引 言

DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和協(xié)議都是開(kāi)放的——供應(yīng)商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需為硬件、軟件或授權(quán)付費(fèi)；任何人都能以名義上的復(fù)制成本（目前為250美元+郵費(fèi)）從開(kāi)放式DeciceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范。

本設(shè)計(jì)針對(duì)的DeviceNet從設(shè)備特性如下：屬于DeviceNet group 2 only 從設(shè)備；采用Predefine的通信連接；可通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)設(shè)置125 kbps、250 kbps、500 kbps波特率；可通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)設(shè)置0~63 MAC ID。在軟件、硬件設(shè)計(jì)前應(yīng)首先進(jìn)行從設(shè)備（泵/閥）I/O需求分析（即profile文檔設(shè)計(jì)）。由于篇幅關(guān)系本文從略。

1、 通信適配器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能簡(jiǎn)介

DeviceNet是基于CAN總線的一種總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。因此，DeviceNet從設(shè)備適配器硬件首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)CAN總線的基本功能，主要包括：報(bào)文收發(fā)、訪問(wèn)控制及其它物理層的諸多功能。此外，為實(shí)現(xiàn)DeviceNet協(xié)議，硬件應(yīng)具有足夠大的程序存儲(chǔ)空間，并具有足夠快的運(yùn)行速度，以保證協(xié)議程序的順利執(zhí)行。

1.2 硬件原理

DeviceNet節(jié)點(diǎn)硬件主要由以下幾部分組成：電源、單片機(jī)系統(tǒng)、看門狗及掉電保護(hù)電路、CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C251、撥碼開(kāi)關(guān)及狀態(tài)LED顯示、雙口RAM IDT7005、AnyBus接口。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

（1）單片機(jī)

DeviceNet適配器選用Winbond公司的高性能8位單片機(jī)W78E58。W78E58功能、引腳與80C52完全兼容，并提供256 B的內(nèi)部RAM以及32 KB的Flash EEPROM，從而使系統(tǒng)不需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器便可滿足DeviceNet協(xié)議程序的容量要求。W78E58最高可在40 MHz的主頻下運(yùn)行，處理速度完全滿足DeviceNet節(jié)點(diǎn)通信的實(shí)時(shí)性要求。為減少芯片的數(shù)量及降低硬件成本，本系統(tǒng)只擴(kuò)展1片8 KB的雙口RAM，其前面7 KB用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最后 1 KB用于提供與其它應(yīng)用電路的通信接口。

（2）CAN控制器SJA1000

DeviceNet總線報(bào)文的收發(fā)以及媒體訪問(wèn)控制等都是依據(jù)CAN總線協(xié)議的，而這些協(xié)議都要通過(guò)CAN控制器加以實(shí)現(xiàn)。DeviceNet通信節(jié)點(diǎn)選用目前比較流行的Philips CAN控制器SJA1000。由于DeviceNet總線協(xié)議采用11位的標(biāo)識(shí)符，因此應(yīng)使SJA1000工作在Basic CAN模式。

（3）CAN收發(fā)器82C251

CAN收發(fā)器（transceiver）82C251的主要作用是收發(fā)CAN總線上的信號(hào)：一方面將總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN控制器所需的信號(hào)；另一方面，將CAN控制器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為CAN總線信號(hào)。

（4）雙口RAM IDT7005

DeviceNet適配器通過(guò)1個(gè)具有中斷功能的雙口RAM IDT7005提供與其它應(yīng)用電路的通信接口。IDT7005具有2套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線，允許2個(gè)CPU對(duì)雙口RAM的同一個(gè)單元在不同的時(shí)間進(jìn)行讀寫；具有2套完全獨(dú)立的中斷邏輯，實(shí)現(xiàn)2個(gè)CPU間的握手控制信號(hào)。IDT7005的最高2個(gè)字節(jié)1FFEH和1FFFH分別兼做2個(gè)端口的中斷邏輯單元。

（5）AnyBus接口

作為一種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線通信節(jié)點(diǎn)，AnyBus提供了與其它應(yīng)用電路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)接口的引腳進(jìn)行了嚴(yán)格的定義。

