DeviceNet通信及應用一、DeviceNet總線二、DeviceNet節點的開發三、工業機器人的IO擴展一、DeviceNet總線1.DeviceNet總線概述DeviceNet是一種基于CAN(ControllerAreaNetwork)技術的開放型、符合全球工業標準的低成本、高性能的現場總線協議標準。在Rockwell提出的三層網絡結構中，DeviceNet處于最底層，即設備層，是最接近現場的總線類型。DeviceNet是一種數字化，多點連接的網絡，在控制器和I/0設備之間實現通信，每一個設備和控制器都是網絡上的一個節點。DeviceNet作為一種串行通信鏈接，定義OS模型七層架構中的物理層、數據鏈路層及應用層，它能夠將工業設備(如限位開關、光電傳感器、閥組、電動機控制器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅動器和操作員接口等)連接到網絡，減少硬件接線的成本。一、DeviceNet總線2.DeviceNet通信原理DeviceNet支持多種通信方式，包括確定的周期性通信、狀態改變觸發通信（I/0觸發）、輪詢等。（1）周期性通信周期性發送（基于時間）時，數據可根據用戶選擇的速度來產生，數據的更新速度與節點和應用相匹配，可為快速變化的I/O信息的節點保留了帶寬。確定的周期性通信用于一些模擬設備的I/O數據傳輸，并可以根據設備信號的變化的快慢靈活設定通信周期，對于慢過程來說，這樣還可以大大降低對網絡的帶寬要求。一、DeviceNet總線（2）I/O觸發機制除了傳統的輪詢方法（polling）外，生產者/消費者模型還允許用兩種新的功能強大的I/O觸發方法：狀態改變發送（Change-Of-State）和周期I/O發送（Cyclic）。按主從通信方式，點對點地將I/O報文直接依次發送到各個從設備。（3）輪詢輪詢是從源/目的地模型產生的，它本質上是一種兩個報文的雙向處理（發送方輸出數據命令，接收節點收到后作出響應并把反應送回），往往用在主機到它的從機之間，許多輪詢周期充滿了相同的輸入和輸出數據，這些冗余的數據浪費了大量網絡帶寬。一、DeviceNet總線3.DeviceNet的網絡通信電纜DeviceNet網絡最大可以操作64個節點，可用的通訊波特率分別為125kbps、250kbps和500kbps三種。設備可由DeviceNet總線供電（最大總電流8A）或使用獨立電源供電。DeviceNet網絡電纜傳送網絡通訊信號，并可以給網絡設備供電。寬范圍的應用導致規定了不同規格的電纜：粗電纜、細電纜和扁平電纜，以能夠適用于工業環境。DeviceNet的網絡電纜如圖1所示。通信電纜有5個接頭，1對用于24V直流電壓，1對用于CAN的通信，1個屏蔽線。在粗纜和扁平電纜中24V電壓的最大電流容量是8A，在細纜中24V直流電壓的最大電流容量是3A。圖1DeviceNet的網絡電纜一、DeviceNet總線總線終端電阻的作用提高抗干擾能力，提高信號質量。終端電阻要求為120?或121?，功率大于等于0.25W，終端電阻必須跨接在主干線的藍線和白線之間，終端電阻有開放式和封閉式兩種，注意不要使用碳膜電阻，要使用金屬膜電阻。DeviceNet是基于連接的網絡，網絡上的任意兩個節點在通信前必須先建立連接。每一個連接由一個11位被稱為信息標識符或連接標識符的字符串來標識，這11位的連接標志符包括了設備媒體訪問控制標識符(MACID)和信息標識符(MessageID)。DeviceNet每個數據幀前都有標識符，用于表明這個數據的身份和優先級。一、DeviceNet總線4.DeviceNet數據幀格式及內容（1）報文在DeviceNet上傳輸兩種報文，一種是I/O報文，一種是顯式報文。