低壓電器DeviceNet通信適配器的研究與實現

史仍輝

【摘要】 本文以實現DeviceNet和Modbus現場總線協議轉換的DeviceNet通信適配器為例，對其協議結構進行分析并提出了通信模型。設計實現了一款DeviceNet通信適配器，能將Modbus接口的低壓電器設備接入到DeviceNet網絡中。DeviceNet通信適配器符合DeviceNet一致性測試要求，對其進行了長期運行試驗，其軟硬件及通信功能均運行正常。

【關鍵詞】 現場總線 通信適配器 協議轉換 DeviceNet Modbus

引言

目前，國際上有幾十種不同的現場總線標準，幾種主流的現場總線有Modbus、Profibus、DeviceNet、FF、LONWORKS、CAN等。Modbus在國內獲得了非常廣泛的應用，許多現有的低壓電器設備都具有Modbus通信接口，DeviceNet作為IEC和我國現場總線標準之一，支持DeviceNet的智能節點越來越多[4-5]。

現場總線協議基于精簡的ISO/OSI 7 層參考模型，也就是以ISO 頒布的OSI 標準7 層參考模型為基礎，對第3 層到第6層進行了簡化，這樣可以確保高效的數據傳輸。現場總線協議的結構一般包括物理層、數據鏈路層、應用層和用戶接口。眾多現場總線并存的局面使得開發適應所有現場總線的產品是不經濟的，也是不現實的。現場總線的開放性結構決定了開發現場總線通信適配器（協議轉換器/網關）是可行的。

現場總線通信適配器能夠把從一種現場總線設備發送來的數據在不同的協議層解包， 得到用戶數據， 然后再按照另一現場總線協議逐層打包， 最后發送到該現場總線設備上的一種協議轉換器。通信適配器使得不同的總線協議可以互連互通，在不同現場總線網絡之間建立一條連接通道，從而實現不同網絡用戶間數據的交換。由于大多數的現場總線都采用主從式的總線機制，因此現場總線通信適配器通常是一類現場總線的主站，同時又是另一類現場總線的從站。

一、協議結構分析與通信模型

1.1 DeviceNet與Modbus協議結構分析

1） DeviceNet協議分析

DeviceNet是一種基于控制器局部網（CAN）技術的設備級底層網絡，采用CAN的物理層和數據鏈路層規約。CAN協議規定了OSI模型中物理層和數據層的一部分。DeviceNet使用帶有主干和分支線的線性網絡拓撲結構，最多可以連接 64個節點，使用點對點、多主或主/從通信方式；采用無破壞性的逐位仲裁技術。DeviceNet的網絡結構分為物理層、數據鏈路層和應用層。DeviceNet沿用了CAN協議標準所規定的物理層和數據鏈路層，并補充定義了部分物理層和數據連路層，構建了應用層。DeviceNet協議分層結構如圖1所示。

2）Modbus協議分析

Modbus總線適用于主從式控制，是工業串行通信事實上的標準。Modbus協議遵從主/從通信模式。Modbus總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發出請求，從站應答請求并返回數據或狀態信息，從站不能夠自己發送信息。Modbus協議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告傳輸錯誤等。網絡中的每個從設備都必須分配一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發出的命令。

1.2通信適配器通信模型

DeviceNet協議和Modbus協議的數據鏈路層和應用層用戶接口完全不同， 是兩個異構的總線網絡，要實現它們的互聯，就需要現場總線通信適配器來完成協議轉換。

DeviceNet通信適配器要實現從Modbus協議至DeviceNet協議的轉換， 因此DeviceNet通信適配器必須同時實現Modbus主站功能與DeviceNet的從站功能。從DeviceNet至Modbus協議轉換的通信模型結構如圖2。

圖2所示的是DeviceNet通信適配器協議轉換通信模型。DeviceNet通信適配器作為Modbus主站，向Modbus從站發出請求報文，在接收到Modbus從站響報文后解析報文并存儲；當DeviceNet主站發出請求報文后，DeviceNet通信適配器作為DeviceNet從站，接收DeviceNet請求報文并解析，根據Modbus從站響應的數據返回DeiveNet響應報文。

二、功能與設計

2.1通信適配器功能

DeviceNet通信適配器用于將具有Modbus接口的低壓電器設備接入DeviceNet總線，它向下通過Modbus RTU協議，RS-485串行接口與設備連接，向上通過DeviceNet接口接入DeviceNet總線。DeviceNet通信適配器主要功能：

① 協議轉換功能。在設備本體（帶有Modbus接口）和DeviceNet總線之間架起一座橋梁，使設備的采集數據可以以正確的格式和方式上傳給DeviceNet主站，并將DeviceNet主站的命令下傳給設備。這樣設備本體就不需要花費大量的精力改變結構和研究DeviceNet協議，協議轉換這部分工作由DeviceNet通信適配器來完成。

② 可配置功能。可配置Modbus從站地址、波特率、校驗方式，并且可以根據需要來配置每一個Modbus RTU設備需要讀取或者寫入的寄存器數據。不同的設備，只要符合Modbus RTU協議，利用配置軟件配置好設備信息，就可通過DeviceNet通信適配器接入DeviceNet網絡，DeviceNet通信適配器向下支持多個Modbus RTU從站設備。

