第7章-工业机器人通信

第七章：工业机器人通信第七章：工业机器人通信工业机器人作为智能设备在编程、调试、运行、维护的过程中需要通信网络技术，为了和PLC等其他工业设备进行系统集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、EthernetIP等工业网络通信接口。目录7.1工业机器人编程接口7.2DeviceNet7.1工业机器人编程接口工业机器人常用的编程接口有串行口和以太网口。7.1工业机器人编程接口7.1.1RS-232C接口标准RS-232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232总线标准设有25条信号线。7.1工业机器人编程接口1．信号含义7.1工业机器人编程接口2.电气特性RS-232对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

在TXD和RXD上：逻辑1（MARK）=-3V～-15V逻辑0（SPACE）=+3～+15V

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V7.1工业机器人编程接口3.RS-232电平转换器为了实现采用+5V供电的TTL和CMOS通信接口电路能与RS-232标准接口连接。必须进行串行口的输入/输出信号的电平转换。目前常用的电平转换器有 MOTOROLA公司生产的MC1488驱动器、MC1489接收器 TI公司的SN75188驱动器、SN75189接收器 美国MAXIM公司生产的单一+5V电源供电、多路RS-232驱动器/接收器，如MAX232A。7.1工业机器人编程接口7.1.2RS-485接口标准1.RS-485接口特点 （1）双线差分电气信号 （2）半双工传输模式 （3）最远1200米通信距离 （4）最快10Mbit/s通信速率 （5）最大支持32个节点7.1工业机器人编程接口RS-485和RS-232C的主要技术参数比较7.1工业机器人编程接口RS-485的优点

（1）成本低 （2）网络驱动能力强 （3）通信距离远 （4）传输速率快7.1工业机器人编程接口RS-485收发器

RS-485收发器种类较多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184，高速型SN65ALS1176等。7.1工业机器人编程接口7.1.3以太网以太网（Ethernet）最早由Xerox开发，后经DEC公司、Intel公司联合扩展，形成了包括物理层与数据链路层的规范。 IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的。 以太网逐渐成为互联网系列技术的代名词，包括原有的物理层与数据链路层，网络层与传输层的TCP/IP协议组和应用层协议。7.1工业机器人编程接口以太网与OSI参考模型的对照关系7.1工业机器人编程接口工业以太网（IndustrialEthernet）源于以太网而又不同于普通以太网。工业以太网涉及工业企业网络的各个层次，无论是工业环境下的企业信息网络，还是采用普通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太网，均属于工业以太网的技术范畴。

工业以太网标准EtherNet/IP、PROFINET、P-NET、Interbus、VNET/IP、TCnet、EtherCAT、EthernetPorwerlink、EPA、Modbus-RTPS、SERCOS-III。7.2DeviceNet1994年由AB公司提出的现场总线技术。1995年DeviceNet协议由ODVA协会管理。2000年成为国际标准ICE62026-3。DeviceNet也被列为欧洲标准EN503252002年DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.2-2002。DeviceNet是亚洲和美洲主流的设备网标准，广泛应用于工业现场。7.2DeviceNetRA/AB95.04.12OMRON95.04.12ABB95.06.19PhoenixContact95.04.13Hitachi95.07.13SchneiderElectric03.04.17YokogawaElectric02.11.26SamsungElectronics96.06.03Toshiba02.04.06上海埃通电气股份有限公司（上海·浦东）03.04.17ShanghaiAtonElectric太阳电缆（广东·东莞）05.01.14TaiyoElectricWire&CableCo.Ltd.DeltaElectronics7.2DeviceNet7.2.1DeviceNet概述

在北美和日本，DeviceNet在同类产品中占有最高的市场份额，在其他各地也呈现出强劲的发展势头。DeviceNet已广泛应用于汽车工业、半导体产品制造业、食品加工工业、搬运系统、电力系统、包装、石油、化工、钢铁、水处理、楼宇自动化、机器人、制药和冶金等领域。7.2DeviceNet

