武汉大学
硕士学位论文
基于DeviceNet协议的节点开发
姓名：唐玉玲
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：汪小澄
20040401
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ＳＪＡｌ０００，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ＤｅｖｉｃｅＮｅｔＣＡＮ从站节点智能执行机构
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｅｌｄｂｕｓ，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ，ＣＡＮ，Ｓｌａｖｅｎｏｄｅ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒ
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郑重声明
本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。
学位论文作者（签名）：忽丞轸
２００４年４月２０目
武汉大学硕士学位论文基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的节点开发
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４～５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ｌＯ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ＩＥＣ６１１５８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（Ｃｏｍｐｍｅｒ）、通信技术（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）与控制技术（Ｃｏｎｔｒ０１）飞速发展的必然产物。
采用现场总线技术的现场总线控制系统ＦＣＳ（ＦｉｅｌｄｂｕｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ），是继集散控制系统（ＤＣＳ）之后的新型控制系统，它以现场总线为纽带，以分散的智能控制设备为节点。从本质上说，它是一种网络系统，能将智能化的、功能自治的现场设备连成网络，并实现信息上传和下达。现场总线控制系统是在ＤＣＳ的基础上产生的，但它突破了ＤＣＳ中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，仅依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，并可随时诊断设备的运行状态。
由于现场总线控制系统具有全数字通信，可互操作、高度分散、开放性好、可靠性高、投资与维护成本低等独特的优点，它已成为未来控制系统发展的必然趋势。它的逐渐完善和推广普及，必将对自动化领域的发展产生重大影响【ｌ州。
目前，在世界范围内，已获得应用的现场总线达数十种之多，其中得到广泛应用的几种典型的现场总线有：德国Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ，美国Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自动化公司的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、ＣｏｍｒｏｌＮｅｔ，现场总线基金会的ＦＦ，德国Ｂｏｓｃｈ公司的ＣＡＮ以及美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司的Ｌｏｎｗｏｒｋｓ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【“Ｊ。
在众多的现场总线中，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ在低压电器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。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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【７Ｊ。
国外主要低压电器制造商从９０年代开始就在不断开发新一代低压电器产品。新一代产品除了高性能、小型化、电子化、智能化、模块化、组合化外，其主要技术特点是可通信，能够与设备间的互连。因此，在开发新一代低压电器产品时，首先应选择一种适宜的现场总线。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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ＯＤＶＡ（ＯｐｅｎＤｅｖｉｃｅＮｅｔＶｅｎｄｏｒＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）支持ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ产品和ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议规范的进一步开发，并通过ＯＤＶＡ得到全球众多制造商的支持，如ＡＢＢ、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ、Ｏｍｒｏｎ、Ｈｉｔａｃｈｉ、ＳＳＴ、Ｔｕｒｃｋ、Ｗａｇｏ、Ｆｅｓｔｏ等，现在ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ制造商协会拥有遍布全世界的３００多个会员。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所占的市场份额已达５０％以上，而且每年正以惊人的速度不断增长。
