工业化计算机网络10-3 DeviceNet典型的现场总线-CAN总线系统

1、CAN总线系统 5.4 DeviceNet简介简介5.4.1 DeviceNet技术概述DeviceNet 是在是在 1994 年由美国的年由美国的 Allen Bredly公司开发的，是基于公司开发的，是基于 CANBUS 的一种现的一种现场总线。可实现低成本高性能的工业设备的网络场总线。可实现低成本高性能的工业设备的网络互连。互连。5.4 DeviceNet简介简介5.4.1 DeviceNet技术概述 如图，在Rockwell提出的三层网络结构中，DeviceNet处于最底层，即设备层。5.4.1 DeviceNet技术概述工业控制网络底层节点相对简单，传输数据量小，但节点数量大，要求节

2、点费用低。针对以上通信要求，DeviceNet可以提供：n低端网络设备的低成本解决方案；n低端设备的智能化；n主从以及对等通信的能力。DeviceNet有两个主要用途：n传送与低端设备关联的面向控制的信息；1.传送与被控系统间接关联的其他信息（例如配置参数）。5.4.1 DeviceNet技术概述n物理/介质特性n主干线分支线结构；n最多支持64个节点；n无需中断网络即可解除节点；n同时支持网络供电（传感器）及自供电（执行器）设备；n使用密封式或开放式连接器；n接线错误保护；n数据波特率可选125、250、500kbps；n标准电源插头，电源最大容量可达16A；1.内置式过载保护。1. Dev

3、iceNet 基于 CANBUS 技术，用于 PLC 与现场设备之间的通信网络。它可连接开关、变频调速设备、固态过载保护装置 条形码阅读器 I/O 和人机界面等，传输速率为 125500kbps。2. DeviceNet 使用的通信模式是 消息产生者(Producer)和消息使用者(Consumer) 。传统的通信在消息传送上采用的技术是指定数据源和目标地址。DeviceNet 使用的模型更为有效，它可使控制数据同时到达控制的每一个单元，可以更有效地利用网络的频带宽度。消息产生者一次发送的数据可被多个消息使用者使用 从而更有效的传送数据。3. DeviceNet 使用的通信协议为 11 位表示

4、符，即所有的 I/O 消息都有自己的 11 位标识符 ID。标识符ID 分成四个消息组 各有不同用途。 ID 中同时提供了多重优先权 工作时，总线上的设备监听网络上消息当设备辨识出正确的标识符后将接受该消息 4. DeviceNet 上的每一个设备可以随时连接或断开，而不会影响其他设备的正常运行，真正的开放性使系统扩充和改型非常方便。5. 利用 Device manager 软件可以灵活地对 DeviceNet 进行管理和试运行。所有设备只使用一台PC机进行调校和排错。DeviceNet manager 提供图形方式的现场设备列表 可对每一个设备进行调试。6. 所有设备可通过 DeviceNe

5、t 自我识别。操作者可方便的读到设备附带资源块中的其他信息，得到排错帮助，缩短停车和调试时间。 DeviceNet 具有多种特点5.4.1 DeviceNet技术概述n通信特性：n物理信号及MAC使用CAN；n基于连接概念的协议，要与设备交换信息须先与它连接；n典型的请求/响应方式，适用于两个设备间多用途的点对点报文传递；nI/O数据的高效传输；n为长度大于8字节的报文提供分段服务；1.重复节点地址（MAC ID）的检测。 表5.4.1 DeviceNet的主要技术特点网络大小最多64个节点，每个节点可支持无限多的I/O网络长度端端网络距离随网络传输速度而变化波特率距离125kb/s500m2

6、50kb/s250m500kb/s100m网络模型生产者/消费者模型数据包08字节总线拓扑结构线性（干线/支线），总线供电总线寻址点对点（或一对多）；多主站和主从；轮询或状态改变（基于事件）系统特性支持设备的热插拔，无需网络断电5.4.1 DeviceNet技术概述DeviceNetDeviceNet的通信模式的通信模式在现场总线领域常用的通信模式有两种：(a) 源/目的模式：(b) 生产者/消费者模式：n源/目（点对点）通信模式的缺点：n多个节点间同步动作困难；n浪费带宽，源节点必须多次发送给不同节点。n生产者/消费者模式的特点：n一个生产者，多个消费者；n数据更新在多个节点同时发生；1.提