在Rockwell提出的三层网络结构中，DeviceNet主要应用于工业控制网络的底层，即设备层。7.2DeviceNet

在工业控制网络的底层中，传输的数据量小，节点功能相对简单，复杂程度低，但节点的数量大，要求网络节点费用低。DeviceNet正是满足了工业控制网络底层的这些要求，从而在离散控制领域中占有一席之地。7.2DeviceNetDeviceNet的特性如下所示。①介质访问控制及物理信号使用CAN总线技术。②最多可支持64个节点，每个节点支持的I/O数量没有限制。③不必切断网络即可移除节点。④支持总线供电，总线电缆中包括电源线和信号线，供电装置具有互换性。⑤可使用密封式或开放式的连接器。⑥具有误接线保护功能。⑦可选的通信速率为125kbit/s、250kbit/s、500kbit/s。⑧采用基于连接的通信模式有利于节点之间的可靠通信。⑨提供典型的请求/响应通信方式。⑩具有重复MACID检测机制，满足节点主动上网要求。7.2DeviceNet7.2.2CAN总线CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）是1983年德国Bosch公司为解决众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。1986年，德国Bosch公司在汽车工程人员协会大会上提出了新总线系统，被称为汽车串行控制器局域网。1993年，ISO正式将CAN总线颁布为道路交通运输工具—数据报文交换—高速报文控制器局域网标准（ISO11898），为CAN总线标准化和规范化铺平了道路。7.2DeviceNetCAN总线特点①CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。②CAN总线为多主方式工作，本质上是一种载波监听多路访问（CSMA）方式，总线上任意一个节点均可以主动地向网上其他节点发送报文，而不分主从。③CAN总线废除了传统的站地址编码，采用报文标识符对通信数据进行编码。④CAN总线通过对报文标识符过滤即可实现点对点、一点对多点传送和全局广播等几种数据传送方式。⑤CAN总线采用非破坏性总线仲裁（NondestructiveBusArbitration，NBA）技术，按优先级发送，可以大大减少总线冲突仲裁时间，在重通信负载时表现出良好的性能。⑥CAN总线直接通信距离最远可达10km（通信速率在5kbit/s以下），通信速率最高可达1Mbit/s（最远通信距离为40m）。7.2DeviceNet⑦CAN总线上节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。⑧CAN总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，保证了通信的低出错率。⑨CAN总线每帧都有CRC校验及其他检错措施，保证了通信的高可靠性。⑩CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。CAN总线通信介质可灵活采用双绞线、同轴电缆或光纤。CAN总线具有较高的性价比。CAN节点结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握。7.2DeviceNet1.CAN总线通信模型1991年Bosch公司发布CAN2.0规范。CAN2.0A支持标准的11位标识符，CAN2.0B同时支持标准的11位标识符和扩展的29位标识符。7.2DeviceNet7.2DeviceNet

（1）CAN总线的位编码CAN位流根据“不归零”（NRZ）方式来编码。CAN总线的数值为两种互补逻辑数值——“显性”（Dominant）或“隐性”（Recessive），“显性”数值表示逻辑0，而“隐性”表示逻辑1。当总线上两个不同的节点在同一位时间分别传送显性和隐性位时，总线上呈现显性位，即显性位覆盖了隐性位。7.2DeviceNet

（2）CAN总线的位数值表示采用双绞线时，信号使用差分电压（Vdiff）传送，两条信号线被称为CAN_H和CAN_L。7.2DeviceNet（3）最大传输距离与通信速率7.2DeviceNet（4）CAN总线与节点的电气连接国际标准ISO11898；为了抑制信号在端点的反射，CAN总线要求在两个端点上安装两个120Ω的终端电阻。如果所有节点的晶体管均处于关断状态，则CAN总线上呈现隐性状态。如果CAN总线上至少有一个节点发送端的那对晶体管导通，产生的电流流过终端电阻，在CAN_H和CAN_L两条线之间产生差分电压，总线上就呈现出显性状态。7.2DeviceNet（5）位时间标称位速率（NominalBitRate） 理想发送节点在没有重同步的情况下每秒发送的位数量。标称位时间（NominalBitTime） 标称位时间=1/标称位速率。 即：CAN总线通信时，一位数据持续的时间。7.2DeviceNet位时间结构

包括同步段（SYNC_SEG）、传播段（PROP_SEG）、相位缓冲段1（PSEG1）和相位缓冲段2（PSEG2）。7.2DeviceNet 1）同步段（SYNC_SEG） 同步段用于同步总线上不同的节点，是CAN总线位时间中每一位的起始部分。 2）传播段（PROP_SEG） 传播段用于补偿网络内的物理延时。

3）相位缓冲段1、2（PSEG1、PSEG2） 相位缓冲段用于补偿边沿阶段的误差。

4）采样点（SamplePoint） 采样点是读取总线电平并转换为一个对应的位值的一个时间点。7.2DeviceNet7.2DeviceNet

（6）同步

同步使CAN总线系统的收发两端在时间上保持步调一致。

由于节点的振荡器漂移，传播延迟以及噪声干扰等引起的位时间偏差称为相位误差。

1）硬同步 硬同步只在总线空闲时通过一个从“隐性位”到“显性位”的跳变（帧起始）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。7.2DeviceNet硬同步7.2DeviceNet2）重同步

