碩士學(xué)位論文 基于DeviceNet協(xié)議的節(jié)點開發(fā)

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1、 基于DeviceNet協(xié)議的節(jié)點開發(fā) Development of Nodes Based on DeviceNet 摘 要 本文主要進(jìn)行DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的研究，在研究的基礎(chǔ)上分別用PC機(jī)和單片機(jī)來開發(fā)DeviceNet節(jié)點。在進(jìn)行基于PC機(jī)的DeviceNet節(jié)點設(shè)計時，采用了一塊CAN接口卡，并用C++ Bulider實現(xiàn)了DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議，這樣可以使用PC機(jī)所具有的豐富的軟件工具和調(diào)試手段，在PC上實現(xiàn)的DeviceNet協(xié)議可以簡單地移植到單片機(jī)中。在進(jìn)行基于單片機(jī)的DeviceNet節(jié)點設(shè)計時

2、，協(xié)議控制芯片選用SJA1000，收發(fā)器芯片選用82C250，并用C51來移植了DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議。基于單片機(jī)的DeviceNet節(jié)點還作為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能控制器，從而開發(fā)出了帶DeviceNet接口的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文還根據(jù)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的特點，設(shè)計了一種簡單、實用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制算法。 本文所開發(fā)的兩個DeviceNet節(jié)點都與OMRON公司的DeviceNet主站進(jìn)行連接?；趩纹瑱C(jī)的節(jié)點作為下位機(jī)，通過DeviceNet總線接收執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度設(shè)定值，并使用本文所設(shè)計的控制算法來準(zhǔn)確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度?；赑C機(jī)的節(jié)點作為上位機(jī)，通過DeviceNet總線監(jiān)控智能執(zhí)行機(jī)

3、構(gòu)的控制過程。 在DeviceNet節(jié)點的軟硬件設(shè)計完成后，對DeviceNet節(jié)點進(jìn)行了組網(wǎng)調(diào)試，測試證明，本文研制的DeviceNet從站節(jié)點完全實現(xiàn)了既定的技術(shù)要求，其通信機(jī)制遵循DeviceNet協(xié)議規(guī)范，能接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中，與OMRON公司的主站模塊能進(jìn)行實時可靠的通信。本文所設(shè)計的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制算法也也得到了驗證，取得了比較好的控制效果，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的穩(wěn)定性好，角度控制精度比較高。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 DeviceNet CAN 從站節(jié)點 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu) Abstract This thesis focuses on the research of D

4、eviceNet fieldbus technology, and develops DeviceNet nodes with PC and SCM respectively. When developing the DeviceNet node base on PC, a CAN interface card is used, and the DeviceNet application protocol is implemented by C++ Builder. A lot of software tools and debug tools can be used when program

5、ming DeviceNet protocol and the implemented DeviceNet application protocol on PC can be transplanted into SCM easily. When developing the DeviceNet node base on SCM, SJA1000 and 82C250 are chosed as the protocol controller and transceiver, and the implemented DeviceNet application protocol on PC is

6、transplanted into SCM by C51. Then DeviceNet node base on SCM is also used as an intelligent controller for electric actuator, thus an intelligent electric actuator is produced. According to the characteristic of the electric motor of the actuator, a simple and practical control algorithm is designe

7、d. The two DeviceNet nodes developed in this thesis are connected to DeviceNet master node of OMRON. The DeviceNet node base on SCM is used as a controller, which receives the angle set value of the actuator, and controls the angle of the actuator precisely using the control algorithm designed in t

8、his thesis. The DeviceNet node base on PC is used as operation interface station, which supervises and controls the execution process of the intelligent electric actuator. After the software and hardware developments of DeviceNet nodes are accomplished, the DeviceNet nodes are connected to DeviceNe

9、t to debug their performance. The result of the test and measurement proves that the DeviceNet nodes developed in this thesis fulfil the technical requirement. The communication mechanism of the nodes is conformed to DeviceNet specifications, and the nodes can be integrated into DeviceNet of OMRON t

10、o communicate reliably. The control algorithm designed in this thesis is tested too, and a good control result is obtained, including high stability and high accuracy. Keywords：Fieldbus DeviceNet CAN Slave node Intelligent electric actuator （Keywords這段設(shè)置：段前12磅） II 武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文

11、 基于DeviceNet協(xié)議的節(jié)點開發(fā) 目 錄 摘 要（四號黑體） I Abstract（四號Time New Roman） II 引 言 （四號黑體） (1) 1 緒論 （四號黑體） (2) 1.1 課題背景（四號宋體） (2) 1.1.1 國外情況（四號宋體） (2) 1.1.2 國內(nèi)情況（四號宋體） (2) 1.2 課題的提出與研究現(xiàn)狀 (3) 1.3 本文所作的工作 (5) 2 DeviceNet協(xié)議規(guī)范研究 （四號黑體） (6) 2.1 DeviceNet現(xiàn)場總線概述 （四號宋體） (

12、6) 2.2 DeviceNet的物理層和物理媒體 (7) 2.3 DeviceNet與CAN (8) 2.4 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊模型 (8) 2.5 DeviceNet的報文 (9) 2.6 DeviceNet中連接的概念 (10) 2.7 DeviceNet數(shù)據(jù)通訊方式 (11) 2.8 預(yù)定義的主/從連接組 (11) 2.9 DeviceNet對象模型 (12) 2.10 DeviceNet設(shè)備描述 (14) 3 系統(tǒng)總體設(shè)計（四號黑體） (15) 3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（四號宋體） (15) 3.2 基于PC的De

