基于DeviceNet协议的伺服系统设计

　　引言

　　DeviceNet作为基于现场总线技术的工业标准开放网络,为简单的底层工业装置和高层如计算机、PLC等设备之间提供连接。 DeviceNet应用国际标准的控制局域网(CAN)协议,具有公开的技术规范和价廉的通信部件,使得其具有比其他现场总线低得多的开发费用。设备网采用总线供电方式,提供本质安全技术,广泛适用于各种高可靠性应用场合。

　　本文主要研究基于DeviceNet的伺服系统的软硬件设计。通过CAN总线、单片机和高性能电机控制器ADMC401进行数据传输与控制，使伺服电机的性能更加稳定,能更好更灵活地地应用于数控系统中。

　　CAN总线和DeviceNet协议的实现

　　CAN总线协议及特点

　　控制器局域网CAN为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车电子行业中，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1Mbps。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配线装置。由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点概括如下[1]:

　　l CAN为多主方式工作，网络上任一节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从;

　　l 在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最快可在134us内得到传输;

　　l CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发出信息出现冲突时，优先级较低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下，不会出现网络瘫痪情况(以太网则可能)。

　　DeviceNet协议及特点

　　DeviceNet是在1994年由美国的Allen Bredly公司开发的是基于CAN的一种现场总线，实现低成本高性能的工业设备的网络互连。DeviceNet协议特别为工厂自动控制而定制，它在美国和亚洲扮演了非常重要的角色。在欧洲，越来越多的系统方案使用DeviceNet来实现。

　　DeviceNet规范在2002年12月被国家标准化管理委员会批准为中国的国家标准，于2003年4月开始实施。DeviceNet协议适用于最低层的现场总线，例如:过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过 DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线。 DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。 DeviceNet具有多种特点[2]:

　　l DeviceNet基于CAN技术用于PLC与现场设备之间的通信网络。它可连接开关、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125～500kbps;

　　l DeviceNet使用的通信模式是:消息产生者(Producer)和消息使用者(Consumer)。传统的通信在消息传送上采用的技术式指定数据源和目标地址。DeviceNet使用的模型更为有效，它可使控制数据同时到达控制的每一个单元，可以更有效地利用网络的频带宽度。消息产生者一次发送的数据可被多个消息使用者使用，从而更有效的传送数据;

　　l DeviceNet使用的通信协议为11位标识符，即所有的I/O消息都有自己的11位标识符ID，标识符ID分成四个消息组，各有不同用途ID中同时提供了多重优先权。工作时，总线上的设备监听网络上消息，当设备辨识出正确的标识符后，将接受该消息;

　　l DeviceNet上的每一个设备可以随时连接或断开，而不会影响其他设备的正常运行。真正的开放性使系统扩充和改型非常方便。

　　控制系统的构成

　　为了实现伺服系统的快速实时控制,系统在设计上采用了单片机+DSP双CPU结构。在设计时将系统控制任务进行了划分:DSP完成实时性要求高的伺服控制任务,FLASH结构的8位单片机89C51完成实时性要求比较低的管理任务,单片机和DSP之间的通讯采用并行数据方式,由FPGA实现。同时 FPGA还要完成外部I/O信号管理、位置脉冲指令信号处理及计数、故障信号处理等功能。伺服控制系统的结构如图1所示。由图1可以看出,系统主要有以下几部分:伺服控制中心ADMC401;外设接口FPGA+单片机89C51;主电路以及开关电源电路[3]。下面分别说明。

　　DeviceNet通信接口部分

　　本文所设计的DeviceNet接口电路中，采用AT89C51ED2作为节点的微处理器，在CAN总线通信接口中，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN总线驱动器采用82C250。

　　图2为DeviceNet接口电路原理图。从图2中可以看出，电路主要由4部分构成:微控制器89C51、独立CAN通信控制器SJA1000、 CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。微处理器89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。

　　为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦 6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，从而保护了系统电路以及总线的信号传输。从整体性能来说，系统设计具有很好的通用性和实用性。

　　微控制器AT89C51ED2用来实现通讯的应用层协议。它具有丰富的内存资源，4个8位I/O端口、3个16位定时/计数器、256字节暂存 RAM、9个中断源、4个优先级，此外还有2K EEPROM空间，系统不需要扩展外部程序存储器便可满足DeviceNet协议程序的容量要求。并且能够在&TImes;2模式(6个时钟/机器周期)下工作运行，本文中的设计即是在&TImes;2模式下。单片机通过访问SJA1000的寄存器来实现和上位机的通信。CAN控制器SJA1000的接收寄存器和发送寄存器用于暂时存放接收和发送的数据。单片机发送数据则通过设置SJA1000的命令寄存器发送命令位，接收数据是通过中断方式实现，SJA1000的INT引脚与AT89C51ED2的INT1引脚相连，使单片机能够实时响应CAN的中断请求。采样周期2ms由 AT89C51ED2的定时器中断产生。