２Devicenet總線的特點(diǎn)
　　DeviceＮet是一種低成本的通信連接。它將工業(yè)設(shè)備(如:限位開(kāi)關(guān),、光電傳感器,、閥組、電動(dòng)機(jī),、起動(dòng)器,、過(guò)程傳感器、條形碼讀取器,、變頻驅(qū)動(dòng)器,、面板顯示器和操作員接口)連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線,。ＤeviceＮet是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案,，在提供多供貨商同類(lèi)部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間,。Device Ｎet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信,，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的備級(jí)診斷功能，這是通過(guò)硬接線Ｉ/Ｏ接口很難實(shí)現(xiàn)的。DeviceＮet是一個(gè)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),。規(guī)范和協(xié)議都是開(kāi)放的,，廠商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)硬件,、軟件或許可權(quán),。
　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，DeviceＮet可以歸納出以下一些技術(shù)特點(diǎn):
　　(1) 最大64個(gè)節(jié)點(diǎn);
　　(2) 125kbps～500kbps通訊速率;
　　(3) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn),，多主或主/從通信;
　　(4) 可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置;
　　(5) 采用ＣＡＮ物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用ＣＡＮ規(guī)約芯片,，得到國(guó)際上主要芯片制造商的支持;
　　(6) 支持選通,、輪詢、循環(huán),、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送;
　　(7) 低成本,、高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò);
　　(8) 既適合于連接底端工業(yè)設(shè)備，又能連接像變頻器,、操作終端這樣的復(fù)雜設(shè)備;
　　(9) 采用無(wú)損位仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息;
　　(10) 具有通訊錯(cuò)誤分級(jí)檢測(cè)機(jī)制,、通訊故障的自動(dòng)判別和恢復(fù)功能。

3 Devicenet總線技術(shù)介紹
3.1 Devicenet的物理層和物理媒體
Devicenet物理層協(xié)議規(guī)范定義了DeviceNet的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)元件,，具體包括系統(tǒng)接地,、粗纜和細(xì)纜混合結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)端接地和電源分配,。DeviceNet所采用的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是干線－分支方式,，如圖1所示。

圖1 Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　線纜包括:粗纜(多用作干線)和細(xì)纜(多用于分支線),?？偩€的線纜包括24V直流電源線和信號(hào)線兩組雙絞線以及信號(hào)屏蔽線。在設(shè)備連接方式上,，可靈活選用開(kāi)放式和密封式的連接器,。網(wǎng)絡(luò)采取分布式供電方式，支持冗余結(jié)構(gòu),?？偩€支持有源和無(wú)源設(shè)備，對(duì)于有源設(shè)備提供專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的帶有光隔離的收發(fā)器,。

3.2 Devicenet與CAN
　　Devicenet總線協(xié)議是在CAN總線的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,。DeviceNet的數(shù)據(jù)鏈路層完全遵循CAN規(guī)范的定義，并通過(guò)CAN控制器芯片實(shí)現(xiàn),。CAN定義了四種幀格式,，分別為數(shù)據(jù)幀,、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀,，在DeviceNet上傳輸數(shù)據(jù)采用的是數(shù)據(jù)幀格式,，遠(yuǎn)程幀格式在DeviceNet中沒(méi)有被使用，超載幀和出錯(cuò)幀則被用于意外情況的處理,。數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示:

