基于DeviceNet 的嵌入式I/O模塊設(shè)計(jì)

DeviceNet是一種基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放型現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)，它用于控制，配置和數(shù)據(jù)采集等方面。CAN 總線具有布線簡(jiǎn)單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布線成本低等特點(diǎn)。由于具備了這些特點(diǎn)，Devi-ceNet總線被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制，它不僅可以接入更多，更復(fù)雜的設(shè)備，還可以為上層提供更多的信息和服務(wù)。在很多歐美國(guó)家，越來(lái)越多的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)采用DeviceNet來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，由于該協(xié)議的產(chǎn)生，使控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)相互通信。ModBus協(xié)議現(xiàn)在已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用該協(xié)議技術(shù)可以使不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控管理。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)體，從而使用戶不需要關(guān)心它們使用哪種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。它描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其他設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

本文主要解決DeviceNet 與ModBus 之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)的ModBus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem 組網(wǎng)?；贒eviceNet 的嵌入式I/O 模塊通過(guò)I/O 口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，ModBus通過(guò)串口與嵌入式I/O模塊進(jìn)行通信。通過(guò)此過(guò)程完成DeviceNet與ModBus之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

1 嵌入式I/O模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DeviceNet是一種上層的應(yīng)用層協(xié)議，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用CAN總線技術(shù)，ModBus協(xié)議只是用于數(shù)據(jù)鏈路層上的協(xié)議[1].這兩種現(xiàn)場(chǎng)總線是異構(gòu)的，因此要實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信，必須要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換過(guò)程是分層次進(jìn)行的。首先把總線設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的設(shè)備逐層解包，得到需要的數(shù)據(jù)，然后再把數(shù)據(jù)按另一協(xié)議所需的方式打包，發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備上。

DeviceNet與ModBus協(xié)議都采用主從通信模式，所以它們之間的通信只能是單向的，主站發(fā)送命令報(bào)文而從站被動(dòng)接收命令報(bào)文。本設(shè)計(jì)中的嵌入式I/O模塊既是De-viceNet從站，又是ModBus的主站。通過(guò)該模塊可以實(shí)現(xiàn)DeviceNet主站的數(shù)據(jù)與ModBus從站的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

嵌入式I/O模塊的功能是把DeviceNet格式的報(bào)文轉(zhuǎn)換為ModBus的報(bào)文命令，再傳給底層的ModBus設(shè)備，設(shè)備在接收到ModBus命令之后，會(huì)向報(bào)文轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送ModBus格式的響應(yīng)報(bào)文，最后經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將報(bào)文轉(zhuǎn)換為DeviceNet格式的報(bào)文傳輸給DeviceNet主站。本嵌入式I/O模塊既是DeviceNet的從站實(shí)現(xiàn)接收主站報(bào)文并做出響應(yīng)的功能，同時(shí)又可以作為ModBus的主站向其他ModBus設(shè)備發(fā)送報(bào)文并接收響應(yīng)報(bào)文。

本設(shè)計(jì)采用的處理器為L(zhǎng)PC2129,硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是NXP 公司的32 位工業(yè)級(jí)ARM7 處理器，其內(nèi)部集成了兩個(gè)CAN 控制器，在一片處理器內(nèi)首先將主站端的DeviceNet協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中間協(xié)議數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)換成ModBus可以識(shí)別的協(xié)議數(shù)據(jù)。

撥碼開(kāi)關(guān)用來(lái)設(shè)置DeviceNet 端的波特率及MAC地址，其中波特率的開(kāi)關(guān)為3 位，分別代表125 Kb/s,250 Kb/s,500 Kb/s;MAC地址的開(kāi)關(guān)為6位，地址為0~63.

RS 232 既可作為程序下載接口，也可作為通用的RS 232串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。系統(tǒng)的供電電源采用24 V的直流供電，并在內(nèi)部將24 V電源轉(zhuǎn)化為模塊需要的5 V,3.3 V及1.8 V電壓電源。

2 DeviceNet 和ModBus 協(xié)議介紹

2.1 DeviceNet協(xié)議規(guī)范

DeviceNetTM規(guī)范由Rockwell 公司開(kāi)發(fā)，并將其作為一個(gè)基于CAN協(xié)議的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)而公布。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，它具有突出的高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其主要技術(shù)特點(diǎn)可歸納為：

(1)采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用CAN規(guī)約芯片，從而有強(qiáng)大的支持。

(2)可以容納64個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持無(wú)限個(gè)的I/O口;

(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備配電方式靈活，可網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一配電或自行供電;

(4)網(wǎng)絡(luò)速度可選125 Kb/s,250 Kb/s 和500 Kb/s;有誤接線保護(hù)功能;

(5)數(shù)據(jù)傳送方式多樣，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化等方式;

(6)采用逐位仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息;

(7)支持輪詢或狀態(tài)改變(基于事件)，多主站和主從，支持從設(shè)備的即用即拔，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)斷電。

