（机械电子工程专业论文）基于devicenet总线协议的从站接口设计.pdf

摘要 摘要 d e v i c e n e t 现场总线是一种低成本、高效、面向基本工业设备的现场总线技 术。它采用y c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ，控制器局域网) 技术，在继承其优点的 同时也具备许多新的特点和优势。国内对于d e v i c e n e t 技术的开发研究尚处起步 阶段，产品类型相对集中。本论文的研究目的是开发一套具有d e v i c e n e t 协议接 口的从站设备。并且为了实现该设备与其他类型的总线进行通信，本文在此基础 上利用v i s a lc + + 6 o 工具编写了o p c 客户端应用程序，使它能够从不同的硬件厂 商提供的o p c 数据服务器中取得数据。 本文首先介绍了现场总线技术的产生、发展和几种常用现场总线的比较，提 出了课题研究的意义。论文简要地介绍了d e v i c e n e t 协议规范内容，包括d e v i c e n e t 技术特点、d e v i c e n e t 与c a n 的关系以及d e v i c e n e t 应用层协议功能等。论文详细 介绍了d e v i c e n e t 从站模块的软硬件设计。本文通过分析主要的开发平台，提出 了本文的总体设计方案。单片机成本低、体积小适合本文的硬件开发。设计了从 站模块电路板。通过学习d e v i c e n e t 协议，采用单片机c 语言来实现从站接口通信 程序和d e v i c e n e t 协议栈及应用程序。 在文中最后，详细介绍了系统调试过程及结果。d e v i c e n e t 从站的软硬件设 计完成后，对d e v i c e n e t 节点进行了组网调试。测试证明，本文研制的d e v i c e n e t 从站模块满足了既定的技术要求，其通信机制遵循d e v i c e n e t 协议规范，能接入 d e v i c e n e t 网络中，与w o o d h e a d 公司的主站卡能进行实时可靠的通信。本文的工 作为d e v i c e n e t 产品的开发打下了良好的基础，提供了很好的技术积累。 关键词现场总线；d e v i c e n e t 总线；从站；d e v i e e n e t 协议 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v i c e n e ti sal o w - c o s tn e t w o r kw i t hh i g h e f f i c i e n c y w h i c hp r o v i d e s c o n n e c t i o n sb e t w e e ns i m p l ei n d u s t r i a ld e v i c e s i tu s e st h ec o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) t e c h n o l o g ys ot i l a ti ti n h e r i t sc a n sa d v a n t a g e s b e s i d e st h e s e ，d e v i c e n e t o w n sf e a t u r e ss u c ha so b j e c tm o d e l i n ga n dc o n n e c t i o n b a s e dc o n m m u n i c a t i o n ，e t c d o m e s t i cs t u d yo nd e v i c e n e tt h c h n o l o g yi ss t i l lu n d e r w a ya n ds m a l lp a r to fp r o d u c t t y p ei sa v a i l a b l e 1 1 1 em a i ni n t e n t i o no fi st od e v e l o pa ni n t e l l i g e n ts l a v e sd e v i c e c o m p a t i b l et ot h ed e v i e e n e ts p e c i f i c a t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h a tt h es l a v e sd e v i c e c a l lc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rt y p e sf i e l d b u s ，t h i sp a p e rm a k ev i s u a lc + + 6 0t o o l p r o g r a mo p c c l i e n ta p p l i c a t i o n sb a s e do nw h a ti ss a i d i tc a nc a p t u r ed a t af r o mt h e o p cs e r v e rs u p p l i e db yd i f f e r e n th a r d w a r ev e n d o r s ，w h i c hc