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采用DN1022的DeviceNet总线产品设计方案

时间:2014-10-15 来源:未知 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
摘要: 以基于CAN的DeviceNet技术为基础,采用DeviceNet从站协议芯片DN1022和意法半导体公司的32位单片机STM32F051R8T6为智能电机保护器设计了一款DeviceNet从站模块,并介绍了DeviceNet网络应用系统构建方法。
关键词:智能电机保护器;DeviceNet;组网

0 引言

随着工业现场底层设备的种类越来越多,功能越来越强大,现场总线技术已经得到了广泛的应用。基于CAN总线的DeviceNet技术,由美国Rockwell公司提出,并由ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)进一步开发并做一致性认证。其凭借低成本、高性能、设备级诊断等优异的性能在国际上得到了普遍的采用。DeviceNet协议主要应用于汽车、半导体、电气机器、运送传输系统、食品、水处理、冲压与注塑等领域。[1]
  
目前开发该协议的方式有:
  (1)向ODVA购买协议规范,自己完成协议开发,此种方式对研发要求高,优点是成本较低,缺点是开发时间较长。
  (2)购买第三方协议包开发。现在市场上一些大的自动化厂商(如德国赫优讯)提供DeviceNet协议包,供应商可向其购买开发。协议开发包的功能全面,但成本较高、有一定的技术难度。
  (3)购买协议模块。一些自动化厂商(如ANYBUS、赫优讯)提供集成了DeviceNet协议的IC模块,供应商只需要将此IC设计到产品的内部并利用串口等进行一些简单的设置即可。这种方式简便、开发周期短,缺点是结构固定、成本较高。
  (4)协议芯片。DN1022内部集成了DeviceNet协议从站功能,集成度高、封装简单,满足一般的DeviceNet从节点功能要求,而且成本低、易开发、不受结构限制。[2][3][4]
  介绍了一种基于DN1022芯片的电机保护器DeviceNet从站功能模块的开发,不仅实现了现场控制系统对电机重要参数及运行状态等的实时监控,还可完成总线对电机的远程启/停控制,为工业生产带来了很大便利。

1 智能电机保护器的DeviceNet通讯模块开发
 安科瑞电气股份有限公司为改公司的电机保护器开发了一款DeviceNet从站通讯模块,并将其集成在产品内部,实现了仪表与通讯模块的一体化结构,非常便于工业现场控制系统的组网安装。改模块的开发基于DeviceNet从站协议芯片DN1022和意法半导体的CPU芯片STM32F051。

1.1 主要芯片介绍
  
1.1.1 控制器
MCU芯片采用意法半导体公司的Cortex™-M0架构内核的32位处理器STM32F051R8T6,时钟频率高达48MHz,内置64 Kb的Flash、8K的RAM、1个12位D/A 转换器 、11个定时器 、5通道 DMA 控制器 、55个高速 I/O口 、2个 I2C 接口、2个USART、时钟管理等多种资源,具有很高的性价比。

1.1.2 DN1022协议芯片
DN1022芯片内置DeviceNet Group2 Only Slave从站协议栈,具有内置的CAN口和DeviceNet处理引擎,高速串行口、并行口和配置口。用户处理器可通过高速串口或者并口和该协议芯片通信,只需实现一个简单的通信协议即可。

DN1022技术指标:
  ◆支持最大64个输入字节,64个输出字节
  ◆支持POLL(轮询)、COS(状态改变)、CYCLIC(循环)三种数据触发方式
  ◆内置CAN控制器
  ◆芯片供电电压 3.0V-5.5V

1.2 硬件功能框图

DeviceNet从站模块的硬件功能如图1所示。设备上电后,用户CPU从保护器读取对DN1022的配置数据。读取成功并配置完成DN1022后,将DN1022设定为运行态。在运行状态下,保护器与DeviceNet主站间进行数据交互。工作指示灯显示模块CPU的配置、DN1022的初始化及CPU读取保护器数据的状态,网络指示灯显示DeviceNet的网络状态。
图1  DeviceNet从站模块的硬件功能