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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。２０００年２月上海电器科学研究所与ＯＤＶＡ签署合作协议，共同筹建ＯＤＶＡＣｈｉｎａ，目的是把ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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１８］。
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曰正式成为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目正式开始实施［９ｌ。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【ｍ１２】。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ进入中国时间不长，但是在中国已有许多应用。据ＲｏｃｋｗｅｌｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ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ＤｅｖｉｅｅＮｅｔ技术。
从以上分析可以看出，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线技术具有很好的市场和应用前景，故对该技术进行深入的研究与开发是非常有意义的。故本文在对ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线技术进行研究的基础上，分别用ＰＣ机和单片机开发出了ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的节点，这项研究（开发）工作加深了对通信协议的认识并进行了实现与验证，对进一步开发具有自主产权的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ产品打下了坚实的基础。
现场总线的节点一般都是独立的现场装置。智能现场装置主要包括各种智能传感器和智能执行机构，其中，智能执行机构是现场总线控制系统必不可少的重要部分，它们担负着对工业过程量进行调节的重要任务。
随着现场总线技术的推广应用，工业现场对智能执行机构的需求越来越大。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。国外先进的智能执行机构具有以下几个基本特点：
①智能化控制。执行机构按照外部发来的控制信号驱动阀门，这些控制信号来自控制系统的微处理器。
②全面保护。智能化执行机构具有高度的自身保护及系统保护功能。例如，智能执行机构可以在阀门卡住的情况下避免电机烧毁，在电机通电期间不断监测阀门的动作情况，若出现一定时间内不动作，就认为发生卡住的情况，控制器就发出命令切断电机的电源同时发出报警信号。
③智能化通信。智能执行机构采用数字通信的方法与主控制室相连，主控制室送出的数字信号可以寻址智能执行机构，智能执行机构根据控制信号进行控制。
④智能化诊断。
⑤一体化结构。
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。随着现场总线技术在我国的推广，国内的智能执行机构的需求很大，我们不能完全依赖进口产品。而且进口产品在国内的使用还存在一些问题：①价格昂贵；②进口产品与国内现有控制设备的兼容性不好；③服务不便；④配件购置困难。
基于以上的原因，开发一种具有自主产权的智能执行机构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。本文在ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议进行研究的基础上，用单片机开发了带ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ接口的智能执行机构。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。
１．３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。
概括地说，本文所做的工作主要包括以下几方面：
①总体上介绍现场总线技术的概念、特点及优势，提出本课题的研究意义和国内外目前的研究现状。
②深入研究ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议规范，领会ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ总线技术内核，包括ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的ＩＳＯ／ＯＳＩ模型、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的报文传输、仲裁机制、通信方式、对象模型、设备描述等。
③对ＯＭＲＯＮ设备网进行深入研究与调试，在此基础上更加深对ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的理解。
④根据设计要求，提出从站节点的总体设计方案。
⑤基于ＰＣ从站节点的软件设计。包括怎样在不同的开发平台上调用动态链接库和编写ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信协议。其中ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议栈和应用层程序的实现是本文开发的重点和难点。
⑥智能执行机构从站节点的硬件设计和软件设计。其硬件电路包括控制器、驱动器和执行器三部分。并以ＦｒａｎｋｌｉｎＣ５１编写ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议和执行器的控制算法。
⑦系统的调试。将各从站节点分别与ＯＭＲＯＮ的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ主站进行一致性测试，然后进行系统的整体调试。
⑧对智能执行机构的控制算法进行研究，并分析了执行机构控制效果。