a na c h i v ef l e x i b l e c o n f i g u r a t i o nd a t aa n dr e a li n t e g r a t i o no f m u l t i p l es y s t e m s n i sp a p e ri n t r o d u c e sf i e l d b u s sg e n e r a t i o n , d e v e l o p m e n t ，a n dc o m p a r i s o no f s e v e r a lc o m m o nf i e l d b u sa n dp o i n t st ot h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t l l i sp a p e r i n t r o d u c e st h ec o n t e n ta n dp a r t i c u l a ro fd e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd e v i c e n e ta n dc a n ，t h ef u n c t i o no fd e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o no na p p l i c a t i o n l a y e r 刀鼯d e s i g no ft h en e ws l a v ei sa l s oe x p l a i n e di nd e t a i li nt h i sp a p e r 砀ew h o l e d e s i g no ft h ep a p e ri sp r o p o s e db ya n a l y z i n gt h em a i nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e m c ui ss u i t a b l eb e c a u s eo fi t si o wc o s ta n ds i n a i lv o l u m e mp a p e rd e s i g n st h e s l a v e sp c b n l ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m m eo ft h es l a v e t h ep r o t o c o ls t a c ka n d a p p l i c a t i o n r o u t i n ew h i c hr e a l i z ed e v i c e n e t s p e c i f i c a t i o n a l e s u c c e s s f u l l y p r o g r a m m e db yu s i n gc f o rm c u i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h es y s t e md e b u g g i n gp r o c e s sa n dt h er e s u l ta r ed e t a i l e d a f t e rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t so fd e v i c e n e ts l a v ea r ea c c o m p l i s h e d ， t h ep a p e ri n t r o d u c e sh o wt o d e b u ga b o u tt h ed e v i c e n e ts l a v e t h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n t p r o v e st h a t t h ed e v i c e n e ti n t e r f a c ef o rs l a v ef u f i lt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t t h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h ed e v i c e n e ts l a v ei sc o n f o r m e dt o d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i 0 1 1 s n l ed e v i c e n e ts l a v ec a l lb ei n t e g r a t e di n t od e v i c e n e to f 舫o d h c a dt oc o m m u n i c a t er e l i a b l y 乃ew o r kb a s e do nt h i st h e s i sp r o v i d e s e x p e r i e n c ea n de s t a b l i s h e sg r o u n d w o r kf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fd e v i c e n e tp r o d u c t s k e y w o r d sf i e l d b u s ：d e v i c e n e tb u s ：s l a v e ：d e v i c e n e tp r o t o c 0 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：豸缒墓 日期：兰! 