DeviceNet规范概述及组网——DeviceNet通信及设备类型

1 引言

DeviceNet是基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。CAN总线具有布线简单、典型的总线型结构、稳定可靠、实时、抗干扰能力强、传输距离远、布线成本低等特点，广泛应用于自动化仪表、工业生产现场、数控机床等系统中，被认为是最有前途的现场总线之一。虽然DeviceNet是工业控制的设备级网络，而它采用了先进的通信概念和技术，通过一根电缆将工业设备接成网络，网络中不仅有低端的工业设备，还有像变频器、HMI这样复杂的设备，这样降低了系统的复杂性，减少了设备通信的电缆硬件接线，并提高系统可靠性，降低安装、维护成本，是分布式控制系统的理想解决方案。

2 DeviceNet规范简介

DeviceNet规范定义了一个网络通信标准，以便组成工业控制系统使各个设备之间可以进行数据通信。DeviceNet规范除了提供ISO模型的应用层定义之外，还定义了部分物理层和数据链路层。规范中对DeviceNet节点的物理连接也作了规定，连接器、电缆类型、长度以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。

DeviceNet是建立在CAN协议基础之上，沿用了CAN协议所规定的物理层和数据链路层，并补充了不同的报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和隔离方法。DeviceNet的功能和特点如图1所示。

DeviceNet的应用层协议则采用的是通用工业协议(CIP)。CIP是一个在高层面上严格面向对象的协议。每个CIP对象具有属性(数据)、服务(命令)、连接和行为(属性值与服务间的关系)，其主要功能有两个:一是面向连接的通信；二是标准的工业应用对象。下文详细介绍通信部分。

CIP通信最重要的特点是它用不同的方式传输不同类型的报文，根据报文质量要求将需要发送的报文分为显式报文和隐式报文。

CIP另一个重要特点是基于连接进行通信的。因此DeviceNet网络上任意两个节点通信之前必须建立起连接，且连接可以动态建立和撤销。请注意这里的“连接”是逻辑上的关系，而非物理层的连接。

DeviceNet支持两种类型的连接:显式报文连接和I/O连接。

显式报文连接是点对点的连接方式，报文接收方必须对接到的报文做出相应的响应，通常这类报文对时间要求不高，主要用于上传/下载程序、修改设备参数、趋势分析和诊断等。

I/O连接则用于传送实时性要求较高的I/O报文，可以一对一、一对多地传送数据。DeviceNet支持多种I/O数据触发方式，如位选通(Bit strobe)、轮询(Poll)、状态改变(COS)/循环(Cyclic)等。

位选通:利用8字节的广播报文，每一位分别对应网络上64个节点，指定要求响应的从节点，响应报文最大为8字节。

轮询:这种触发方式适用于绝大多数设备，相比位选通的少量I/O数据，轮询命令可传送任意数量的数据。轮询命令依次发送到各从站设备，从站接收到命令后做出应答。

状态改变:此方式多用于离散的设备，当设备状态发生改变时，使用事件触发方式发生通信，而不是依靠主设备不断查询。为了防止设备掉线，增加了心跳报文，定时获取设备运行状态。

循环:循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备信号发生的速度，灵活地设定循环通信的时间间隔，可以降低不必要的网络流量，在模拟量输入发生变化的时间内即可。每台设备中，循环和状态改变是互斥的，同一时刻只能使用一种连接方式。

下面通过图2介绍DeviceNet网络中两台设备建立通信的一般流程。

DeviceNet设备在进行信息交换前，首先要通过重复的MAC ID检测，如果通过MAC ID检测，则设备转为在线状态；否则为离线。然后通过未连接显示报文建立显式报文连接，主从站通过显式报文进行各种配置和信息交换。最后，建立I/O连接，并通过I/O连接进行数据收发。不同的主站模块建立I/O连接的流程有所差别，这里强调的是DeviceNet网络是基于连接的一种网络。

3 DeviceNet设备及组网

DeviceNet网络是一种设备级的现场总线网络，它的拓扑结构是比较自由的，典型拓扑结构是主干-分支方式，如图3所示。

在实际应用中，Devicenet网络基本上都采用主/从连接通信方式，因此网络中的设备也有主从之分。

(1)主站设备

简单来说，DeviceNet主站(扫描器)是集中管理I/O数据的设备。目前有两种形式的主站，一种是可编程控制器(PLC)中的一个单元，它的内部集成了DeviceNet的主站功能，这种主站使用最为普遍。另一种是主站PC使用一个集成DeviceNet的主站功能PCI或USB接口卡，并通过PCI/USB总线与PC的CPU交换数据，实现对从站的管理和控制。

现代控制系统中由上位机提供的人机界面也是必不可少的，DeviceNet主站无论采用PLC单元模块或PCI/USB接口卡，对外都具有开放的通信接口，可以适用于市面上绝大多数的组态、监控软件。

广州致远电子有限公司日前推出了人机界面(HMI)主站设备，PCI和USB两种类型接口的DeviceNet主站卡，分别是PCI-5010-D和USBCAN-E-D。它们可以使PC机快速连接到DeviceNet网络，在最短时间内实现可视化、参数化的网络分析及控制。主站卡不仅提供了免费ZOPC服务器接口，可直接运行于常用的组态软件(组态王、MCGS、Intouch等)，而且还提供了标准的应用程序接口(API)、DeviceNet扫描模块动态链接库、配套的程序示例等。

(2)从站设备

如图3所示，从站设备有马达驱动器、I/O设备、传感器、按钮组、HMI等等。通常，从站设备的控制比较简单，大多数都采用轮询方式工作。为了方便用户快速设计出符合DeviceNet规范的从站设备，广州致远电子有限公司推出了一款嵌入式DeviceNet从站模块——XGate-DVN10。它适用于各种干扰强、实时性要求高的工业场合，具有小巧的体积和灵活的应用方式，可以非常方便地嵌入到用户的设备中。

4 小结

使用DeviceNet总线产品构成系统是非常方便的，只要产品符合DeviceNet规范，就可以方便地接入系统。如果你只提供从站设备，那么可以自由选用不同厂商的从站、主站、上位机软件，可以方便地配置连接构成稳定、健硕的DeviceNet网络，这就是开放式现场总线的优点。目前DeviceNet已经是中国国家标准，其一致性测试中国测试中心也已经成立，为国内开发、生产、销售、应用DeviceNet现场总线设备提供了桥梁。

广州致远电子有限公司提供各种接口的DeviceNet接口卡、DeviceNet终端设备(包括数据采集，电机控制等)、DeviceNet分析仪、网关及网桥、OPC服务器以及基于DeviceNet协议的整套组网方案及应用开发。

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