Devicenet总线技术综述

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 它最早由 Allen Bradley 公司支持 Devicent 公司设计 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 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 Devicenet 现场总线由于产生和发展的时间较晚 因此它采用了更为先进的通信概念和技术 相对于 其他现场总线 具有较大的领先性 突出的高可靠性 实时性和灵活性 DeviceNet 是一个开放式的协议 目前有包括 Rockwell 等 300 多家自动化设备厂商的产品支持这种协议 DeviceNet 在欧美和日本的现场 总线市场占有很大的份额 在控制领域得到了广泛的应用 DeviceNet 进入中国时间不长 但是在中国已 有许多应用 据 Rockwell Automation 市场部提供的数据 上海通用汽车有一条 DevicetNet 的生产线 另外 生产可口可乐的上海申美饮料公司也部分采用了 DeviceNet 技术 Devicenet 总线的特点总线的特点 Device et 是一种低成本的通信连接 它将工业设备 如 限位开关 光电传感器 阀组 电动机 起 动器 过程传感器 条形码读取器 变频驱动器 面板显示器和操作员接口 连接到网络 从而免去了昂 贵的硬接线 evice et 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 Device et 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备级诊断功能 这是通过硬接线 接口很难实现的 Device et 是一个开 放式网络标准 规范和协议都是开放的 厂商将设备连接到系统时 无需购买硬件 软件或许可权 简单地说 Device et 可以归纳出以下一些技术特点 1 最大 64 个节点 2 125kbps 500kbps 通讯速率 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 物理层和数据链路层规约 使用 规约芯片 得到国际上主要芯片制造商的支持 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 既适合于连接底端工业设备 又能连接像变频器 操作终端这样的复杂设备 9 采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息 10 具有通讯错误分级检测机制 通讯故障的自动判别和恢复功能 3 Devicenet 总线技术介绍总线技术介绍 3 1 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 1 所示 图 1 Devicenet 现场总线拓扑结构 线缆包括 粗缆 多用作干线 和细缆 多用于分支线 总线的线缆包括 24V 直流电源线和信号线两组双 绞线以及信号屏蔽线 在设备连接方式上 可灵活选用开放式和密封式的连接器 网络采取分布式供电方 式 支持冗余结构 总线支持有源和无源设备 对于有源设备提供专门设计的带有光隔离的收发器 3 2 Devicenet 与 CAN Devicenet 总线协议是在 CAN 总线的基础上建立起来的 DeviceNet 的数据链路层完全遵循 CAN 规 范的定义 并通过 CAN 控制器芯片实现 CAN 定义了四种帧格式 分别为数据帧 远程帧 出错帧和超 载帧 在 DeviceNet 上传输数据采用的是数据帧格式 远程帧格式在 DeviceNet 中没有被使用 超载帧 和出错帧则被用于意外情况的处理 数据帧格式如图 2 所示 图 2 Devicenet 的数据帧格式 CAN 规范定义总线数值为两个互补逻辑数值之一 显性 逻辑 0 和 隐性 逻辑 l 任何发送设备都可 以驱动总线为 显性 当 显性 和 隐性 位同时发送时 最后总线数值将为 显性 仅当总线空闲或 隐性 位 期间 发送 隐性 状态 在总线空闲时每个节点都可尝试发送 但如果多于两个的节点同时开始发送 发送权的竞争需要通过 11 位标识符的逐位仲裁来解决 