DeviceNet現(xiàn)場總線的優(yōu)勢研究

1、DeviceNet現(xiàn)場總線的優(yōu)勢研究*佟為明 陳培友 劉勇（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系 哈爾濱 150001）摘 要 DeviceNet協(xié)議使用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了功能強大的應(yīng)用層。提出了DeviceNet現(xiàn)場總線所具有的5個優(yōu)勢及其支撐依據(jù)：開放，由獨立國際組織ODVA管理；低價，使用用途極廣、用量極大的CAN規(guī)范芯片，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單；實時，采用生產(chǎn)者/消費者模型、短幀結(jié)構(gòu)、載波監(jiān)聽/帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁MAC機制、高效靈活的I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式；可靠，CAN總線的差分電平、多種錯誤檢測措施，DeviceNet的誤接線保護、重復(fù)MAC ID檢測、連接技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)，已成

2、為國際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet優(yōu)勢及其依據(jù)的提出將進一步推動其發(fā)展和應(yīng)用。關(guān)鍵詞 DeviceNet 開放 低價 可靠 帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁Research on the Predominance of DeviceNet FieldbusTong Weiming，Chen Peiyou，Liu Yong（Depart of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China）Abstract DeviceNet protocol uses CAN physica

3、l layer and data link layer, and develops powerful application layer based on it. Five predominance and the supporting basis of DeviceNet fieldbus are proposed: open, managed by independent international organizations; low price, uses CAN specification chip which is widely used , network structure s

4、implicity; real time, adopts producer/consumer model, short frame structure, carrier sense/non destructive bitwise arbitration with priorities MAC mechanism, high efficiency and flexible I/O trigger mode; reliable, CAN bus differential level, multiple error detection measure, DeviceNet misconnect pr

5、otection, duplicate MAC ID detection, connection technology; standard, it has been the international standard, European standard and our national standard. The presentation of DeviceNet predominance and basis will further promote its development and application. Key words DeviceNet Open Low price no

6、n destructive bitwise arbitration with priorities1.引言DeviceNet現(xiàn)場總線是由美國原AB公司、即現(xiàn)在的羅克韋爾自動化公司于1994年推出的，現(xiàn)由開放式設(shè)備網(wǎng)供貨商協(xié)會ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）組織和管理1。DeviceNet協(xié)議是在CAN的基礎(chǔ)上制定的，使用了CAN的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；同時，DeviceNet在CAN的基礎(chǔ)上又增加了面向?qū)ο蟆⒒谶B接的現(xiàn)代通信技術(shù)理念，開發(fā)了功能強大的應(yīng)用層2,3。DeviceNet特別適合于高可靠性和高實時性要求的工業(yè)現(xiàn)場的底層控制。現(xiàn)在，Dev

7、iceNet已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、半導(dǎo)體制造、食品飲料、搬運業(yè)、電力系統(tǒng)、包裝、石油、化工、鋼鐵、水處理、樓宇自動化、機器人、制藥和冶金等各個領(lǐng)域， 并呈現(xiàn)了強勁的發(fā)展勢頭46。目前，對DeviceNet現(xiàn)場總線的研究和開發(fā)正處在不斷深入的開展之中，但大多限于對其總體概況或某一具體技術(shù)的研究以及具體產(chǎn)品的研制，對DeviceNet特色或綜合優(yōu)勢的較為深入的研究尚未見文獻報道。本文通過對CAN規(guī)范、ISO11898國際標(biāo)準(zhǔn)、DeviceNet協(xié)議的分析與研究及CAN和DeviceNet節(jié)點/系統(tǒng)的開發(fā)、工程應(yīng)用經(jīng)驗與體會，提出了DeviceNet現(xiàn)場總線的5個優(yōu)勢，給出了相應(yīng)的依據(jù)。2. Dev