2、 DeviceNet總線通信協(xié)議

DeviceNet協(xié)議規(guī)范是描述DeviceNet設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)連接和交換數(shù)據(jù)的一套協(xié)議。在DeviceNet規(guī)范中定義了DeviceNet通信協(xié)議，詳細(xì)介紹了連接、信息協(xié)議和與通信相關(guān)的對(duì)象。

（1）DeviceNet是基于連接的網(wǎng)絡(luò)

DeviceNet中的連接提供在多種應(yīng)用之間交換信息的路徑。當(dāng)建立1個(gè)連接時(shí)，與連接相關(guān)信息的傳送就會(huì)分配1個(gè)標(biāo)識(shí)符，稱為連接標(biāo)識(shí)符CID（Connection Identifier）。如果某個(gè)連接需要雙向數(shù)據(jù)交換，則應(yīng)該分配2個(gè)不同的連接標(biāo)識(shí)符。

DeviceNet通信協(xié)議是基于連接概念的協(xié)議。一旦建立了連接，就可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳送I/O數(shù)據(jù)。此時(shí)，DeviceNet I/O報(bào)文的所有協(xié)議都包含在11位的CAN標(biāo)識(shí)符中，其它部分都是數(shù)據(jù)。

11位的CAN標(biāo)識(shí)符用來(lái)定義連接ID。DeviceNet將11位的CAN標(biāo)識(shí)符分為4組，前3組的連接ID包括了6位的媒體訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)符（MAC ID）以及信息標(biāo)識(shí)符（Message ID）。信息組的定義如圖2所示。組4信息用于離線通信。

通過(guò)設(shè)計(jì)，DeviceNet系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)ψ约旱臉?biāo)識(shí)符進(jìn)行管理。這些標(biāo)識(shí)符交錯(cuò)分布在整個(gè)范圍內(nèi)。所有的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)完整的它們能獲得的報(bào)文優(yōu)先權(quán)范圍，而與它們的MAC ID無(wú)關(guān)。重復(fù)MAC ID算法保證了CAN標(biāo)識(shí)符的唯一性，而不需要網(wǎng)絡(luò)集中工具或記錄。

（2）DeviceNet的報(bào)文傳送

DeviceNet使用更為有效的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，取代了傳統(tǒng)的源/目的的傳輸方式。該模式要求對(duì)報(bào)文打包，使它具有數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位域。標(biāo)識(shí)符還提供解決多級(jí)優(yōu)先權(quán)（仲裁中使用）的手段，以便更高效地傳送I/O數(shù)據(jù)，并供多個(gè)消費(fèi)者使用。

DeviceNet定義了2種不同類型的報(bào)文，稱作 I/O報(bào)文和顯式報(bào)文。I/O報(bào)文適用于實(shí)時(shí)性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)。I/O報(bào)文數(shù)據(jù)幀中的8位數(shù)據(jù)場(chǎng)不包含任何與協(xié)議有關(guān)的位，只有當(dāng)I/O報(bào)文為大報(bào)文經(jīng)過(guò)分割后形成的I/O報(bào)文片段時(shí)，數(shù)據(jù)位域中有一位由報(bào)文分割協(xié)議使用。連接標(biāo)識(shí)符提供了I/O報(bào)文的相關(guān)信息，在I/O報(bào)文利用連接標(biāo)識(shí)符發(fā)送之前，報(bào)文的發(fā)送和接收設(shè)備都必須先進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定的內(nèi)容包括源和目的對(duì)象的屬性，以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的地址。顯式報(bào)文適用于2個(gè)設(shè)備間多用途的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)報(bào)文傳遞，是典型的請(qǐng)求-響應(yīng)通信方式，常用于節(jié)點(diǎn)的配置、問(wèn)題診斷等。顯示報(bào)文通常使用優(yōu)先級(jí)低的連接標(biāo)識(shí)符，并且該報(bào)文的相關(guān)信息包含在顯示報(bào)文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位域中，包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對(duì)象的屬性及地址。