其中I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數據，通常使用優先級高的連接標識符，通過與一點或多點連接進行信息交換；I/O報文幀中8個字節的數據域不包含任何與協議有關的位。連接標識符提供了I/O報文的相關信息。在I/O報文利用連接符發送之前，報文的發送和接收設備都必須提前設定。設定的內容包括源和目標設備的屬性以及數據生產者和消費者的地址。顯示報文應用于兩個設備多用途的點對點報文傳遞，是典型的請求響應通信方式，常用于節點的配置、診斷等。顯示報文通常使用優先級低的連接標識符，該報文的相關信息包含在報文幀的數據域中說明要執行的服務和相關對象的屬性及地址。一、DeviceNet總線當I/O數據的長度超過8字節時稱為大報文。大報文需經過分割，形成I/O報文片后逐一傳送，這時數據域中用一個字節（字節0）表達報文分割協議。所以只有7個字節能用來傳輸實際數據。數據域中的字節0表示該報文在全部報文中的，其中位0－位5為分段計數器，填寫分段編號。位6，位7表示本幀的分段類型，00表示第一分段；01表示中間分段；10表示最后分段；11表示分段應答。通過分段協議可以保證大報文數據的正確傳送。由于顯式報文要求數據接收方對每個子報文都要向數據發送方做出應答，因而數據的發送和潤滑油主都要檢查幀計數的連續性，一旦發現錯誤則終止當前發送或接收，采用幀計數表示當前發送的幀的編號，接收方必須判斷其連續性，一旦不連續就認為有幀丟失，然后放棄所有已經接懷到的幀，并向數據的發送方報錯。一、DeviceNet總線（2）DeviceNet幀格式DeviceNet的報文傳送有3種不同類型的幀(Frame)表示和控制：數據幀攜帶數據由發送器至接收器;出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發送;超載幀用于提供當前和后續的附加延遲。DeviceNe傳輸數據采用的是數據幀，超載幀和出錯幀僅僅用于對特殊情況的控制。數據幀的幀格式如表1所示。1位11位6位0-8字節15位1位1位1位7位幀開始標識符控制場數據場CRC序列CRC分隔符確認位確認分隔符幀結束表1數據幀的幀格式二、DeviceNet節點的開發1.DeviceNet節點的開發步驟DeviceNet節點的開發大致有兩種途徑：開發者本身對DeviceNet規范相當熟悉，具有豐富的相關經驗，并且有長期深入開發DeviceNet應用產品的規劃，選擇從最底層協議做起，根據自身對協議的深刻領會，自己編寫硬件驅動程序，再移植到單片機或其他微處理器系統中，完成開發調試工作。利用開發商提供的一些軟件包，這些軟件包中的源程序往往可以直接應用于單片機中，對于那些復雜的協議處理內容，已封裝定義好，用戶只需編寫自己的應用層程序，而無須涉及過多的協議內容。但其缺點就是價格昂貴，同時受限于軟件包的現有功能，不能向更深層的功能進行開發。二、DeviceNet節點的開發DeviceNet節點的開發一般按以下步驟：（1）決定為哪種類型的設備設計DeviceNet接口這是在著手開發設備之前必須首先確定的事情，也就是確定開發產品的功能。大多數DeviceNet產品只具備從機的功能，開發從機功能產品第一個要考慮的問題是I/O通信。在DeviceNet的初始階段，在從機產品中只包含位選通（BitStrobe）和輪詢（Poll）I/O通信。但隨著越來越多的具有狀態改變（ChangeofState）通信和循環（Cyclic）I/O通信的從機產品的出現，其優越的帶寬特性使你必須考慮這些通信方法。第二個要考慮的問題是設備信息對顯式報文的通信功能，DeviceNet協議要求所有設備支持顯式報文的通信，至少是標識符。DeviceNet的通信對象必須能由隱式報文（即I/O報文）來訪問，如在DeviceNet規范中定義的那樣。但如果組態要求超過了只設定幾個開關的功能，就必須考慮通過顯示報文的通信來組態設備。