DeviceNetDeviceNet现场总线详解现场总线详解技术特点DeviceNet现场总线是一种开放、低成本的网络解决方案。它将可编程控制器、操作员终端、传感器、光电开关、电动机起动器、驱动器等现场智能设备连接起来，减少了I/O接口和布线数量，实现了工业设备的网络化和远程管理。由于采用了许多新技术及独特的设计，与其它现场总线相比，它具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。其主要技术特点可归纳为：（1）采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到了国际上主要芯片制造商的支持；（2）网络上可以容纳多达64个节点地址，每个节点支持的I/O数量没有限制；（3）网络拓扑结构灵活；（4）节点设备可通过网络统一配电（信号线和电源线都包含在干线中），亦可配置为自行供电；（5）高电流能力（可高达16安培）；（6）网络速度可选125kbps、250kbps和500kbps；（7）具有误接线保护功能；（8）可带电更换网络节点设备，在线修改网络配置；（9）支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送方式；（10）采用非破坏性逐位仲裁机制实现按优先级发送信息；（11）具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能；（12）支持点对点、多主或主/从通信结构；（13）可实现不同厂商的同类设备的互换；（14）既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、操作员终端之类的复杂设备。采用了ISO/OSI参考模型的1、2、7层，涉及的标准有CAN技术规范2.0A/B、ISO11898标准和DeviceNet技术规范Vo1.1/2。技术简介Devicenet物理层协议规范定义了DeviceNet的总线拓扑结构及网络元件，具体包括系统接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接地和电源分配。DeviceNet所采用的典型拓扑结构是干线分支方式，如图1所示。线缆包括:粗缆(多用作干线)和细缆(多用于分支线)。总线的线缆包括24V直流电源线和信号线两组双绞线以及信号屏蔽线。在设备连接方式上，可灵活选用开放式和密封式的连接器。网络采取分布式供电方式，支持冗余结构。总线支持有源和无源设备，对于有源设备提供专门设计的带有光隔离的收发器。干线长度：由数据传输速率和所使用的电缆类型决定。支线长度：从干线端子到支线上节点的各个收发器之间的最大距离。终端电阻：干线末端安装。指标：121、1金属膜电阻、1/4W。不可包含在节点中。连接器：5针类通过连接器连到DeviceNet的节点均须有插头。选用原则：保证设备可在不切断和干扰网络的情况下脱离网络。网络接地：在一点接地，位于电源分接头处。临时终端支持连接器：允许通电状态下拔出或插入终端电缆。物理层信号：DeviceNet的物理层完全遵循CAN规范的定义。CAN规范定义总线数值为两个互补逻辑数值之一：“显性”(逻辑0)和“隐性”(逻辑l)。任何发送设备都可以驱动总线为“显性：当“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。仅当总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。对象建模与对象编址DeviceNet使用抽象的对象建模描述使用通信服务系列、DeviceNet节点的外部可视行为以及DeviceNet产品中存取及交换信息的通用方式。Devicenet对象模型如图2所示，它提供了组织和实现DeviceNet产品的组件属性、服务和行为的简便模板，它为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案，它们分别是MAC ID、对象类标识符、实例编号和属性编号。这四级地址与显式报文连接相结合，将数据从DeviceNet网络上的一点传送到另一点。标识对象：包含与设备有关的一些属性信息，如供货商标识、设备类型、产品代码、产品名称等；路由对象：向其它对象传送显式报文，一般在DeviceNet网络中不具有外部可视性；连接对象：模拟特定的设备之间的通讯特性，如处理的信息类型、数据到达的速率、超时的处理方法等；DeviceNet对象：提供配置和状态信息，如节点标识、传送波特率、总线脱离的处理过程、预定义连接组的分配等服务；组合对象：主要负责I/O信息的格式定义和I/O数据的映射等；参数对象：为配置工具访问所有参数提供标准的方法；应用对象：指与特定应用相关的对象，它模拟应用设备的特性。