張士全 袁虎 陸偉青
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 以基于CAN的DeviceNet技術為基礎，采用DeviceNet從站協議芯片DN1022和意法半導體公司的32位單片機STM32F051R8T6為智能電機保護器設計了一款DeviceNet從站模塊，并介紹了DeviceNet網絡應用系統構建方法。
關鍵詞：智能電機保護器；DeviceNet；組網
0 引言
隨著工業現場底層設備的種類越來越多，功能越來越強大，現場總線技術已經得到了廣泛的應用。基于CAN總線的DeviceNet技術，由美國Rockwell公司提出，并由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）進一步開發并做一致性認證。其憑借低成本、高性能、設備級診斷等優異的性能在國際上得到了普遍的采用。DeviceNet協議主要應用于汽車、半導體、電氣機器、運送傳輸系統、食品、水處理、沖壓與注塑等領域。[1]
目前開發該協議的方式有：
（1）向ODVA購買協議規范，自己完成協議開發，此種方式對研發要求高，優點是成本較低，缺點是開發時間較長。
（2）購買第三方協議包開發。現在市場上一些大的自動化廠商（如德國赫優訊）提供DeviceNet協議包，供應商可向其購買開發。協議開發包的功能全面，但成本較高、有一定的技術難度。
（3）購買協議模塊。一些自動化廠商（如ANYBUS、赫優訊）提供集成了DeviceNet協議的IC模塊，供應商只需要將此IC設計到產品的內部并利用串口等進行一些簡單的設置即可。這種方式簡便、開發周期短，缺點是結構固定、成本較高。
（4）協議芯片。DN1022內部集成了DeviceNet協議從站功能，集成度高、封裝簡單，滿足一般的DeviceNet從節點功能要求，而且成本低、易開發、不受結構限制。[2][3][4]
介紹了一種基于DN1022芯片的電機保護器DeviceNet從站功能模塊的開發，不僅實現了現場控制系統對電機重要參數及運行狀態等的實時監控，還可完成總線對電機的遠程啟/停控制，為工業生產帶來了很大便利。
1 智能電機保護器的DeviceNet通訊模塊開發
安科瑞電氣股份有限公司為改公司的電機保護器開發了一款DeviceNet從站通訊模塊，并將其集成在產品內部，實現了儀表與通訊模塊的一體化結構，非常便于工業現場控制系統的組網安裝。改模塊的開發基于DeviceNet從站協議芯片DN1022和意法半導體的CPU芯片STM32F051。
1.1 主要芯片介紹
1.1.1 控制器
MCU芯片采用意法半導體公司的Cortex™-M0架構內核的32位處理器STM32F051R8T6，時鐘頻率高達48MHz，內置64 Kb的Flash、8K的RAM、1個12位D/A 轉換器 、11個定時器 、5通道 DMA 控制器 、55個高速 I/O口 、2個 I2C 接口、2個USART、時鐘管理等多種資源，具有很高的性價比。
1.1.2 DN1022協議芯片
DN1022芯片內置DeviceNet Group2 Only Slave從站協議棧,具有內置的CAN口和DeviceNet處理引擎，高速串行口、并行口和配置口。用戶處理器可通過高速串口或者并口和該協議芯片通信，只需實現一個簡單的通信協議即可。[5]
DN1022技術指標：
◆支持最大64個輸入字節，64個輸出字節
◆支持POLL(輪詢)、COS（狀態改變）、CYCLIC(循環)三種數據觸發方式
◆內置CAN控制器
◆芯片供電電壓 3.0V-5.5V
1.2 硬件功能框圖
DeviceNet從站模塊的硬件功能如圖1所示。設備上電后，用戶CPU從保護器讀取對DN1022的配置數據。讀取成功并配置完成DN1022后，將DN1022設定為運行態。在運行狀態下，保護器與DeviceNet主站間進行數據交互。工作指示燈顯示模塊CPU的配置、DN1022的初始化及CPU讀取保護器數據的狀態，網絡指示燈顯示DeviceNet的網絡狀態。