窆墨：生颦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕筮鉴 导师签名：逾越，日期：塑! 墨：丛习 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的来源与研究目的 1 1 1 课题来源和目的 本课题得到北京市先进制造技术重点实验室开放基金( k p o l 0 0 2 0 0 2 0 1 ) 和北京市科 委2 0 0 5 年度科技重大项目印刷设备的无轴传动与系统研究项目( d 0 3 0 5 0 0 1 0 4 0 6 2 1 ) 的 资助。“印刷设备的无轴传动系统研究”课题旨在促进北京地区的印刷行业向数字化方向 发展，提升北京地区印刷设备制造行业的科技水平，使北京印刷机械制造行业具备数字 化印刷设备的研发、制造能力并逐步形成数字化印刷设备的产业规模。课题成果将用于 目前以齿轮传动为主流的印刷设备的升级，传统的依靠齿轮同步的印刷设备精度差、噪 音高、污染严重，而且体积庞大，效率很低，目前发达国家已经广泛采用无轴印刷机技 术，在各个方面都已经超越了传统的印刷机设备。无轴印刷机的研制在我国起步较晚， 是一项庞大的工程。 作为该项目的后续研究，本课题主要工作是将开发一套具有d e v i c e n e t 现场总线协议 接口的智能从站接口模块。在研制过程中，对d e v i e e n e t 现场总线协议进行深入研究并最 终掌握。d e v i e e n e t 协议是一种基于c a n 总线的、接入特性更好的高级现场总线协议。 由于协议不是免费的，并且协议大部分仍使用自然语言描述，为了更好地理解协议，从 己有商业产品中获取有关信息。本课题将首先开发一个c a n 总线系统监控平台来学习 c a n 总线通讯协议。然后通过周立功公司的d e v i c e n e t 总线评估板与w o o d h e a d 公司的 d e v i c e n e t 主站卡进行通讯，主要用于d e v i c e n e t 协议分析。本文开发的d e v i c e n e t 从站模 块用于控制吸盘实验台。 本文中d e v i c e n e t 总线i 0 单元必须采用内部封装d e v i c e n e t 标准协议的产品。国外 生产的这种产品种类很多，性能都很相近，可以互换使用。国内此类产品技术上还不成 熟。为了尽可能实现零部件国产化，本方案计划自行开发这种d e v i c e n e t 从站模块，本 课题的研究工作正是源于这样的应用背景。 1 1 2 课题的研究现状 目前，在世界范围内，已获得应用的现场总线达数十种之多，其中得到广泛应用 北京t 业大学工学硕士学位论文 的几种典型的现场总线有：德国s i e m e n s 公司的p r o f i b u s ，美国r o c k w e l l 自动化公司的 d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t ，现场总线基金会的f f 德国b o s c h 公司的c a n 以 及美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 等。由于这些总线起初使用的场合不同，它们的协议也 各不相同。随着各种总线的影响力的增大，以及支持各总线的集团间的利益冲突等原因， 现场总线协议的统一也越来越困难。在众多的现场总线中，d e v i c e n e t 毛e 控制领域中迅速 的成长起来。它将现场设备连接到网络上，免去复杂而昂贵的硬接线。在提供多供货商 同类部件的可互换性的同时，减少了设备配线和安装的成本和时间。d e v i c e n e t 在解决设 备间互连的同时，还提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线很难实现的。 在d e v i c e n e t 控制系统中，由于采用数字信号代替模拟信号，因而可以实现一对电线上传 输多个信号。它支持网上供电方式，而且在现场设备以外不需要其它转换部件。 d e v i c e n e t 以其开放、高效和低价等独特的优点倍受青睐。目前由其管理组织 o d v a ( o p e r f f ) e v i c e n e t v en d o r as s o c i a t i o n ) 支持d e v i c e n e t 产品和d e v i c e n e t 协议规范的进 一步开发，并通过o d v a 得到全球众多制造商的支持， 如 a b b ，r o c k w e l l ，o m r o n ，h i t a c h i ，s s t , t u r c k ，w a g o ，f e s t o 等，现在d e v i c e n e t 帛l j 造商协会拥有遍 布全世界的3 0 0 多个会员。