（控制理论与控制工程专业论文）基于多种数据触发方式的devicenet从节点通信技术研究.pdf

摘要 d e v i c e n e t 作为现场总线的国际标准之一，已日益成为人们的关注焦点。因此，开 展基于d e v i c e n e t 从节点开发技术的研究就显得十分紧迫和必要。本文在充分研究 d e v i c e n e t 协议规范的基础上，设计了一个采用c a n 独立控制器s j a l 0 0 0 实现的 d e v i c e n e t 现场总线通信节点。该节点在遵循预定义主从连接组相关规范的基础上，可 满足基于开关量、模拟量等基本数据类型的输入输出功能，并同时支持轮询和位选通两 种i o 数据的触发方式。 论文首先介绍了d e v i c e n e t 的国内外研究进展、本文的研究内容与意义，然后具体 说明了d e v i c e n e t 的协议规范，并针对所支持的两种主要数据触发方式轮询和位选 通的工作原理进行了详细的介绍。 在此基础上，对通信节点进行了硬件设计。由于c a n 独立控制器具有可移植性强， 功能强大等特点，本文首先对s j a l 0 0 0 控制器及相关器件作了简要说明，然后采用 s j a l 0 0 0 控制器实现d e v i c e n e t 通信节点的硬件开发，给出了从节点的硬件电路，并通 过了调试。 d e v i c e n e t 从节点的软件设计采用c 5 1 语言来实现。为了使程序结构更加清晰，以 及方便程序的调试，本文以基于对象化的编程方法编写了应用层程序。该程序可实现对 s j a l 0 0 0 及相关参数的初始化，c a n 报文的收发等基本功能，并按照d e v i c e n e t 协议规 范实现重复m a ci d 检测、配置连接实例、显示报文的收发等功能，且考虑了在轮询和 位选通两种数据触发方式下的通信要求，给出了具体的程序代码。 为了验证所开发节点的功能，本文最后搭建了d e v i c e n e t 从节点测试平台，并对所 开发节点进行了测试，通过对实验数据的分析，证明从节点行为完全符合d e v i c e n e t 规 范要求，实现了多种数据触发方式下智能从节点的通信功能。 关键词：d e v i c c n c t 现场总线s j a l 0 0 0 数据触发方式 a b s t r a c t a so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so ff i e l d b u s ，d e v i c e n e th a sb e c o m ef o c u so f a t t e n t i o ni n c r e a s i n g l y t h e r e f o r e ，d os o m er e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fs l a v en o d eb a s e do n d e v i c e n e ti s v e r yp r e s s i n g a n d n e c e s s a r y a f t e r r e s e a r c ht h ep r o t o c o l s p e c i f i c a t i o no f d e v i c e n e t ，t h i sp a p e rd e s i g n sad e v i c e n e tf i e l d b u sc o m m u n i c a t i o nn o d ew h i c hu s e dt h e s j a l 0 0 0 ，at y p eo fs e p a r a t ec a nc o n t r o l l e r o nt h eb a s i so ff o l l o w i n gt h ep r e d e f i n e d m a s t e r s l a v ec o n n e c t i o ns e ts p e c i f i c a t i o n ，t h en o d ec a nm e e tt h ei n p u ta n do u t p u tf u n c t i o n s w i t he i t h e rd i g i t a lo ra n a l o g u ed a t at y p e ，a n ds u p p o r tb o t hp o l la n db i t - s t r o b ef od a t at r i g g e r m o d e s f i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c hp r o g r e s so fd e v i c e n e th o m ea n da b r o a d 、c o n t e n t a n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e r , a n ds p e c i f i e dt h ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fd e v i c e n e t t h e ng i v e t h ed e t a i l e