硕士学位论文 基于DeviceNet协议的节点开发.doc

基于DeviceNet协议的节点开发 Development of Nodes Based on DeviceNet摘 要本文主要进行DeviceNet现场总线技术的研究，在研究的基础上分别用PC机和单片机来开发DeviceNet节点。在进行基于PC机的DeviceNet节点设计时，采用了一块CAN接口卡，并用C+ Bulider实现了DeviceNet应用层协议，这样可以使用PC机所具有的丰富的软件工具和调试手段，在PC上实现的DeviceNet协议可以简单地移植到单片机中。在进行基于单片机的DeviceNet节点设计时，协议控制芯片选用SJA1000，收发器芯片选用82C250，并用C51来移植了DeviceNet应用层协议。基于单片机的DeviceNet节点还作为电动执行机构的智能控制器，从而开发出了带DeviceNet接口的智能执行机构。本文还根据电动执行机构驱动电机的特点，设计了一种简单、实用的执行机构控制算法。本文所开发的两个DeviceNet节点都与OMRON公司的DeviceNet主站进行连接。基于单片机的节点作为下位机，通过DeviceNet总线接收执行机构的角度设定值，并使用本文所设计的控制算法来准确控制执行机构的角度。基于PC机的节点作为上位机，通过DeviceNet总线监控智能执行机构的控制过程。在DeviceNet节点的软硬件设计完成后，对DeviceNet节点进行了组网调试，测试证明，本文研制的DeviceNet从站节点完全实现了既定的技术要求，其通信机制遵循DeviceNet协议规范，能接入DeviceNet网络中，与OMRON公司的主站模块能进行实时可靠的通信。本文所设计的执行机构控制算法也也得到了验证，取得了比较好的控制效果，执行机构控制的稳定性好，角度控制精度比较高。关键词：现场总线 DeviceNet CAN 从站节点 智能执行机构AbstractThis thesis focuses on the research of DeviceNet fieldbus technology, and develops DeviceNet nodes with PC and SCM respectively. When developing the DeviceNet node base on PC, a CAN interface card is used, and the DeviceNet application protocol is implemented by C+ Builder. A lot of software tools and debug tools can be used when programming DeviceNet protocol and the implemented DeviceNet application protocol on PC can be transplanted into SCM easily. When developing the DeviceNet node base on SCM, SJA1000 and 82C250 are chosed as the protocol controller and transceiver, and the implemented DeviceNet application protocol on PC is transplanted into SCM by C51. Then DeviceNet node base on SCM is also used as an intelligent controller for electric actuator, thus an intelligent electric actuator is produced. According to the characteristic of the electric motor of the actuator, a simple and practical control algorithm is designed.The two DeviceNet nodes developed in this thesis are connected to DeviceNet master node of OMRON. The DeviceNet node base on SCM is used as a controller, which receives the angle set value of the actuator, and controls the angle of the actuator precisely using the control algorithm designed in this thesis. The DeviceNet node base on PC is used as operation interface station, which supervises and controls the execution process of the intelligent electric actuator.After the software and hardware developments of DeviceNet nodes are accomplished, the DeviceNet nodes are connected to DeviceNet to debug their performance. The result of the test and measurement proves that the DeviceNet nodes developed in this thesis fulfil the technical requirement. The communication mechanism of the nodes is conformed to DeviceNet specifications, and the nodes can be integrated into DeviceNet of OMRON to communicate reliably. The control algorithm designed in this thesis is tested too, and a good control result is obtained, including high stability and high accuracy.Keywords：Fieldbus DeviceNet CAN Slave node Intelligent electric actuator （Keywords这段设置：段前12磅）II武汉大学硕士学位论文 基于DeviceNet协议的节点开发目 录摘 要（四号黑体）IAbstract（四号Time New Roman）II引 言 （四号黑体）(1)1 绪论 （四号黑体）(2)1.1 课题背景（四号宋体）(2)1.1.1 国外情况（四号宋体）(2)1.1.2 国内情况（四号宋体）(2)1.2 课题的提出与研究现状 (3)1.3 本文所作的工作(5)2 DeviceNet协议规范研究 （四号黑体）(6)2.1 DeviceNet现场总线概述 （四号宋体）(6)2.2 DeviceNet的物理层和物理媒体(7)2.3 DeviceNet与CAN(8)2.4 DeviceNet网络通讯模型 (8)2.5 DeviceNet的报文 (9)2.6 DeviceNet中连接的概念 (10)2.7 DeviceNet数据通讯方式 (11)2.8 预定义的主/从连接组 (11)2.9 DeviceNet对象模型 (12)2.10 DeviceNet设备描述 (14)3 系统总体设计（四号黑体）(15)3.1 系统网络体系结构（四号宋体）(15)3.2 基于PC的DeviceNet节点 (17)3.3 基于单片机的DeviceNet节点 (17)3.4 功能及需求分析 (18)4 基于PC的DeviceNet节点设计（四号黑体）(20)4.1 概述 （四号宋体）(20)4.2 CAN通信适配卡(20)4.3 PC机软件设计(21)5 智能执行机构DeviceNet接口设计（四号黑体） (32)5.1 概述（四号宋体）(32)5.2 电动执行机构“软伺放”的可行性 (33)5.3 控制器硬件电路设计 (33)5.4 执行机构驱动电路设计(38)5.5 软件设计 (41)5.6 执行机构控制算法 (45)6 系统调试 （四号黑体）(48)6.1 系统总体介绍（四号宋体）(48)6.2 OMRON CompoBus/D网及调试 (48)6.3 系统联合调试 (50)7 结论与展望 （四号黑体）(54)7.1 结论（四号宋体）(54)7.2 前景展望 (55)致 谢（四号黑体）(56)参考文献（四号黑体）(57)附录1 攻读学位期间发表论文目录 （四号黑体）(60)附录2 智能执行机构之控制器电路原理图 （四号黑体）(61)注：目录中所有英文和数据用Time New Roman字体引 言DeviceNet是90年代中期发展起来的一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。由于采用了许多先进的新技术，与一般的通信总线相比，具有突出的高可靠性、高效率、高实时性和灵活性。自从推向市场以来，DeviceNet下所连接的节点数量不断增长，每年以超出150%的惊人速度不断发展，虽然在全球范围内现有的现场网络约有几十种，但是这些现场总线之间的优劣差别日趋明显，在作为行业标准的现场总线领域内始终有45种网络的技术不相上下，其中DeviceNet就属于优异的网络。随着DeviceNet先后于2000年6和2002年10月成为国际标准和国家标准，DeviceNet的应用前景更加广泛，故对该技术进行深入的研究与开发是非常有意义的。本文主要进行DeviceNet现场总线技术的研究，在研究的基础上分别用PC机和单片机来开发DeviceNet节点。为了进行更好的验证以及更快的将研究成果应用到工业现场，本文将用单片机实现的DeviceNet节点用于执行器的控制，从而开发出一套实用的智能执行机构。它作为DeviceNet现场总线的一个智能现场装置挂在DeviceNet现场总线上，接收控制器的控制信号，对执行机构的角度进行控制。基于DeviceNet智能执行器的开发是具有非常重要的意义的，可以填补我国在这方面的不足，顺应当前自动控制的市场需求。长期以来，国外许多相关厂家对智能执行机构进行了不懈的研究开发和改进，投入了大量的人力物力，取得了相当的成就，开发了诸多种类的执行机构以及智能控制器。而我国在这方面起步较晚，投入较少，而且受到开发技术和条件的限制，使得国内智能化、一体化的智能执行机构产品还不多。因此开发一种适合我国国情的、性能先进、功能完善、符合我国使用标准的智能执行器将会有比较好的市场前景和实用价值。本文在DeviceNet协议进行研究的基础上，用单片机开发了带DeviceNet协议支持的智能执行机构。这样既能对协议进行研究，而且可以将协议的研究成果更快、更好的应用到工业现场，使研究的使用价值更大。1 绪论1.1 课题背景根据国际电工委员会IEC 61158标准的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。它是当今自动化领域技术发展的热点之一，是计算机局域网在自动化领域中的应用。现场总线技术的出现是当今3C技术，即计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）与控制技术（Control）飞速发展的必然产物。（以下略）1.1.1 国外情况根据国际电工委员会IEC 61158标准的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。它是当今自动化领域技。1.1.2 国内情况根据国际电工委员会IEC 61158标准的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。它是当今自动化领域技。1.2 课题的提出与研究现状DeviceNet现场总线作为当今主流的底层设备现场总线技术，是90年代中期发展起来的，并已于2000年6月15日正式成为IEC62026国际标准（有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口）之一。在2002年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中，公布了DeviceNet现场总线已于2002年10月8日被批准为国家标准，并于2003年4月1日正式开始实施9（所引用参考文献必须标注）。DeviceNet成为国家标准，为国内开发、生产、销售、应用DeviceNet现场总线技术的研制单位、生产企业、贸易和用户提供了技术桥梁。（以下略）1.3 本文所作的工作本文主要进行DeviceNet现场总线技术的研究，在研究的基础上分别用PC机和单片机来开发DeviceNet节点。为了进行更好的验证以及更快的将研究成果应用到工业现场，本文将用单片机实现的DeviceNet节点用于执行机构的控制，从而开发出一套实用的智能执行机构。文章对DeviceNet节点进行了初期的一致性测试，对智能执行机构的控制算法进行了一定研究并给出了智能执行机构的试验结果。（以下略）2 DeviceNet协议规范研究2.1 DeviceNet现场总线概述图4-1 协议分层及实现方式DeviceNet是90年代中期发展起来的一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。它既可连接底端工业设备，又可将可编程控制器、操作员终端、传感器、光电开关、电动机起动器、驱动器等现场智能设备连接起来，减少了I/O接口和布线数量，实现了工业设备的网络化和远程管理。由于采用了许多新技术及独特的设计，与其它现场总线相比，它具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。其主要技术特点可归纳为1314：（以下略）图的示例如右图所示。2.2 DeviceNet的物理层和物理媒体DeviceNet物理层协议规范定义了DeviceNet的总线拓扑结构及网络元件，具体包括系统接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接地和电源分配。DeviceNet所采用的典型拓扑结构是干线分支方式，如图2-1所示。（以下略）DeviceNet提供125/250/500kbps三种可选的波特率，最大拓扑距离为500米，每个网段最多可连接64个节点。波特率、线缆类型、拓扑距离之间的对应关系如表2-1所示：表2-1 DeviceNet波特率、线缆类型、拓扑距离间的对应关系传输速率125Kbps250Kbps500Kbps粗缆干线最大长度500m250m125m细缆干线最大长度100m100m100m最大支线长度6m6m6m支线允许总长156m78m39m2.3 DeviceNet与CAN（以下略）2.4 Devi