d e v i c e n e t 产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所占的市场 份额己达5 0 以上，而且每年正以惊人的速度不断增长。 d e v i c e n e t 现场总线进入我国虽然比较晚，但因其突出的优点而受到我国有关部门和 单位的高度重视。2 0 0 0 年2 月上海电器科学研究所与o d v a 签署合作协议，共同筹建 o d v ac h i n a ，目的是把d e v i c e n e t 这一先进技术引入中国，促进我国自动化和现场总线 技术的发展。中国电器工业协会亦已批准在通用低压电器分会成立现场总线工作委员 会，并考虑条件成熟时转为现场总线分会，统一管理设备层的各种现场总线及其相应的 协会组织。 1 1 3 论文主要完成的工作 基于课题的基本要求，本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 介绍课题研究背景及意义，简要介绍d e v i c e n e t 总线技术及其协议，和它的发 展与应用状况，说明了课题的来源、目的和要求。 ( 2 ) 总体设计，包括硬件和软件上的整体设计方案。 ( 3 ) 设计d e v i c e n e ti o 从站的硬件系统，完成了系统主板的原理图设计和p c b 的 制作，并且对系统各部分电路进行了调试。 第l 章绪论 ( 4 ) 完成d e v i c e n e ti o 从站软件系统设计，通过已有设备来调试d e v i c e n e t 总线， 分析了d e v i c e n e ti o 从站的相关通讯协议。重点分析相关软件模块的功能。 ( 5 ) 完成d e v i c e n e ti o 从站的系统调试，成功地与w o o d h e a d 公司的主站卡进行可 靠、准确、实时的通讯。最终通过该从站模块来控制吸盘实验台。 ( 6 ) 介绍o p c 技术在d e v i c e n e t 总线上的应用，编写o p c 客户端上位机软件来实 时监控总线数据的传输。 ( 7 ) 完成系统调试。 ( 8 ) 最后，对全文进行了总结，指出了课题存在的问题并对d e v i c e n e t 的进一步应 用提出了自己的看法。 全文共分7 章：分别是绪论、d e v i c e n e t 现场总线协议规范、d e v i c e n e t 从站总体设计、 d e v i c e n e t 从站接口硬件设计、d e v i c e n e t 从站接口软件设计、基于d e v i c e n e t 总线的应 用、d e v i c e n e t 现场总线控制系统调试、总结与展望，最后是致谢和参考文献。 1 2 现场总线介绍 1 2 1现场总线的产生背景 现代化的工业过程控制对控制系统及仪表装置在速度、精度、成本等诸多方面的更 高有求，导致了用数字信号传输技术替代模拟信号传输技术，而通信技术的发展”也使 得传送数字化信息的网络技术在工业控制领域的广泛应用成为可能。这种现场数字信号 传输网络技术就是所谓的现场总线技术。现场总线技术的应用也使得控制系统和设备的 可互操作性、可维护性、可移植性成为现实。现场总线是过程控制技术、仪表技术和计 算机网络技术紧密结合的产物。现场总线的实质是解决了数字信号的兼容性问题，所以 它一出现便展示了强大的生命力和发展潜能。现场总线解决了传统控制系统中存在的许 多根本性难题，它基本上奠定了未来计算机控制系统的发展方向。 1 2 2 现场总线的特点 现场总线的特点主要体现在两个方面：一是在体系结构上成功地实现了串行连接， 克服了连接的许多不足；二是在技术上成功地解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实 现了现场设备的高度智能化、互换性和控制功能的彻底分散化。 ( 1 )系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，不同厂家设备之间可进行互连 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 并实现信息交换。 ( 2 )互操作性和互用性。互操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟 通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互用性意味着不同生产厂家性能类似的设 备可进行互换、互用。 ( 3 )现场设备的智能化和功能自治性。将系统的传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，并完成自动控制的基本功能，随时诊断设备的 运行状态。 ( 4 )系统机构的高度分散型。现场总线构成一种新的分布式控制系统的体系结构， 简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 )对现场环境的适应性。现场总线是专为现场环境下工作而设计的，它可支持 双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，采用两 线制实现供电与通信，并满足安全防爆等要求。 此外，现场总线系统还有机构简化，节省安装与维修费用，用户具有高度的系统集 成主动权，提高系统的准确性与可靠性等诸多优点n 1 。 