dw o r k i n gp r i n c i p l eo fp o l la n db i t s t r o b ew h i c ha r et h ep r i m a r yd a t at r i g g e rm o d e s a f t e rt h e n ，i td e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to fc o m m n i c a t i o nn o d e f o rt h eg o o dp o r t a b i l i t y a n dp o w e r f u lf u n c t i o n so fs e p a r a t ec a nc o n t r o l l e r ，t h i sp a p e rg i v e sab r i e fd e s c r i p t i o no f s j a l 0 0 0a n do t h e rc o m p o n e n t sf i r s t l y , t h e nu s e st h es j a l 0 0 0c a nc o n t r o l l e rt oc o m p l e t et h e h a r d w a r ed e v e l o p m e n to fd e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o nn o d e ，a l s og i v e st h ed e t a i l e dh a r d w a r e c i r c u i t ，a n dg e t st h r o u g ht h ed e b u g g i n g t h es o f t w a r ed e s i g no fd e v i c e n e ts l a v en o d ei sr e a l i z e db yc 51l a n g u a g e f o rm o r ec l e a r p r o g r a ms t r u c t u r ea n ds i m p l i f y i n gt h ed e b u g g i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e re d i tt h ep r o g r a mo f a p p l i c a t i o nl a y e rb a s e do no b j e c t i f i c a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o d t h ep r o g r a mc a nr e a l i z et h e e l e m e n t a r yf u n c t i o n ss u c ha si n i t i a l i z a t i o no fs j a l 0 0 0a n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r s ，a l s ot h e t r a n s c e i v i n go fc a nm e s s a g e ，e t c t h e n ，i t c a nr e a l i z et h ed u p l i c a t em a ci dd e t e c t i o n 、 c o n f i g u r a t i o no fc o n n e c t i o ni n s t a n c e s 、t r a n s c e i v i n go fe x p l i c i tm e s s a g e ，e t c a f t e rt h a t ，i t c o n s i d e r st h ec o m m u n i c a t i o nd e m a n do fb o t hp o l la n db i t - s t r o b em o d e s ，a n dg i v e st h ed e t a i l e d p r o g r a mc o d e f o rt e s t i n gt h ef u n c t i o no ft h es l v en o d ew h i c ht h i sp a p e rh a v ed e v e l o p e d ，i tb u i l d sat e s t p l a t f o r mf o rd e v i c e n e ts l a v en o d e ，a n da l s ot e s t st h ed e v e l o p e dn o d e b ya n a l y z i n gt h e e x p e r i m e n t a ld a t ai nd e t a i l ，i th a sp r o v e dt h a tt h en o d ec a na c ta c c o r d i n gt h ed e m a n do f d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n sc o m p l e t e l ya n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fi n t e l l i g e n t s l a v en o d ei nd i f f e r e n td a t at r i g g e rm o d e s k e yw o r d s ：d e v i c e n e t ，f i e l d b u s ，s j a l 0 0 0 ，d a t at r i g g e rm o d e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨墨太望 或 其他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。 