在进行ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ节点开发时，我们具有很好的试验条件。在我校建设的ＰＬＣ实验室中，有ＯＭＲＯＮ公司三层网络体系结构，其最下层（设备层）网络采用Ｃｏｍｐｏｂｕｓ／Ｄ技术，是ＯＭＲＯＮ一种开放式的网络，它遵循ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ标准。由于Ｃｏｍｐｏｂｕｓ／Ｄ遵循ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ标准，只要符合ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的底层设备都可连到此网络上进行通信或测试。可见，在进行带ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ接口的智能执行机构开发时可以在该实验室的ＰＬＣ网络上进行开发、试验、以及初期的一致性测试。
全文共分为７章，分别是：绪论、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议规范、系统总体设计、基于ＰＣ机的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ节点设计、智能执行机构ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ接口设计、系统的调试、结论与展望，最后是致谢与参考文献。
２ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议规范研究
２．１ＤｅｖＩｃｅＮｅｔ现场总线概述
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［１３－１４，６９】：
１．同一网段上最多可以容纳６４个节点，每个节点支持的Ｉ／Ｏ数量没有限制。
２．采用主干一分支结构。
３．三种可选数据传输速率：１２５Ｋ，２５０Ｋ和５００Ｋ。
４．支持对等、多主和主／从通信方式。
５．采用载波侦听非破坏性逐位仲裁（ＣＳＭＡ／ＮＢＡ）总线技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。
６．支持位选通（Ｂｉｔ－Ｓｔｒｏｂｅ）、轮询（Ｐｏｌｌ）、状态改变（ＣｈａｎｇｅｏｆＳｔａｔｅ）和循环（Ｃｙｃｌｉｃ）的通信方式。
７．采用ＣＡＮ的物理层和数据链路层协议，采用ＣＡＮ控制器芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持。
８．采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果。每帧信息都有ＣＲＣ校验及其它检错措旌，保证了极低的数据出错率。具有通信错误分级检测机制及通信故障的自动判别和恢复功能。
９．通信介质为独立双绞线，总线信号与电源承载于同一电缆。
１０．支持设备的热插拔，可带电更换网络节点，在线修改网络配置。
１１．接入ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的设备可选择光隔离设计，由外部供电的设备与由总线供电的设备共享总线电缆。
通过对ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的网络性能进行了分析研究，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ在进行大尺寸数据传输时效率比较低（５８％），但对于小尺寸数据，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ具有很好的性能。故ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ短帧通信模式非常适合控制系统的数据传输，尤其适合控制器、传感器、执行器之间设备级的数据通信‘１５啪ｌ。
２．２ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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一分支方式，如图２—１所示。
线缆包括粗缆（多用作干线）和细缆（多用于分支线）。总线线缆中包括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【１４川。
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图２－１ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线拓扑结构
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２一ｌ所示：
表２－１ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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１５６ｍ７８ｍ３９ｍ
武汉大学硕士学位论文
基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的节点开发
２．３
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—２所示。
Ｉ１１１６Ｏ～８个１５１ｌｌ７
＞３ｂｉｔｓ
ｉｔ
ｂｉｔｓ
ｂｉｔ
ｂｉｔｓ
字节
ｂｉｔｓ
ｂｉｔ
ｂｉｔ
ｂｉｔ
ｂｉｔｓ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
１
Ｉ…一帧结束（７ｔ
１
Ｌ数据区
Ｉ
ｊ
一控制区
ｆ
Ｊ
ＲＴＲ（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ不用）
Ｊ
ＬＡＣＫ分界
Ｉ
Ｌ
ＡＣＫ位
——１ｌ位标识符
ＬＣＲＣ分界
｛ｊ＾＾１Ｎ
图２—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１）。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【１８０９】。
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ｌｌ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悄ＢＡ）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ｐｏＪ。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【２０】。