（3）預(yù)定義的主/從連接組

DeviceNet提供了一個(gè)功能很強(qiáng)的應(yīng)用層協(xié)議，允許動(dòng)態(tài)配置設(shè)備間的連接。但考慮到有些設(shè)備根本不需要也沒(méi)有資源去使用這一強(qiáng)大功能，DeviceNet指定了一套稱為預(yù)定義主/從連接組的連接標(biāo)識(shí)符，用來(lái)簡(jiǎn)化主/從結(jié)構(gòu)中I/O和配置型數(shù)據(jù)的傳送。

許多傳感器和執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)的功能在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)預(yù)先決定了（如感受壓力、啟動(dòng)馬達(dá)等等），因此這些設(shè)備將要生產(chǎn)和/或消費(fèi)的數(shù)據(jù)的類型和數(shù)量在上電前就已經(jīng)知道了。這些設(shè)備通常提供輸入數(shù)據(jù)或請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)。預(yù)定義主/從連接組可以滿足設(shè)備的這些要求，它提供的連接對(duì)象的全部配置在設(shè)備上電時(shí)就完成了。在啟動(dòng)數(shù)據(jù)流時(shí)，主機(jī)設(shè)備唯一必須執(zhí)行的一個(gè)步驟就是要廣播對(duì)從機(jī)內(nèi)該預(yù)定義連接組的所有權(quán)。

（4）DeviceNet對(duì)象模型與設(shè)備描述

① 對(duì)象模型。為管理和實(shí)現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品組件的屬性（數(shù)據(jù)）、服務(wù)（方法或步驟）和行為提供了一個(gè)模板。模型為每個(gè)屬性提供了由4個(gè)數(shù)字組成的尋址方案，分別是節(jié)點(diǎn)地址（MAC ID）、對(duì)象類標(biāo)識(shí)符、實(shí)例編號(hào)和屬性編號(hào)。這4級(jí)地址與顯式報(bào)文連接相結(jié)合，將數(shù)據(jù)從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的一點(diǎn)傳送到另一點(diǎn)。表1列出4個(gè)地址組件的范圍：

圖3是一個(gè)通用DeviceNet設(shè)備的對(duì)象模型；表2是DeviceNet產(chǎn)品中典型的對(duì)象類。

② 設(shè)備描述（Device Profiles）。DeviceNet規(guī)范不僅僅是一個(gè)物理連接協(xié)議規(guī)范。它通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備模型促進(jìn)不同廠商設(shè)備之間的互操作性。屬于同一設(shè)備模型的所有設(shè)備都必須支持共同的標(biāo)識(shí)和通信狀態(tài)數(shù)據(jù)。設(shè)備描述是針對(duì)各種設(shè)備而定義的。設(shè)備描述中包括設(shè)備各種特定的數(shù)據(jù)。符合設(shè)備類型描述的多個(gè)供貨商提供的簡(jiǎn)單設(shè)備（例如：按鈕、馬達(dá)啟動(dòng)器、光電池、氣動(dòng)閥執(zhí)行器）在邏輯上是可互換的。

DeviceNet規(guī)范定義了一個(gè)電子數(shù)據(jù)文件（EDS）。EDS是一個(gè)簡(jiǎn)單的文件格式，供貨商可以將產(chǎn)品的特殊信息提供給其它供貨商。這樣可以具有友好的用戶配置工具，可以很容易地更新，無(wú)需經(jīng)常修正配置軟件工具。

3 、通信適配器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面主要介紹通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。軟件的實(shí)現(xiàn)是以DeviceNet協(xié)議規(guī)范的2.0版本為指導(dǎo)的，不同的應(yīng)用有不同的具體實(shí)現(xiàn)。本文只給出設(shè)計(jì)的原理和指導(dǎo)思想及原則。