学位论文作者签名：嚅匙签字日期：砌矛年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太望一可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：咳起 签字日期：谚暗年1 月乡日 导师签名：= 2 缮 签字日期：加年，月日 第一章绪论 1 1 现场总线简介 第一章绪论 现场总线( f i e l d b u s ) 是八十年代末九十年代初国际上发展形成的用于过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网 络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它 不仅是一个基层控制网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传 感、控制、计算机及数字通信为主的综合技术，已经收到世界范围的关注并成为自动化 技术发展的热点，并将导致自动化系统机构与设备的深刻变革。 现场总线具有以下技术特点： 1 信号传输数字化是所有现场总线的基本特点。它给系统带来的本质优点有：系统 精度提高：现场设备的信息增加几十位，可用于自诊断、系统调试和管理，提高了系统 的有效性： 2 、标准统一开放是所有现场总线必需的特点，也是它与许多原来“专有通信总 线的关键区别之一。它给用户带来的本质优点是：打破了个别厂商的垄断，给技术以强 大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。 3 、控制彻底分散是现场总线具有的突出优点。它给用户带来的实质优点是：由高度 智能的现场设备来分散地完成d c s 控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次， 降低了设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。 此外，现场总线与d c s 相比，有较高的性价比。尽管关于现场总线与d c s 价格对比 是一个分歧很大的话题，认为现场总线价格很贵是目前很多人的看法，但对这一问题应 动态地看，全面地看。一种产品在其生命周期内的价格变化曲线通常分为早期，正常期 和末期，新产品因其有较大的性能优势早期一般价格较高，这样也有利于尽快收回用于 开发的高昂投入1 1 。 现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合。环型拓扑结 构中以令牌环型网最为典型，其特点是时延时间确定性较好，缺点是成本较高：总线型 网的优点是站点接入方便，可扩展性较好，成本较低，在轻负载的网络中基本没有时延， 但在站点多、通信任务重时，延时明显加大。缺点是延时时间的不稳定性，对某些实时 应用不利：树型网是总线网的一种变型，其优点是可扩性好，有较宽的频带，缺点是站 点间通信不方便，总线网的各站争用使它不适合于实时处理某些突发事件：令牌总线网 则综合了令牌环网和总线网的优点，即在物理上是一个总线网，在逻辑上是一个令牌网。 从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有四种工作模式：对等( p e e rt op e e r ) 、 主从( m a s t e r s l a v e ) 、客户服务器模式( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 及网络计算结构 ( n e t w o r kc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r en c a ) 。对等和主从模式发展较早，也已获得了广 第一章绪论 泛应用。在8 0 年代发展c s 模式，9 0 年代出现了n c a 方式。本课题中所主要研究的设 备网总线的工作模式就是一种c s 工作模式【2 5 j 。 目前，现场总线技术还没有一个统一的标准，现存的几种现场总线技术是以某些大 的自动控制产品制造公司为基础开发出相应的标准和协议。当前在世界上已经使用的现 场总线形式主要有由i e c t c 6 5 通过的符合i e c 6 11 5 8 国际标准的f f 的h l ，c o n t r o l n e t 、 p r o f i b u s ，p n e t ，f fh s e ，s w i f tn e t ，w o r l d f i p , i n t e r b u s ，i e c r c l 7 b 通过的s d s ，a s i ， d e v i c e n e t 及符合i s 0 1 1 8 9 8 的c a n 总线等。