国内情况如下，有少量产品带Profibus接口，技术实现方法一般采用西门子公司的Profibus-DP从站的ASIC芯片SPC3作为核心接口部件，这种方式功能与可靠性比较好。但是现在ASIC芯片没有国产化，价格非常高（人民币约130元），对于产量较大的中端产品来说成本压力很大。同时，使用该款芯片必须购买价格昂贵（人民币约4万元）的专用软件开发包开发。另外，该芯片需要并行总线与CPU接口，占用大量的端口，对主控制器的CPU有很大的限制，不利于降低成本与减小体积。

国内大部分产品只是带有RS485或RS232通讯口，企业自己定的标准与协议，这样各个厂商的标准都不同，成套供应商很难进行联网组合，除非开发专用网关进行组网。但这要耗费大量的人力物力，而且维护相当困难，因此大部分电器的通讯接口没被使用，形同虚设。

在国内基于软件实现Profibus-DP的低成本优点与灵活性早为人所知，但由于Profibus协议比较复杂，实时性要求极高，没有进行专业深入的研究与仪器设备的支持很难实现，另外高性能MCU在此前的价格一直居高不下导致使用软件模拟并没有太大优势，所以国内尚无软件模拟Profibus-DP协议的成功应用案例。

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ASIC SPC3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11-150 BIT Time(即7.3 μS-100 μS)，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-DP V0的协议要求； (4) 最高波特率1.5M BPS； (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-DP从站 V0 协议 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 支持 并行总线接口，需要占用控制CPU 20个端口，PCB设计复杂

Profibus-DP ASIC芯片 SPC3 软核Profibus-DP 接口芯片 支持 支持 支持 串行接口，2-4线接口，占用控制CPU 2-4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，非常简单，只需通过串口进行部分协议在主控制CPU完成 简单的配置与读写 供电电压 接口电压 功耗 客户定制功能 芯片面积 价格 4.5-5.5V 0-5.0V 0.4W 无 15×15mm2 130元 2.0-3.6V 0-5.0V <0.12W 有 10×10mm2 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； 根据设计方案进行硬件实验平台设计，软件设计，反复改进2010.6至2011.6 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 （2） 28 财政拨款 地方部门自筹经费 经费 配套经费 （5） （3） （4） 10 18 （1） 1 一、经费支出（合计）

2 1、设备费 3 2、能源材料费 4 3、设计实验费 5 4、信息费 6 5、会议调查费 7 6、租赁费 8 7、验收费 9 8、人员费 10 9、管理费 1 二、经费来源（合计） 2 1、申请财政经费 3 2、地方、部门配套拨款 4 3、自筹经费 5 （1）单位自有货币资金 6 （2）其他资金 财政科技经费拨付进度申请 金 额 比例（％） 10 7 7 1.9 1.9 2.2 2.2 1 1 2 2 3 3 0.9 0.9 18 10 10 第1年 第2年 第3年 12 6 67 33 10 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-DP ASIC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 触摸屏