8、iceNet現(xiàn)場總線優(yōu)勢2.1 開放 *基金項目：國家人防辦項目（2005GF149）和哈爾濱市重點科技攻關(guān)項目（2005 AA1CG053）DeviceNet自推出之后的第二年1995年即移交給了非盈利的獨立國際組織ODVA。ODVA負(fù)責(zé)DeviceNet規(guī)范的管理、修訂、完善和發(fā)行，促進DeviceNet在全球的推廣與應(yīng)用。ODVA實行會員制，會員分為供貨商會員（Vendor members）和分銷商會員（Distributor members）。ODVA現(xiàn)有供貨商會員700多個，其中包括ABB、Rockwell、Phoenix Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-

9、Hammer等幾乎所有世界著名的電器和自動化元件生產(chǎn)商。ODVA為會員提供技術(shù)培訓(xùn)、產(chǎn)品一致性測試和市場服務(wù)；支持會員對DeviceNet協(xié)議規(guī)范進行改進；發(fā)布符合DeviceNet協(xié)議規(guī)范的產(chǎn)品目錄（ODVA每年發(fā)布3次DeviceNet產(chǎn)品目錄）；組織研討會和其它推廣活動；幫助分銷商開展DeviceNet用戶培訓(xùn)和DeviceNet專家認(rèn)證培訓(xùn)；幫助用戶了解掌握DeviceNet技術(shù)。此外，ODVA支持供貨商特別興趣小組SIG進行DeviceNet產(chǎn)品設(shè)備描述的開發(fā)。ODVA在世界各地先后成立了一些分支機構(gòu)，如ODVA New Zealand&Australia、ODVA Euro

10、pe、ODVA Japan、ODVA Korea。ODVA China于2000年7月6日在京正式成立。因此，DeviceNet是真正的完全開放的國際主流現(xiàn)場總線。任何制造或打算制造DeviceNet產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家均可獲得DeviceNet規(guī)范，開發(fā)DeviceNet產(chǎn)品，并通過ODVA進行產(chǎn)品一致性測試，在全球范圍內(nèi)銷售其產(chǎn)品。這是DeviceNet獲得廣泛支持的一個重要前提。2.2 低價 DeviceNet設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)的低價是由以下兩方面決定的。（1）使用CAN規(guī)范芯片DeviceNet沒有使用其自身獨有的芯片，而是采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，使用CAN規(guī)范芯片。CAN規(guī)范芯片的制造

11、商眾多、用途極廣、用量極大，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的支持，因此其價格便宜。（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、適合連接簡單和復(fù)雜設(shè)備DeviceNet是一種非常適合于工業(yè)控制底層的現(xiàn)場總線，采用最為簡單的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；既可連接開關(guān)、按鈕、指示燈等簡單的設(shè)備，也可連接PLC、變頻器、操作員終端等復(fù)雜的設(shè)備，而且這些設(shè)備均可安裝于工業(yè)現(xiàn)場，省去了昂貴和繁瑣的電纜硬接線及其連接器，因此費用低。DeviceNet的低價是DeviceNet獲得廣泛應(yīng)用的一個重要原因。2.3 實時 DeviceNet的高實時性可以從以下幾方面找到依據(jù)。（1）網(wǎng)絡(luò)模型DeviceNet采用開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新發(fā)明的解決方案：生產(chǎn)者/消費

12、者（Producer/Consumer）網(wǎng)絡(luò)模型。生產(chǎn)者是指發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點設(shè)備，消費者是指接受數(shù)據(jù)的節(jié)點設(shè)備，每個節(jié)點設(shè)備均可配置為生產(chǎn)者、消費者或兩者皆是。生產(chǎn)者/消費者模型與傳統(tǒng)的源/目的模型有很大不同。源/目的模型是以節(jié)點地址為中心的編碼方式，適合于點對點的通信。生產(chǎn)者/消費者模型是以數(shù)據(jù)為中心的編碼方式，生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，消費者便可根據(jù)其中的11位標(biāo)識符來判斷是否消費該數(shù)據(jù)。因此，生產(chǎn)者/消費者模型允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點設(shè)備同時從單個數(shù)據(jù)源獲取相同的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)點對點、多點和廣播通信。它的格式與傳統(tǒng)的源/目的格式的比較如圖1所示。源目的數(shù)據(jù)CRC校驗標(biāo)識符數(shù)據(jù)CRC校驗（a