下面对他们作一简单介绍。 基金会现场总线f f ( f o u n d a tio nfieid b u s ) ：基金会现场总线f f 是一个国际性的 协会组织，有1 0 0 多个会员单位，包括f o x b o r o 、横河电机、a b b ，s i e m e n s 等全球主要 的过程控制供应商与最终用户。f f 物理介质支持双绞线、光缆和无线发射。协议符合 i e c 6 11 5 8 - 2 标准。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码。 f f 总线的特点如下：由于世界上大的仪表公司与用户都参加了f f ，因此f f 开发的 现场总线产品在品种与性能上都能满足控制要求，选择范围比较广，使用方便并且价格 合理。f f 能实现产品的可互操作性与可互换性，功能块比较完全，用户组网及使用都比 较方便，并且留有空间，可供用户开发具有独特功能的功能块。产品开发、试验及推广 实力雄厚，考虑完善，产品的可靠性与实用性较耐6 。 ， p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e i d b u s ) ：p r o f i b u s 由三部分组成，即p r o f i b u s f m s ( 现场 总线报文规范) 、p e o f i b u s d p ( 分散型外围设备) 及p r o f i b u s - p a ( 过程自动化) 。其中， p r o f i b u s - d p 是专门为自动控制系统与分散i o 的设备级之间进行通信使用的，使用 p r o f i b u s d p 可取代2 4 v 或4 - 2 0 m a 的并行信号传输。p r o f i b u s p a 是专门为过程自动化 设计的，可使传感器和执行器接在同一根公用的总线上，甚至在本质安全区也可接上。 根据i e c l l 5 8 - 2 国际标准，p r o f i b s - p a 用双线进行总线供电和数据通信。p r o f i b u s - f m s 用来解决车间级通用性通信任务。f m s 提供强有力的通信服务，用于完成中等传输速度 的循环和非循环的通信任务。 p r o f i b u s 能提供各种芯片，较适宜用于应用p l c 的场合，而且，由于其稳定的标准 及公司的支持，p r o f i b u s 已占有了相当大的市场份额。 h a r t 协议：h a r t 协议是可寻址远程传感器高速公路( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ) 的简称，它是一种通信协议。r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年推出h a r t 通信协议， 它在4 - 2 0 m a 的直流模拟信号上迭加了一个f s k ( f r e q u e n c ys h i f t i n gk e y i n g ) 即频移键 控的数据通信信号，允许在同一线路上存在上述两种信号而不互相影响。因此，严格意 义上说，它不属于现场总线，而是属于模拟系统向数字系统过渡的一种产品。 g 悄总线c a n 是德国b o s c h 及几个半导体集成电路制造商开发出来的，起初是 专为汽车工业所设计的，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，目前，己推广 应用于离散领域，并已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 通信速率1 m b p s ) 和i s 0 11 5 1 9 ( 通信速率1 2 5 1 c b p s ) 。 c a n 总线技术特点是：( 1 ) 采用的通信传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k m 5 0 k b p s 。可挂接设备最多可达1 1 0 个。( 2 ) c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数最长为8 个，因而传输时问短，受干扰的 第一章绪论 概率低。( 3 ) c a n 支持多主站工作方式。网络上任何节点均可在任何时间主动向其它节 点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接受发送数据。它采用总线仲 裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续发送数据， 而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突【7 - l 。 d e v i c e n e t 总线它是由r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司在1 9 9 4 年提出的，它是一种 基于c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 技术的联网解决方案，从最初的汽车制造行业，发展 到装配业、焊接行业及半导体制造业等都可以用到带有d e v i c e n e t 技术的设备。