二、DeviceNet節點的開發（2）硬件設計硬件設計需滿足DeviceNet物理層和數據鏈路層的要求。在DeviceNet中目前只有125kbps、250kbps和500kbps三種速率。由于嚴格的網絡長度限制，它不支持CAN的1Mbps速率。DeviceNet物理層可以選擇使用隔離。完全由網絡供電的設備和與外界無電連接的設備（如傳感器）可以不用隔離，而與外界有電聯系的設備應該具有隔離，光隔離器件的速度很重要,因為它決定了收發器的總延時，DeviceNet規范中要求的最大延時為40ns。二、DeviceNet節點的開發在開發DeviceNet產品時要考慮以下幾方面：①CAN/微處理器硬件可以使用具有11bit標識符的CAN芯片，而不能使用具有長標識符（29bit）的芯片。②收發器的選擇DeviceNet要求收發器超越ISO11898的要求，主要是因為在其連接上要掛64個物理設備。滿足這些要求的器件有：Philips82C250、Philips82C251、UnitrodeUC5350等。③單片機系統DeviceNet產品的開發和其他嵌入式系統開發有著共同之處，首先應搭建一套適合于單片機或者更高層次CPU軟硬件系統的環境，再開發單片機或者更高層次CPU的應用系統。二、DeviceNet節點的開發（3）軟件設計軟件設計需滿足DeviceNet應用層的要求。①采用的軟件DeviceNet方面的軟件包有許多種，采用它們可以與你的產品協同工作，考慮其特性是個首要的問題。以下提出一些有關的必須考慮的問題：該軟件對自己的硬件適用否？是否要重寫匯編代碼？在何種程度上要重寫硬件的驅動程序？軟件的速度對自己的產品適合否？某特定的應用是否需要所有的通信特性（如I/O交換和顯式報文傳送）？是否支持分段？采用何種編譯器？二、DeviceNet節點的開發②選擇設計或購買策略在確定是自行設計或購買策略時，可以作如下的考慮：自己是否掌握足夠的開發知識，如CAN和微處理器？是一次性設計產品還是將來要改進的？僅實現從站功能的產品極易開發，一些公司只要數周即可完成；但比較復雜的產品，如具有主站功能的，采用商業開發軟件包來開發比較好。③設計工具一般來說，可以用微處理器開發系統來完成開發，因此，這里只討論與DeviceNet有關的工具，其最小配置為CAN的監視器，它是一個由PC卡和相關軟件組成的工具。DeviceNet的兼容工具可以向Softing、STZP、HuronNetworks、S-STechnologies等公司購買。二、DeviceNet節點的開發軟件的開發還要選擇合適的開發包。DeviceNet方面的軟件開發包有很多種，可以幫助進行軟件的開發。在軟件開發時，有這樣一些問題需要考慮：該軟件是否適用于自己的硬件？軟件是否可以直接移植到單片機上？在多大的程度上，需要對原代碼進行改動？或是否要重寫硬件驅動程序？軟件中支持的通信特性（如I/O報文、顯式報文、UCMM等）是否都需要？軟件支持何種編譯器？二、DeviceNet節點的開發（4）根據設備類型選定設備描述或自定義設備描述DeviceNet使用設備描述來實現設備之間的互操作性、同類設備的可互換性和行為一致性。設備描述是一臺設備的基于對象類型的正式定義，包括以下內容：①設備的內部構造（使用對象庫中的對象或用戶自定義對象，定義了設備行為的詳細描述）。②I/O數據（數據交換的內容和格式，以及在設備內部的映像所表示的含義）。③可組態的屬性（怎樣被組態，組態數據的功能，它可能包括EDS信息）。在DeviceNet產品開發中，必須指定產品的設備描述。如果不屬于標準設備描述，就必須自定義其產品的設備描述，并通過ODVA認證。二、DeviceNet節點的開發（5）決定配置數據源圖2所示，DeviceNet標準允許通過網絡遠程配置設備，并允許將配置參數嵌入設備中。利用這些特性，可以根據特定應用的要求，選擇和修改設備配置設定。