基于DN1022的DeviceNet總線產(chǎn)品設(shè)計(jì)

張士全  袁虎  陸偉青

（安科瑞電氣股份有限公司          上海嘉定 201801）

摘要： 以基于CAN的DeviceNet技術(shù)為基礎(chǔ)，采用DeviceNet從站協(xié)議芯片DN1022和意法半導(dǎo)體公司的32位單片機(jī)STM32F051R8T6為智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)了一款DeviceNet從站模塊，并介紹了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：智能電機(jī)保護(hù)器；DeviceNet；組網(wǎng)

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越多，功能越來(lái)越強(qiáng)大，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。基于CAN總線的DeviceNet技術(shù)，由美國(guó)Rockwell公司提出，并由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并做一致性認(rèn)證。其憑借低成本、高性能、設(shè)備級(jí)診斷等優(yōu)異的性能在上得到了普遍的采用。DeviceNet協(xié)議主要應(yīng)用于汽車(chē)、半導(dǎo)體、電氣機(jī)器、運(yùn)送傳輸系統(tǒng)、食品、水處理、沖壓與注塑等領(lǐng)域。^[1]

目前開(kāi)發(fā)該協(xié)議的方式有：

（1）向ODVA購(gòu)買(mǎi)協(xié)議規(guī)范，自己完成協(xié)議開(kāi)發(fā)，此種方式對(duì)研發(fā)要求高，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)。

（2）購(gòu)買(mǎi)第三方協(xié)議包開(kāi)發(fā)。現(xiàn)在市場(chǎng)上一些大的自動(dòng)化廠商（如德國(guó)赫優(yōu)訊）提供DeviceNet協(xié)議包，供應(yīng)商可向其購(gòu)買(mǎi)開(kāi)發(fā)。協(xié)議開(kāi)發(fā)包的功能全面，但成本較高、有一定的技術(shù)難度。

（3）購(gòu)買(mǎi)協(xié)議模塊。一些自動(dòng)化廠商（如ANYBUS、赫優(yōu)訊）提供集成了DeviceNet協(xié)議的IC模塊，供應(yīng)商只需要將此IC設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的內(nèi)部并利用串口等進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)置即可。這種方式簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)周期短，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)固定、成本較高。

（4）協(xié)議芯片。DN1022內(nèi)部集成了DeviceNet協(xié)議從站功能，集成度高、封裝簡(jiǎn)單，滿足一般的DeviceNet從節(jié)點(diǎn)功能要求，而且成本低、易開(kāi)發(fā)、不受結(jié)構(gòu)限制。^[2][3][4]

介紹了一種基于DN1022芯片的電機(jī)保護(hù)器DeviceNet從站功能模塊的開(kāi)發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)重要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可完成總線對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程啟/?？刂?，為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了很大便利。

1 智能電機(jī)保護(hù)器的DeviceNet通訊模塊開(kāi)發(fā)

安科瑞電氣股份有限公司為改公司的電機(jī)保護(hù)器開(kāi)發(fā)了一款DeviceNet從站通訊模塊，并將其集成在產(chǎn)品內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了儀表與通訊模塊的一體化結(jié)構(gòu)，非常便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)安裝。改模塊的開(kāi)發(fā)基于DeviceNet從站協(xié)議芯片DN1022和意法半導(dǎo)體的CPU芯片STM32F051。

1.1 主要芯片介紹

1.1.1 控制器

MCU芯片采用意法半導(dǎo)體公司的Cortex™-M0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F051R8T6，時(shí)鐘頻率高達(dá)48MHz，內(nèi)置64 Kb的Flash、8K的RAM、1個(gè)12位D/A 轉(zhuǎn)換器 、11個(gè)定時(shí)器 、5通道 DMA 控制器 、55個(gè)高速 I/O口 、2個(gè) I²C 接口、2個(gè)USART、時(shí)鐘管理等多種資源，具有很高的性價(jià)比。

1.1.2 DN1022協(xié)議芯片

DN1022芯片內(nèi)置DeviceNet Group2 Only Slave從站協(xié)議棧,具有內(nèi)置的CAN口和DeviceNet處理引擎，高速串行口、并行口和配置口。用戶處理器可通過(guò)高速串口或者并口和該協(xié)議芯片通信，只需實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議即可。^[5]

    DN1022技術(shù)指標(biāo)：

◆支持zui大64個(gè)輸入字節(jié)，64個(gè)輸出字節(jié)

◆支持POLL(輪詢)、COS（狀態(tài)改變）、CYCLIC(循環(huán))三種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式

◆內(nèi)置CAN控制器

◆芯片供電電壓 3.0V-5.5V

1.2 硬件功能框圖

DeviceNet從站模塊的硬件功能如圖1所示。設(shè)備上電后，用戶CPU從保護(hù)器讀取對(duì)DN1022的配置數(shù)據(jù)。讀取成功并配置完成DN1022后，將DN1022設(shè)定為運(yùn)行態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下，保護(hù)器與DeviceNet主站間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。工作指示燈顯示模塊CPU的配置、DN1022的初始化及CPU讀取保護(hù)器數(shù)據(jù)的狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)指示燈顯示DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