圖2 Devicenet的數(shù)據(jù)幀格式

　　CAN規(guī)范定義總線數(shù)值為兩個(gè)互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一:“顯性”(邏輯0)和“隱性”(邏輯l),。任何發(fā)送設(shè)備都可以驅(qū)動(dòng)總線為“顯性’:當(dāng)“顯性”和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為“顯性”,。僅當(dāng)總線空閑或“隱性”位期間,，發(fā)送“隱性”狀態(tài)。
　　在總線空閑時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可嘗試發(fā)送,，但如果多于兩個(gè)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送,，發(fā)送權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)需要通過(guò)11位標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁來(lái)解決。Devicenet采用載波偵聽(tīng)非破壞性逐位仲裁機(jī)制(CSMA/NBA)的方法解決總線訪問(wèn)沖突問(wèn)題,。網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)唯一的11位標(biāo)識(shí)符,，這個(gè)標(biāo)識(shí)符的值決定了總線沖突仲裁時(shí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的高低。11位標(biāo)識(shí)符數(shù)值最小的節(jié)點(diǎn)擁有最高的優(yōu)先級(jí),，作為獲勝的一方,，可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，所以這種碰撞和仲裁并未造成數(shù)據(jù)幀的損壞,，即不會(huì)浪費(fèi)通信資源,。同時(shí)可以看到，由于標(biāo)識(shí)符數(shù)值低的節(jié)點(diǎn)具有較高的優(yōu)先權(quán),，所以通過(guò)標(biāo)識(shí)符的分配可以使重要的數(shù)據(jù)得到優(yōu)先發(fā)送,。
　　Devicenet在CAN總線的基礎(chǔ)上又增加了面向?qū)ο?、基于連接的現(xiàn)代通信技術(shù)理念,，并開(kāi)發(fā)了應(yīng)用層。其應(yīng)用層規(guī)定了CAN數(shù)據(jù)幀的使用方式,、節(jié)點(diǎn)重復(fù)地址檢測(cè)機(jī)制,、對(duì)象模型及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.3 Devicenet網(wǎng)絡(luò)通信模型
　　在現(xiàn)場(chǎng)總線中有兩種常用的通信模式,，一種是傳統(tǒng)的源/目標(biāo)(Source/Destination)即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式,，另外一種是新型的生產(chǎn)/消費(fèi)者(Producer/Customer)模式。
　　以前的通信模式使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行通信,，在報(bào)文中含有特定的源/目標(biāo)地址信息,，如圖3(a)所示。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),，數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻到達(dá),，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的同步是非常困難的，當(dāng)信息目的地不同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)必須多次發(fā)送數(shù)據(jù)給不同的目標(biāo)節(jié)點(diǎn),，從而造成了帶寬的損失,。
而Devicenet中采用了全新的生產(chǎn)者/消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)模型，其典型的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信模式

在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型中,，報(bào)文按其內(nèi)容來(lái)標(biāo)識(shí)，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)要接收一個(gè)報(bào)文,，僅僅需識(shí)別與此報(bào)文相關(guān)的特定的標(biāo)識(shí)符(即11位標(biāo)識(shí)符,，連接ID)，每個(gè)報(bào)文不再需要源地址和目的地址,。因?yàn)閳?bào)文是按內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)識(shí)的,，數(shù)據(jù)源只需將報(bào)文發(fā)送一次，許多需用此報(bào)文的節(jié)點(diǎn)通過(guò)在網(wǎng)上同時(shí)識(shí)別這個(gè)標(biāo)識(shí)符,，可同時(shí)從同一生產(chǎn)者取用(消費(fèi))此報(bào)文,，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，并且消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)之間可實(shí)現(xiàn)精確的同步,，適合于實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù),。其它的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后并不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因?yàn)樗鼈兺瑯涌梢韵M(fèi)這些相同的報(bào)文,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)報(bào)文時(shí),，對(duì)每個(gè)報(bào)文使用不同的標(biāo)識(shí)符。

3.4 Devicenet的報(bào)文
　　Devicenet中定義了兩類(lèi)不同的報(bào)文:顯式報(bào)文和I/O報(bào)文,。
　　(1) 顯式報(bào)文(Explicit Message)
　　顯式報(bào)文用于兩個(gè)設(shè)備之間多用途的信息交換,，是典型的請(qǐng)求-響應(yīng)通信方式，一般用于節(jié)點(diǎn)的配置,、故障情況報(bào)告和故障診斷,。Devicenet中定義了一組公共服務(wù)顯式報(bào)文，如讀取屬性,、設(shè)置屬性,、打開(kāi)連接、關(guān)閉連接,、出錯(cuò)響應(yīng),、起動(dòng)、停止,、復(fù)位等,。這類(lèi)信息因?yàn)槭嵌嘤猛镜模栽趫?bào)文中要標(biāo)明報(bào)文的類(lèi)型,，對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型,，報(bào)文格式也不同,。它是根據(jù)報(bào)文和預(yù)先規(guī)定的格式說(shuō)明其含義的。顯式報(bào)文通常使用優(yōu)先級(jí)低的連接標(biāo)識(shí)符,，并且該報(bào)文的相關(guān)信息直接包含在報(bào)文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場(chǎng)中,，包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對(duì)象的屬性及地址。
　　(2) I/O報(bào)文(I/O Message)
　　I/O報(bào)文適用于實(shí)時(shí)性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù),，I/O報(bào)文對(duì)傳送的可靠性,，送達(dá)時(shí)間的確定性及可重復(fù)性有很高的要求。I/O報(bào)文通常使用優(yōu)先級(jí)高的連接標(biāo)識(shí)符,，通過(guò)點(diǎn)或多點(diǎn)連接進(jìn)行信息交換,。I/O報(bào)文數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)不包含任何與協(xié)議相關(guān)的位，僅僅是實(shí)時(shí)的I/O數(shù)據(jù),。只有當(dāng)I/O報(bào)文過(guò)長(zhǎng),，需要分段形成I/O報(bào)文片段時(shí)，數(shù)據(jù)場(chǎng)中才有1個(gè)字節(jié)供報(bào)文段協(xié)議使用,。