7、供多级优先，适用于实时I/O数据交换。源节点地址目的节点地址数据校验标识符数据校验5.4.1 DeviceNet技术概述nDeviceNet的通信模型：5.4.2 DeviceNet的物理层媒体访问单元媒体访问单元包括收发器、连接器、误接线保护电路、稳压器和光隔离器。收发器可采用市面上的集成CAN收发器。 注意需保证所选符合DeviceNet规范。5.4.2 DeviceNet的物理层媒体访问单元n误接线保护（MWP）电路如图，要求节点能承受连接器5根线的各种组合的接线错误。n在U+电压高达18V时不会造成永久损害。nVD1防止U-端子误接了U+电压；nVT1作为电源线上接入的开关防止U-断开

8、造成损害。5.4.2 DeviceNet的物理层传输介质n拓扑结构：典型是干线分支方式，如图。干线末端必须有终端电阻。线缆包括粗缆（干线）、细缆（支线）。支线最长6m，允许连接多个节点。只允许在支线上有分支结构。总线线缆中包括24VDC电源线、信号线及屏蔽线。总线支持有源和无源设备，对有源设备提供专门设计的光隔离收发器。5.4.2 DeviceNet的物理层传输介质n终端电阻：121，1%金属膜电阻，1/4 W，终端电阻不可包含在节点中。（如包含很容易错误导致阻抗太高或太低）n连接器：5针，即1对信号线、1对电源线和1根屏蔽线。包括密封式和非密封式连接器。DeviceNet连接器5.4.2 D

9、eviceNet的物理层传输介质n设备分接头：设备直接通过端子或通过支线连接到网络。n电源分接头：电源分接头不同于设备分接头，它包含 (1)连在电源U+上的肖特基二极管，(2)两根熔丝或断路器，防止总线过电流而损坏电缆和连接器。n干线的额定电流为8A。也允许外部供电的设备（如电动机起动器、阀门驱动器等）连到总线，但是要有光电隔离。nDeviceNet应该一点接地。如果多点接地会造成接地回路；如果不接地将容易受到静电以及外部噪声的影响。5.4.3 DeviceNet的数据链路层nDeviceNet的数据链路层遵循CAN协议规范，并通过CAN控制芯片实现。nMAC帧：在CAN定义的4种帧格式（数据

10、帧、远程帧、超载帧、错误帧）里面，DeviceNet不使用远程帧。n总线仲裁机制：CSMA/NBA（带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多址访问），即CAN的仲裁机制n错误诊断和故障界定机制：同CAN。5.4.4 DeviceNet的应用层5.4.4.1 连接的概念nOSI 7层协议中连接的概念： 层之间通过接口提供两种服务：面向连接的服务和无连接的服务面向连接：服务双方必须先建立可用连接，然后利用该连接完成数据传送，最后还要释放建立连接时所需资源。这种服务典型的例子是有线电话系统。无连接：要传递的数据自身携带目的地址信息，因而可以有不同的路由选择。这种服务的典型例子是邮寄系统。另外，为了增强服务的性

11、能，可以引入确认（acknowledgement）信息，这以牺牲一定的传输时间和网络负载为代价。5.4.4.1 连接的概念n计算机网中“连接”可以分为不同的层次：n实际物理媒介连接：典型的点对点连接n虚电路：通过路由表、队列缓存和相关软件实现。这种连接一般用于通信子网的连接，而在控制网络中基本不用。n面向连接的服务：使用软件实现虚拟的连接，与其他任何子层都没有关系。这种连接一般用于应用层的连接，通过一定的技术措施来达到“连接”的效果，给服务调用者造成存在“连接”的“错觉”，其内部实现也许既无物理连接也无虚电路连接。(1)DeviceNet是基于“连接”的网络，两个节点在开始通信前必须事先建立连

12、接，这种连接是逻辑上的关系，并不是物理上实际存在的。5.4.4.1 连接的概念nDeviceNet 的连接提供了“应用”之间的路径。当建立连接时，与连接相关的传送会被分配一个连接ID（CID）。如果连接包含双向交换那么应当分配两个连接ID值。nDeviceNet建立在标准CAN2.0A协议之上，并使用11位标准报文标识符，可分成4个单独的报文组如下表：5.4.4.2 DeviceNet的对象模型对象模型为管理和实现DeviceNet 产品的属性（可见特性的描述）、服务（支持的功能）和行为（如何响应特定事件）提供了一个模板。5.4.4.2 DeviceNet的对象模型n模型为每个属性提供了由4

