基于DN1022的DeviceNet总线产品设计

0 引言
随着工业现场底层设备的种类越来越多，功能越来越强大，现场总线技术已经得到了广泛的应用。基于CAN总线的DeviceNet技术，由美国Rockwell公司提出，并由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）进一步开发并做一致性认证。其凭借低成本、高性能、设备级诊断等优异的性能在国际上得到了普遍的采用。DeviceNet协议主要应用于汽车、半导体、电气机器、运送传输系统、食品、水处理、冲压与注塑等领域。[1]
目前开发该协议的方式有：
（1）向ODVA购买协议规范，自己完成协议开发，此种方式对研发要求高，优点是成本较低，缺点是开发时间较长。
（2）购买第三方协议包开发。现在市场上一些大的自动化厂商（如德国赫优讯）提供DeviceNet协议包，供应商可向其购买开发。协议开发包的功能全面，但成本较高、有一定的技术难度。
（3）购买协议模块。一些自动化厂商（如ANYBUS、赫优讯）提供集成了DeviceNet协议的IC模块，供应商只需要将此IC设计到产品的内部并利用串口等进行一些简单的设置即可。这种方式简便、开发周期短，缺点是结构固定、成本较高。
（4）协议芯片。DN1022内部集成了DeviceNet协议从站功能，集成度高、封装简单，满足一般的DeviceNet从节点功能要求，而且成本低、易开发、不受结构限制。[2][3][4]
介绍了一种基于DN1022芯片的电机保护器DeviceNet从站功能模块的开发，不仅实现了现场控制系统对电机重要参数及运行状态等的实时监控，还可完成总线对电机的远程启/停控制，为工业生产带来了很大便利。
1 智能电机保护器的DeviceNet通讯模块开发
安科瑞电气股份有限公司为改公司的电机保护器开发了一款DeviceNet从站通讯模块，并将其集成在产品内部，实现了仪表与通讯模块的一体化结构，非常便于工业现场控制系统的组网安装。改模块的开发基于DeviceNet从站协议芯片DN1022和意法半导体的CPU芯片STM32F051。
1.1 主要芯片介绍
1.1.1 控制器
MCU芯片采用意法半导体公司的Cortex™-M0架构内核的32位处理器STM32F051R8T6，时钟频率高达48MHz，内置64 Kb的Flash、8K的RAM、1个12位D/A 转换器 、11个定时器 、5通道 DMA 控制器 、55个高速 I/O口 、2个 I2C 接口、2个USART、时钟管理等多种资源，具有很高的性价比。
1.1.2 DN1022协议芯片
DN1022芯片内置DeviceNet Group2 Only Slave从站协议栈,具有内置的CAN口和DeviceNet处理引擎，高速串行口、并行口和配置口。用户处理器可通过高速串口或者并口和该协议芯片通信，只需实现一个简单的通信协议即可。[5]
　　DN1022技术指标：
◆支持*大64个输入字节，64个输出字节
◆支持POLL(轮询)、COS（状态改变）、CYCLIC(循环)三种数据触发方式
◆内置CAN控制器
◆芯片供电电压 3.0V-5.5V
1.2 硬件功能框图
DeviceNet从站模块的硬件功能如图1所示。设备上电后，用户CPU从保护器读取对DN1022的配置数据。读取成功并配置完成DN1022后，将DN1022设定为运行态。在运行状态下，保护器与DeviceNet主站间进行数据交互。工作指示灯显示模块CPU的配置、DN1022的初始化及CPU读取保护器数据的状态，网络指示灯显示DeviceNet的网络状态。

图1　 DeviceNet从站模块的硬件功能
1.3 DN1022工作原理介绍
　　（1）配置：设备上电后，用户处理器对DN1022进行配置，过程如图2所示。需要配置的参数有地址、波特率、Network Input连接长度、Network output连接长度等。

图2　DN1022配置
（2）I/O数据交换，过程如图3所示。DN1022内部有一个I/O数据缓冲区，DeviceNet主站与DN1022之间的数据交互是异步进行的。

图3　DeviceNet主站、DN1022、用户CPU间的I/O数据交换
1.4 软件设计
软件设计用C语言完成。主要包括CPU 的初始化、读保护器配置命令、DN1022配置、保护器与DeviceNet主站间的交互数据等。
　　 软件主程序：
int main(void)　　　
{
　　　 CPU_INIT();　　　　　　　　//CUP初始化
　　　 disp(1);　　　　　　　　　　　　//CUP正常工作，指示灯闪烁第1下
　　　 read_setting();
set_1022();　　　　　　　　　　　　　　//配置DN1022
　　　　while (1)
　　{
　　　　　 read_master();　　　　　　　 //读取实时参数　　　　　
　　　　　PrepareIOrequest();　　　//给DeviceNet主站上传保护器数据
；　　　　　　　　　　　　　　　　//出错异常处理
　　　　}
}
　　软件流程如图4所示。

图4　DeviceNet模块软件流程
2 DeviceNet组网
目前较普遍的DeviceNet组网方式为主/从连接，依靠主站的管理来完成数据交换。采用的主站有集成了DeviceNet主站功能的PLC、计算机插卡（USB卡、PCI卡）等。尤以PLC的使用*为普遍。下面分别介绍这两种组网方式。
2.1 周立功DeviceNet主站（计算机USB卡）
周立功USBCAN-E-D主站卡可实现DeviceNet主从站间的通讯。利用上位机软件CANManager for DeviceNet设置主从站的波特率、通讯地址、扫描时间、延时时间、数据触发方式（如轮询、状态改变）等参数。周立功主站与安科瑞电气电机保护器（从站）交互I/O数据的软件界面如图5所示。这种方式组网简单、使用方便，特别适合生产与调试。

图5　周立功USBCAN-E-D主站监控
2.2 台达DVP PLC
台达电子DVP系列小型PLC，结合其DeviceNet主站扫描模块DVPDNET_SL，可作为工业现场的DeviceNet主站。结合安科瑞集成有DeviceNet从站功能的ARD电机保护器，进行主从站网络的搭建，步骤为：
（1）按要求完成主从站的硬件接线。
（2）利用DeviceNet通讯配置软件DeviceNet Builder 2.00进行组态，如图6所示。完成网络组态后，主站为DNET Scanner，其余为电机保护器从站。
（3）利用编程软件WPLSoft软件进行数据监控。
　　 配置好通讯网络后，可通过监控和设置PLC的相应寄存器来完成主站对从站的管理和控制如图7所示。启动WPLSoft软件后，在装置监控窗口里设置相应寄存器的起始地址和寄存器数量，结合从站的通讯地址表，就可以实时监控从站的电参量等参数。还可以设定寄存器的值，向从站下发命令，实现通信线远程控制。

图6　DeviceNet通讯配置组态

图7　监控与设置PLC的寄存器数值
3 结束语
　 基于DeviceNet现场总线技术的智能电机保护器，采用*新的单片机技术，设计体积紧凑，实现了工业过程控制对电动机的远程控制与高效管理。