3.5 Devicenet中連接的概念
　　Devicenet網(wǎng)絡(luò)中,，連接是一個(gè)重要概念。節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間欲進(jìn)行通信,，必須先建立連接,。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)設(shè)備欲和其它設(shè)備通信時(shí)，亦須先建立連接,。當(dāng)設(shè)備不想和已建立連接的某個(gè)設(shè)備通信時(shí),，它可通過(guò)發(fā)送釋放連接或刪除連接服務(wù)來(lái)斷開(kāi)連接。如果在某個(gè)特定的連接上長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行通信,，這個(gè)通信將自動(dòng)斷開(kāi)以釋放資源,。
　　在Devicenet網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)連接用連接標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)識(shí),，它使用CAN規(guī)范中的11位仲裁區(qū)來(lái)定義,。連接標(biāo)識(shí)符包括設(shè)備媒體訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)符 (MAC ID)和信息標(biāo)識(shí)符(Message ID)。其中,，MAC ID可通過(guò)硬件設(shè)定,，也可通過(guò)軟件來(lái)配置。標(biāo)識(shí)符分為四組,，如附表所示。

附表 Devicenet 連接標(biāo)識(shí)符

　　這四種信息組優(yōu)先級(jí)不同,，其中信息組1優(yōu)先級(jí)最高,，通常用于發(fā)送設(shè)備的I/O報(bào)文，信息組4優(yōu)先級(jí)最低,，用于設(shè)備離線時(shí)的通信,。傳送信息時(shí)可據(jù)此選擇相應(yīng)的信息組,。

3.6 Devicenet數(shù)據(jù)通信方式
　　Devicenet支持多種數(shù)據(jù)通信方式，如位選通(Bit-Strobe),、輪詢(Poll),、狀態(tài)改變COS (Change of State)和循環(huán)(Cyclic)等。
　　位選通方式下,，利用8字節(jié)的廣播報(bào)文,，64個(gè)二進(jìn)制位的值對(duì)應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)上64個(gè)可能的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)位的標(biāo)識(shí),，指定要求響應(yīng)的從設(shè)備,。輪詢方式下，I/O報(bào)文直接依次發(fā)送到各個(gè)從設(shè)備(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)),。循環(huán)方式適用于一些模擬設(shè)備,，可以根據(jù)設(shè)備信號(hào)發(fā)生的快慢，靈活設(shè)定循環(huán)進(jìn)行通信的時(shí)間間隔,，這樣就可以大大降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求,。狀態(tài)改變方式用于離散的設(shè)備，使用事件觸發(fā)方式,，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)才發(fā)生通信,，而不是由主設(shè)備不斷的查詢來(lái)完成。
　　多種可選的數(shù)據(jù)交換形式,，均可由用戶自由地指定,。通過(guò)選擇合理的數(shù)據(jù)通信方式，可以明顯地提高網(wǎng)絡(luò)利用率,。

3.7 預(yù)定義的主/從連接組
　　Devicenet提供了一個(gè)功能很強(qiáng)的應(yīng)用層協(xié)議,，允許動(dòng)態(tài)配置設(shè)備間的連接。而在實(shí)際使用中,，許多對(duì)象的應(yīng)用情況往往很簡(jiǎn)單,，常用的主/從連接方式足以滿足要求。為此DeviceNet定義了一個(gè)預(yù)定義主/從連接組和僅限組2的從站,，以降低從站的成本和簡(jiǎn)化設(shè)備的配置,。
　　預(yù)定義主/從連接組用于主/從連接式通信，并預(yù)先定義好各報(bào)文組內(nèi)一些通信道的功能,。在使用前,，主站需要通過(guò)主/從連接組分配請(qǐng)求服務(wù)和從站的應(yīng)答來(lái)明確主從關(guān)系，并通過(guò)分配選擇的設(shè)置明確所采用的報(bào)文傳送機(jī)制(位選通,、輪詢,、狀態(tài)改變、循環(huán),、顯式),。而對(duì)于不具有未連接信息管理(UCMM)能力的從站,，稱(chēng)為僅限組2從站，它沒(méi)有能力接收通常的未連接顯式報(bào)文,，只能通過(guò)預(yù)定義主/從連接組內(nèi)預(yù)留的未連接顯式請(qǐng)求報(bào)文(組2,，報(bào)文ID=6)和從站的顯式/未連接響應(yīng)報(bào)文(組2，報(bào)文ID=3 )來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定義主/從連接的分配或刪除,。