1 2 3 c a n 技术概述 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e r w o r k ) 总线是现场总线的一种，称为控制器局域网现场 总线，它使用架构开放、广播式的新一代网络通信协议。c a n 总线是2 0 世纪8 0 年代初德 国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串 行数据通信协议，它是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤 维。c a n 在汽车内部电气总线系统中占有市场的绝对优势地位。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之的是对通信数据块 进行编码。采用这种方法的优点是可以使网络内的节点个数在理论上部受限制，c a n 上 的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。c a n 总线采用了多主竞争式总线结 构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点 可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现 自由通信。c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同级别的实时要求。另 外，c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操 作不受影响a 町。 第1 章绪论 1 2 4 几种常用现场总线的比较 随着现场总线技术的出现和发展，各种现场总线的市场竞争日趋激烈，在2 0 0 0 年1 月宣布的i e c 6 1 1 5 8 国际标准中，将6 种总线列入国际标准，形成多种总线共同竞争的局 面。其中有基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、 h a r t 等。每一种总线都有它自己的特点，应用于不同的场合。下面介绍一下几种常用现 场总线的传输机制口1 。 表1 1 传输机制 t a b l e1 - 1 t a n s p o r tm e c h a n i s m 总线名称通讯方式传输特性传输数据长仲裁方式错误校验 度 p r o f i b u s d p p a 主从、对等d p ：9 6 k b s 1 2 m b s o b 2 4 4 b 令牌传递 h d 4c r c p a ：3 1 2 5 k b s i n t e r b u s - - s主从 5 0 0 k b s ，全双工 1 b 6 4 b 无 1 6 bc r c d e v i e e n e t 主从、多主、5 0 0 k b s8 b 变量报文c s m a 非破c r c 校验 对等方式2 5 0 k b s1 2 5 k b s坏性仲裁 f f 客户端服务 3 2 2 5 k b s 1 2 8 个比特调度程序 1 6 bc r c 器署名用户 组 多备份 c o n t r o l n e t 生产者消费 5 m b s o b 5 1 0 b 变 c t d 姒c 1 1 v r 者，目标对象量时间片 c a n o l n 主从、多主、l o k b s 一- , 1 m b s8 b 变量报文c s m 叫e 破1 5 bc r c 对等网络坏性仲裁 1 3c a n o p e n 与d e vit e n e t 总线协议比较 c a n o p e n 与d e v i c e n e t 总线协议都是c a n 总线的应用层协议。它们都是以c a n 芯片为基 础硬件制定出面向工业自动化过程的应用层通信协议，在众多的工业控制领域具有广阔 的应用前景。下面将介绍这两种协议的区别。 ( 1 ) 传输距离 c a n o p e n 网络可实现远距离传输( 1 0k m ) ，工作速率可调( 1m b s 通讯速率5 k b s ) ，因此，在实际应用中，要考虑到传输距离的限制而选择总线协议。如果用 北京工业大学工学硕十学位论文 d e v i c e n e t 进行远距离传输，要使用网络中继器，现在市场上已经有很多这两种总线系 统的中继器产品 ( 2 ) 标识符分配 c a n o p e n 支持c a n 2 0a 1 1 位和c a n 2 0b 2 9 位标识符，而且报文的优先级只能通过它 的大小来区分，通常节点地址比较小的c o b - i d 报文的优先级最高。如果要传送需要快速 响应的事件，则要通过预定义和特殊功能对象，如同步( s y n c ) ，时间标记对象( t i m e s t a m p ) ，紧急事件( e m e r g e n c y ) ，p d o 用来传输实时数据，优先级大于s d o ，因为s d o 的 数据量大，通常用于设备初始化组态。而d e v i c e n e t 只用了c a n 2 0a 的l l 位标识符去分 组定义报文的优先级，这种信息组设计方法使总线优先级可任意分布，而不仅和节点地 址有关。还取决与它是i o 还是显示报文，报文的组号等。虽然c a n o p e n 和d e v i c e n e t 的 标识符分配机制不同，但都可以很方便的定义报文的优先级。 ( 3 ) 应用领域 d e v i c e n e t 适合于工厂自动化控制。