在报文的随后位中，每当有从“隐性位”到“显性位”的跳变，并且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。重同步机制可以根据跳变沿加长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。重同步跳转宽度（SJW）定义为相位缓冲段1可被加长或相位缓冲段2可被缩短的上限值。7.2DeviceNet重同步7.2DeviceNet重同步7.2DeviceNet

2.CAN总线的数据链路层 （1）逻辑链路控制子层LLC 1）验收过滤 通过验收过滤确定是否被接收数据帧。 2）超载通知 若接收节点由于内部原因要求延迟下一个数据帧/远程帧，则发送超载帧。 3）恢复管理 发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发功能。7.2DeviceNet验收过滤7.2DeviceNet（2）介质访问控制子层MAC MAC子层不存在修改的灵活性，是CAN总线协议的核心。7.2DeviceNet1）介质访问管理7.2DeviceNet 2）MAC帧位填充 当发送节点在发送位流中检测到5个数值相同的连续位（包括填充位）时，在实际发送位流中，自动插入一个补码位。7.2DeviceNet3.CAN总线帧结构总线上的信息以不同的固定报文格式发送。数据帧（DataFrame）：数据帧携带数据从发送器至接收器；远程帧（RemoteFrame）：接收单元向发送单元请求发送具有相同标识符数据所用的帧；出错帧（ErrorFram）：任何单元检测到一总线错误就发出出错帧；超载帧（OverloadFrame）：超载帧用以在先后的数据或远程帧之间提供一附加的延时。7.2DeviceNet（1）数据帧数据帧（DataFrame）由以下7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。帧起始、仲裁场和控制场定义为数据帧帧头。CRC场、应答场和帧结束定义为数据帧帧尾。7.2DeviceNet1）帧起始SOF标志数据帧和远程帧的起始。由一个显性位组成。只有在总线空闲时才允许站点开始发送信号，所有站必须同步于开始发送报文的站的帧起始前沿，即硬同步。7.2DeviceNet 2）仲裁场在帧起始之后是仲裁场。标准帧：由12个位组成，分别为11个识别位（ID）和一个远程发送请求（RTR）位。RTR位用于区分报文是数据帧（RTR位为显性）还是远程帧（RTR位为隐性状态）。扩展帧：由11位基本ID、SRR位、IDE位和18位扩展ID组成。SRR位和IDE位皆为隐性。7.2DeviceNet 3）控制场在仲裁场之后是控制场，由6个位组成。控制场的第一位为识别扩展（IDE）位，该位为显性状态时，说明这是标准帧。识别扩展位的下一位为零保留位（RB0），这一保留位将由CAN协议定义为显性位。控制场的其余4位为数据长度码（DLC），说明了报文中包含的数据字节数。7.2DeviceNet 4）数据场控制场之后为数据场，包含正在发送的数据字节。数据场长度由上述数据长度码DLC定义（0-8字节）。首先发送的是最高字节的最高位。7.2DeviceNet 5）CRC场CRC场由15位CRC序列和1位隐性CRC界定符组成；CRC序列用于检测报文传输错误；CRC校验是由硬件完成的。7.2DeviceNet 6）应答场应答场由应答间隙和应答界定符两个位组成。在应答间隙期间，发送节点发出一个隐性位，任何接收到匹配CRC序列报文的节点会发回一个显性位，确认报文收到无误。应答的本质是所有接收节点检查报文的一致性。7.2DeviceNet 7）帧结束 每一个数据帧的结束均由一标志序列界定，这个标志序列由7个隐性位组成。7.2DeviceNet

（2）远程帧

一般情况下，数据传输是由数据源节点(例如，传感器发送数据帧)自主完成的。

但也可能发生终节点向源节点请求发送数据的情况，即远程数据请求。

要做到这一点，终节点须发送一个标识符与所需数据帧的标识符相匹配的远程帧。随后相应的数据源节点会发送一个数据帧以响应远程帧请求。7.2DeviceNet远程帧由也分为标准帧和扩展帧，由帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结束6个位场组成。远程帧与数据帧存在两点不同：1）远程帧的RTR位为隐性状态；2）远程帧没有数据场，所以数据长度代码的数值没有任何意义，可以为0~8范围里任何数值。当带有相同标识符的数据帧和远程帧同时发出时，数据帧将赢得仲裁，这是因为其紧随标识符的RTR位为显性。7.2DeviceNet

（3）出错帧出错帧由检测到总线错误的任一节点产生。出错帧包含两个场：错误标志和错误界定符。7.2DeviceNet1）错误标志 错误标志包括激活错误标志和认可错误标志两种。节点发送哪种类型的出错标志，取决于其所处的错误状态。激活错误标志

