低壓電器DeviceNet通信適配器的研究與實(shí)現(xiàn)

史仍輝

【摘要】 本文以實(shí)現(xiàn)DeviceNet和Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的DeviceNet通信適配器為例，對(duì)其協(xié)議結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并提出了通信模型。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款DeviceNet通信適配器，能將Modbus接口的低壓電器設(shè)備接入到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中。DeviceNet通信適配器符合DeviceNet一致性測(cè)試要求，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，其軟硬件及通信功能均運(yùn)行正常。

【關(guān)鍵詞】 現(xiàn)場(chǎng)總線 通信適配器 協(xié)議轉(zhuǎn)換 DeviceNet Modbus

引言

目前，國(guó)際上有幾十種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，幾種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線有Modbus、Profibus、DeviceNet、FF、LONWORKS、CAN等。Modbus在國(guó)內(nèi)獲得了非常廣泛的應(yīng)用，許多現(xiàn)有的低壓電器設(shè)備都具有Modbus通信接口，DeviceNet作為IEC和我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，支持DeviceNet的智能節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多[4-5]。

現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議基于精簡(jiǎn)的ISO/OSI 7 層參考模型，也就是以ISO 頒布的OSI 標(biāo)準(zhǔn)7 層參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)第3 層到第6層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，這樣可以確保高效的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的結(jié)構(gòu)一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶接口。眾多現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面使得開(kāi)發(fā)適應(yīng)所有現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品是不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)決定了開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線通信適配器（協(xié)議轉(zhuǎn)換器/網(wǎng)關(guān)）是可行的。

現(xiàn)場(chǎng)總線通信適配器能夠把從一種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)在不同的協(xié)議層解包， 得到用戶數(shù)據(jù)， 然后再按照另一現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議逐層打包， 最后發(fā)送到該現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備上的一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器。通信適配器使得不同的總線協(xié)議可以互連互通，在不同現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之間建立一條連接通道，從而實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)用戶間數(shù)據(jù)的交換。由于大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線都采用主從式的總線機(jī)制，因此現(xiàn)場(chǎng)總線通信適配器通常是一類現(xiàn)場(chǎng)總線的主站，同時(shí)又是另一類現(xiàn)場(chǎng)總線的從站。

一、協(xié)議結(jié)構(gòu)分析與通信模型

1.1 DeviceNet與Modbus協(xié)議結(jié)構(gòu)分析

1） DeviceNet協(xié)議分析

DeviceNet是一種基于控制器局部網(wǎng)（CAN）技術(shù)的設(shè)備級(jí)底層網(wǎng)絡(luò)，采用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約。CAN協(xié)議規(guī)定了OSI模型中物理層和數(shù)據(jù)層的一部分。DeviceNet使用帶有主干和分支線的線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可以連接 64個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多主或主/從通信方式；采用無(wú)破壞性的逐位仲裁技術(shù)。DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。DeviceNet沿用了CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并補(bǔ)充定義了部分物理層和數(shù)據(jù)連路層，構(gòu)建了應(yīng)用層。DeviceNet協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2）Modbus協(xié)議分析

Modbus總線適用于主從式控制，是工業(yè)串行通信事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議遵從主/從通信模式。Modbus總線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)智能設(shè)備通過(guò)異步串行總線連接起來(lái)，只允許一個(gè)控制器作為主站，其余智能設(shè)備作為從站。采用命令/應(yīng)答的通信方式，主站發(fā)出請(qǐng)求，從站應(yīng)答請(qǐng)求并返回?cái)?shù)據(jù)或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。Modbus協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問(wèn)從站設(shè)備的過(guò)程，規(guī)定從站怎樣做出應(yīng)答響應(yīng)，以及檢查和報(bào)告?zhèn)鬏斿e(cuò)誤等。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從設(shè)備都必須分配一個(gè)唯一的地址，只有符合地址要求的從設(shè)備才會(huì)響應(yīng)主設(shè)備發(fā)出的命令。