DeviceNet接口允許訪問設備配置設定。圖2DeviceNet通過網絡遠程配置設備二、DeviceNet節點的開發（6）完成DeviceNet一致性聲明一致性與互操作性測試是認證開放系統的產品可以互連的重要步驟。DeviceNet產品的制造商需要通過一致性測試向購買者表明，他們的產品符合DeviceNet規范。用戶需通過互操作測試，以證實他們購買的產品彼此能互操作。DeviceNet的一致性與互操作性是由ODVA通過一致性測試（ConformanceTest）保證的。二、DeviceNet節點的開發2.設備描述的規劃DeviceNet規范通過定義標準的設備模型促進不同制造商設備之間的互操作性，它對直接連接到網絡的每一類設備都定義了設備描述。設備描述是從網絡的角度對設備內部結構進行說明，它使用對象模型的方法說明設備內部包含的功能、各功能模塊之間的關系和接口。設備描述說明了使用哪些DeviceNet對象庫中的對象和哪些制造商定義的對象，以及關于設備特性的說明。二、DeviceNet節點的開發設備描述包括：（1）設備對象模型定義——定義設備中存在的對象類、各類中的實例數、各個對象如何影響行為以及每個對象的接口。（2）設備I/O數據格式定義——包含組合對象的定義、組合對象中包含所需要的數據元件的地址（類、實例和屬性）。（3）設備可配置參數的定義和訪問這些參數的公共接口——配置參數數據、參數對設備行為的影響、所有參數組以及訪問設備配置的公共接口。二、DeviceNet節點的開發3.設備配置和電子數據文檔(EDS)（1）設備配置概述DeviceNet標準允許通過網絡遠程配置設備，并允許將配置參數嵌入設備中。利用這些特性，可以根據特定應用的要求，選擇和修改設備配置設定。DeviceNet接口允許訪問設備配置設定。存儲和訪問設備配置數據的方法包括輸出數據文檔的打印、電子數據文檔（EDS）、參數對象以及參數對象存根、EDS和參數對象存根的結合。①利用打印輸出的數據文檔支持配置利用打印數據文檔上收集的配置信息時，配置工具只能提供服務、類、實例和屬性數據的提示，并將該數據轉發給設備。這種類型的配置工具不決定數據的前后聯系、內容和格式。二、DeviceNet節點的開發②利用電子數據文檔支持配置可采用被稱作電子數據文檔（EDS）的特殊格式化的ASCII文件對設備提供配置支持。③利用參數對象和參數對象存根支持配置部分定義的參數對象稱為參數對象存根，它包含設備配置所需的部分信息，不包括用戶提示、限制測試和引導用戶完成配置說明文本。1)

利用完整參數對象

參數對象將所有必要的配置信息嵌入設備。參數對象提供：到設備配置數據值的已知公共接口；說明文本；數據限制、默認、最小和最大值。二、DeviceNet節點的開發2)

使用參數對象存根

參數對象存根提供到設備的配置數據值的已建立地址，不需說明文本的規范、數據限制和其他參數特性。當設備包括參數對象存根時，配置工具可以從EDS得到附加的配置信息或僅提供一個到修改參數的最小限度接口。④使用EDS和參數對象存根的配置配置工具可從嵌在設備中的部分參數對象或參數對象存根中獲得信息，該設備提供一個伴隨EDS，此EDS提供配置工具所需的附加參數信息。參數對象存根可以提供一個到設備參數數據的已知公共接口，而EDS提供說明文本、數據限制和其他參數特性，如：有效數據的數據類型和長度，默認數據選擇，說明性用戶提示，說明性幫助文本，說明性參數名稱。二、DeviceNet節點的開發⑤使用配置組合進行配置配置組合允許批量加載和下載配置數據。如果使用該方法配置設備，必須提供配置數據塊的格式和每個可配置屬性的地址映射。在規定配置組合的數據屬性時，必須按屬性塊給出的順序列出數據分量，大于1B的數據分量先列出低字節，小于1B的數據分量在1B中右對齊，從位0開始。