13、）源/目的模型 （b） 生產(chǎn)者/消費者模型圖1 源/目的模型與生產(chǎn)者/消費者模型在生產(chǎn)者/消費者模型下，當(dāng)一個設(shè)備欲給其它多個設(shè)備發(fā)送同一信息時，這個設(shè)備只需發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其它設(shè)備便都能接收到該數(shù)據(jù)，而不需重復(fù)地發(fā)送，從而節(jié)省了大量的時間，提高了效率和實時性。另外，在這種模型下，節(jié)點設(shè)備可實現(xiàn)精確的同步化；系統(tǒng)的組織方式也很靈活，可組成主/從、多主或?qū)Φ鹊耐ㄐ沤Y(jié)構(gòu)7。（2）短幀結(jié)構(gòu)DeviceNet使用CAN2.0A中的標(biāo)準(zhǔn)報文格式，為短幀結(jié)構(gòu)。表1給出了標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀的7個位場及其位數(shù)（表中給出的位數(shù)未計及填充位）。可見，標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀的最小位數(shù)為44，最大位數(shù)為108。表1 標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)

14、幀位數(shù)位場幀起始仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC場應(yīng)答場幀結(jié)束標(biāo)識符RTR位保留位DLCMin- MaxCRC序列CRC界定符應(yīng)答間隙應(yīng)答界定符位數(shù)1111240-64151117DeviceNet的短幀結(jié)構(gòu)既可滿足一般工業(yè)應(yīng)用的需要，又提高了數(shù)據(jù)傳送的實時性。（3）MAC機制DeviceNet使用CAN的載波監(jiān)聽/帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁的MAC機制8,9。滿足CAN協(xié)議的每個報文都具有一個優(yōu)先級，使用它來實現(xiàn)同時發(fā)送情況下對總線訪問的仲裁。在這種MAC機制下，發(fā)送較低優(yōu)先級報文的節(jié)點會主動停止發(fā)送，而發(fā)送最高優(yōu)先級報文的節(jié)點會不受任何影響地繼續(xù)發(fā)送，從而使總線沖突仲裁時間降至最低。因此，利用這種

15、機制，通過合理安排報文優(yōu)先級，可使節(jié)點發(fā)送報文的時間大為縮短。（4）I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式DeviceNet在生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡(luò)模型下可使用輪詢、位選通、狀態(tài)改變（COS）/周期等數(shù)據(jù)觸發(fā)方式來構(gòu)建主/從、多主和對等網(wǎng)絡(luò)。位選通方式可實現(xiàn)多點傳送功能，在主站與從站之間快速、可靠地傳送少量I/O數(shù)據(jù)；輪詢方式可使主站根據(jù)掃描列表與各從站進行大數(shù)據(jù)量的通信；COS/周期方式可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，快速地對狀態(tài)改變進行操作。在構(gòu)建較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)時，可靈活使用各種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式的組合，從而充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足工業(yè)現(xiàn)場實時通信要求10?？梢?，DeviceNet采用的網(wǎng)絡(luò)模型、短幀結(jié)構(gòu)、MAC機制和I/O

16、數(shù)據(jù)觸發(fā)方式，保證了其通信的高實時性。因此，DeviceNet可廣泛應(yīng)用于高實時性場合。2.4 可靠 DeviceNet的高可靠性是由其采用的CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以及其自身所具有的一些技術(shù)特性所決定的。（1）CAN總線的差分電平（信號電平）在CAN總線的技術(shù)規(guī)范中只規(guī)定了總線可以具有兩種互補的邏輯數(shù)值之一：顯性電平（“0”）或隱性電平（“1”），并未給出表示這些邏輯電平的物理狀態(tài)；而在CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898中，規(guī)定了用差分電平即總線的兩線CAN-H與CAN-L上的電壓之差來表示總線的邏輯電平。其顯性電平（差分電平）的典型值為2.0V，隱性電平（差分電平）的典型值為0V。由于