这些设 备的共有特点是一次通信时所传递的数据信息较少( 大部分为数字信号) ，但要求较高的 通信速率，如限位开关、光电传感器、条形码阅读器、变频控制器、电动机起动器、直 流调速器、显示面板和操作员接口等。因其对象大部分位于工业生产底层，因此它被视 作一种面向工业控制底层的现场总线。 d e v i c e n e t 的特点是：( 1 ) 网络内各节点的拓扑结构为干线一分支的线性结构，连接 头可以是开放式的，也可以是封闭式的。最多支持6 4 个节点，节点的移去不影响网络 的正常工作。( 2 ) 可同时支持网络供电或自供电，根据不同的应用需要可调整电源配置， 符合设备网规范的不同制造商的电源可在同一设备网网络中协同工作，干线中既有电源 线，也有信号线( 五线制) 。( 3 ) 总线的速率可在1 2 5 k b p s ，2 5 0k b p s ，和5 0 0 k b p s 中选择， 视网络的规模而定。主要的应用有两方面：一是在底层的设备之间传送面向控制的信息： 二是在系统中传输不直接用于系统控制的信息，如系统的组态或集成信剧1 2 l 。 目前，国外大公司中生产d e v i c e n e t 设备网产品的除了r o c k w e l l a u t o m a t i o n 外， 还有o m r o n ，c u t l e r h a m m e r 等。d e v i c e n e t 设备网现场总线己经成为了一种开放式网络 标准，由开放式d e v i c e n e t 生产制造商协会( o d v a ) 负责管理总线产品的规范制定、修改、 总线产品的开发和推广应用。此外，d e v i c e n e t 已于2 0 0 0 年6 月成为有关低压开关设备 与控制设备、控制器与电气设备接口的i e c 6 2 0 2 6 现场总线标准之一，并于2 0 0 3 年成为 我国的国家标准。相信随着我国经济的发展，d e v i c e n e t 必将得到广泛地应用。 1 2d e v i c e n e t 总线的国内外研究进展 目前，以美国罗克韦尔公司、德国西门子公司、日本欧姆龙公司等为代表的国外企 业在有关d e v i c e n e t 技术及相关产品的研究上已经投入了大量的人力和物力，并已经开 发出了多种d e v i c e n e t 产品，其发展势头十分迅猛。上述三家公司联手推出了由以太网 ( e t h e r n e t ) 、控制网( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 三层网络为架构的自动化 网络系统，并代表着国际上自动化技术方面的最高水平。其中d e v i c e n e t 是基于现场总 线( c a n b u s ) 而实现的设备网，用来连接智能传感器或扩展设备，实现全数字、网络化 的生产过程自动化系统。与同类网络相比，d e v i c e n e t 总线已得到了广泛的认可和较好 的推广，并在北美、欧洲及日本等发达国家都得到了极大的推广。在应用领域，钢铁、 水处理、化工等行业已广泛采用d e v i c e n e t 作为企业的车间级总线；而在产品开发方面， 越来越多的第三方企业加入到o d v a 的组织中，对基于d e v i c e n e t 总线标准的节点丌发 投入较大精力，并将所研制产品进行o d v a 的一致性测试，从而使其成为真正符合规范 第一章绪论 的总线产品【1 3 1 。 相比之下，国内关于d e v i c e n e t 技术及相关产品的研究则开展的比较晚，并且主要 集中在高校进行。现在，我国只有西交大、哈工大等少数几所高校开展了基于d e v i c e n e t 设备的研究工作。可以说，国内基于d e v i c e n e t 设备的研究开发工作正处在初级阶段。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究有关d e v i c e n e t 现场总线的网络通信协议机制，解决相应的网络通信 与数据传输关键技术，开发出基于d e v i c e n e t 现场总线的智能从节点，研究内容包括以 下几部分： ( 1 ) 预定义主从连接组的设计方法。 由于本文所开发的设备为仅限组2 从节点，因此在开发前需深入理解d e v i c e n e t 规 范以及关于预定义主从连接组的相关规定，提取与本节点设计工作相关的协议规范，充 分理解其通信协议机制，并在此基础上研究此类设备的设计方法，提出从节点开发的基 本思路。 ( 2 ) 节点硬件设计 由于c a n 独立控制器具有可移植性强，功能强大等特点，本文采用s j a l 0 0 0 控制器 实现d e v i c e n e t 通信节点的硬件开发，设计了相应的硬件电路，并通过了调试。 ( 3 ) 节点软件设计 d e v i c e n e t 从节点的软件设计采用c 5 1 语言来实现。为了使程序结构更加清晰，以 及方便程序的调试，本文以基于对象化的编程方法编写了应用层程序，通过对各个程序 模块的调试，从站能正常与主站进行通信，实现了从站功能。 ( 4 ) 数据触发方式的研究 在完成基本的软硬件设计基础上，又对从节点所支持的数据触发方式开展了相关研 究，使从节点能够在轮询和位选通两种方式下实现与d e v i c e n e t 主节点的通信。 ( 5 ) 实验平台的搭建与从节点测试 为了验证所开发节点的功能，本文搭建了d e v i c e n e t 从节点测试平台，并对所开发 节点进行了测试，证明从节点完全实现了预定的功能。 1 4 本文的研究意义 d e v i c e n e t 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种基于c a n 总线技术的符合全球工 业标准的开放型通信网络。它既可以连接底层工业设备，又可连接像变频器、操作员终 端这样的复杂设备，是分布式控制系统的理想解决方案。d e v i c e n e t 目前有包括罗克韦 尔自动化公司在内的3 0 0 多家自动化设备制造商的产品支持这种协议，在欧美和日本的 现场总线市场占有很大的份额。2 0 0 0 年6 月，d e v i c e n e t 成为有关低压开关设备与控制 设备、控制器与电气设备接口的i e c 6 2 0 2 6 现场总线标准之一。2 0 0 3 年，d e v i c e n e t 又 成为我国的国家标准【l 训。因此，开展基于d e v i c e n e t 通信技术的研究工作非常必要。 第一章绪论 尽管如此，d e v i c e n e t 在我国的应用目前仍处于初级阶段，虽然在一些应用行业已 得到推广，但由于从事其节点开发技术的工作相对较少，一些关键技术仍被国外垄断， 导致成本较高，也严重制约了此类总线的发展。因此，开展基于d e v i c e n e t 总线的研究 工作就显得非常迫切。 、 本课题来源于天津市自然科学基金重点资助项目：基于灰色预测法网络控制理论与 d e v i c e n e t 通信技术研究。论文所要研究的内容是该项目的一个分支，同样也是项目的 一个重要组成部分。本课题主要研究d e v i c e n e t 的通信技术，预期开发出基于d e v i c e n e t 的智能通信节点，并在该基础上实现轮询、位选通等多种通信方式的信息传输。 1 5 本章小结 本章介绍了现场总线的技术特点与发展状况，重点介绍了d e v i c e n e t 现场总线技术 的国内外研究进展，指明此类研究在我国的发展阶段。然后给出了本课题所要完成的主 要研究任务，明确了研究目标，并结合本课题的研究意义说明了开展此项研究的迫切性。 第二章d e v i c e n e t 协议规范 2 1d e v i c e n e t 概述 第二章d e v i c e n e t 协议规范 d e v i c e n e t ( 设备网) 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种基于c a n 技术的开放 型总线，是符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将诸如可 编程控制器、传感器、光电开关、操作员终端、电动机、变频器和软起动器等现场智能 设备连接起来，是分布式控制系统减少现场i o 接口和布线数量，将控制功能下放到现 场设备的理想解决方案，其通信连接方式如图2 - 1 所示。d e v i c e n e t 作为工业自动化领 域广为应用的网络，不仅可以作为设备级的网络，还可以作为控制级的网络，通过设备 网提供的服务还可以实现以太网上的实时控制。较之其他的一些现场总线，设备网不仅 可以接入更多、更复杂的设备，还可以为上层提供更多的信息和服务。在制造领域里， 设备网遍及全球，尤其是北美和日本，设备网已经成为事实上的工业自动化领域的标准 网络。设备网最初由罗克韦尔自动化公司开发，目前由其管理组织o d v a 致力于设备网 产品和设备网规范的进一步开发。 d e v i c e n e t 总线的组织机构是“开放式设备网络供货商协会 简称“o d v a ”。其英文 全称为o p e nd e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n 。它是一个独立组织，负责管理d e v i c e n e t 技术规范和促进d e v i c e n e t 在全球的推广与应用。o d v a 实行会员制，会员分供货商会员 ( v e n d o rm e n b e r s ) 和分销商会员( d i s t r i b u t i o nm e m b e r s ) 。0 d v a 现有供货商会员3 1 0 个，其中包括a b b 、r o c k w e l l 、p h o e n i x 、c o n t a c t s 、o m r o n 、h i t a c h i 、c u t l e rh a m m e r 等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。o d v a 的作用是帮助供货商会员向 d e v i c e n e t 产品开发者提供技术培训、产品一致性试验工具，对d e v i c e n e t 协议规范进行 改进，出版符合d e v i c e n e t 协议规范的产品目录，组织研讨会和其他推广活动，帮助用 户了解掌握d e v i c e n e t 技术，帮助分销商开展d e v i c e n e t 用户培训和d e v i c e n e t 专家认 证培训，提供设计工具解决d e v i c e n e t 系统问题。 