现场控制总线之DeviceNet技术

摘 要：DeviceNet现场总线具有一系列独特的优点，现已成为IEC标准和欧洲标准。本文介绍了其技术特点及通信连接、通信模式、设备描述等基本技术问题。

关键词：DeviceNet；现场总线；通信模式；设备描述

中图分类号：TP393 文献标识码：A

1 引言

现场控制总线技术是计算机技术、通信技术、控制技术三方面技术的结合。它是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了国内外工业自动化设备制造商及用户的广泛关注。它的出现将对传统的工业自动化带来新的革命。现场控制总线技术发展很快，在世界范围内，目前正在应用的现场总线已达数十种之多。其中， DeviceNet具有开放、低成本、高效率与高可靠性等独特的优点，现已成为国际标准（IEC62026）和欧洲标准（EN50325、EN50295），特别适合于制造业、工业控制和电力系统等应用。几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商都在大力开发DeviceNet产品。DeviceNet由开放式设备网供货商协会ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）组织和管理。ODVA是一个负责Device-Net协议的制定和增补工作的国际组织。现在，DeviceNet产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所占的市场份额已达50%以上。

DeviceNet进入我国虽然比较晚，但因其突出的优点而受到了我国有关部门和单位的高度重视。国家机械局、国家技术监督局、中国电器工业协会、中国FF基金会给予了大力支持。ODVA China将致力于DeviceNet现场总线技术在中国的开发与应用，促进我国自动化和现场总线技术的发展。

DevceNet总线协议是在CAN总线的基础上建立起来的，CAN总线已经广泛应用于自动化领域中。CAN 总线采用广播式通信，废除了传统的以节点地址为中心的编码方式，而代之以基于数据块的编码方式。这种按数据块编码的方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据。它支持主/从、多主和对等通信结构。CAN总线使用包括循环冗余校验CRC和自动重传在内的多种错误检测和故障限制方法，发生严重错误的节点将自动退出总线，以防止破坏网络，从而保证了数据通信的可靠性。CAN采用非破坏性逐位仲裁机制，当两个或多个节点同时欲访问网络时，这种机制会解决潜在的冲突，而不会损失数据或浪费带宽。

DeviceNet在CAN总线的基础上又增加了面向对象、基于连接的现代通信技术理念，并开发了应用层。其应用层规定了CAN数据帧的使用方法、重复节点地址检测机制、对象模型及设备的标准化。

2.1 通信连接

DeviceNet网络中，连接是一个重要概念。节点设备之间欲进行通信，必须先建立连接。DeviceNet网络中的任何一个设备欲和其它设备通信时，须先建立连接。它也可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接。如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信，这个通信将自动断开以释放资源。在DeviceNet网络中，每个连接用连接标识符来标识，它使用CAN规范中的11位仲裁区来定义。连接标识符包括设备媒体访问控制标识符（MAC ID）和信息标识符（Message ID）。其中，MAC ID可通过硬件设定，也可通过软件来配置。标识符分为四组，这四组信息具有不同的优先级（信息组1的优先级最高），传送信息时可据此来选择相应的信息组。此外，DeviceNet提供的功能很强的应用层协议，允许动态地建立和配置设备间的连接。但动态连接的实现复杂，考虑到有些设备不需要也没有资源去使用这一强大功能，De-viceNet使用信息组2制定了一套称为预定义主/从连接组的连接标识符，用来简化主/从结构中数据的传送。它提供的连接对象的全部配置是预先固化好的，通讯时主设备唯一必须执行的一个步骤就是声明对从设备内该预定义连接组的所有权。

2.2 通信模式及报文类型

DeviceNet采用生产者/消费者通信模式。生产者是指发送数据的节点设备，消费者是指接受数据的节点设备。每个节点设备均可配置为生产者、消费者或两者皆是。

生产者/消费者模式与传统的源/目的模式有很大不同。源/目的模式是以节点地址为中心的编码方式，适合于点对点的通信。生产者/消费者模式是以数据为中心的编码方式，生产者在网络上发出一个数据帧后，消费者便可根据其中的11位标识符来判断是否消费该数据。因此，生产者/消费者模式允许网络上的所有节点设备同时从单个的数据源获取相同的数据，可实现点对点、多点或广播通信。它的格式与传统的源—目的地址格式的比较如图1所示。

在生产者/消费者模式下，当一个设备欲和其它多个设备进行同一种通信时，这个设备只需发送一次数据，其它设备便都能接收到该数据，而不需要重复地发送，从而节省了大量的时间，提高了效率。另外，在这种模式下，节点设备可实现精确的同步化；系统的组织方式也很灵活，可组成主/从、多主或对等的网络结构。