（2）EDS概述EDS允許配置工具自動進行設備配置，DeviceNet規范中關于EDS的部分，為所有DeviceNet產品的設備配置和兼容提供一個開放的標準。①電子數據文檔EDS除了包括該規范定義的、必需的設備參數信息外，還可以包括供應商特定的信息。標準的EDS通用模塊如圖3所示。二、DeviceNet節點的開發②產品數據文檔模式電子數據文檔應按照產品數據文檔的含義，將其修改成符合DeviceNet要求。通常，產品數據文檔向用戶提供判斷產品特性所需的信息及對這些特性用戶可賦值的范圍。EDS提供兩種服務：1)說明每個設備的參數，包括它的合法值和默認值。2)提供設備中用戶可選擇的配置參數。圖3標準的EDS通用模塊二、DeviceNet節點的開發DeviceNet配置工具至少具備：將EDS裝載到配置工具的內存；解釋EDS的內容，判斷每個參數的特性；向用戶展示各設備參數的數據記錄區或選擇清單；將用戶的參數選擇裝載到設備中正確的參數地址中。③配置工具上使用EDSDeviceNet配置工具從標準EDS中提取用戶提示信息，并以人工可讀的形式向用戶提供該信息。④EDS解釋器功能解釋器必須采集EDS要求的參數選擇，建立配置設備所需的DeviceNet信息，并包含要求配置的各設備參數的對象地址。二、DeviceNet節點的開發⑤EDS文件管理圖4為電子數據文檔結構圖。EDS文件編碼要求使用DeviceNet的標準文件編碼格式，而無須考慮配置工具主機平臺或文件系統。圖4電子數據文檔結構二、DeviceNet節點的開發定義EDS遵守以下原則：1)區（Section）：EDS文件必須劃分為可選的和必需的部分。2)區分隔符（SectionDelimiters）：必須用方括號中的區關鍵字作為合法的區分隔符來正確分隔EDS的各區。3)區順序（SectionOrder）：必須按要求的順序放置每個所需的區，可選部分可以完全省略或用空數據占位符填充。4)入口（Entry）：EDS的每個區包括一個或多個入口，以入口關鍵字開關，后面跟有一個符號。入口關鍵字的含義取決于該部分的上下文。用分號表示入口結束，入口可以跨越多行。5)入口域（Entryfield）：每個入口包括一個或多個域，用逗號分隔符分隔各域，各域的含義取決于區的上下文。二、DeviceNet節點的開發6)供貨商特定的關鍵字（Vendor-specificKeyword）：區和入口關鍵字可以是供貨商特定的。這些關鍵字應該以增補內容的公司的供貨商ID開頭，后面跟隨一個下劃線（VendorID_VendorSpecificKeyword）。供貨商ID應以十進制顯示，且不應該包含引導0。各供應商提供有關供應商特定關鍵字的文字說明。（3）基本術語①解碼格式DeviceNet報文格式中解碼的屬性數據值。②EDS電子數據文檔的簡寫，是磁盤上的一個包括指定設備類型的配置數據的文件。③編碼格式電子數據文檔格式中編碼的屬性數據值。二、DeviceNet節點的開發④DeviceNet路徑DeviceNet類、實例、屬性格式中的對象屬性地址。⑤參數對象整體設備中的一個對象，它包括配置數據值、提示字符串、數據轉換系統以及其他設備相關信息。⑥參數對象存根參數對象的簡寫形式，它只存儲配置數據值，并且只提供一個標準的參數訪問點。三、工業機器人的IO擴展1.任務操作——配置DeviceNET遠程I/O模塊如圖5所示，工業機器人遠程I/O模塊的適配器（FR8030）后面從左至右依次掛載2個數字量輸入模塊（FR1108）、4個數字量輸出模塊（FR2108）和1個模擬量輸出模塊（FR4004）。我們需要先通過CANManager軟件根據當前遠程I/O的硬件結構操作配置FR8030型適配器，然后將該遠程I/O模塊掛載在機器人總線上，方可進行信號的定義。適配器的配置方法可參考系列教材《工業機器人工作站操作與應用》，此處著重展示遠程IO模塊在機器人總線上的掛載方法以及相關信號的定義方式。