DeviceNet是面向連接服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信必須建立在邏輯連接的基礎(chǔ)上。建立連接時(shí)與連接相關(guān)的傳送會(huì)分配一個(gè)11位連接標(biāo)識(shí)符(Connec-tion ID,CID)，連接標(biāo)識(shí)符由設(shè)備媒體訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)符(MAC ID)和信息標(biāo)識(shí)符(Message ID)兩部分組成。連接建立后設(shè)備可通過(guò)發(fā)送釋放連接或刪除連接請(qǐng)求服務(wù)來(lái)斷開(kāi)連接。在某個(gè)特定的連接上長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行通信，這個(gè)通信將自動(dòng)斷開(kāi)以釋放資源。其中，MAC ID可通過(guò)硬件設(shè)定，也可通過(guò)軟件來(lái)配置。標(biāo)識(shí)符分為四組，如圖2所示。DeviceNet連接分為顯式信息連接和I/O連接。

2.2 DeviceNet與CAN

DeviceNet總線協(xié)議是基于CAN總線技術(shù)的。它的數(shù)據(jù)鏈路層完全遵循CAN 規(guī)范的定義，并通過(guò)CAN 控制器芯片實(shí)現(xiàn)。它只使用CAN 2.0A 中的定義，不支持CAN 2.0B中的擴(kuò)展報(bào)文格式。DeviceNet只用125 Kb/s,250 Kb/s,500 Kb/s 三種可選速率，達(dá)不到CAN 的最高通信速率1 Mb/s.DeviceNet 只使用數(shù)據(jù)幀，錯(cuò)誤幀和超載幀三種幀表示和控制，并未使用CAN 中定義的遠(yuǎn)程幀。

DeviceNet 在CAN 總線的基礎(chǔ)上又增加了面向?qū)ο?、基于連接的現(xiàn)代通信技術(shù)理念，并開(kāi)發(fā)了應(yīng)用層。

其應(yīng)用層規(guī)定了CAN 數(shù)據(jù)幀的使用方法、重復(fù)節(jié)點(diǎn)地址檢測(cè)機(jī)制、對(duì)象模型及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。使DeviceNet的應(yīng)用更廣泛，安全性更好。

2.3 ModBus協(xié)議介紹

ModBus 是一種應(yīng)用于工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它是由Modicon 公司開(kāi)發(fā)的，主要應(yīng)用于電子控制器方面，現(xiàn)已成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS 232,RS 422,RS 485和以太網(wǎng)設(shè)備。它定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，使用者不需要關(guān)心它們內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信方式?？刂破髋c控制器，控制器與其他設(shè)備之間(通過(guò)網(wǎng)絡(luò))的通信都要通過(guò)ModBus協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。ModBus 協(xié)議制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式，并詳細(xì)描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其他設(shè)備的過(guò)程以及如何回應(yīng)其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄的過(guò)程。當(dāng)使用ModBus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，按照此協(xié)議的規(guī)定，每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，并能識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，根據(jù)這些信息決定要產(chǎn)生的動(dòng)作。

ModBus協(xié)議的消息也能在其他網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，只需要將消息轉(zhuǎn)換為適用于其他網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)即可。

ModBus分為兩種傳輸模式，ASCII和RTU模式。本文采用RTU模式進(jìn)行說(shuō)明?？刂破魇褂弥?從技術(shù)進(jìn)行通信，能直接或經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器(Modem)組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)從站必須有惟一的地址。地址范圍為1~247.

從站地址用于尋址從站設(shè)備。ModBus通信由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，即僅主設(shè)備能發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸(即查詢)，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出回應(yīng)信息或響應(yīng)動(dòng)作。主設(shè)備以單播或廣播模式與從設(shè)備通信。在單播模式下，從設(shè)備返回消息作為回應(yīng)，在廣播模式下，不作任何回應(yīng)(地址0作為廣播地址)。ModBus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域，具體的ModBus 協(xié)議通信過(guò)程如圖3所示。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由ModBus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、要返回的數(shù)據(jù)、和錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

對(duì)于ModBus通信協(xié)議，信息傳輸為異步方式，以字節(jié)為單位傳送。報(bào)文的信息幀格式分為獨(dú)立的信息頭和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)兩部分，其報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示，下面分別介紹。

地址碼為通信傳送的第一個(gè)字節(jié)。每個(gè)從機(jī)都有具有惟一的地址碼，響應(yīng)回送以各自的地址碼開(kāi)始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。

功能碼為通信傳送的第二個(gè)字節(jié)。ModBus通信規(guī)約定義功能號(hào)為1~127.作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實(shí)際數(shù)值、設(shè)置點(diǎn)、主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址。CRC碼為字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。

當(dāng)通信命令發(fā)送給接收設(shè)備時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通信命令，將地址碼去掉，獲取真正的命令內(nèi)容，判斷是否有誤，無(wú)誤則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)并把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者?；厮偷男畔⒅邪ǖ刂反a、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，如果出錯(cuò)就不發(fā)送任何信息。

3 嵌入式I/O模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的功能是把DeviceNet格式的命令報(bào)文轉(zhuǎn)換為ModBus的報(bào)文命令，再傳給底層的ModBus設(shè)備，設(shè)備在接收到ModBus命令之后，會(huì)向報(bào)文轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送ModBus格式的響應(yīng)