1.2通信適配器通信模型

DeviceNet協(xié)議和Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層用戶接口完全不同， 是兩個(gè)異構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)它們的互聯(lián)，就需要現(xiàn)場(chǎng)總線通信適配器來(lái)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。

DeviceNet通信適配器要實(shí)現(xiàn)從Modbus協(xié)議至DeviceNet協(xié)議的轉(zhuǎn)換， 因此DeviceNet通信適配器必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)Modbus主站功能與DeviceNet的從站功能。從DeviceNet至Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信模型結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2所示的是DeviceNet通信適配器協(xié)議轉(zhuǎn)換通信模型。DeviceNet通信適配器作為Modbus主站，向Modbus從站發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文，在接收到Modbus從站響報(bào)文后解析報(bào)文并存儲(chǔ)；當(dāng)DeviceNet主站發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文后，DeviceNet通信適配器作為DeviceNet從站，接收DeviceNet請(qǐng)求報(bào)文并解析，根據(jù)Modbus從站響應(yīng)的數(shù)據(jù)返回DeiveNet響應(yīng)報(bào)文。

二、功能與設(shè)計(jì)

2.1通信適配器功能

DeviceNet通信適配器用于將具有Modbus接口的低壓電器設(shè)備接入DeviceNet總線，它向下通過(guò)Modbus RTU協(xié)議，RS-485串行接口與設(shè)備連接，向上通過(guò)DeviceNet接口接入DeviceNet總線。DeviceNet通信適配器主要功能：

① 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。在設(shè)備本體（帶有Modbus接口）和DeviceNet總線之間架起一座橋梁，使設(shè)備的采集數(shù)據(jù)可以以正確的格式和方式上傳給DeviceNet主站，并將DeviceNet主站的命令下傳給設(shè)備。這樣設(shè)備本體就不需要花費(fèi)大量的精力改變結(jié)構(gòu)和研究DeviceNet協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換這部分工作由DeviceNet通信適配器來(lái)完成。

② 可配置功能?？膳渲肕odbus從站地址、波特率、校驗(yàn)方式，并且可以根據(jù)需要來(lái)配置每一個(gè)Modbus RTU設(shè)備需要讀取或者寫入的寄存器數(shù)據(jù)。不同的設(shè)備，只要符合Modbus RTU協(xié)議，利用配置軟件配置好設(shè)備信息，就可通過(guò)DeviceNet通信適配器接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，DeviceNet通信適配器向下支持多個(gè)Modbus RTU從站設(shè)備。

③ 按鍵、顯示功能。按鍵可對(duì)DevicNet通信波特率、節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行設(shè)置；液晶顯示狀態(tài)，包括DevicNet節(jié)點(diǎn)地址、波特率，Modbus節(jié)點(diǎn)地址、波特率等。

2.2通信適配器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)DeivceNet規(guī)范規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)中任一設(shè)備都必須有接地隔離柵。根據(jù)隔離柵在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部還是外部，分為隔離節(jié)點(diǎn)和非隔離節(jié)點(diǎn)。隔離節(jié)點(diǎn)根據(jù)隔離位置分為兩種，在物理層處進(jìn)行隔離的節(jié)點(diǎn)是具有隔離物理層的節(jié)點(diǎn)，在I/O處隔離的節(jié)點(diǎn)是非隔離物理層的節(jié)點(diǎn)。

DeviceNet通信適配器設(shè)計(jì)采用在I/O處隔離的方式，是具有非隔離物理層的隔離節(jié)點(diǎn)。DeviceNet通信適配器的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。包括誤接線保護(hù)電路、DC-DC電路、隔離電路、液晶段碼電路、微處理器、485收發(fā)器、CAN收發(fā)器、按鍵、指示燈等。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)電壓為24V，而DeviceNet通信適配器內(nèi)部工作電壓為5V和3.3V，電源電路選用TPS5430將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，采用LDO芯片SPX1117M3-3.3V將5V降為3.3V。微處理器選用Silicon公司的C8051F500，該MCU具有8051內(nèi)核微控制器，集成CAN2.0B控制器。DeviceNet協(xié)議的物理層采用CAN通信方式，選用PCA82C2501作為CAN收發(fā)器。在Modbus通信端使用RS-485接口，選用AD公司485收發(fā)器ADM2483，它是帶隔離的增強(qiáng)型RS-485收發(fā)器。