圖1 DeviceNet從站模塊的硬件功能
1.3 DN1022工作原理介紹
（1）配置：設備上電后，用戶處理器對DN1022進行配置，過程如圖2所示。需要配置的參數有地址、波特率、Network Input連接長度、Network output連接長度等。
圖2 DN1022配置
（2）I/O數據交換，過程如圖3所示。DN1022內部有一個I/O數據緩沖區，DeviceNet主站與DN1022之間的數據交互是異步進行的。
圖3 DeviceNet主站、DN1022、用戶CPU間的I/O數據交換
1.4 軟件設計
軟件設計用C語言完成。主要包括CPU 的初始化、讀保護器配置命令、DN1022配置、保護器與DeviceNet主站間的交互數據等。
軟件主程序：
int main(void)
{
CPU_INIT(); //CUP初始化
disp(1); //CUP正常工作，指示燈閃爍第1下
read_setting();
set_1022(); //配置DN1022
while (1)
{
read_master(); //讀取實時參數
PrepareIOrequest(); //給DeviceNet主站上傳保護器數據
； //出錯異常處理
}
}
軟件流程如圖4所示。
圖4 DeviceNet模塊軟件流程
2 DeviceNet組網
目前較普遍的DeviceNet組網方式為主/從連接，依靠主站的管理來完成數據交換。采用的主站有集成了DeviceNet主站功能的PLC、計算機插卡（USB卡、PCI卡）等。尤以PLC的使用最為普遍。下面分別介紹這兩種組網方式。
2.1 周立功DeviceNet主站（計算機USB卡）
周立功USBCAN-E-D主站卡可實現DeviceNet主從站間的通訊。利用上位機軟件CANManager for DeviceNet設置主從站的波特率、通訊地址、掃描時間、延時時間、數據觸發方式（如輪詢、狀態改變）等參數。周立功主站與安科瑞電氣電機保護器（從站）交互I/O數據的軟件界面如圖5所示。這種方式組網簡單、使用方便，特別適合生產與調試。
圖5 周立功USBCAN-E-D主站監控
2.2 臺達DVP PLC
臺達電子DVP系列小型PLC，結合其DeviceNet主站掃描模塊DVPDNET_SL，可作為工業現場的DeviceNet主站。結合安科瑞集成有DeviceNet從站功能的ARD電機保護器，進行主從站網絡的搭建，步驟為：
（1）按要求完成主從站的硬件接線。
（2）利用DeviceNet通訊配置軟件DeviceNet Builder 2.00進行組態，如圖6所示。完成網絡組態后，主站為DNET Scanner，其余為電機保護器從站。
（3）利用編程軟件WPLSoft軟件進行數據監控。
配置好通訊網絡后，可通過監控和設置PLC的相應寄存器來完成主站對從站的管理和控制如圖7所示。啟動WPLSoft軟件后，在裝置監控窗口里設置相應寄存器的起始地址和寄存器數量，結合從站的通訊地址表，就可以實時監控從站的電參量等參數。還可以設定寄存器的值，向從站下發命令，實現通信線遠程控制。
圖6 DeviceNet通訊配置組態
圖7 監控與設置PLC的寄存器數值
3 結束語
基于DeviceNet現場總線技術的智能電機保護器，采用最新的單片機技術，設計體積緊湊，實現了工業過程控制對電動機的遠程控制與高效管理。
文章來源：《自動化應用》2014年 第2期
參考文獻：
[1]李正軍，現場總線與工業以太網及其應用技術，機械工業出版社，2013.
[2] ODVA DeviceNet Specification，2013.
[3]李二強，全惠敏，周 琴，王興剛，智能斷路器DeviceNet 通信模塊設計與實現,2011.
[4]張戟，程旻，謝劍英，基于現場總線DeviceNet的智能設備開發指南 2004.
[5] DN1022使用手冊，上海泗博自動化技術有限公司，2013.