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)場底層設(shè)備的種類越來越多，功能越來越強(qiáng)大，現(xiàn)場總線技術(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Rockwell公司提出，并由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）進(jìn)一步開發(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)異的性能在國際上得到了普遍的采用。DeviceNet協(xié)議主要應(yīng)用于汽車、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]
　　目前開發(fā)該協(xié)議的方式有：
　　（1）向ODVA購買協(xié)議規(guī)范，自己完成協(xié)議開發(fā)，此種方式對研發(fā)要求高，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是開發(fā)時(shí)間較長。
　　（2）購買第三方協(xié)議包開發(fā)。現(xiàn)在市場上一些大的自動(dòng)化廠商（如德國赫優(yōu)訊）提供DeviceNet協(xié)議包，供應(yīng)商可向其購買開發(fā)。協(xié)議開發(fā)包的功能全面，但成本較高、有一定的技術(shù)難度。
　　（3）購買協(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)行一些簡單的設(shè)置即可。這種方式簡便、開發(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、封裝簡單，滿足一般的DeviceNet從節(jié)點(diǎn)功能要求，而且成本低、易開發(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從站功能模塊的開發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場控制系統(tǒng)對電機(jī)重要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可完成總線對電機(jī)的遠(yuǎn)程啟/停控制，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了很大便利。
1 智能電機(jī)保護(hù)器的DeviceNet通訊模塊開發(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)場控制系統(tǒng)的組網(wǎng)安裝。改模塊的開發(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)簡單的通信協(xié)議即可。[5]
        DN1022技術(shù)指標(biāo)：
　　◆支持最大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DN1022進(jìn)行配置，過程如圖2所示。需要配置的參數(shù)有地址、波特率、Network Input連接長度、Network output連接長度等。

圖2  DN1022配置

　　（2）I/O數(shù)據(jù)交換，過程如圖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的使用最為普遍。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，可通過監(jiān)控和設(shè)置PLC的相應(yīng)寄存器來完成主站對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
        基于DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的智能電機(jī)保護(hù)器，采用最新的單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)體積緊湊，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)過程控制對電動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制與高效管理。

文章來源：《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)場總線DeviceNet的智能設(shè)備開發(fā)指南 2004.
[5] DN1022使用手冊，上海泗博自動(dòng)化技術(shù)有限公司，2013.