d e v i c e n e t 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。任何人都能从开放式d e v i c e n e t 供货商协会( o d v a ) 购买d e v i c e n e t 规范。任何制造d e v i c e n e t 产品的公司都可以加入o d v a 并参加对 d e v i c e n e t 规范进行增补的技术工作组。开发d e v i c e n e t 产品所需的关键硬件可以从世 界上最大的半导体供货商那里获得。简单地说d e v i c e n e t 可以归纳出以下一些技术特点： ( 1 ) 不必切断网络即可移除节点。 ( 2 )网络上最大可以容纳6 4 个节点，每个节点支持的i o 数量没有限制。 ( 3 ) 使用密封或开放形式的连接器。 ( 4 ) 可选的数据通信速率为1 2 5k b s 、2 5 0 k b s 、5 0 0k b s 。 ( 5 ) 支持点对点、多主或主从通信。 第二章d e v i c e n e t 协议规范 ( 6 ) 可带电更换网络节点、在线修改网络配置。 ( 7 ) 采用c a n 物理层和数据链路层规约，使用c a n 规约芯片，得到国际上主要芯片制 造商的支持。 ( 8 ) 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。 ( 9 ) 采用逐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 ) 可调整的电源结构，可满足不同的实际情况；每个电源最大容量可达1 6 a ；电源 内置过载保护；供电装置具有互换性。 ( 1 2 ) 既适用于连接低端工业设备又能连接像变频器、操作终端这样的复杂设备。 ( 1 3 ) 得到众多制造商的支持，可实现不同厂商同类设备的互换。 ( 1 4 ) 是一种低成本、高可靠性的数据网络，具有误接线保护功能。 设备 驱动器 2 2d e v i c e n e t 的传输介质 图2 1d e v i c e n e t 通信连接举例 1 拓扑结构 d e v i c e n e t 的网络拓扑结构是干线一分支方式，具有线性总线拓扑结构。每条干线的 末端都需要终端电阻。线缆包括粗缆( 多用作干线) 和细缆( 多用于分支线) 。每条支 线最长为6 m ，允许连接一个或多个节点。d e v i c e n e t 只允许在支线上有分支结构。总线 线缆中包括2 4 v 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。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。 第二章d e v i c e n e t 协议规范 d e v i c e n e t 提供1 2 5 2 5 0 5 0 0 k b i t s 三种可选的波特率，最大拓扑距离为5 0 0 m ，每 个网段最多可连接6 4 个节点。波特率、线缆类型、拓扑距离之间的对应关系见表2 - 1 。 表2 一id e v i c e n e t 波特率、线缆类型、拓扑距离间的对应关系 传输速率( k b i t s ) 1 2 52 5 05 0 0 粗缆干线最大长度 5 0 02 5 01 2 5 m 细缆干线最大长度 i 0 0i 0 0l o o m 最大支线长度m 666 支线允许总长m 1 5 67 83 9 网络干线的长度由数据传输速率和所使用的电缆类型决定。电缆系统中任何两点间 的电缆距离不允许超过波特率允许的最大电缆距离。对只有一种电缆构成的干线，两点 间的电缆距离为两点间的干线和支线电缆的长度和。d e v i c e n e t 允许在干线系统中混合 使用不同类型的电缆。支线长度是指从干线端子到支线上节点的各个收发器之间的最大 距离，此距离包括可能永久连接在设备上的支线电缆。网络上允许支线的总长度取决于 数据传输速率。 2 终端电阻 d e v i c e n e t 要求在每条干线的末端安装终端电阻。电阻的要求为：1 2 1q 、1 金属膜 电阻、i 4 w ，终端电阻不可包含在节点中。将终端电阻包含在节点中很容易使网络由于 错误布线( 阻抗太高或太低) 而导致网络故障。例如，移走含有终端电阻的节点会导致 网络故障。终端电阻只应安装在干线两端，不可安装在支线末端。 3 连接器 所有连接器支持5 针类，即一对信号线、一对电源线和一根屏蔽线。所有通过连接 器连到d e v i c e n e t 的节点都有插头，此规定适用于密封式和非密封式连接器及所有消耗 或提供电源的节点。无论选择什么样的连接器，应保证设备可在不切断和干扰网络的情 况下脱离网络。不允许在网络工作时布线，以避免诸如网络电源短接、通信中断等问题 的发生。 d e v i c e n e t 可以使用几种不同类型的连接器。开放式和密封式连接器都可以使用。 还可以使用大尺寸( 小型) 和小尺寸( 微型) 的可插式密封式连接器。对于不要求使用 密封连接器的产品，可以使用开放式连接器。如果不要求可插式连接器，可以用螺钉或 压接式连接直接接到电缆上。d e v i c e n e t 规范包括如何使用这些电缆和连接器组件，构 建单端口或多端口分接头的相关信息，这里不再叙述。 4 设备分接头 设备端子提供连接到干线的连接点。设备可直接通过端子或通过支线连接到网络， 端子可使设备无需切断网络运行就可脱离网络。 