13、个数字组成的寻址方案，它们分别是节点地址（MAC ID）、对象类标识符、实例编号和属性编号。n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。n下表列出四个地址组件的范围：地 址最 低最 高节点063类165535实例065535属性12555.4.4.3 DeviceNet设备里的对象类n标识对象类标识符=01；一般只包含一个实例（1#实例） ，该实例的属性有：供货商ID、设备类型、产品代码、版本、状态、序列号、产品名称等。n报文路由对象类标识符=02；一般只包含一个实例（1#实例），该对象向其他对象传送显式报文。该对象一般不具有外部可视性。nDevic

14、eNet对象类标识符=03；提供了节点物理连接的配置及状态。一个物理网络接口对应一个DeviceNet对象。n组合对象组合多个应用对象的属性，便于访问。例如多个应用对象I/O数据的组合。5.4.4.3 DeviceNet设备里的对象类n连接对象DeviceNet 产品一般至少包括两个连接对象。每个连接对象代表DeviceNet 网络上两节点间虚拟连接中的一个端点。两种连接类型分别称为显式报文连接和I/O 报文连接。显式报文包括属性地址、属性值和服务代码来描述所请求的行为。I/O 报文只包含数据。I/O 报文中，所有有关如何处理数据的报文都包含在与该I/O 报文相关的连接对象中。n参数对象在带有

15、可设置参数的设备中要用到参数对象。每个实例代表一个参数，每个参数的属性包括它的值、范围、文本和限制等。n应用对象通常设备中至少有一个应用对象。DN规范的对象库中有大量的标准应用对象。5.4.4.4 DeviceNet的报文nDeviceNet 应用层定义了如何分配标识符，如何用CAN 数据区指定服务、传送数据。nDeviceNet 使用更为有效的生产者消费者模式，取代了传统的源目的传输方法。该模式要求对信息打包，使它具有数据标识区。标识符还提供仲裁的手段，以便更高效传送I/O 数据，并供多个消费者使用。n拥有数据的设备生产数据报文，所有需要数据的设备在总线上监听报文，识别出相应的标识符后就消费

16、此数据。n采用生产者消费者模式，报文将不再专属于特定的源或目的，例如机组控制器发出的一个报文，用很窄的带宽就可以供多个电动机起动器使用。5.4.4.4 DeviceNet的报文nDeviceNet 定义了两种不同类型的报文，称作I/O 报文和显式报文。nI/O I/O 报文报文适用于传输应用和过程数据。I/O数据总是从一个“生产”应用传输到多个“消费”应用。nI/O报文格式的最重要的特性是完全利用了CAN数据场来传输过程数据。连接的端点通过CAN报文标识符来识别过程数据的重要性。每个I/O报文使用1个优先级高的CAN标识符。 nI/O 报文通过一点或多点连接进行报文交换。报文的含义由连接ID（

17、CID，CAN 标识符）指示，建立连接就是预先规定该报文的发送和接受设备，包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址。5.4.4.4 DeviceNet的报文n显式报文显式报文则适用于两个设备间多用途的点对点传送，采用典型的请求-响应通信方式，常用于节点的配置、问题诊断等。显式报文通常使用优先级低的连接标识符。n显式报文传送通过显式连接对象来实现，在设备中建立显式连接对象。显式报文请求指明了对象、实例和属性，以及所要调用的特定分类服务。 n显式报文格式最重要的特性是CAN标识符场的任何一部分都不用于显式报文传输协议。所有协议都包含在CAN数据场当中。CAN标识符场用作连接ID。设备之

18、间的每个显式连接通道需要2个CAN标识符，一个用于请求报文，另一个用于响应报文。标识符在连接建立时确定。 5.4.4.4 DeviceNet的报文nI/O报文的格式如下：n显式报文的格式如下：CAN帧头应用I/O数据CAN帧尾CAN帧头协议区&特殊服务数据CAN帧尾08字节08字节5.4.4.4 DeviceNet的报文nDeviceNet 为长度大于8 字节的报文提供了分段服务。大的I/O 报文可以分割成为任意多的标准I/O 报文。显式报文也同样可以进行分段。分段服务为DeviceNet 提供了更多的可扩展性和兼容性，保证了将来更加复杂、更智能化的设备可以加入到DeviceNet 网

19、络上。在不改变基本协议和连接模型的基础上DeviceNet 面向对象的设计和编址方式使其有相当大功能扩展余地。n另一方面设备通信也可以非常简单。一个含两个报文连接的简单从机设备的应用（1 个I/O 报文，1 个显式报文），用4K ROM 和175 字节RAM的CPU （如Motorola 68HC05X4）就可以实现。5.4.4.4 DeviceNet的报文n报文分段服务如下图所示：要发送的报文重组后的报文Frag#1Frag#2Frag#3Frag#1Frag#2Frag#3n对I/O报文，若连接对象“长度”属性大于8字节，使用分段协议。对显式报文，在报文头中有一位指出是否分段。5.4.4.