Devicenet 采用载波侦听非破坏性逐位仲裁机制 CSMA NBA 的方法解决 总线访问冲突问题 网络上每个节点拥有一个唯一的 11 位标识符 这个标识符的值决定了总线冲突仲裁 时节点优先级的高低 11 位标识符数值最小的节点拥有最高的优先级 作为获胜的一方 可不受影响地 继续传输数据 所以这种碰撞和仲裁并未造成数据帧的损坏 即不会浪费通信资源 同时可以看到 由于 标识符数值低的节点具有较高的优先权 所以通过标识符的分配可以使重要的数据得到优先发送 Devicenet 在 CAN 总线的基础上又增加了面向对象 基于连接的现代通信技术理念 并开发了应用 层 其应用层规定了 CAN 数据帧的使用方式 节点重复地址检测机制 对象模型及设备的标准化 3 3 Devicenet 网络通信模型 在现场总线中有两种常用的通信模式 一种是传统的源 目标 Source Destination 即点对点模式 另 外一种是新型的生产 消费者 Producer Customer 模式 以前的通信模式使用点对点的方式进行通信 在报文中含有特定的源 目标地址信息 如图 3 a 所示 对于每个节点来说 数据在不同时刻到达 实现不同节点之间的同步是非常困难的 当信息目的地不同时 源节点必须多次发送数据给不同的目标节点 从而造成了带宽的损失 而 Devicenet 中采用了全新的生产者 消费者网络模型 其典型的报文结构如图 3 b 所示 图 3 现场总线通信模式 在生产者 消费者模型中 报文按其内容来标识 如果某个节点要接收一个报文 仅仅需识别与此报文相 关的特定的标识符 即 11 位标识符 连接 ID 每个报文不再需要源地址和目的地址 因为报文是按内容 进行标识的 数据源只需将报文发送一次 许多需用此报文的节点通过在网上同时识别这个标识符 可同 时从同一生产者取用 消费 此报文 有效地提高了网络带宽的利用率 并且消费者节点之间可实现精确的 同步 适合于实时交换数据 其它的设备加入网络后并不增加网络负载 因为它们同样可以消费这些相同 的报文 当节点发送多个报文时 对每个报文使用不同的标识符 3 4 Devicenet 的报文 Devicenet 中定义了两类不同的报文 显式报文和 I O 报文 1 显式报文 Explicit Message 显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换 是典型的请求 响应通信方式 一般用于节点的配置 故障情况报告和故障诊断 Devicenet 中定义了一组公共服务显式报文 如读取属性 设置属性 打开连 接 关闭连接 出错响应 起动 停止 复位等 这类信息因为是多用途的 所以在报文中要标明报文的 类型 对应不同类型 报文格式也不同 它是根据报文和预先规定的格式说明其含义的 显式报文通常使 用优先级低的连接标识符 并且该报文的相关信息直接包含在报文数据帧的数据场中 包括要执行的服务 和相关对象的属性及地址 2 I O 报文 I O Message I O 报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据 I O 报文对传送的可靠性 送达时间的确定性及 可重复性有很高的要求 I O 报文通常使用优先级高的连接标识符 通过点或多点连接进行信息交换 I O 报文数据帧中的数据场不包含任何与协议相关的位 仅仅是实时的 I O 数据 只有当 I O 报文过长 需要 分段形成 I O 报文片段时 数据场中才有 1 个字节供报文段协议使用 3 5 Devicenet 中连接的概念 Devicenet 网络中 连接是一个重要概念 节点设备之间欲进行通信 必须先建立连接 DeviceNet 网络中的任何一个设备欲和其它设备通信时 亦须先建立连接 当设备不想和已建立连接的某个设备通信 时 它可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接 如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信 这个通信将自动断开以释放资源 在 Devicenet 网络中 每个连接用连接标识符来标识 它使用 CAN 规范中的 11 位仲裁区来定义 连接标识符包括设备媒体访问控制标识符 MAC ID 和信息标识符 Message ID 其中 MAC ID 可通过 硬件设定 