3.8 Devicenet的對(duì)象模型
　　Devicenet對(duì)象模型如圖4所示,，它提供了組織和實(shí)現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品的組件屬性、服務(wù)和行為的簡(jiǎn)便模板,，它為每個(gè)屬性提供了由4個(gè)數(shù)字組成的尋址方案,，它們分別是MAC ID、對(duì)象類(lèi)標(biāo)識(shí)符,、實(shí)例編號(hào)和屬性編號(hào),。這四級(jí)地址與顯式報(bào)文連接相結(jié)合，將數(shù)據(jù)從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的一點(diǎn)傳送到另一點(diǎn),。

圖4 Devicenet對(duì)象模型

　　Devicenet為了對(duì)各個(gè)對(duì)象及其中的類(lèi),、實(shí)例、屬性等進(jìn)行尋址,，提供了以下幾種尋址標(biāo)識(shí)符:
　　(1) 質(zhì)訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)符(MAC ID):對(duì)Devicenet網(wǎng)段上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí),。
　　(2) 類(lèi)標(biāo)識(shí)符(Class ID):對(duì)Devicenet網(wǎng)段上的各個(gè)類(lèi)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。
　　(3) 實(shí)例標(biāo)識(shí)符(Instance ID):對(duì)同一個(gè)類(lèi)中的各個(gè)實(shí)例進(jìn)行標(biāo)識(shí),。

　　(4) 屬性標(biāo)識(shí)符(Attribute):對(duì)同一對(duì)象中的各個(gè)屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí),。

3.9 Devicenet設(shè)備描述
　　為實(shí)現(xiàn)不同制造商生產(chǎn)的同類(lèi)設(shè)備的互換性、互操作性和功能的一致性,，Devicenet對(duì)直接連接到網(wǎng)絡(luò)上的每類(lèi)設(shè)備都定義了設(shè)備描述,。設(shè)備描述是從網(wǎng)絡(luò)角度對(duì)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的說(shuō)明，凡是符合同一設(shè)備描述的設(shè)備均具有同樣的功能,，生產(chǎn)或消費(fèi)同樣的I/O數(shù)據(jù),，包含相同的可配置數(shù)據(jù)。設(shè)備描述說(shuō)明設(shè)備使用哪些DeviceNet對(duì)象庫(kù)中的對(duì)象,、哪些制造商特定的對(duì)象以及關(guān)于設(shè)備特性的信息,。設(shè)備描述的另一個(gè)要素是對(duì)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)上交換的I/O數(shù)據(jù)的說(shuō)明，包括I/O 數(shù)據(jù)格式及其在設(shè)備內(nèi)所代表的意義,。除此之外,，設(shè)備描述還包括設(shè)備可配置參數(shù)的定義和訪問(wèn)這些參數(shù)的公共接口。
　　Devicenet協(xié)議規(guī)范還允許廠商提供電子數(shù)據(jù)表EDS(Electronic Data Sheet),，以文件的形式記錄設(shè)備的一些具體的操作參數(shù)等信息,，便于在配置設(shè)備時(shí)使用。這樣,，來(lái)自第三方的DeviceNet產(chǎn)品就可以方便地連接到DeviceNet上,。
　　Devicenet通過(guò)由ODVA成員參加的特別興趣小組(SIG)發(fā)展它的設(shè)備描述。目前已完成了諸如交流驅(qū)動(dòng)器,、直流驅(qū)動(dòng)器,、接觸器、通用離散用I/O,、HMI,、接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān),、軟驅(qū)動(dòng)器,、起動(dòng)器、位置控制器,、流量計(jì)等設(shè)備的描述,。ODVA的SIG還在不斷工作，增加設(shè)備描述的種類(lèi),，以期使設(shè)備描述覆蓋更多的產(chǎn)品范圍,，為用戶帶來(lái)更多的方便。

4 應(yīng)用舉例
　　一汽集團(tuán)根據(jù)發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)的基于Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線的一汽-大眾BORA A4總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng),，包含12條DeviceNet網(wǎng)絡(luò),、200多個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線長(zhǎng)度達(dá)3000m,，總體技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,，三年來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐表明了:該系統(tǒng)功能強(qiáng)大、安全可靠,、操作靈活,，為一汽-大眾公司創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并大大提高了生產(chǎn)效率,、自動(dòng)化生產(chǎn)水平和管理水平,，使得公司在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。