20、4 DeviceNet的报文字节偏移 位7 6 5 4 3 2 1 0012 报文体7字节偏移 位7 6 5 4 3 2 1 00 分段协议12 分段报文体7不分段不分段I/O报文数据场格式报文数据场格式分段分段I/O报文数据场格式报文数据场格式分段类型 分段计数器表明是首段、中间段还是尾段每段加1，循环计数5.4.4.4 DeviceNet的报文字节偏移 位7 6 5 4 3 2 1 00 报文头12 报文体7字节偏移 位7 6 5 4 3 2 1 00 报文头1 分段协议2 分段报文体7不分段显式报文数据场格式不分段显式报文数据场格式分段显式报文数据场格式分段显式报文数据场格式FragXI

21、DMAC ID1=要分段有效性识别码，0、1交替，从站必须照原样回送R/R服务代码服务特定变量0=请求报文1=响应报文5.4.4.5 CAN标识符的使用nCID包含报文组ID、该组中的报文ID、设备MAC ID。报文ID根据报文的含义来分配。 n报文组1分配了1024个CAN标识符（000H 3FFH）。该组中每个设备最多可拥有16个不同的报文。同组报文的优先级主要由报文ID决定。2个设备同时发送报文则报文ID号较小的设备优先。报文组1通常用于 I/O报文交换应用数据。 5.4.4.5 CAN标识符的使用n报文组2分配了512个标识符（400H5FFH）。该组的大多数报文ID可选择定义为“预定

22、义主/从连接集”。其中1个报文ID定义为网络管理。优先级主要由设备地址（MAC ID）决定，其次由报文ID决定。如果要考虑各位的具体位置，那么带8位报文滤波的CAN控制器可以根据MAC ID滤出自身的报文组2报文。 5.4.4.5 CAN标识符的使用n报文组3分配了448个标识符（600H7BFH），具有与报文组1相似的结构。与报文组1不同的是，它主要交换低优先级的过程数据。此外，该组的主要用途是建立动态的显式连接。每个设备可有7个不同的报文，其中2个报文保留作未连接报文管理器端口（UCMMPort）。5.4.4.5 CAN标识符的使用n报文组4分配了分配了48个CAN标识符（7C0H7EFH

23、），不包含任何设备地址，只有报文ID。该组的报文只用于网络管理。通常分配4个报文ID用于“离线连接集”，该集报文ID为2C2F，用于通信故障的恢复。 n其它16个CAN标识符（7F0H7FFH）在DeviceNet中被禁止。5.4.4.6 DeviceNet连接的建立n只有当对象之间已建立一个连接时，才能通过网络进行报文传送。DeviceNet规定了两种类型连接： nI/O 连接在一个生产应用及一个或多个消费应用之间提供了专用的，具有特殊用途的通讯路径。特定的应用和过程数据通过这些路径传输； n显式报文连接在两个设备之间提供了一个通用的、多用途的通讯路径。显式报文连接提供典型的面向请求/响应的

24、网络通讯方式。 5.4.4.6 DeviceNet连接的建立nDeviceNet节点在开机后能够立即寻址的唯一端口是“非连接信息管理器端口”（UCMM端口）和预定义主/从连接组的“Group2非连接显式请求端口”。当通过UCMM端口或者Group2非连接显式请求端口建立一个显式报文连接后，这个连接可用于从一个节点向其它节点传送信息，或建立I/O信息连接。一旦建立了I/O信息连接，就可以在网络设备之间传送I/O数据。 n通过UCMM端口可以动态的建立显式信息连接。一个支持预定义主/从连接组，并且具有UCMM功能的设备称为Group 2服务器。一个Group 2服务器可被一个或多个客户机通过一个或

25、多个连接进行寻址。 5.4.4.7 预定义的主从连接组nDeviceNet 应用层协议功能很强，设备间的连接允许动态配置。但考虑到有些设备根本不需要也没有资源去使用这一强大功能，DeviceNet 指定了一套称为预定义主/从连接组的CID，用来简化主/从结构中I/O 数据的传送。n许多设备要实现的功能在设计时就已经预先决定了（如感受压力、起动电动机等等），因此这些设备将要生产或消费的数据的类型和数量在通电前就已经知道了。这些设备通常提供输入数据或请求输出数据和配置数据。预定义主/从连接组可以满足设备的这些要求。5.4.4.7 预定义的主从连接组n预定义主/从连接组用于简单而快速地建立一个连接。