Devicenet为了对各个对象及其中的类、实例、属性、服务等进行寻址，提供了以下几种寻址标识符：(1) 介质访问控制标识符(MAC ID):对DeviceNet网段上的各个节点进行标识。(2) 类标识符(Class ID):对DeviceNet网段上的各个类进行标识。(3) 实例标识符(Instance ID):对同一个类中的各个实例进行标识。(4) 属性标识符(Attribute ID):对同一对象中的各个属性进行标识。(5)服务代码（Service Code）：对特定对象实例或对象分类功能进行标识。生产者/消费者网络模型DeviceNet采用开放网络技术的一种新发明的解决方案：生产者/消费者（produce/con-sumer）通信模式。生产者是指发送数据的节点设备，消费者是指接受数据的节点设备。每个节点设备均可配置为生产者、消费者或两者皆是。生产者/消费者模式与传统的源/目的模式有很大不同。源/目的模式是以节点地址为中心的编码方式，适合于点对点的通信。生产者/消费者模式是以数据为中心的编码方式，生产者在网络上发出一个数据帧后，消费者便可根据其中的11位标识符来判断是否消费该数据。因此，生产者/消费者模式允许网络上的所有节点设备同时从单个的数据源获取相同的数据，可实现点对点、多点或广播通信。在生产者/消费者模式下，当一个设备欲和其它多个设备进行同一种通信时，这个设备只需发送一次数据，其它设备便都能接收到该数据，而不需要重复地发送，从而节省了大量的时间，提高了效率。另外，在这种模式下，节点设备可实现精确的同步化；系统的组织方式也很灵活，可组成主/从、多主或对等的网络结构。数据帧和出错帧CAN定义了四种帧格式，分别为数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，在DeviceNet上传输数据采用的是数据帧格式，远程帧格式在DeviceNet中没有被使用，超载帧和出错帧则被用于意外情况的处理。数据帧格式如图3所示:DeviceNet每帧最大能传送8bit数据，超过可以使用分段传送协议。出错帧格式：由两个不同位场构成，即错误标志和错误定界符。错误主动标志：6bit连续显位构成。原理：检测到错误的节点发送错误主动标志标注形式违背位填充规则或固定形式其他节点检错叠加错误被动标志：6bit连续隐位构成。由发送器启动的错误被动标志会在接收器中引起错误，因而在仲裁和其他节点继续发送信息期间不能启动。错误界定符：8bit隐位构成。通信连接通信连接DeviceNet网络中，连接是一个重要概念。节点设备之间欲进行通信，必须先建立连接。连接的建立过程正如打电话一样，当你想给某人打电话时，你首先应该输入相应的号码或名字，当得到对方的应答后就建立了连接，然后便可在此连接上进行通话。当你挂断电话，连接就会断开。DeviceNet网络中的任何一个设备欲和其它设备通信时，亦须先建立连接。当设备不想和已建立连接的某个设备通信时，它可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接。如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信，这个通信将自动断开以释放资源。在DeviceNet网络中，每个连接用连接标识符来标识，它使用CAN规范中的11位仲裁区来定义。连接标识符包括设备媒体访问控制标识符（MAC ID）和信息标识符（Message ID）。其中，MAC ID可通过硬件设定，也可通过软件来配置。标识符分为四组，如表1所示。表1DeviceNet的11位连接标识符这四种报文组优先级不同，其中报文组1优先级最高，通常用于发送设备的I/O报文，报文组4优先级最低，用于设备离线时的通信。传送信息时可据此选择相应的报文组。MACID：用于在网络上识别节点。6bit，64节点。有源和目的之分。MessageID（报文ID）：用于标识一个连接所使用的通信通道。在特定端点内的报文组中识别一个报文，位数在不同报文组不一样。报文组1：总线访问优先权被均匀的分配到网络的所有设备上。仲裁规则：小数字的组1报文ID值的报文获得优先权。如：message_ID2message_ID5报文ID相同时，MACID值小的设备获得优先权。如：device2device6报文组2：在建立连接时，由端点确定是源或目的MACID。仲裁规则：MACID值小的报文获得优先权。报文组3：报文ID描述了由一个特定端点交换的各种组3报文。动态建立的显式报文连接在组3传输。仲裁规则：报文ID值小的报文获得优先权。报文组4：用于离线连接组报文。未连接显式报文建立和管理显式报文连接。未连接报文管理器负责处理未连接显式请求和响应。