17、差分電平比絕對電平的抗干擾能力高得多，因此從總線電平的表示來看，采用CAN總線物理層的DeviceNet即具有高的可靠性。（2）CAN總線的多種錯誤檢測措施CAN總線在數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層中可以檢出以下5種錯誤類型。（a）位錯誤 向總線送出一位的某個單元同時也在監(jiān)視總線。當(dāng)監(jiān)視到的總線位數(shù)值與送出的位數(shù)值不同時，則在該位時刻檢出一個位錯誤。例外情況是，在仲裁場的填充位流期間或應(yīng)答間隙期間送出一個“隱性”位，而檢測到一個“顯性”位時，不視為位錯誤；送出認(rèn)可錯誤標(biāo)志的發(fā)送器，而檢測到“顯性”位時，也不視為位錯誤。（b）填充錯誤 在應(yīng)使用位填充方法進行編碼的報文中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，

18、將檢出一個填充錯誤。（c）CRC錯誤 CRC序列是由發(fā)送器完成的CRC計算結(jié)果組成的。接收器以與發(fā)送器相同的方法計算CRC。如果計算結(jié)果與接收到的CRC序列不相同，則檢出一個CRC錯誤。（d）形式錯誤 當(dāng)固定形式的位場中出現(xiàn)一個或更多非法位時，則檢出一個形式錯誤。（e）應(yīng)答錯誤 在應(yīng)答間隙期間，發(fā)送器未檢測到“顯性”位，則由它檢出一個應(yīng)答錯誤。檢測到錯誤狀態(tài)的站通過發(fā)送錯誤標(biāo)志來標(biāo)注該錯誤。當(dāng)任何一個站在任何時候檢測出位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應(yīng)答錯誤時，由該站在下一位開始發(fā)送錯誤標(biāo)志；當(dāng)檢測到CRC錯誤時，錯誤標(biāo)志在應(yīng)答界定符后面那一位開始發(fā)送，除非用于其它錯誤狀態(tài)的錯誤標(biāo)志已經(jīng)開始發(fā)送。

19、此外，在CAN總線中還規(guī)定，就故障界定而言，一個單元可能處于下列3種狀態(tài)之一：“錯誤激活”、“錯誤認(rèn)可”和“總線脫離”（同時對這3種狀態(tài)下的單元的行為也做了規(guī)范）；在每個總線單元中都設(shè)有兩種計數(shù)：發(fā)送錯誤計數(shù)和接收錯誤計數(shù)（同時規(guī)定了這些計數(shù)的規(guī)則）。因此，從檢錯措施來看，采用CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層的DeviceNet亦具有高的可靠性。（3）DeviceNet的誤接線保護DeviceNet主要采用CAN的物理層，但又具有自身的物理層。在DeviceNet的物理層中，規(guī)定了DeviceNet的誤接線保護功能，并給出了誤接線保護電路。這就進一步提高了DeviceNet的可靠性。（4）DeviceNe

20、t的重復(fù)MAC ID檢測每一個連接到網(wǎng)絡(luò)上的物理模塊/設(shè)備必須被分配一個MAC ID。因這種配置包含人的參與，故同一鏈路上的兩個模塊被分配相同的MAC ID就是完全可能的。由于MAC ID與一個DeviceNet發(fā)送的確定的含義有關(guān)，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，DeviceNet規(guī)定所有DeviceNet模塊在通信之前必須完成重復(fù)MAC ID檢測，并規(guī)定了與重復(fù)MAC ID檢驗算法相關(guān)的協(xié)議。沒有通過重復(fù)MAC ID檢測的DeviceNet設(shè)備是不能上線的，更不能與其他設(shè)備建立連接進而進行通信。重復(fù)MAC ID檢測措施的采用減少了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信錯誤。（5）DeviceNet的指示器D