26、当使用预定义的主/从连接组时，客户机（主站）和服务器（从站）之间只允许存在一个显式连接。由于在预定义主/从连接组定义内已省略了创建和配置应用与应用之间连接的许多步骤，可以使用较少的网络和设备资源来实现DeviceNet通讯。 5.4.4.7 预定义的主从连接组n不具有UCMM功能，只支持预定义主/从连接组的从设备，被称为DeviceNet中的仅限Group 2服务器。只有分配它的主站才可以寻址仅限Group 2的服务器。仅限Group 2的设备能够接收的所有报文都在报文组2中被定义。支持预定义主/从连接组对设备制造商来说代表了一个简单实现的方案。 n绝大多数现有的DeviceNet设备都是基于

27、预定义的主/从连接组，因为这在终端设备上实现起来比较简单。 5.4.4.7 I/O数据触发方式nDeviceNet支持的I/O数据触发方式有：位选通、轮询、状态改变、循环。1.位选通：主站发出位选通命令报文，其中数据域的64个位对应网络上64个可能的节点，位=1的时候表示要求该节点发送I/O数据（最大8Byte）。5.4.4.7 I/O数据触发方式n轮询：位选通方式只能传送少量I/O数据，而轮询命令和响应报文则可在主从站之间传送任意数量的数据（分段或不分段）。轮询命令是主站发往从站的命令和输出数据，响应是从站的回答（输入数据）。n循环：适用于一些模拟设备，可以根据设备信号产生的快慢灵活设定循环

28、数据交换的时间间隔。这样就可以降低不必要的通信流和包处理，可以为改变更快的、对实时性要求更严格的I/O 数据保留带宽。例如，在慢速PID 回路中的温度传感器可以将周期设置为500ms，而主机可能是每30ms 扫描一次所有的设备。5.4.4.7 I/O数据触发方式n状态改变：此方式用于离散的设备，使用事件触发的方式，当设备状态发生改变时，才发生通信，而不是由主设备不断地查询。为了确保消费数据的设备知道数据生产者仍处于活动状态，DeviceNet 提供一个间隔可调节的背景心跳。当状态改变或心跳计时器超时时就发送数据。该服务保证连接的有效性，通知数据消费者它的数据源设有任何故障。这样控制器就不必再定

29、期发送仅仅是确定设备是否活动的请求。在多点传送时这种方式比较有效。5.4.4.8 重复MAC ID检测nDeviceNet的每一个物理连接必须被赋予一个唯一的MAC ID，不可重复。由于MAC ID可能是人工设置的（比如拨码开关），所以MAC ID重复的错误是不能完全避免的。nDeviceNet的重复MAC ID检测机制可以检测重复MAC ID错误的发生。n“重复MAC ID请求”报文包括本设备拟用的MAC ID、制造商ID以及32bit的产品系列号。n一个DeviceNet模块在启动后转换到Online状态之前，必须以1s间隔连续两次发出重复MAC ID请求报文，1s以内没有收到响应，才可以

30、转入Online状态。5.4.4.8 重复MAC ID检测n任何设备收到重复MAC ID检测报文后立即比较自己的MAC ID，如果相同马上发一个“重复MAC ID响应”。n发出重复MAC ID检测报文的设备收到重复MAC ID响应后应转入通信故障状态，等待技术人员处理。5.4.4.9 设备描述和EDS文件n属于同一设备模型的所有设备都必须支持共同的标识和通信状态数据。设备描述（Device Profiles）通过定义标准的设备模型，促进不同厂商同类设备的互操作性，并促进其互换性。ODVA已经规定了一些工业自动化中常用产品的设备描述。例如，通用I/O（离散或模拟）、驱动器、位置控制器等。n设备描述有两种：标准的和扩展的（非标准）。ODVA负责在技术规范中定义公共类、服务和属性，各供货商可以增补供货商特殊类、服务和属性。这就允许供货商向其用户提供附加的、 技术规范中未涉及的功能。往后当这些特殊项目很普及的时候ODVA 有机制将其转为公共项目。5.4.4.9 设备描述和EDS文件n在DeviceNet规范中设备描述分为3个部分。 n设备类型的对象模型定义了设备中存在的对象类、各类中的实例数、各个对象如何影响行为以及每个对象的接口。 n设备类型的I/O 数据格式 组合对象的定义、组合对象中包含数据元件的地址（类、实例、属性