基于DeviceNet 的嵌入式I/O模塊設(shè)計(jì)

0 引言

DeviceNet是一種基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放型現(xiàn)場總線通信網(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)。在很多歐美國家，越來越多的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)采用DeviceNet來實(shí)現(xiàn)。

ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(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)控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯(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、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)。控制器能直接或經(jīng)由Modem 組網(wǎng)?；贒eviceNet 的嵌入式I/O 模塊通過I/O 口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，ModBus通過串口與嵌入式I/O模塊進(jìn)行通信。通過此過程完成DeviceNet與ModBus之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。

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)換過程是分層次進(jìn)行的。首先把總線設(shè)備發(fā)送過來的設(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LPC2129,硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是NXP 公司的32 位工業(yè)級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可以識別的協(xié)議數(shù)據(jù)。

撥碼開關(guān)用來設(shè)置DeviceNet 端的波特率及MAC地址，其中波特率的開關(guān)為3 位，分別代表125 Kb/s,250 Kb/s,500 Kb/s;MAC地址的開關(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 公司開發(fā)，并將其作為一個(gè)基于CAN協(xié)議的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)而公布。與其他現(xiàn)場總線相比，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)識符(Connec-tion ID,CID)，連接標(biāo)識符由設(shè)備媒體訪問控制標(biāo)識符(MAC ID)和信息標(biāo)識符(Message ID)兩部分組成。連接建立后設(shè)備可通過發(fā)送釋放連接或刪除連接請求服務(wù)來斷開連接。在某個(gè)特定的連接上長時(shí)間沒有進(jìn)行通信，這個(gè)通信將自動(dòng)斷開以釋放資源。其中，MAC ID可通過硬件設(shè)定，也可通過軟件來配置。標(biāo)識符分為四組，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)地址檢測機(jī)制、對象模型及設(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(通過網(wǎng)絡(luò))的通信都要通過ModBus協(xié)議來實(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)控制器請求訪問其他設(shè)備的過程以及如何回應(yīng)其他設(shè)備的請求，以及偵測錯(cuò)誤并記錄的過程。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，并能識別按地址發(fā)來的消息，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)行說明。控制器使用主/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)誤檢測域，具體的ModBus 協(xié)議通信過程如圖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)誤檢測域。如果在消息接收過程中發(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)約定義功能號為1~127.作為主機(jī)請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(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)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。

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本程序采用中斷的方法來實(shí)現(xiàn)兩種報(bào)文的收發(fā)及轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化，主處理程序和收發(fā)數(shù)據(jù)三部分。整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。[!--empirenews.page--]

3.2 DeviceNet從站協(xié)議代碼

為了實(shí)現(xiàn)DeviceNet 通信模塊與ModBus 模塊通過DeviceNet 現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要開發(fā)一個(gè)Devi-ceNet 從站節(jié)點(diǎn)。一個(gè)僅限組2 的DeviceNet 從站在通信模塊中以軟件的形式實(shí)現(xiàn)，從站確保通信模塊能夠通過DeviceNet 接口接收到主站的數(shù)據(jù)。DeviceNet 從站代碼組成一套可以移植到其他DeviceNet從站產(chǎn)品上的DeviceNet協(xié)議棧，該協(xié)議棧的主要特點(diǎn)如下：

(1)支持DeviceNet預(yù)定義主/從連接模式;

(2)支持報(bào)文類型：Poll,Strobe,Change of State/Cyclic.

通過DeviceNet協(xié)議棧，嵌入式I/O模塊可以與主站建立顯式信息連接以及I/O 連接。DeviceNet主/從站連接的過程，當(dāng)主站發(fā)送一個(gè)請求命令時(shí)，DeviceNet必須對其進(jìn)行響應(yīng)。本嵌入式I/O 模塊屬于僅限組2設(shè)備，一個(gè)DeviceNet的組2 服務(wù)器在通過重復(fù)MAC ID 檢測上線后，需等待客戶機(jī)分配預(yù)定義主/從連接組并建立顯式信息連接，通過客戶機(jī)的配置和驗(yàn)證后建立輪詢的I/O連接。

根據(jù)DeviceNet主/從站的連接過程，DeviceNet從站必須對主站的請求進(jìn)行響應(yīng)，具體的通信過程如圖6所示。

4 嵌入式I/O模塊的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層程序調(diào)用協(xié)議棧相關(guān)函數(shù)接收DeviceNet主站端的DeviceNet數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換為ModBus的通信規(guī)約格式，送入U(xiǎn)ART 口后傳送到ModBus 從站。反之，當(dāng)ModBus從站發(fā)送讀命令后，若收到DeviceNet主站的響應(yīng)數(shù)據(jù)，則將該UART 口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DeviceNet 規(guī)約格式并打包發(fā)返回到DeviceNet 主站。最終實(shí)現(xiàn)Devi-ceNet 和ModBus 之間的雙向數(shù)據(jù)交換。如圖7 所示為主程序流程圖。