2.3通信適配器軟件設(shè)計(jì)

DeviceNet通信適配器按照DeviceNet協(xié)議和CIP協(xié)議上關(guān)于設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制的要求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，設(shè)備共有6種狀態(tài)：不存在、設(shè)備自檢、待機(jī)、可操作、重要可恢復(fù)故障、重要不可恢復(fù)故障。DeviceNet通信適配器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制如圖4所示。

主程序上電運(yùn)行之后會(huì)先初始化MCU，接著讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建ModbusRTU通信表，初始化DeviceNet通信參數(shù)表，然后通信適配器進(jìn)入設(shè)備自檢，設(shè)備自檢失敗進(jìn)入重要不可恢復(fù)故障狀態(tài)，自檢通過(guò)后會(huì)檢查工作模式，若為配置節(jié)點(diǎn)地址/波特率模式，可通過(guò)按鍵修改DeviceNet節(jié)點(diǎn)地址和波特率；若為上位機(jī)配置模式，可通過(guò)RS485接口與上位機(jī)配置軟件通信，獲取適配器的參數(shù)；若為運(yùn)行模式，在適配器與主站建立連接后，會(huì)掃描報(bào)文請(qǐng)求應(yīng)用程序，如當(dāng)前為顯式信息請(qǐng)求，根據(jù)顯式信息的服務(wù)代碼去讀/寫Modbus報(bào)文，更新DeivceNet顯式報(bào)文緩沖區(qū)，向主站發(fā)送DeviceNet響應(yīng)信息；如為I/O信息請(qǐng)求（定時(shí)器觸發(fā)），運(yùn)行配置在適配器里的周期性Modbus報(bào)文，更新DeviceNet I/O報(bào)文緩沖區(qū)。執(zhí)行完報(bào)文請(qǐng)求應(yīng)用程序，會(huì)掃描按鍵程序，至此，運(yùn)行模式的處理程序結(jié)束，判斷故障，若有故障進(jìn)入故障處理，接著回到設(shè)備自檢通過(guò)的位置，開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)。

三、測(cè)試與運(yùn)行

為了保證連接在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備能互相通訊和互相操作，DeviceNet設(shè)備需要進(jìn)行一致性測(cè)試，DeviceNet國(guó)際組織ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）開(kāi)發(fā)了DeviceNet設(shè)備的一致性測(cè)試。DeviceNet通信適配器在我司根據(jù)ODVA一致性測(cè)試規(guī)范搭建DeviceNet一致性測(cè)試平臺(tái)上按照ODVA頒布的測(cè)試政策和一致性測(cè)試版本，對(duì) DeviceNet通信適配器進(jìn)行了一致性測(cè)試，包括協(xié)議一致性測(cè)試、物理層測(cè)試和互操作性測(cè)試，見(jiàn)圖5。

DeviceNet通信適配器通過(guò)一致性測(cè)試后，對(duì)其進(jìn)了長(zhǎng)時(shí)間的試運(yùn)行試驗(yàn)。DeviceNet通信適配器將帶Modbus接口的智能低壓電器接入到DeviceNet平臺(tái)中。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試運(yùn)行，DeviceNet通信適配器的軟、硬件及通信功能均運(yùn)行正常。

四、總結(jié)

現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)可以集成不同種類的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。DeviceNet通信適配器能將Modbus接口的低壓電器設(shè)備接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，不僅可以應(yīng)用在低壓電器領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于智能配電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。本文提到的DeviceNet通信適配器的原理與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)也可為其它種類現(xiàn)場(chǎng)總線通信適配器的研究和開(kāi)發(fā)提供借鑒和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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[5] 劉健，阮于東，季慧玉等.JB/T 10709-2007，低壓電器通信適配器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.