基于DeviceNet的开发和应用控制网络外文翻译资料

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基于DeviceNet的开发和应用控制网络

李国红，程晓，庄武

摘要——本文介绍了基于DeviceNet控制网络系统的结构，描述了一个通用微处理器。这个微处理器是DeviceNet I/O接口开发过程、通信协议、对象建模、应用层软件设计理念的一个平台。同时，本文提供了详细的硬件、软件设计过程，实现了基于DeviceNet的网络通信。

1 介绍

比较网络技术与工业控制，由此产生了工业控制网络，并广泛用于控制生产和生活设施。生产过程的状态检测、监测和控制需要高可靠性、实时性和技术安全性，除了通用的计算机和工作站，网络节点包含更多的计算、通信能力与智能设备和仪器。随着控制网络结构的快速发展，产生了更多不同类型的协议和协议标准，这也引起了许多问题，例如开始影响控制网络的进一步发展。因此，智能设备作为控制网络的节点，适用于工业现场。多总线系统、控制网络互联技术和智能设备控制网络规范成为用户和厂商的焦点。

2 基于DeviceNet的控制网络系统结构

智能设备实现信息控制和网络管理，将传统的现场开关和模拟信号控制变为通过现场总线的网络控制，实现了网络、开放、分布式和数字控制。控制网络系统结构是基于图1中所示的DeviceNet，主要由三部分组成：DeviceNet总线，主机（主机）和智能设备节点（从机）。

图1 基于DeviceNet的控制网络系统结构

DeviceNet是IEC61158国际标准的第二个设备级网络总线，还推荐使用IEC62026国际标准（低压开关设备和控制设备控制器设备接口（CDI））的第二条总线，中国GB / T18858.3-2002也采用该标准。DeviceNet—基于CAN现场总线，遵循CAN总线优点的短消息帧传输，非破坏仲裁技术，另外，具有较强的故障诊断能力和抗干扰能力，主要用于实时传输和控制数据。 由于智能设备控制网络系统具有少量的通信数据，一些信息处理可以通过智能设备实现。因此，我们采取良好的通信数据配置，通过利用DeviceNet的优势，实现实时、安全、可靠的要求。

主机（包括DeviceNet接口卡）实现智能设备和主机PC的高速数据交换，主要响应智能设备控制网络系统管理。主机可以通过内置卡或Modem连接到以太网，通过以太网子总线的其他组件交换数据。目前，已经实现了DeviceNet PC接口卡的商业化。

智能设备节点包括微处理器基本系统、采集控制逻辑、系统监测和保护，一般的DeviceNet I/O（包括A/D，数字I/O）等，完成了主要信号、参数显示和控制任务的现场检测。智能设备节点和传统电气产品之间的本质是与通用的DeviceNet的I/O通信功能，这不仅是智能设备的一个组成部分，而且也是作为独立I/O设备的DeviceNet网络，主要用于在工业控制系统连接的按钮、开关、电磁阀、继电器、指示器、灯等。因此，作为智能设备发展涉及的核心协议中的DeviceNet实现，它是DeviceNet智能设备的基础开发。目前，其发展的主要途径是基于当前的微处理器平台，基于确定通用的DeviceNet I/O功能和硬件架构，重点在于DeviceNet协议栈和应用层软件设计。

3 通用DeviceNet I/O硬件电路设计

硬件主要由两部分组成：DeviceNet通讯接口，数据采集I / O，如图2所示。

图2 DeviceNet总线I/O硬件电路图

3.1 DeviceNet总线通信接口

DeviceNet总线通信接口主要由微处理器、DeviceNet接口、DIP开关和LED显示屏组成。这部分主要实现与DeviceNet接口的连接以及发送/接收数据包。微处理器78E58是一个8位单片机，内置看门狗，兼容52命令，支持KeilC51编程。内部256B RAM和32KB Flash存储器避免了扩展外部程序存储器的缺点，降低了电路设计复杂性。不仅满足DeviceNet协议程序的容量要求，而且具有高速，在线下载等特点。

DeviceNet基于CAN总线协议，其数据链路层和物理层引用CAN协议，因此DeviceNet接口通过独立于CAN控制器SJA1000实现。收发器接口芯片为82C250，在总线上接收总线信息并接受验收代码的节点，确定发送到节点的信息，接收或停止接收。此外，SJA1000接收帧消息，产生中断信号并产生外部中断。78E58从SJA1000的接收缓冲区获取接收信息，清空缓冲区空间，以使CAN节点接收新信息。

DIP开关和LED显示由8位DIP开关、数据缓冲74HC245和2个LED组成。8个DIP开关中的两个设置为DeviceNet的三个波特率，6个作为节点地址设置的智能设备（总线最多可以链接64个节点），两种LED组合使用来显示节点状态通信和I/O模块状态。