③ 按鍵、顯示功能。按鍵可對DevicNet通信波特率、節點地址進行設置；液晶顯示狀態，包括DevicNet節點地址、波特率，Modbus節點地址、波特率等。

2.2通信適配器硬件設計

根據DeivceNet規范規定，網絡中任一設備都必須有接地隔離柵。根據隔離柵在節點內部還是外部，分為隔離節點和非隔離節點。隔離節點根據隔離位置分為兩種，在物理層處進行隔離的節點是具有隔離物理層的節點，在I/O處隔離的節點是非隔離物理層的節點。

DeviceNet通信適配器設計采用在I/O處隔離的方式，是具有非隔離物理層的隔離節點。DeviceNet通信適配器的硬件結構見圖3。包括誤接線保護電路、DC-DC電路、隔離電路、液晶段碼電路、微處理器、485收發器、CAN收發器、按鍵、指示燈等。

DeviceNet網絡電壓為24V，而DeviceNet通信適配器內部工作電壓為5V和3.3V，電源電路選用TPS5430將24V電壓轉換為5V電壓，采用LDO芯片SPX1117M3-3.3V將5V降為3.3V。微處理器選用Silicon公司的C8051F500，該MCU具有8051內核微控制器，集成CAN2.0B控制器。DeviceNet協議的物理層采用CAN通信方式，選用PCA82C2501作為CAN收發器。在Modbus通信端使用RS-485接口，選用AD公司485收發器ADM2483，它是帶隔離的增強型RS-485收發器。

2.3通信適配器軟件設計

DeviceNet通信適配器按照DeviceNet協議和CIP協議上關于設備狀態轉換機制的要求進行軟件設計，設備共有6種狀態：不存在、設備自檢、待機、可操作、重要可恢復故障、重要不可恢復故障。DeviceNet通信適配器的狀態轉換機制如圖4所示。

主程序上電運行之后會先初始化MCU，接著讀取FLASH中的數據，創建ModbusRTU通信表，初始化DeviceNet通信參數表，然后通信適配器進入設備自檢，設備自檢失敗進入重要不可恢復故障狀態，自檢通過后會檢查工作模式，若為配置節點地址/波特率模式，可通過按鍵修改DeviceNet節點地址和波特率；若為上位機配置模式，可通過RS485接口與上位機配置軟件通信，獲取適配器的參數；若為運行模式，在適配器與主站建立連接后，會掃描報文請求應用程序，如當前為顯式信息請求，根據顯式信息的服務代碼去讀/寫Modbus報文，更新DeivceNet顯式報文緩沖區，向主站發送DeviceNet響應信息；如為I/O信息請求（定時器觸發），運行配置在適配器里的周期性Modbus報文，更新DeviceNet I/O報文緩沖區。執行完報文請求應用程序，會掃描按鍵程序，至此，運行模式的處理程序結束，判斷故障，若有故障進入故障處理，接著回到設備自檢通過的位置，開啟下一個循環。

三、測試與運行

為了保證連接在DeviceNet網絡上的設備能互相通訊和互相操作，DeviceNet設備需要進行一致性測試，DeviceNet國際組織ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）開發了DeviceNet設備的一致性測試。DeviceNet通信適配器在我司根據ODVA一致性測試規范搭建DeviceNet一致性測試平臺上按照ODVA頒布的測試政策和一致性測試版本，對 DeviceNet通信適配器進行了一致性測試，包括協議一致性測試、物理層測試和互操作性測試，見圖5。

DeviceNet通信適配器通過一致性測試后，對其進了長時間的試運行試驗。DeviceNet通信適配器將帶Modbus接口的智能低壓電器接入到DeviceNet平臺中。經過長期試運行，DeviceNet通信適配器的軟、硬件及通信功能均運行正常。

四、總結

現場總線協議轉換技術可以集成不同種類的現場總線設備。DeviceNet通信適配器能將Modbus接口的低壓電器設備接入DeviceNet網絡，不僅可以應用在低壓電器領域，還可以應用于智能配電系統、智能電網用戶端系統、工業自動化等領域。本文提到的DeviceNet通信適配器的原理與設計實現也可為其它種類現場總線通信適配器的研究和開發提供借鑒和參考。

參 考 文 獻

[1] 吳新忠，喬宏穎，任子輝.現場總線技術綜述. 工礦自動化，2004，（1）：23-25.

[2] 武長坤，戴瑜興.DeviceNet現場總線及其應用.低壓電器，2004，（7）：31-33，61.

[3] 方彥軍，胥軍.現場總線協議轉換方法研究及其網關開發.2005中國控制與決策學術年會論文集，1373-1376.

[4] 阮于東，劉健，季慧玉等.GB/T 18858.3-2002，低壓開關設備和控制設備 控制器--設備接口（CDI） 第3部分：DeviceNet.北京：中國標準出版社，2003.

[5] 劉健，阮于東，季慧玉等.JB/T 10709-2007，低壓電器通信適配器.北京：機械工業出版社，2007.