c a n o p e n 适合于所有机械的嵌入式网络。c a n o p e n 不仅可以用在远距离的通信系统中，还可以用在像咖啡机、电子直线加速器、大型超市 自动化、安全系统、注压机等系统中。d e v i c e n e t 比较适合应用在传感器设备、微型执 行器设备等设备上。 ( 4 ) 协议 d e v i c e n e t 是面向连接的，而c a n o p e n 是面向对象的。它支持两种基本消息：服务数 据消息和过程数据消息。前者用于大批量，低优先级消息；后者则用于高优先级，少批 量消息。与d e v i c e n e t - - 样，c a n o p e n 具有c a n 的优点和局限性；而与d e v i c e n e t 不同， c a n o p e n 不是连接基，且支持对等消息。c a n o p e n 的通信机制更加简单，从而可以降低设 备的复杂程度。使用d e v i c e n e t 可以提供更高的安全性，但这也需要耗用更多的资源。 1 4 本章小结 在第一章绪论里，本文首先简要介绍了无轴印刷机课题的背景，研究目的和论文的 主要完成的工作。然后介绍现场总线技术，重点介绍了c a n 总线和几种常用总线之间的 比较。 第2 章d e y l c e n d 现蝣总线讲议简介 第2 章d e v i c e n e t 现场总线协议简介 2 1d e vic e n e t 现场总线协议规范 211d e v i c e n e t 现场总线概述 d e v i c e n e t 是由美国r o c k v e l l 公司在c a n 基础上推出的一种低成本的通信链接，是一 种低端网络系统。它将基本工业设备( 如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机启动 器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、物料流量计、电子秤、显示器和操作员 接1 3 等) 连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。d e v i c e n e t 是一种简单的网络 解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动 化设备的成本和时间。d e v i c e n e t 的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提 供了相当重要的设备级诊断功能。图2 1 是一个典型的d e v i c e n e t 控制系统示意图“”。 图2 - ld e v i c c n c t 系统控制示意图 f i g u r e 2 - 1 d e v i c c n c ts y s t e m c o n h o l d i a g r a m d e v i c e n e t 现场总线具有一些技术特点： ( 1 ) 最大6 4 个节点； ( 2 ) 1 2 5 5 0 0 k b p s 通信速率： ( 3 )点对点，多主或主从通信； ( 4 )可带电更换网络节点，在线修改网络配置； ( 5 )采用c a n 物理层和数据链路层规约，使用c n 规约芯片，得到国际上主要芯片 t _ 雪一 一卫剜一 筲打诎 一船 矗一 北京t 业大学工学硕十学位论文 制造商的支持； ( 6 )支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送； ( 7 )低成本、高可靠性的数据网络； ( 8 )即适用于连接低端工业设备，又能连接复杂设备； ( 9 )采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息； ( 1 0 )具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能： ( 1 1 )得到众多制造商的支持。 2 1 2d e vic e n e t 的物理层和物理媒介 d e v i c e n e t 规范中定义了d e v i c e n e t 允许的拓扑结构和元件。基本的干线支线拓扑 结构为信号和供电提供隔离的二对双绞总线。粗或细电缆都可以用作干线或支线。端点 到端点的网络距离随数据传输速率和电缆尺寸变化。网络上的设备可以直接由总线供 电，并通过同一根电缆进行相互通信。电源分接头可加在网络的任何一点，可以实现多 电源的冗余供电。干线的额定电流为8 安培。光隔离设计允许外部供电的设备分享同一 总线电缆。而其它基于c a n 的网络只允许整个网络由一个电源供电。如图2 - 2 所示， d e v i c e n e t 现场总线拓扑结构图n 叫。 图2 - 2d e v i c e n e t 现场总线拓扑结构图 f i g u r e2 - 2 d e v i c e n e tt o p o l o g yd i a g r a m 第2 章d c v i c c n e t 现场总线协议简介 2 1 3d e v i t e n e t 数据链路层 d c v i c e n c t 数据链路层完全遵循c a n 规范的定义，并通过c a n 控制器芯片实现。c a n 规范定义了两种总线状态：“显性 和“隐形 。任何发送设备都可以将总线驱动为“显 性 状态。没有发送设备处于显性状态时，总线只能是隐性状态。