也可通过软件来配置 标识符分为四组 如附表所示 附表 Devicenet 连接标识符 这四种信息组优先级不同 其中信息组 1 优先级最高 通常用于发送设备的 I O 报文 信息组 4 优先 级最低 用于设备离线时的通信 传送信息时可据此选择相应的信息组 3 6 Devicenet 数据通信方式 Devicenet 支持多种数据通信方式 如位选通 Bit Strobe 轮询 Poll 状态改变 COS Change of State 和循环 Cyclic 等 位选通方式下 利用 8 字节的广播报文 64 个二进制位的值对应着网络上 64 个可能的节点 通过位 的标识 指定要求响应的从设备 轮询方式下 I O 报文直接依次发送到各个从设备 点对点 循环方式 适用于一些模拟设备 可以根据设备信号发生的快慢 灵活设定循环进行通信的时间间隔 这样就可以大 大降低对网络带宽的要求 状态改变方式用于离散的设备 使用事件触发方式 当设备状态发生改变时才 发生通信 而不是由主设备不断的查询来完成 多种可选的数据交换形式 均可由用户自由地指定 通过选择合理的数据通信方式 可以明显地提高 网络利用率 3 7 预定义的主 从连接组 Devicenet 提供了一个功能很强的应用层协议 允许动态配置设备间的连接 而在实际使用中 许多 对象的应用情况往往很简单 常用的主 从连接方式足以满足要求 为此 DeviceNet 定义了一个预定义主 从连接组和仅限组 2 的从站 以降低从站的成本和简化设备的配置 预定义主 从连接组用于主 从连接式通信 并预先定义好各报文组内一些通信道的功能 在使用前 主站需要通过主 从连接组分配请求服务和从站的应答来明确主从关系 并通过分配选择的设置明确所采 用的报文传送机制 位选通 轮询 状态改变 循环 显式 而对于不具有未连接信息管理 UCMM 能力 的从站 称为仅限组 2 从站 它没有能力接收通常的未连接显式报文 只能通过预定义主 从连接组内预 留的未连接显式请求报文 组 2 报文 ID 6 和从站的显式 未连接响应报文 组 2 报文 ID 3 来实现预定 义主 从连接的分配或删除 3 8 Devicenet 的对象模型 Devicenet 对象模型如图 4 所示 它提供了组织和实现 DeviceNet 产品的组件属性 服务和行为的简 便模板 它为每个属性提供了由 4 个数字组成的寻址方案 它们分别是 MAC ID 对象类标识符 实例编 号和属性编号 这四级地址与显式报文连接相结合 将数据从 DeviceNet 网络上的一点传送到另一点 图 4 Devicenet 对象模型 Devicenet 为了对各个对象及其中的类 实例 属性等进行寻址 提供了以下几种寻址标识符 1 质访问控制标识符 MAC ID 对 Devicenet 网段上的各个节点进行标识 2 类标识符 Class ID 对 Devicenet 网段上的各个类进行标识 3 实例标识符 Instance ID 对同一个类中的各个实例进行标识 4 属性标识符 Attribute 对同一对象中的各个属性进行标识 3 9 Devicenet 设备描述 为实现不同制造商生产的同类设备的互换性 互操作性和功能的一致性 Devicenet 对直接连接到网 络上的每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 凡是符合同一设备描 述的设备均具有同样的功能 生产或消费同样的 I O 数据 包含相同的可配置数据 设备描述说明设备使 用哪些 DeviceNet 对象库中的对象 哪些制造商特定的对象以及关于设备特性的信息 设备描述的另一个 要素是对设备的网络上交换的 I O 数据的说明 包括 I O 数据格式及其在设备内所代表的意义 除此之外 设备描述还包括设备可配置参数的定义和访问这些参数的公共接口 Devicenet 协议规范还允许厂商提供电子数据表 EDS Electronic Data Sheet 以文件的形式记录设 备的一些具体的操作参数等信息 便于在配置设备时使用 这样 来自第三方的 DeviceNet 产品就可以方 便地连接到 DeviceNet 上 Devicenet 通过由 ODVA 成员参加的特别兴趣小组 SIG 发展它的设备描述 目前已完成了诸如交流 驱动器 直流驱动器 接触器 通用离散用 I O HMI 接近开关 限位开关 软驱动器 起动器