显式报文连接是无条件的点对点连接。报文DeviceNet有两种基本类型的报文：显式报文和I/O报文。I/O报文是工业控制系统最主要的信息， I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换。I/O报文的数据帧的数据区中一般不包含任何与协议有关的位，只有当I/O报文为大报文经过分割后形成的I/O报文片段时，数据区中才有1字节由报文分割协议使用。I/O报文具有以下特点： 由于控制系统的实时性要求，I/O信息必须快速重复地传送、刷新，因此数据量大，要求格式精简；为了更有效地传送I/O信息，DeviceNet定义了多种传送规则：位选通、轮询、状态变化/循环传送，以便根据应用对象信息的特点加以利用； I/O信息可以选择应答或无应答传送，一般选择无应答方式以节省时间；可以是点对点或多点传送。显式报文用于两个设备之间多用途的点对点的报文交换，一般用于节点配置、故障情况报告和故障诊断，是典型的请求响应通信方式。显式报文利用CAN的数据区来传递定义的报文，包括报文头和报文体两部分。8bit分段一个显式报文的分段包括报文头、分段协议、分段报文体3部分。报文头：0号字节指定，接收报文时检查MAC ID。报文体：包含服务区和服务特定变量。分段协议：用于大段显式报文的分段转发及重组。分段协议在显/隐报文内的位置不同，显1隐0。DeviceNet提供了一组公共服务显式报文，如读取属性、设置属性、打开连接、关闭连接、出错响应、起动、停止、复位等。显式报文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息包含在报文数据帧的数据区中，如要执行的服务和相应的寻址信息。显式报文的格式繁杂，传送数据的效率低。每台设备必须能解释每个显式报文的含义，实现它所请求的任务，并生成相应的回应。连接技术连接建立：一般模式、预定义主/从连接组。一般模式：显式信息连接的建立节点之间通过未连接显式请求报文和未连接显式响应报文来建立并管理显式信息的连接。UCMM负责处理。动态I/O连接的建立通过先前建立的显式报文连接的连接分类接口建立。建立过程：建立显式报文连接创建I/O连接对象配置连接实例执行配置注意：连接是单方向的，若需双方交换，要建立两个连接。预定义的主/从连接组Devicenet提供了一个功能很强的应用层协议，允许动态配置设备间的连接。而在实际使用中，许多对象的应用情况往往很简单，常用的主/从连接方式足以满足要求。为此DeviceNet定义了一个预定义主/从连接组和仅限组2的从站，以降低从站的成本和简化设备的配置。 预定义主/从连接组用于主/从连接式通信，并预先定义好各报文组内一些通信道的功能。在使用前，主站需要通过主/从连接组分配请求服务和从站的应答来明确主从关系，并通过分配选择的设置明确所采用的报文传送机制(位选通、轮询、状态改变、循环、显式)。而对于不具有未连接信息管理(UCMM)能力的从站，称为仅限组2从站，它没有能力接收通常的未连接显式报文，只能通过预定义主/从连接组内预留的未连接显式请求报文(组2，报文ID=6)和从站的显式/未连接响应报文(组2，报文ID=3 )来实现预定义主/从连接的分配或删除。仅限组2从站判断：主站发送开放显式信息连接请求报文两次，从站是否响应连接建立过程：主站发送分配预定义主/从连接组报文至从站从站接收、回复主站发送分配服务请求从站创建I/O连接实例主站进行I/O实例配置连接建立DeviceNet设备描述为实现不同制造商生产的同类设备的互换性、互操作性和功能的一致性，DeviceNet对直接连接到网络上的每类设备都定义了设备描述。设备描述是从网络角度对设备内部结构的说明，凡是符合同一设备描述的设备均具有同样的功能，生产或消费同样的I/O数据，包含相同的可配置数据。设备描述说明设备使用哪些DeviceNet对象库中的对象、哪些制造商特定的对象以及关于设备特性的信息。设备描述的另一个要素是对设备的网络上交换的I/O数据的说明，包括I/O 数据格式及其在设备内所代表的意义。除此之外，设备描述还包括设备可配置参数的定义和访问这些参数的公共接口。DeviceNet与CANDeviceNet总线协议是在CAN总线的基础上建立起来的。DeviceNet的数据链路层完全遵循CAN规范的定义，并通过CAN控制器芯片实现。DeviceNet总线只使用了CAN2.0A中的有关定义，并不支持CAN2.0B中的扩展报文格式。DeviceNet在CAN总线的基础上又增加了面向对象、基于连接的现代通信技术理念，并开发了应用层。其应用层规定了CAN数据帧的使用方式、节点重复地址检测机制、对象模型及设备的标准化。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！29