d e v i c e n e t 使用c a n 的 数据桢传送数据。c a n 的远程桢和超载桢在d e v i c e n e t 中没有被使用。出错桢则用于例外 情况的处理。c a n 的数据桢格式如表2 1 所示。 表2 1c a n 协议数据桢格式 1 f 曲l e2 1c a nd a t af o r m a t 桢起始l l 位控制桢长蝴字节循环冗余确认桢结束 标志标识符 字段 数据校验 标志 较高优先权的数据取得总线通信权。同以太网相似，d e v i c e n e t 在总线空闲时每个 节点都可以尝试发送，这提供了网络固有的点对点的通信能力。当两个或多个节点同时 想要访问网络时，d e v i c e n e t 采用非破坏性逐位仲裁机制解决潜在的冲突，而由于在每 桢数据的标识符中有一个优先级位，当它为0 的时候才允许发送，而为1 的时候则失去总 线仲裁，因此就不会损失数据或浪费带宽。 2 1 4d e v i c e n e t 应用层 d e v i c e n e t 在充分利用c a n 总线物理层和数据链路层的基础上，提出一种独特的应用 层协议。d e v i c e n e t 采用对象建模的方法，将每个总线设备视为一个对象集合体的节点。 这些节点的总线行为表现是其内部对象之间相互作用的结果。如图2 3 所示，d e v i c e n e t 在i s o 模型中的相关层。 i 墨。 蛳瞄蚺酬 a 啊辨i 图2 - 3i s o 模型中的d e v i c e n e t 相关层 f i g u r e2 - 3 d e v i c c n c tr e l a t e dl a y e ri ni s om o d e ld i a g r a m 9 - 愁 氍 撼 掣 l liii 溅鼢 嘲 - 渤一一渤一啪一一 北京丁业大学t 学硕十学位论文 在描述- r d e v i c e n e t 的对象模型基础上，为便于对总线设备内部的对象实施操作， d e v i c e n e t 定义了对这些对象的编址方法。d e v i c e n e t 借助c a n 桢来运载自己的信息，并 数据报为进行分组，分类型等。d e v i c e n e t 对连接到总线的每一类设备都定义了设备描 述。设备描述是从网络角度对设备内部结构的说明，它使用对象模型的方法说明设备内 部存在哪些对象类、各对象类中的对象实例数、各个对象如何影响行为，以及每个对象 的公共接口。 2 2d e vic e n e t 的网络通信模型 2 2 1d e v i c e n e t 的报文 工厂自动化网络要传送一般的计算机通讯网络中需传送的报文，同时需要传送实时 的输入输出( i o ) 控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。我们用显性报文 和i o 报文来分别表示“刀。 显性报文用来上载和下载程序，修改设备组态，记载数据日志，作趋势分析和诊断 等功能，例如我们可以用显性报文对控制器中的五个定时器重写默认值或执行自测试操 作。它们的结构十分灵活，数据域中带有通讯网络所采用的协议信息和要求操作服务的 指令。每个节点( 设备) 必须解释每个显性报文，操作所请求的任务，并生成响应。为 按通讯协议解释这种显性报文，在真正要用到的数据上必须有较大一块的附加量 ( o v e r h e a d ) 。这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。 i o 报文在本质上是隐性的( i m p l i c i t ) ，因而有时也称为隐性报文，它的数据域中 常不包括协议信息，仅仅是实时的i o 控制数据，这些数据的含义是预定义的。因而在 节点中对处理这些数据所需的时间大大减小，i o 报文的一个例子是控制器将输出数据 发送给一个i o 块设备( i ob l o c k ) ，然后i o 块按照它的输入数据响应给控制器。为解 释这种类型的报文而必须引入的附加量( o v e r h e a d ) 小，数据短，使用频率一致，并且需 要高的性能：对i o 报文传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。 2 2 2i 0 触发机制 除了传统的轮询方法( p o l l i n g ) 外，生产者消费者模型还允许用两种新的功能强 大的i o 触发方法：状态改变发送( c h a n g e o f s t a t e ) 和周期i o 发送( c y c l i c ) 。轮询 是从源目的地模型产生的，它本质上是一种两个报文的双向处理( 发送方输出数据命 第2 章d e v i c e n c t 现场总线协议简介 令，接收节点收到后作出响应并把反应送回) ，往往用在主机到它的从机之间，许多轮 询周期充满了相同的输入和输出数据，这些冗余的数据浪费了大量网络带宽。 在采用状态改变( 基于事件) 触发机制的系统中，仅当数据改变时节点发送数据， 并同时地发送给所有需要该数据的节点没有轮询周期带来的延迟。同时一个作为背景的 心跳( h e a r tb e a t ) 信息可以周期地发送，消费者可用它来辨别设备是状态没有改变还 是设备不在线( 离线) ，采用状态改变触发机制可以显著的降低网络阻塞和负载，特别 当设备需要重复的接收、处理和生成同一种数据时。另外，一般情况下发送4 个心跳信 息后再发送1 个真正数据。 