21、eviceNet的指示器是雙色（紅/綠）的，分為模塊狀態(tài)LED、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)LED、結(jié)合式模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)LED和I/O狀態(tài)LED。若一個設(shè)備具有指示器，通常要求其同時具有模塊狀態(tài)LED和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)LED。模塊狀態(tài)LED顯示設(shè)備是否上電或操作是否正常，可間接判斷DeviceNet網(wǎng)絡(luò)訪問狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)LED用于顯示通信連接狀態(tài)；I/O狀態(tài)LED提供了關(guān)于輸入和/或輸出狀態(tài)的信息?？梢姡珼eviceNet的指示器可以幫助維修人員及時快速地識別設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的運行和錯誤狀態(tài)，為DeviceNet設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的正常運行和維護提供了一種可行的手段。（6）DeviceNet的連接技術(shù)DeviceNet是一種基于連接的

22、網(wǎng)絡(luò)。從通信可靠性的角度講，基于連接的網(wǎng)絡(luò)要比無連接的網(wǎng)絡(luò)可靠得多。例如，若兩個節(jié)點之間沒有建立連接，則它們之間就不能互相收發(fā)數(shù)據(jù)。這就避免了數(shù)據(jù)的誤發(fā)和誤收，亦即提高了數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性。（7）DeviceNet的離線連接組DeviceNet規(guī)定，組4離線連接組報文被客戶機工具用于恢復(fù)處于通信錯誤狀態(tài)的節(jié)點。使用離線連接組報文的一個客戶機（工具）能夠通過使LED閃爍從視覺上識別正與之通信的錯誤節(jié)點并在可能時向該錯誤節(jié)點發(fā)送錯誤恢復(fù)報文，且不需將錯誤節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)上去除便可恢復(fù)之。通過使用離線連接組，DeviceNet可以有效地管理和恢復(fù)通信錯誤節(jié)點，從而提高了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。由

23、于DeviceNet具有極高的可靠性，因此DeviceNet可廣泛應(yīng)用于惡劣環(huán)境。2.5 標(biāo)準(zhǔn) DeviceNet于2000年7月正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62026-3（2000-7）：低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器-設(shè)備接口第3部分：DeviceNet ；DeviceNet亦為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50325 。DeviceNet作為中國的國家標(biāo)準(zhǔn)GBT18858.32002于2001年9月在青島召開的全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會第二屆第三次會議上審查通過，于2002年10月8日獲得中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)，于2002年12月1日發(fā)行的國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會通報中予以公布，并于2003年4月1日開始實施

24、11。DeviceNet成為國際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和我國的國家標(biāo)準(zhǔn)是使其獲得廣泛支持和應(yīng)用并在我國呈現(xiàn)極好發(fā)展前景的一個關(guān)鍵條件。3.結(jié)論（1）DeviceNet現(xiàn)場總線的優(yōu)勢有開放、低價、實時、可靠、標(biāo)準(zhǔn)等5個，每一個優(yōu)勢均有充分的支撐依據(jù)。（2）DeviceNet協(xié)議使用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，因此DeviceNet現(xiàn)場總線的優(yōu)勢的部分支撐依據(jù)來自CAN技術(shù)。（3）本文的工作對于DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用具有一定的意義，對于其他現(xiàn)場總線相關(guān)問題的研究亦有一定的參考價值。參考文獻1 佟為明，陳向陽，李鳳閣. DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù). 微處理機，2002, (1)：1-3,72 方曉柯，徐林，王建輝，等. DeviceNet現(xiàn)場總線特點分析及節(jié)點電路設(shè)計. 儀器儀表學(xué)報，2005, 26(11)：