２．４
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络通讯模型
目前，在现场总线中有两种常用的通讯模式，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。
老式的通讯模式使用点对点的方式进行通讯，在报文中含有特定的源／目标地址信息，如图２－３（ａ）所示。对于每个节点来说，数据在不同的时刻到达，实现不同节点之间的同步是非常困难的，当信息的目的地不同时，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［２１。２２１，其典型的报文结构如图２－３（ｂ）所示：
Ｉ源地址ｌ目的地址ｌ数据ｌ循环冗余校验码Ｉ
（ａ）源／目标模式
Ｉ标识符１数据Ｉ循环冗余校验码Ｉ
（ｂ１生产店肖费者模式
图２－３现场总线通讯模式
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。其它的设各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【７”。当节点发送多个报文时，对每个报文使用不同的标识符。目前，除ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ外，基金会现场总线和ＣｏｎｔｒｏｌＮｅｔ等都采用了这一通讯模式。
２．５ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的报文
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ中定义了两类不同的报文：显式报文和ＦＯ报文［１４，２３１。
①显式报文（ＥｘｐｌｉｃｉｔＭｅｓｓａｇｅ）
显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换，是典型的请求一响应通信方式，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。
②Ｉ／Ｏ报文（Ｉ／ＯＭｅｓｓａｇｅ）
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。
Ｉ／Ｏ信息是工业控制系统最主要的信息，它反映系统实时状态的信息，具有以下特点：
?Ｉ／Ｏ信息的含义是预先约定的，内容比较单纯。
?由于控制系统实时性要求，Ｉ／Ｏ信息必须快速重复地传送、刷新，因此数据量大，要求格式精简。
?为了更有效地传送Ｉ／Ｏ信息，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ定义了多种传送规则，可以根据应用对象信息的特点选用适当的方式：位选通；轮询：状态变化／循环传送。
?Ｉ／Ｏ信息可以选择应答或无应答传送，一般选择无应答方式以节省时间。
?可以是点对点或多点传送。
２．６ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ：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【２…。连接的建立过程正如打电话一样，当你想给某人打电话时你首先应该输入相应的号码或名字，当得到对方的应答后就建立了连接，然后便可在此连接上进行通话，当你挂断电话，连接就会断开。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１ｌ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（ＭＡＣＩＤ）和信息标识符（ＭｅｓｓａｇｅＩＤ）。其中，ＭＡＣＩＤ可通过硬件设定，也可通过软件来配鹭。标识符分为四组，如表２—２所示。
这四种信息组优先级不同，其中信息组ｌ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。
武汉大学硕士学住论文基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的节点开发
表２－２ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ连接标识符
标识符
１６进制范围标识用途
１０９８７６５４３２ｌＯ
０组１信息ＩＤ源ＭＡＣＩＤ０００—３ＦＦ信息组１
１０ＭＡＣＩＤ组２信息ＩＤ４００－－５ＦＦ信息组２
１ｌ组３信息ＩＤ源ＭＡＣＩＤ６００—７ＢＦ信息组３
Ｉ１１ｌｌ组４信息ＩＤ（０—２Ｆ）７ＣＯ一７ＥＦ信息组４
ｌｌｌ１１ｌｌＸＸＸＸ７Ｆ０—’７ＦＦ无效ＣＡＮ标识符２．７ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ数据通讯方式
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（Ｃｈａｎｇｅｏｆｓｔａｔｅ）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“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。
２．８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）。表２—３中给出了预定义主／从连接组的标识符分配情况。
表２－３预定义主／从连接组的标识符分配
标识位
标识用途
１０９８７６５４３２ｌ０
０组１信息ＩＤ源ＭＡＣＩＤ组１信息
Ｏｌ１Ｏｌ源ＭＡＣＩＤ从站Ｉ／Ｏ多点轮询响应信息
ＯｌｌｌＯ源ＭＡＣＩＤ从站Ｉ／Ｏ位一选通响应信息
Ｏｌ１ｌ１源ＭＡＣｌＤ从站Ｉ／ｏ轮询响应或状态变化／循环应答信息ｌ０ＭＡＣＩＤ组２信息ＩＤ组２信息
１Ｏ源ＭＡＣＩＤＯＯ０主站Ｉ／Ｏ位一选通命令信息
１０多点通讯ＭＡＣＩＤ０Ｏ１主站Ｉ／Ｏ多点轮询命令信息
１Ｏ目的ＭＡＣＩＤ０ｌ０主站状态变化或循环应答信息
ｌ０源ＭＡＣＩＤ０ｌ１从站显式，非连接响应信息
１０目的ＭＡＣＩＤｌ００主站显式请求信息
ｌ０目的ＭＡＣＩＤ１Ｏ１主站Ｉ／Ｏ轮询命令，状态变化，循环信息
１０目的ＭＡＣＩＤｌ１Ｏ仅限组２非连接显式请求信息（预留）
１Ｏ目的ＭＡＣＩＤ１１１重复ＭＡＣＩＤ检查信息