3.2 数据采集I/O电路

数据采集I/O电路主要由AI/AO、DI/DO等组成、在微控制器的控制下，DeviceNet总线通信接口将智能设备的各种类型的数据发送到主机，还将主机的控制命令和数据发送到智能设备，因此，这部分电路随智能设备的实际功能而变化。此设计使用8 AI、2 AO、8 DI和8DO，是由CD4051逻辑矩阵单元和地址从微控制器选通的组合逻辑结构。A/D转换由串行A/D MAX1247进行，D/A转换器通过一个双通道模拟输出MA X532实现，数字输入/输出由数据缓冲器74HC245、数据锁存器74HC37和光耦合器组成。

此外，DeviceNet可用电压为 24V，控制系统电压为 5V，因此，需要转换总线电压，使用DC-DC电源模块，同样，实现了单一的24V至5V转换。

4 设备应用层协议分析和软件设计

DeviceNet协议规范是描述实现连接和数据交换的DeviceNet设备，通过面向对象来描述。应用层软件设计需要知道DeviceNet协议并建立I/O节点设备对象模型，阐明对象的属性和行为、对象之间的交互、对象状态的触发条件以及对象在不同条件下的可执行操作等，然后为每个类和主设计做准备。

4.1 DeviceNet数据包传输

通信链路有两种类型的分组：I/O分组和显式分组。I/O分组用于要求高实时性和高控制性的数据，8字节数据字段的I/O分组数据帧不包含与协议相关的任何信息，只有I/O分组与I/O分组分段分离，字节数据字段才具有消息使用的子协议。连接标识符提供I/O数据包信息，在I/O连接标识符发送消息之前，必须配置消息发送和接收，设置包括源、目标对象和数据生成者/消费者的地址的属性。显式消息用于在设备之间传递多用途2点消息。

这是典型的请求—响应通信，常见的问题诊断，如设置属性，访问属性等。

4.2 I/O节点设备对象模型描述

每个设备是一个节点。模型节点是对象的集合，节点定义了一定数量的对象类、实例属性和行为。模型为每个属性、节点地址（MAC ID）、对象类标识符、实例编号和属性ID提供四位寻址方案。 这四个地址连接显示数据包，使数据从DeviceNet网络到另一点。对象模型的设计如图3所示，应用对象有8个模拟输入对象，2个模拟输出对象，8个数字输入对象，8个数字输出对象，每个对象对应于实际输入/输出点。

图3 节点设备的对象模型实例

连接对象：分配和管理与I/O信息和内部资源的显式信息相关的内部资源。所有服务都可用于获取有关连接的显式信息。I/O连接对象正在通过消息接收主站轮询命令，正在向主投票站发送响应消息。显式连接对象正在接收发出显式请求消息的主机，正在发送显式响应消息，响应消息未连接到主站。

信息路由器对象是相应的消息对象，消息可以是任何路由器到设备通信对象或连接点的实例。

标识对象提供设备的一般识别信息，属性通过在主站读取中扫描来标识对象的实例。 通过主属性标识主节点的类型，相同的对象包括供应商ID、设备类型、产品代码、产品名称和设备版本。

DeviceNet对象提供物理连接和重要信息配置的状态，该属性的实例包括介质访问控制标识符（MAC ID）和波特率等。此外，负责未明确连接的组2请求接收数据包，节点地址发送和消息接收需要重复检测。

除了上述四个对象设备外，对于不同的DeviceNet节点应该设置为不同的装配对象、参数对象和应用程序对象。参数对象用于设备中可以制定哪些参数，参数对象提供标准方法，具的准备提供对所有参数的访问。

装配对象的主要任务是来自不同应用程序的不同属性的对象。一个单个数据包可以与属性一起发送，设备输入/输出数据使用组件对象来实现结构化。实例定义输入或输出的数据，还定义了数据源（应用程序对象类号，实例号和属性）。设计装配对象是轮询输入装配对象，8 AI/8 DI数据对象包用于I/O轮询连接对象。轮询输出装配对象，负责I/O连接轮询对象，同时，接收数字输出和模拟输出解决方案包用于数字输出。

例如，在对象属性VALUE中的8个AI抽样存储上，通过外部命令（改变输入状态、周期数据触发等）触发模拟值的采样。模拟输入实例的一个对象，属性定义如表1所示。在这个实例属性中，有一个可配置属性（ID = 7），因此，我们选择一个参数对象，设置设备为数据提供一个公共接口，使用8输入8输出数字I/O数据，选择实例是投资组合示例3和34，数据格式的汇编实例如表2所示。

表1 实体属性

表2 数据属性格式