1台 1台

0.1万元 1.0万元

远程IO模块 模拟量模块 通讯卡

通讯电缆

2只 0.5万元 2台 0.7万元 2块 40个

1.0万元 0.6万元 0.5万元 0.2万元 0.1万元

1000米 1.1万元

Profibus-DP通讯接头 Profibus-DP 软核实验板 辅助材料

Profibus-DP从站 ASIC实验板 1套

10套（包括电子元器件） 0.2万

损耗

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 1.0万元

Profibus-DP ASIC实验板实验费 0.3万元 实际产品应用设计实验费

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。

连续很多天都是天亮之后才睡觉。别人问我，你晚上不睡觉都在干嘛。我马上回答，写稿啊，书稿还没交呢。但其实，我一个字也没写。而之所以熬夜，也不过是因为心里有牵挂的人和未完成的事吧。 别人问你怎么还不睡，你说不困。其实熬夜很困，打个哈欠都会有眼泪流出来，只是心中一直有所期待，有所牵挂。就好像下一秒就会收到喜欢的人的消息，下一秒就能遇见一个惊喜。又或者，熬了太久却迟迟得不到自己想要的结果，渐渐的习惯了孤独。 为什么会熬夜呢，大概是因为白天的自己太理智，太冷漠，好像什么都不在乎。所以有些情绪和思念，心酸和不舍，是要留到深夜独自慢慢消化的。白天的自己和晚上的自己完全不是同一个人啊，白天口口声声说一定早睡，晚上却从来做不到。像失忆一样拿命熬夜，白天开开心心无忧无虑，晚上却忧郁的不行。白天觉得我最牛逼，晚上却变成世界第一大傻逼。 总觉得幸福的人是不用熬夜的，每天都有规律的生活，爱的人就躺在身边，现在过的是想要的生活，手里牵的是喜欢的人。 昨天有人问我，为什么你晚上不睡觉。 我想了很久，已经两三年没有在两点之前入睡过了。但我也说不清为什么，那个人突然给我发了一段话，我突然觉得，这是我熬夜的原因，也是很多人熬夜的原因。 你总是习惯熬夜，然后我也故意很晚都不睡。装作是和你一样睡不着，这样就可以和你聊很久，可是你都不知道其实我要困死了。后来你走了，熬夜的习惯却怎么都改不掉。 说片面点是熬夜，说实在点是失眠，说实话是想你。 你有没有过，为了陪一个人聊天，其实下一秒已经要睡着，但还是死抓着手机不肯睡。 你有没有过，因为一个人的一句话，明明很困却突然变得很清醒，开心和喜悦赶走了所有困意。 你有没有过，为了等一个人的晚安，不停的刷着朋友圈发着动态，其实只想让他看到你还没睡。 你有没有过，因为太思念一个人，每天都害怕深夜来临，害怕孤独，害怕寂寞，害怕牵挂的感觉。 我知道，你都有过。 可是，你每天这样熬夜，有人心疼你吗？ 前天晚上一个作家姐姐突然发消息说，妹妹，钱是挣不完的，别累着自己，身体最重要。昨晚她发现我又在熬夜，给我发消息说，一定照顾好自己，莫名心疼你。 我很感动，又觉得很可笑。一个没见过面的人看你熬夜都会心疼，会劝你照顾好自己，但你每天熬夜想着的那个人，没给你发过一条消息。第一次见面的陌生人都会劝你少喝酒少抽烟，素不相识的微信好友都会让你早点休息，可你抽烟喝酒熬夜在等的那个人，从来都没在意过你，连一句晚安都没有。

我经常给别人讲道理，永远不要为了一个不爱你的人折磨自己。但这句话其实就像放屁，因为一旦爱上一个人，就没办法控制自己。我们在爱情里，从来都不是理性的。后来有人问我，怎么忘记一个人。 我说，把酒喝够，把烟抽完，把黑夜熬成天亮，等你真的感觉疼了，你就忘记了。不撞南墙不死心，大概就是这个道理。别人苦口婆心的劝说，其实你一点儿都听不进去。你害怕失去、害怕背叛、害怕从未拥有，你害怕的太多、心事太多，所以很难入睡。那你就熬吧，等熬过了这一阵，你又会觉得其实生活还是很美好。 你要记住，所有关于感情的问题，都不要在深夜做决定。无论分手还是牵手，无论坚持还是放弃。因为女人啊，从来都不是理性动物，再加上深夜里的一杯红酒，一根香烟，感性越发强烈。 五年前第一次听梁静茹的《问》，歌里唱，如果女人，总是等到夜深，无悔付出青春，他就会对你真。 那时候真的傻到相信，用心爱一个人，就能把他留在自己身边。现在才明白，在一起一辈子这种事，不是嘴上说了就可以。外面的诱惑这么多，人的欲望这么大，而你能给的爱，其实就这么多。 后来我经常说，如果爱一个人又不可得，那就找个爱自己的吧。别太累，别付出太多，别太委屈，你说你爱他所以无所畏惧，但你的感情和耐心其实就这么多，你无法永远输出。 总有一天它们会因迟迟得不到回应而枯竭。等到那一天你会发现，哪怕再遇到喜欢的人，也没有力气去喜欢了。

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