適配器FR8030FR1108FR2108FR4004圖5遠程I/O模塊三、工業機器人的IO擴展如圖6所示，先將適配器Devicenet接口和機器人控制柜前側板上的XS17Devicenet接口通過CAN通信電纜相連。按照表2-1所示參數，將遠程IO模塊掛載在機器人總線上，確保模塊可以正常運行。圖6接口連接三、工業機器人的IO擴展表2遠程I/O定義參數序號參數項參數值1模塊名稱（Name）DN_Generic2地址（Address）313供應商ID（VendorID）99994產品代碼（ProductCode）675設備類型（DeciveType）126通訊類型（ConnectionType）Polled7輪詢頻率（PollRate）10008輸出緩沖區長度（ConnectionOutputSize）129輸入緩沖區長度（ConnectionInputSize）2三、工業機器人的IO擴展序號操作步驟示意圖1按照路徑點擊控制面板>配置，選擇“DeviceNetDevice”2選擇DeviceNET通用設備模板，即“DeviceNetGenericDevice”3命名IO板為“DN_Generic”，此處命名可由使用者自定義。三、工業機器人的IO擴展序號操作步驟示意圖4模塊的通信地址設置為31，此處地址由從設備適配器上的撥碼開關決定，如錯誤!未找到引用源。所示，供應商代碼（VendorID）、產品代碼（ProductCode）、設備類型（DeviceType）等參數可以根據生產廠家提供的參數（表2-1）進行設定，如右圖所示三、工業機器人的IO擴展序號操作步驟示意圖5模塊通信連接類型選擇輪詢模式（Poll）、輪詢頻率默認1000，輸出緩沖區長度為12，輸入緩沖區長度為26重啟后，遠程I/O模塊的配置完成三、工業機器人的IO擴展2.任務操作——定義執行單元I/O信號工業機器人要與周邊設備進行信號交互，其交互的端口就是通過標準I/O板（D652）和遠程I/O模塊（DN_Generic）。本任務將定義執行單元智能化改造所需的機器人信號，從而滿足機器人對伺服滑臺以及末端工具的基本控制要求，為后續任務打下基礎。接下來我們在熟悉硬件設備連接的基礎上，以模擬量的定義為例，著重講解遠程I/O信號的定義方法及技巧，其他信號均可參考模擬量信號的定義。按照表2-2和表2-3所示I/O信號各項參數、分配模塊硬件及地址，定義伺服滑臺定位運動的功能信號以及工具單元相關的功能信號。三、工業機器人的IO擴展表3執行單元數字量信號信號名稱信號類型I/O模塊I/O地址功能FrRVaccumTestDID6520吸盤真空檢知FrPDigServoArriveDIDN_Generic15滑臺到位ToRDigQuickChangeDOD6520快換接頭動作ToRDigGripDOD6521夾爪類工具動作ToRDigSuckerDOD6522吸盤類工具動作ToRDigPolishDOD6523打磨類工具動作ToPGroPositionGODN_Generic0-7滑臺目標位置（0~760）ToPDigHomeDODN_Generic8滑臺回原點ToPDigForwardDODN_Generic9滑臺前進ToPDigBackwardDODN_Generic10滑臺后腿ToPDigServoModeDODN_Generic11滑臺運動模式ToPDigServoStopDODN_Generic12滑臺停止三、工業機器人的IO擴展表4執行單元模擬量信號——滑臺速度參數設定值信號名稱ToPAnaVelocity信號類型AOI/O模塊DN_GenericIO地址32-47數值類型Unsigned邏輯值（max/min）25/0物理值（max/min）10/0位值4047三、工業機器人的IO擴展序號操作步驟示意圖1在主菜單界面，按照控制面板>配