周期性发送( 基于时间) 时，数据可根据用户选择的速度来产生，数据的更新速度 与节点和应用相匹配。例如在优化的p i d 控制中，传感器的信息可以以精确的间隔进行 采样，或者控制器可以收集大块数据后，以每秒若干次且大于操作员接口的反应速度进 行发送。这样，可为快速变化的i o 信息的节点保留了带宽。 2 3 d e v i c e n e t 的信息协议 2 3 1d e v i c e n e t 关于c a n 标识区的使用 为了增强不同网络之间的连通性，i s o 提出了开放式网络互联的7 层协议，各协议之 间通过接口提供的服务完成不同的功能。总的来说，这种服务可分为两种：面向连接的 服务和无连接的服务。d e v i c e n e t 是基于面向连接服务的网络。当建立一个连接时，与 连接相关的信息的传送会分配一个标识符，称为连接标识符( c i d ，c o n n e c t i o n i d e n t i f i e r ) 。 在d e v i c e n e t 中仍使用li 位c a n 标识位，并将它划分为4 个独立的信息组：信息组l ， 信息组2 ，信息组3 和信息组4 。报文分组使得报文访问总线的优先级不再局限于其节点 的m a ci d ，也使报文滤波容易实现，降低了芯片的要求。对于以信息为基础的连接在c a n 标识区内布置了c i d 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 2d e v i c e n e t 使用的c a n 识别区 r a b l e2 - 2d e v i c e _ n e tw i t hc a ni d e n f i f i c a t i 彻z o n e 标识位十六进制 1 09876 543 2 10范围 使用组别 糕 组1 信息i d源m a ci d0 0 0 - 3 f f 信息组1 黧瓣 m a ci d 组2 信息i d 4 0 0 - 5 f f 信息组2 鬻鬓 组3 信息i d源m a ci d6 0 0 - 7 b f 信息组3 溯豢聪黼瓣 组4 信息i d ( o 一2 f )7 c o - 7 e t 信息组4 鬻瓣鬻鬻瓣缀 7 f o - 7 f f 无效的c a n 标识 1 0987 6543210 如表2 2 所示，d e v i c e n e t 中的c a n 标识区由下列部分组成：信息i d ：在一个特定节 点中标识信息组内的一个信息。建立一个连接时，该节点将信息i d 与m a ci d 相结合，生 成一个c i d 。产生的c i d 是在相关的传送和c a n 标识区内特定的。源m a ci d ：信息组l 和3 需要在c a n 识别区内指定源m a ci d 。m a ci d ：信息组2 允许c a n 标识区中的m a ci d 部分指 定源或目的m a ci d ，或目的m a ci d 。 2 3 2 d e v i t e n e t 的报文传送 d e v i c 宅n o t 应用层定义如何分配标识符，如何用c a n 数据场制定服务、传送数据以 及判断它的含义。报文在通信网络中流动的方式是很重要的。老式的通信技术是由具有 特定源和目的地址的报文组成的。d e v i c e n e t 使用更为有效的生产者消费者模式，取代 了传统的源目的地传输方式。该模式要求对报文打包，使它具有数据标识场。标识符还 提供解决多级优先权的手段，以便更高效的传送f o 数据，并提供多个消费者使用。 d e v i c e n e t 支持两种报文格式：显性报文和i o 报文，分别用于不同用途的数据传输。 ( 1 ) y o 报文。 y o 报文用于传送主站或从站的实时信息。它格式简单、数据传送速率快和传送数 据量大。y o 报文提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径。i 0 报文通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换。i o 报文数 据桢中的8 位数据场不包含任何与协议有关的位，只有当i o 报文为大报文经过分割后形 成的i 0 报文片断时，数据场中才有一位由报文分割协议使用。 连接标识符提供了i o 报文的相关信息，在i o 报文利用连接标识符发送之前，报文 的发送和接收设备必须先进行设定。设定的内容包括源和目的对象的属性以及数据生产 第2 章d e v i e e n e t 现场总线协议简介 者和消费者的地址。 ( 2 ) 显性报文 显性报文适用于两个设备之间多用途的信息交换，一般用于节点的配置、故障情况 和故障诊断。d e v i c e n e t 中定义了一组公共服务显性报文，如读取属性，设置属性，打 开连接，关闭连接，出错应答等。这类信息以为是多用途的，所以在报文中要标明报文 的类型。显性报文属于典型的询问应答方式，一般被赋予较低的优先级。 表2 - 3显性请求报文格式表 t a b l e2 - 3d o m i n a n tr e q u e s ti n f o r m a t i o nf o r m a tt a b l e 字节偏移 76 5 4 32 1 0 o f r a g x i d主站的m a ci d lr r 服务代码( s e r v i c ec o d e ) 2 对象类标识符( c l a s si d ) 3 对象实例标识符( i n