1.3 DN1022工作原理介绍

(1)配置:设备上电后,用户处理器对DN1022进行配置,过程如图2所示。需要配置的参数有地址、波特率、Network Input连接长度、Network output连接长度等。
图2  DN1022配置
  (2)I/O数据交换,过程如图3所示。DN1022内部有一个I/O数据缓冲区,DeviceNet主站与DN1022之间的数据交互是异步进行的。
图3  DeviceNet主站、DN1022、用户CPU间的I/O数据交换

1.4 软件设计
  软件设计用C语言完成。主要包括CPU 的初始化、读保护器配置命令、DN1022配置、保护器与DeviceNet主站间的交互数据等。
软件主程序:
  int main(void)  
  {
   CPU_INIT();              //CUP初始化
   disp(1);                //CUP正常工作,指示灯闪烁第1下
   read_setting();
  set_1022();      //配置DN1022 
   while (1)
      {
      read_master();  //读取实时参数  
  PrepareIOrequest();  //给DeviceNet主站上传保护器数据
  ;    //出错异常处理
        }
  }
软件流程如图4所示。
图4  DeviceNet模块软件流程

2 DeviceNet组网

目前较普遍的DeviceNet组网方式为主/从连接,依靠主站的管理来完成数据交换。采用的主站有集成了DeviceNet主站功能的PLC、计算机插卡(USB卡、PCI卡)等。尤以PLC的使用最为普遍。下面分别介绍这两种组网方式。

2.1 周立功DeviceNet主站(计算机USB卡)

 周立功USBCAN-E-D主站卡可实现DeviceNet主从站间的通讯。利用上位机软件CANManager for DeviceNet设置主从站的波特率、通讯地址、扫描时间、延时时间、数据触发方式(如轮询、状态改变)等参数。周立功主站与安科瑞电气电机保护器(从站)交互I/O数据的软件界面如图5所示。这种方式组网简单、使用方便,特别适合生产与调试。
                 图5  周立功USBCAN-E-D主站监控

2.2 台达DVP PLC

台达电子DVP系列小型PLC,结合其DeviceNet主站扫描模块DVPDNET_SL,可作为工业现场的DeviceNet主站。结合安科瑞集成有DeviceNet从站功能的ARD电机保护器,进行主从站网络的搭建,步骤为:
        (1)按要求完成主从站的硬件接线。
  (2)利用DeviceNet通讯配置软件DeviceNet Builder 2.00进行组态,如图6所示。完成网络组态后,主站为DNET Scanner,其余为电机保护器从站。
        (3)利用编程软件WPLSoft软件进行数据监控。
        配置好通讯网络后,可通过监控和设置PLC的相应寄存器来完成主站对从站的管理和控制如图7所示。启动WPLSoft软件后,在装置监控窗口里设置相应寄存器的起始地址和寄存器数量,结合从站的通讯地址表,就可以实时监控从站的电参量等参数。还可以设定寄存器的值,向从站下发命令,实现通信线远程控制。
 
图6  DeviceNet通讯配置组态
图7  监控与设置PLC的寄存器数值

3 结束语
       
基于DeviceNet现场总线技术的智能电机保护器,采用最新的单片机技术,设计体积紧凑,实现了工业过程控制对电动机的远程控制与高效管理。

文章来源:《自动化应用》2014年 第2期

参考文献:
李正军,现场总线与工业以太网及其应用技术,机械工业出版社,2013.
ODVA  DeviceNet Specification,2013.
李二强,全惠敏,周 琴,王兴刚,智能断路器DeviceNet 通信模块设计与实现,2011.
张戟,程旻,谢剑英,基于现场总线DeviceNet的智能设备开发指南 2004.
DN1022使用手册,上海泗博自动化技术有限公司,2013. 

张士全  袁虎  陆伟青(安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定 201801)
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