上電后，嵌入式I/O模塊啟動(dòng)，首先進(jìn)行一次自檢，檢測它的MAC ID,波特率，E2PROM.自檢通過后，對LPC2129進(jìn)行初始化，打開CAN收發(fā)中斷。在主循環(huán)里首先查看是否有新的DeviceNet主站數(shù)據(jù)，若有則將它轉(zhuǎn)換為UART 的格式寫到ModBus 內(nèi)部。若無新數(shù)據(jù)，則直接進(jìn)入下一步，發(fā)送讀ModBus主站命令，每發(fā)一條等待響應(yīng)，若在等待周期內(nèi)收到響應(yīng)，則在接收中斷內(nèi)將接收到的ModBus從站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DeviceNet數(shù)據(jù)。

在嵌入式I/O模塊自檢過程中可以根據(jù)指示燈的情況判斷自檢是否成功，只有在自檢成功后才進(jìn)行CAN總線初始化。

void SelfCheck(void)是I/O 模塊自檢函數(shù)。在自檢過程中需要調(diào)用控制燈初始化函數(shù)和控制函數(shù)，voidinit_led(void)，void net_led_ctrl(_U08 ctrl_para)?？刂茻粢还灿?個(gè)，端口號分別為P0.8~P1.3.通過這6個(gè)燈的亮滅分別驗(yàn)證波特率，MAC ID,網(wǎng)絡(luò)，E2PROM 是否正確。

在本工程中添加uart.h 和uart.c 文件，其中INT8UUART0_Ini(INT32U baud,UARTMODE set)(void)是串口初始化程序，在該程序中主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)過濾，設(shè)置串口波特率，設(shè)置串口模式的功能。

void SendBytes(INT8U *data,INT8U len)(void)按字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。

void IRQ_UART0(void)(void)串口UART0 接收中斷。在該函數(shù)中比較是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，在有新數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行中斷處理。

void uart0_oper()是串口數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

void init_uart0(INT32U bandrate_uart)(void)初始化中斷啟動(dòng)函數(shù)，在該函數(shù)中進(jìn)行設(shè)置I/O 連接到UART0,設(shè)置中斷允許等操作。

部分程序如下：

其中的中斷通道號是可以修改的，但是在一個(gè)工程中不能重復(fù)。VICVectAddr6中的6即為通道號，0×26和(1《6)中的6為中斷向量，各種中斷向量是確定的，不可隨意更改。

void DnsPollRequestUpdate(void)是DeviceNet協(xié)議棧部分DeviceNet數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，它在嵌入式I/O模塊接收到一個(gè)完整的輪詢請求后被調(diào)用。該函數(shù)首先對本次接收到的數(shù)據(jù)和上次接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有當(dāng)不同時(shí)才將接收到的新數(shù)據(jù)賦給aubAppOldConsData[i]以便被串口通過中斷方式讀取后寫到ModBus主站。

這樣不僅減輕了MCU的處理負(fù)擔(dān)，還避免了ModBus主站寄存器的不斷寫入。

void DnsPollResponseUpdate(void)也是DeviceNet協(xié)議棧部分DeviceNet數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，它在通信模塊進(jìn)行輪詢響應(yīng)前被調(diào)用。該函數(shù)將讀ModBus從站命令獲得的數(shù)據(jù)_U08 aubAppNewProdData[i]賦給aubApp-PollProdData[ubCntByte]作為輪詢響應(yīng)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用NXP公司的ARM7處理器LPC2129,實(shí)現(xiàn)了基于DeviceNet總線的PCI5010-D主站與基于Mod-Bus 總線的設(shè)備之間的通信。充分利用了LPC2129 的CAN控制器設(shè)計(jì)和UART接口，一個(gè)接PCI5010-D主站端的DeviceNet總線，另一個(gè)接ModBus端。主站，從站和I/O模塊同時(shí)上電后，PCI5010-D主站與I/O模塊間的DeviceNet總線先建立連接后進(jìn)行I/O 輪詢，PCI5010-D主站的輸出通過I/O模塊的轉(zhuǎn)換后通過UART接口被寫入ModBus相應(yīng)的寄存器。然后I/O 模塊發(fā)出讀命令并將ModBus 的返回值轉(zhuǎn)換為DeviceNet總線格式作為輪詢輸入返回到PCI5010-D 主站。這樣便完成了一個(gè)完整的信息交換過程。

嵌入式I/O在實(shí)際的工作環(huán)境下經(jīng)過嚴(yán)格的測試，能夠滿足模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化要求。DeviceNet從站代碼經(jīng)過了ODVA 的一致性測試，可移植到其他的產(chǎn)品上。