基于DeviceNet數據采集系統的設計

蔣成清 王曉宇

【摘要】工業現場上經常需要監控現場的工作環境和設備的運行狀態，所以需要對現場的溫度、濕度和設備的電壓、電流等參數進行采集，并傳送給上位機監測。本文提出了一種數據采集系統的設計和實施方案，采用STM32作為微處理器，標準DeviceNet協議作為通信規約，實現數據采集的網絡化和智能化。

【關鍵詞】數據采集;STM32;DeviceNet協議;DN1022

1.引言

隨著我國工業化水平不斷提高，工業現場需要監控現場的工作環境和設備的運行狀況，包括測量現場的溫度、濕度和設備的電壓、電流等參數。傳統的數據采集多采用變送器，但是，變送器采集的數據采用模擬量傳輸，抗干擾能力較差，并且采集數據單一，不能完成多參數采集，不易實現網絡化。如何提高采集數據抗干擾能力，并且完成多參數采集等問題有待完善。本設計采用stm32作為CPU，DeviceNet作為通信協議，接收并處理DeviceNet主站下達的查詢命令，組織相應數據上報給DeviceNet主站，有多路的輸入和多路的輸出。

2.總體設計方案

從功能上講，本設計可以分為兩大部分：即工業現場信號采集電路和工業現場控制電路。其中工業現場信號采集電路完成對數字信號的采集，再由stm32對數據進行處理，通過標準的DeviceNet協議與DeviceNet主站通信。工業現場控制電路接收并處理DeviceNet主站下達的控制命令，組織相應數據實現對工業現場的控制。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統的方框圖

2.1 數據采集電路

數據采集電路實現了開關量的實時采集功能。微處理器STM32f103R8的I/O口可以配置為開關量輸入端口，開關量輸入信號由I端輸入，通過光電耦合器PC817與微處理器I/O口相連。微處理器對輸入端進行狀態查詢，讀取狀態信息。光電耦合器PC817在作用是實現現場開關量與微處理器間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。

2.2 協議芯片接口電路

DN1022芯片具有內置的CAN口和DeviceNet處理引擎，內置DeviceNet Group 2 Only Slave從站協議棧，具有高速串行口和配置口。微處理器可通過串口和DN1022通信。其集成度高、封裝簡單，滿足一般的DeviceNet從節點功能要求。

（1）工作狀態配置。DN1022芯片初始化時會檢測配置口線CFG1的狀態，根據狀態的不同，決定芯片的工作狀態。如果CFG1=0，芯片處于配置狀態;CFG1=1，芯片處于工作狀態。

（2）I/O數據交換狀態。DN1022內部有一個I/O數據緩沖區，DeviceNet主站與DN1022之間的數據交互是異步進行的。

在工作狀態，stm32可以與DN1022進行I/O數據交換及參數讀寫。如圖3，DN1022芯片的RXD、TXD為串行口信號接收和發送引腳，分別接用戶的處理器的TXD及RXD。高速串口最高波特率可達115.2Kbps，可以滿足與DeviceNet相匹配的速度。

圖2 DN1022接口電路

2.3 輸出控制電路

當接收到DeviceNet主站發送的命令時，微處理器stm32對數據進行處理，根據主站要求指示相應的繼電器閉合，三極管飽和導通，相應指示燈亮，實現了對開關量的控制。光電耦合器PC817實現電氣隔離作用。

圖3 輸出控制電路

2.4 撥碼開關電路

撥碼開關電路分為從站地址的選擇和波特率的選擇兩種，并且要求在配置狀態下才能設置。從站地址的選擇通過撥碼開關中的前六位A1—A6設置從站地址，采用8421BCD編碼規則配置從站地址，設置范圍0-63。波特率的選擇有125Kbps、250Kbps、500 Kbps和自動波特率設置4種可選。通過撥碼開關中的后兩位A7和A8選擇波特率，采用8421BCD編碼規則配置波特率。

3.系統軟件設計

本設計由C語言編程實現，完成對工業現場信號進行采集，組織相應數據通過DeviceNet協議傳給主站;并且接收處理DeviceNet主站發出的命令，控制對輸出繼電器做出閉合或釋放動作，以實現開關量信號的輸出。本設計中采用Keil uVision4為開發平臺，編寫了主程序，數據采集及處理程序，串口通信程序。上電后，CPU首先對DN1022進行配置，需要配置的參數有地址、波特率、Network Input連接長度等。然后進行I/O數據交換。DeviceNet主站與DN1022之間的數據交互是異步進行的。

表1 DN1022命令表

命令號 命令功能

0x1 設定身份識別信息（配置狀態）

0x2 設定連接信息（配置狀態）

0x5 I/O數據傳輸（運行狀態）

0x6 I/O數據傳輸，并讀取Device Net網絡狀態（運行狀態）

0xE 讀取參數（運行狀態）

0x10 設置參數（運行狀態）

0x20 設定參數信息參數（配置狀態）

表1為協議芯片DN1022的命令表，本設計使用了1號、2號以及5號命令。1號命令是配置命令，包含設備號，設備許可號，版本號，產品名稱等。當發送完一幀命令后，DN1022返回一個響應幀，0x81是正確響應幀，0xE0和0x2是錯誤響應幀。2號命令是配置命令，包括地址、波特率、輸入及輸出長度。地址和波特率是通過撥碼開關讀取的，由于輸入和輸出為4組，所以設置為各1個字節。正確響應幀為0x82，0x01和0xff是錯誤響應幀。5號命令為運行命令，完成DN1022與stm32之間的數據通信，正確響應幀為0x85。圖6為整個系統設計的軟件流程圖。

圖4 軟件流程圖

4.結論

本設計采用stm32作為CPU，對工業現場信號進行多路采集，采集的信息同時性好，通過devicenet協議與PLC實時通信，傳輸數據的實時性與可靠性顯著提高，完全能滿足整個系統的運行，通用性好，具有較好的應用價值和市場前景。

參考文獻

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作者簡介：蔣成清（1993—），安徽宿州人，大學本科，現就讀于遼寧科技大學。

通訊作者：王曉宇（1978—），遼寧鞍山人，碩士，講師，主要研究方向：信號與系統。