3.1 DeviceNet通信設(shè)備的上電狀態(tài)流圖

每個(gè)設(shè)備上電以前都有一個(gè)例行的狀態(tài)流轉(zhuǎn)過(guò)程。該過(guò)程描述了設(shè)備能夠在DeviceNet上通信之前必須完成的以下工作（例如重復(fù)MAC ID檢測(cè)等），以及對(duì)設(shè)備通信產(chǎn)生影響的網(wǎng)絡(luò)事件。

圖4是DeviceNet設(shè)備上電后的狀態(tài)流圖，其中一共有4個(gè)狀態(tài)：發(fā)送重復(fù)MAC ID檢測(cè)報(bào)文狀態(tài)、等待重復(fù)MAC ID檢測(cè)報(bào)文狀態(tài)、在線狀態(tài)、通信出錯(cuò)狀態(tài)。

3.2 CAN芯片的初始化

在建立CAN總線的通信之前要預(yù)先有一些初始化過(guò)程。一般，獨(dú)立式CAN芯片SJA1000在上電后或者上電后進(jìn)行軟件功能重置時(shí)要初始化一下工作寄存器。當(dāng)系統(tǒng)上電后，處理器首先運(yùn)行自己的特殊初始化過(guò)程，然后再進(jìn)入SJA1000的連接建立過(guò)程（SJA1000的17引腳獲得1個(gè)Reset低電平脈沖，并進(jìn)入Reset模式）。在初始化SJA1000的寄存器之前，主微處理器應(yīng)該檢測(cè)Reset的mode/request標(biāo)志。如果SJA1000已經(jīng)是Reset模式，因?yàn)樗械募拇嫫髦荒茉赗eset模式下進(jìn)行寫操作，所有的寄存器都將獲得相應(yīng)的配置信息。

在完成所有的初始化工作后，SJA1000就進(jìn)入工作模式，并且使CAN控制器的中斷功能有效。用C51編寫的SJA1000初始化及一個(gè)模擬發(fā)送、接收過(guò)程的程序請(qǐng)見(jiàn)本刊網(wǎng)站補(bǔ)充版。

3.3 報(bào)文收發(fā)程序和分段服務(wù)

這里所講的報(bào)文收發(fā)協(xié)議對(duì)不同的通信協(xié)議有不同的定義。另外，CAN的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不能超過(guò)8個(gè)字節(jié)，如何支持大于8個(gè)字節(jié)的報(bào)文要涉及到分段服務(wù)。分段協(xié)議信息由1個(gè)字節(jié)組成，其中高2位表示分段的類型，低6位作為分段的計(jì)數(shù)器，用來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)包。其計(jì)算方式是：

fragmentCount=（fragmentcount+1） mod 64。 表3是具體的分段類型。

因此在程序的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)加入對(duì)分段服務(wù)協(xié)議的支持。

發(fā)送報(bào)文的處理與接收的過(guò)程是一個(gè)逆向過(guò)程。需要注意的是編寫程序的時(shí)候要嚴(yán)格按照DeviceNet協(xié)議規(guī)范的定義，否則將產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤，為將來(lái)的協(xié)議一致性測(cè)試和底層調(diào)試都帶來(lái)許多麻煩。

3.4 DeviceNet通信適配器主程序的設(shè)計(jì)

軟件由頭文件、初始化程序、功能子程序和主程序組成。

軟件的組成結(jié)構(gòu)提供了硬件和軟件升級(jí)的方便。軟件中將對(duì)與主處理器、CAN控制器等硬件接口的部分進(jìn)行比較獨(dú)立的設(shè)計(jì)，而主程序和功能子程序主要集中在協(xié)議的完成。這對(duì)將來(lái)的硬件改型和可能的協(xié)議修改都提供了較大的方便。

軟件用Franklin C51語(yǔ)言編寫，通過(guò)偉福E51L單片機(jī)開(kāi)發(fā)裝置進(jìn)行調(diào)試。

軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在實(shí)現(xiàn)所有的功能模塊以后，最重要的是如何構(gòu)造一個(gè)有機(jī)的主程序模塊，將這些零散的模塊組織起來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作。另外，還要設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的循環(huán)體并周期性地執(zhí)行以對(duì)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文產(chǎn)生動(dòng)作。

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