5 电源分接头 第二章d e v i c e n e t 协议规范 通过电源分接头将电源连接到干线。电源分接头不同于设备分接头，其包含下列部 件： ( 1 ) 一个连在电源v + 上的肖特基二极管，允许连接多个电源( 省去了用户电源) 。 ( 2 ) 两根熔丝或断路器，以防止总线过电流而损坏电缆和连接器。连接到网络后， 电源分接头的特性为提供信号线、屏蔽线和v 一线的不间断连接；在分接头的各个方向提 供限流保护；提供到屏蔽屏蔽线的网络接地。 d e v i c e n e t 电源分接头具备下列特性： ( 1 ) 规定电源和网络电流的额定值。 ( 2 ) 在回路中使用一个以上电源时，提供连接到电源的肖特基二极管。 ( 3 ) 熔丝或断路器将端子各个方向上的总线电流限制在特定值。如果电源内部的 限流不充分，则必须使用上述装置。 ( 4 ) 电源到电源分接头的电缆最大长度为3 m 。 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 a 。光隔离设计允许外部供电的设备( 如：交流电动机起动器和阀门线圈) 分享同一 总线电缆，而其他基于c a n 的网络只允许整个网络由一个电源供电。 6 网络接地 d e v i c e n e t 应在一点接地，多处接地会造成接地回路，而网络不接地将增加对静电 放电( e s d ) 和外部噪声源的敏感度。单个接地点应位于电源分接头处，密封d e v i c e n e t 电源分接头的设计应有接地装置，接地点也应靠近网络的物理中心。干线的屏蔽线应通 过铜导体连接到电源地或v 一。铜导体可为实心体、绳状或编织线。如果网络已经接地， 则不要再把电源地或分接头的接地端接地。如果网络有多个电源，则只需在一个电源处 把屏蔽线接地，接地点应尽可能靠近网络的物理中心。 7 临时终端支持 d e v ic e n e t 规定了在临时终端上使用的开放式连接器，连接器允许通电状态下拔出 或插入终端电缆，这样就使得临时终端连接所需的电缆标准化。 8 物理层信号 d e v i c e n e t 的物理层信号采用c a n 的物理层信号。c a n 规范定义了两种互补的逻辑 电平：“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性 ( r e c e s s i v e ) 。同时传送“显性”和“隐性位 时，总线结果值为“显性。例如，在d e v i c e n e t 总线接线情况下：“显性 电平用逻辑 “0 表示，“隐性”电平用逻辑“1 表示。代表逻辑电平的物理状态( 例如电压) 在 c a n 规范中没有规定。这些电平的规定包含在i s 0 11 8 9 8 标准中【1 5 - 1 9 】【2 4 1 。 例如，对一个脱离总线的节点，典型c a n - l 和c a n _ h 的“隐性”( 高阻抗) 电平为2 5 v ( 电位差为o v ) 。典型c a n l 和c a nh 的“显性”( 低阻抗) 电平分别为1 5 v 和3 5 v ( 电 位差为2 v ) ，如图2 - 2 所示。 c a nh 图2 - 2c a nl 和c a n h 信号电平 9 第二章d e v i c e n e t 协议规范 2 3d e v i c e n e t 的网络参考模型 d e v i c e n e t 遵循i s o o s i 标准参考模型，它的网络结构分为3 层，分别是物理层、 数据链路层和应用层，如图2 3 所示。它是建立在c a n 协议基础之上的，在c a n 已规定 的物理层及数据链路层基础上又定义了应用层，进一步补充规定了所传送数据的意义。 d e v i c e n e t 的物理层沿用了c a n 协议标准的物理层规定，主要功能是利用物理传输 介质为数据链路层提供物理连接。传输介质为5 芯同轴电缆，主干网长度最大5 0 0 m ，支 网络长度最大6 m 。其中一对用于2 4 v d c 电源( + v 、- v ) ，一对用于c a n 数据通信 ( c a n h c a n l ) ，一根用于信号屏蔽( s h i l d ) 。d e v i c e n e t 物理层的媒体访问单元包括收发 器、连接器、误接线保护电路、调压器和可选的光电隔离，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通信，支持在不切断网络电源的状态下移除节点的功能。 d e v i c e n e t 数据链路层完全遵循c a n 协议，可由c a n 控制器芯片实现。他分为媒体 访问控制( m a c ) 子层和逻辑链路控制( l l c ) 子层。m a c 子层是通信协议的核心，负责 控制帧结构、执行仲裁和错误检测、出错标定和故障界定等。l l c 子层主要负责报文滤 波、报文处理和提供应用层接口等。d e v i c e n e t 帧类型和格式与c a n 相同，它采用两种 类型的报文传送，分别是显式报文传送( 面向网络通信的典型的请求响应式传送) 和隐 式报文传送( 对时间有苛刻要求的i 0 数据传送) 。i 0 报文格式为c a n 数据场在使用通 信连接之前已组态连接节点的源数据和目的数据，数据的用途暗含在报头的c a n 标识符 ( i d ) 内。当数据多于8 个字节时则i o 报文需要根据服务数据对象s d o ( s e r v i