圖1   DeviceNet從站模塊的硬件功能

 1.3 DN1022工作原理介紹

    （1）配置：設(shè)備上電后，用戶處理器對(duì)DN1022進(jìn)行配置，過(guò)程如圖2所示。需要配置的參數(shù)有地址、波特率、Network Input連接長(zhǎng)度、Network output連接長(zhǎng)度等。

圖2  DN1022配置

 （2）I/O數(shù)據(jù)交換，過(guò)程如圖3所示。DN1022內(nèi)部有一個(gè)I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，DeviceNet主站與DN1022之間的數(shù)據(jù)交互是異步進(jìn)行的。

 圖3  DeviceNet主站、DN1022、用戶CPU間的I/O數(shù)據(jù)交換

1.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)用C語(yǔ)言完成。主要包括CPU 的初始化、讀保護(hù)器配置命令、DN1022配置、保護(hù)器與DeviceNet主站間的交互數(shù)據(jù)等。

     軟件主程序：

 int main(void)      

{

       CPU_INIT();                //CUP初始化

       disp(1);                        //CUP正常工作，指示燈閃爍第1下

       read_setting();

 set_1022();                            //配置DN1022 

        while (1)

    {

           read_master();               //讀取實(shí)時(shí)參數(shù)          

          PrepareIOrequest();      //給DeviceNet主站上傳保護(hù)器數(shù)據(jù)

 ；                                //出錯(cuò)異常處理

        }

}

    軟件流程如圖4所示。

圖4  DeviceNet模塊軟件流程

2 DeviceNet組網(wǎng)

目前較普遍的DeviceNet組網(wǎng)方式為主/從連接，依靠主站的管理來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。采用的主站有集成了DeviceNet主站功能的PLC、計(jì)算機(jī)插卡（USB卡、PCI卡）等。尤以PLC的使用zui為普遍。下面分別介紹這兩種組網(wǎng)方式。

2.1 周立功DeviceNet主站（計(jì)算機(jī)USB卡）

 周立功USBCAN-E-D主站卡可實(shí)現(xiàn)DeviceNet主從站間的通訊。利用上位機(jī)軟件CANManager for DeviceNet設(shè)置主從站的波特率、通訊地址、掃描時(shí)間、延時(shí)時(shí)間、數(shù)據(jù)觸發(fā)方式（如輪詢、狀態(tài)改變）等參數(shù)。周立功主站與安科瑞電氣電機(jī)保護(hù)器（從站）交互I/O數(shù)據(jù)的軟件界面如圖5所示。這種方式組網(wǎng)簡(jiǎn)單、使用方便，特別適合生產(chǎn)與調(diào)試。

圖5  周立功USBCAN-E-D主站監(jiān)控

 2.2 臺(tái)達(dá)DVP PLC

臺(tái)達(dá)電子DVP系列小型PLC，結(jié)合其DeviceNet主站掃描模塊DVPDNET_SL，可作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的DeviceNet主站。結(jié)合安科瑞集成有DeviceNet從站功能的ARD電機(jī)保護(hù)器，進(jìn)行主從站網(wǎng)絡(luò)的搭建，步驟為：

（1）按要求完成主從站的硬件接線。

（2）利用DeviceNet通訊配置軟件DeviceNet Builder 2.00進(jìn)行組態(tài)，如圖6所示。完成網(wǎng)絡(luò)組態(tài)后，主站為DNET Scanner，其余為電機(jī)保護(hù)器從站。

（3）利用編程軟件WPLSoft軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

     配置好通訊網(wǎng)絡(luò)后，可通過(guò)監(jiān)控和設(shè)置PLC的相應(yīng)寄存器來(lái)完成主站對(duì)從站的管理和控制如圖7所示。啟動(dòng)WPLSoft軟件后，在裝置監(jiān)控窗口里設(shè)置相應(yīng)寄存器的起始地址和寄存器數(shù)量，結(jié)合從站的通訊地址表，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控從站的電參量等參數(shù)。還可以設(shè)定寄存器的值，向從站下發(fā)命令，實(shí)現(xiàn)通信線遠(yuǎn)程控制。

圖6  DeviceNet通訊配置組態(tài)

 圖7  監(jiān)控與設(shè)置PLC的寄存器數(shù)值

3 結(jié)束語(yǔ)

   基于DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能電機(jī)保護(hù)器，采用的單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)體積緊湊，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)過(guò)程控制對(duì)電動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制與管理。

 文章來(lái)源：《自動(dòng)化應(yīng)用》2014年 第2期

參考文獻(xiàn)：

[1]李正軍，現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] ODVA  DeviceNet Specification，2013.

[3]李二強(qiáng)，全惠敏，周 琴，王興剛，智能斷路器DeviceNet 通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),2011.

[4]張戟，程旻，謝劍英，基于現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet的智能設(shè)備開(kāi)發(fā)指南 2004.

[5] DN1022使用手冊(cè)，上海泗博自動(dòng)化技術(shù)有限公司，2013.