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末连接显式报文，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。本文丌发的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ从站节点就是仅限组２的从站。
２．９ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ对象模型
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ使用抽象的对象模型来描绘设备之间的通信关系。设备具有几种不同的功能，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ用不同的对象来模拟设备的这些特定的功能‘２４１。
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ对象模型如图２－４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ＭＡＣＩＤ、对象类标识符、实例编号和属性编号。这４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２－４ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ对象模型
①连接对象（ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＯｂｊｅｃｔ）
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ产品中一般至少包括两个连接对象。每个连接对象代表ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络上两节点问虚拟连接中的某个端点。两种连接类型分别是显式报文连接和Ｉ／Ｏ报文连接。
②ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ对象（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔＯｂｊｅｃｔ）
提供配置和状态信息，如节点地址或其ＭＡＣＩＤ、波特率、总线离线动作、总线离线计数器、预定义连接组的分配等服务。
③标识对象（ＩｄｅｎｔｉｔｙＯｂｊｅｃｔ）
包含与设备有关的一些属性信息，如供货商ＩＤ，设备类型、产品代码、版本、状态、序列号、产品声明等。
④报文路由对象（ＭｅｓｓａｇｅＲｏｕｔｅｒ）
将显式报文传送给其他相应的对象。一般在ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络中它不具有外部可视性。
⑤组合对象（ＡｓｓｅｍｂｌｙＯｂｊｅｃｔ）
主要负责Ｉ／０信息的格式定义和Ｉ／０数据的映射等。
⑥参数对象（ＰａｒａｍｅｔｅｒＯｂｊｅｃｔ）
参数对象为配置工具访问所有的参数提供标准的方法。
⑦应用对象（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｂｊｅｃｔ）
指与特定应用相关的对象，它模拟应用设备的特性。
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：
?介质访问控制标识符（ＭＡＣＩＤ）：对ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网段上的各个节点进行标识。
?类标识符（ＣｌａｓｓＩＤ）：对ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网段上的各个类进行标识。
?实例标识符（ＩｎｓｔａｎｃｅＩＤ）：对同一个类中的各个实例进行标识。
?属性标识符（Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ）：对同一对象中的各个属性进行标识。
２．１０ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤａｔａＳｈｅｅｔ），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、位置控制器、流量计等设备的描述。ＯＤＶＡ的ＳＩＧ还在不断工作，增加设备描述的种类，以期使设备描述覆盖更多的产品范围，为用户带来更多的方便。
国ＡＢ公司制定的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ标准。主要功能有远程开关量和模拟量的Ｉ／Ｏ控制及信息通信。它是～种较为理想的控制功能齐全、配置灵活、实现方便的分散控制网络。
图３－１ＯＭＲＯＮＰＬＣ三层网络体系结构
其结构为三层网络，四级设备。三层网络指的是：第一层，信息网络层，由个人计算机、ＣＳｌＰＬＣ通过以太网单元相连而组成。第二层，控制器网络层由ＣＳｌＰＬＣ和Ｃ２００Ｈａ系列ＰＬＣ通过ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＬｉｎｋ单元相连而成。第三层，器件网络层由Ｃ２００ＨＧＰＬＣ通过ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ主单元和ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ从单元相连而成。
四级设备指的是：第一级，个人计算机；第二级，ＣＳｌ系列ＰＬＣ组成；第三级，Ｃ２００ＨＧＰＬＣ、Ｃ２００ＨＥＰＬＣａ系列ＰＬＣ：第四级，ＣＱＭｌＨＰＬＣ、基于ＰＣ的从站节点、基于单片机的智能执行机构组成，后两个是本文所开发的从站节点，也是本文的研究成果。
本文中使用的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的主站模块是ＯＭＲＯＮＰＬＣ的Ｃ２００ＨＷ—ＤＲ２Ｖ１２１模块，从站为三个：ＣＱＭｌＨ从站、基于ＰＣ平台的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ从站和基于单片机的智能执行机构。其中ＣＱＭｌＨ是以ＯＭＲＯＮ公司的ＤＲＴ２１从站模块与主站相连，其已经支持ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议，只需设置相应的参数即可与主模块进行通信。
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