当节点处于错误激活状态时，检测到一个总线错误时，这个节点将产生一个激活错误标志，中断当前的报文发送。激活错误标志由6个连续的显性位构成。认可错误标志 当节点处于错误认可状态时，检测到一个总线错误时，该节点将发送一个认可错误标志。认可错误标志包含6个连续的隐性位。2）错误界定符

错误界定符由8个隐性位构成。7.2DeviceNet（4）超载帧1）超载帧的产生

超载帧的产生可能有以下三种原因：接收器由于内部原因需要延迟下一个数据帧或远程帧；节点在帧空间检测到非法显性位；节点在错误界定符或超载界定符的第8位采样到一个显性位。2）超载帧结构7.2DeviceNet

（5）帧间空间

帧间空间将前一条帧（无论何种类型）与其后的数据帧或远程帧分离开来。 1）间歇（必须有） 间歇由3个隐性位组成。 2）总线空闲

总线空闲由任意长度的隐性位组成。 3）延迟传送（错误认可节点）

延迟传送由8个位的隐性位组成。7.2DeviceNet 4.CAN总线的错误处理机

为了增强可靠性，CAN总线协议提供了完备的错误检测和故障界定机制。CAN总线协议中定义了位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误5种错误类型，这5种错误不会相互排斥。（1）错误界定7.2DeviceNet（2）错误界定规则CAN总线上单元的错误状态是依据错误计数器的数值而界定的，错误界定规则就是指错误计数器的计数规则。①当接收节点检测到一个错误时，接收错误计数器值增加。②当发送节点检测到一个错误时，发送错误计数器值增加。③报文成功发送后，发送错误计数器值减少。④报文成功接收后，接收错误计数器值减少。7.2DeviceNetDeviceNet的物理层采用了CAN总线物理层信号的定义。DeviceNet的数据链路层沿用CAN总线协议规范，采用生产者/消费者通信模式，充分利用CAN的报文过滤技术，有效节省了节点资源。DeviceNet的应用层协议的核心技术。7.2DeviceNet1.DeviceNet的物理层（1）传输介质DeviceNet传输介质规范主要定义了DeviceNet的总线拓扑结构、传输介质的性能和连接器的电气及机械接口标准。1）拓扑结构7.2DeviceNet通信速率与通信距离7.2DeviceNet（2）传输介质

DeviceNet的传输介质有两种主要的电缆：粗缆和细缆。粗缆适合长距离干线和需要坚固干线和支线的情况； 细缆可提供方便的干线和支线的布线。7.2DeviceNet（3）连接器DeviceNet连接器分为封闭式连接器和开放式连接器。7.2DeviceNet（4）电源分接头 通过电源分接头将电源连接到DeviceNet干线。 电源分接头中包含熔丝或断路器，以防止总线过电流而损坏电缆和连接器。电源分接头可加在干线的任何一点，可以实现多电源的冗余供电。 （5）接地 为防止接地回路，DeviceNet网络必须一点接地。7.2DeviceNet（2）媒体访问单元7.2DeviceNet1）收发器收发器是在网络上传送和接收CAN信号的物理器件。PCA82C250是使用广泛的收发器之一，也可以选择其他符合DeviceNet规范的收发器。2）误接线保护与稳压器DeviceNet要求节点能承受连接器上5根线的各种组合的接线错误。7.2DeviceNet3）光电隔离器DeviceNet网络要求单点接地，为了实现电源之外节点的V-和地之间没有电流通过，任何节点都要求在物理接口处实现对地隔离。7.2DeviceNet2.DeviceNet的数据链路层DeviceNet的数据链路层遵循CAN总线规范；DeviceNet使用数据帧，不使用远程帧；DeviceNet只使用标准帧，其中CAN的11位标识符在DeviceNet中被称为“连接ID”（CID）；DeviceNet将CAN总线11位标识符（CID）分成了4个单独的报文组；DeviceNet节点支持CAN故障诊断，此外，若节点不符合DeviceNet规范则转为脱离总线状态。7.2DeviceNet3．DeviceNet的应用层（1）DeviceNet的连接和报文组

DeviceNet是基于“连接”的网络，网络上的任意两个节点在开始通信之前必须事先建立连接，这种连接是逻辑上的关系，并不是物理上实际存在的。 连接标识符（CID）由报文标识符（MessageID）和介质访问控制标识符（简称MediaAccessIdentifier，简称MACID）组成。7.2DeviceNetDeviceNet用连接标识符将优先级不同的报文分为4组。7.2DeviceNet（2）DeviceNet的报文1）I/O报文I/O报文适