DeviceNet有两种基本类型的报文：显式报文和I/O报文。显式报文用于两个设备之间多用途的点对点的报文交换，一般用于节点配置、故障情况报告和故障诊断，是典型的请求—响应通信方式。DeviceNet提供了一组公共服务显式报文，如读取属性、设置属性、打开连接、关闭连接、出错响应、起动、停止、复位等。显式报文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息包含在报文数据帧的数据区中，如要执行的服务和相应的寻址信息。显式报文的格式繁杂，传送数据的效率低。

I/O报文是工业控制系统最主要的信息， I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换。I/O报文的数据帧的数据区中一般不包含任何与协议有关的位，只有当I/O报文为大报文经过分割后形成的I/O报文片段时，数据区中才有1字节由报文分割协议使用。

由于控制系统的实时性要求，I/O信息必须快速重复地传送、刷新，因此数据量大。为了更有效地传送I/O信息，DeviceNet定义了多种传送规则：如位选通、轮询、状态变化/循环传送，以便根据应用对象信息的特点加以利用。I/O信息可以选择应答或无应答传送，一般选择无应答方式以节省时间。

2.3 对象模型及设备描述

对象是节点设备内组件的抽象表示。对象模型则为管理和实现DeviceNet产品组件的属性、服务和行为提供了一个模板。它为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案，它们分别是MAC ID、对象类标识符、实例编号和属性编号。这4级地址与显式报文连接相结合，将数据从DeviceNet网络上的一点传送到另一点。这些对象分别是标识对象、路由对象、连接对象、组合对象、参数对象、应用对象。

为实现不同制造商生产的同类设备的互换性、互操作性和功能的一致性，DevicNet对直接连接到网络上的每类设备都定义了设备描述。设备描述是从网络角度对设备内部结构的说明。凡是符合同一设备描述的设备均具有同样的功能，生产或消费同样的I/O数据，包含相同的可配置数据。设备描述说明设备使用哪些DeviceNet对象库中的对象、哪些制造商特定的对象以及关于设备特性的信息。设备描述的另一个要素是对设备在网络上交换的I/O数据的说明，包括I/O数据的格式及其在设备内所代表的意义。除此之外，设备描述还包括设备可配置参数的定义和访问这些参数的公共接口。

DeviceNet通过由ODVA成员参加的特别兴趣小组（SIG）发展它的设备描述。目前已完成了诸如交流驱动器、直流驱动器、接触器、通用离散I/O、通用模拟量I/O、HMI（人机接口）、接近开关、限位开关、软驱动器、起动器、位置控制器、流量计等设备的描述。ODVA的SIG还在不断工作，增加设备描述的种类，以期使设备描述覆盖更多的产品范围，为用户带来更多的方便。

2.4 DeviceNet特点

DeviceNet现场总线是一种开放、低成本的网络解决方案。它将可编程控制器、操作员终端、传感器、光电开关、电动机起动器、驱动器等现场智能设备连接起来，减少了I/O接口和布线数量，实现了工业设备的网络化和远程管理。由于采用了许多新技术及独特的设计，与其它现场总线相比，它具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。其主要技术特点可归纳为：

（1） 采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到了国际上主要芯片制 造商的支持；

（2） 网络拓扑结构灵活；网络上可以容纳多达64个节点地址，每个节点支持的I/O数量没有限制；网络速度可选125kbps、250kbps和500kbps；

（3） 节点设备可通过网线供电，不需单独供电且具有高电流能力（可高达16安培）；

（4） 可带电更换网络节点设备，在线修改网络配置，具有误接线保护功能；

（5） 支持对等、多主或主/从通信结构，支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送方式；

（6） 采用非破坏性逐位仲裁机制实现按优先级发送信息；

（7） 具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能；

（8） 可实现不同厂商的同类设备的互换；

（9） 既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、操作员终端之类的复杂设备。

3 结束语

作为IEC标准和欧洲标准的DeviceNet现场控制总线是一种开放、低价、高效和高可靠的数据网络，代表了国际上最先进的工业网络技术，应用前景极其广阔。相信在ODVA China 的支持下，在国内广大学者和工程技术人员的努力下，DeviceNet现场总线一定会在我国得到长足的发展，并大大促进我国工业自动化水平的提高。

参考文献：

[1] 李正军. 现场总线及其应用技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.

[2] 李正军. 现场总线与工业以太网及其应用技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.

[3] 李真花. CAN总线轻松入门与实践[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2011.

[4] CAN总线学习小组：http：///684.