13、viceNet節(jié)點 (17) 3.3 基于單片機(jī)的DeviceNet節(jié)點 (17) 3.4 功能及需求分析 (18) 4 基于PC的DeviceNet節(jié)點設(shè)計（四號黑體） (20) 4.1 概述 （四號宋體） (20) 4.2 CAN通信適配卡 (20) 4.3 PC機(jī)軟件設(shè)計 (21) 5 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)DeviceNet接口設(shè)計（四號黑體） (32) 5.1 概述（四號宋體） (32) 5.2 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)“軟伺放”的可行性 (33) 5.3 控制器硬件電路設(shè)計 (33) 5.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電路設(shè)計 (38) 5.5 軟件設(shè)計

14、(41) 5.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制算法 (45) 6 系統(tǒng)調(diào)試 （四號黑體） (48) 6.1 系統(tǒng)總體介紹（四號宋體） (48) 6.2 OMRON CompoBus/D網(wǎng)及調(diào)試 (48) 6.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試 (50) 7 結(jié)論與展望 （四號黑體） (54) 7.1 結(jié)論（四號宋體） (54) 7.2 前景展望 (55) 致 謝（四號黑體） (56) 參考文獻(xiàn)（四號黑體） (57) 附錄1 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文目錄 （四號黑體） (60) 附錄2 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)之控制器電路原理圖 （四號黑體） (61) 注：目錄中所有英文和數(shù)據(jù)用Time

15、New Roman字體 引 言 DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放型通信網(wǎng)絡(luò)。由于采用了許多先進(jìn)的新技術(shù)，與一般的通信總線相比，具有突出的高可靠性、高效率、高實時性和靈活性。自從推向市場以來，DeviceNet下所連接的節(jié)點數(shù)量不斷增長，每年以超出150%的驚人速度不斷發(fā)展，雖然在全球范圍內(nèi)現(xiàn)有的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)約有幾十種，但是這些現(xiàn)場總線之間的優(yōu)劣差別日趨明顯，在作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線領(lǐng)域內(nèi)始終有4～5種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)不相上下，其中DeviceNet就屬于優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)。隨著DeviceNet先后于2000年6和2002年10月成為

16、國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，DeviceNet的應(yīng)用前景更加廣泛，故對該技術(shù)進(jìn)行深入的研究與開發(fā)是非常有意義的。 本文主要進(jìn)行DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的研究，在研究的基礎(chǔ)上分別用PC機(jī)和單片機(jī)來開發(fā)DeviceNet節(jié)點。為了進(jìn)行更好的驗證以及更快的將研究成果應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，本文將用單片機(jī)實現(xiàn)的DeviceNet節(jié)點用于執(zhí)行器的控制，從而開發(fā)出一套實用的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它作為DeviceNet現(xiàn)場總線的一個智能現(xiàn)場裝置掛在DeviceNet現(xiàn)場總線上，接收控制器的控制信號，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度進(jìn)行控制。 基于DeviceNet智能執(zhí)行器的開發(fā)是具有非常重要的意義的，可以填補(bǔ)我國在這方面的不足，順應(yīng)

17、當(dāng)前自動控制的市場需求。長期以來，國外許多相關(guān)廠家對智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不懈的研究開發(fā)和改進(jìn)，投入了大量的人力物力，取得了相當(dāng)?shù)某删?，開發(fā)了諸多種類的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及智能控制器。而我國在這方面起步較晚，投入較少，而且受到開發(fā)技術(shù)和條件的限制，使得國內(nèi)智能化、一體化的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品還不多。因此開發(fā)一種適合我國國情的、性能先進(jìn)、功能完善、符合我國使用標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器將會有比較好的市場前景和實用價值。 本文在DeviceNet協(xié)議進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，用單片機(jī)開發(fā)了帶DeviceNet協(xié)議支持的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣既能對協(xié)議進(jìn)行研究，而且可以將協(xié)議的研究成果更快、更好的應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，使研究的使用價值更大。

18、 1 緒論 1.1 課題背景 根據(jù)國際電工委員會IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，是計算機(jī)局域網(wǎng)在自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)是當(dāng)今3C技術(shù)，即計算機(jī)技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）與控制技術(shù)（Control）飛速發(fā)展的必然產(chǎn)物。（以下略） 1.1.1 國外情況 根據(jù)國際電工委員會IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、

19、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技。 1.1.2 國內(nèi)情況 根據(jù)國際電工委員會IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技。 1.2 課題的提出與研究現(xiàn)狀 DeviceNet現(xiàn)場總線作為當(dāng)今主流的底層設(shè)備現(xiàn)場總線技術(shù)，是90年代中期發(fā)展起來的，并已于2000年6月15日正式成為IEC62026國際標(biāo)準(zhǔn)（有關(guān)低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備、控制器與電氣設(shè)備接口）之一。在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，公布了DeviceNet現(xiàn)場總線已于2002年10月8日

20、被批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年4月1日正式開始實施[9]（所引用參考文獻(xiàn)必須標(biāo)注）。DeviceNet成為國家標(biāo)準(zhǔn)，為國內(nèi)開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的研制單位、生產(chǎn)企業(yè)、貿(mào)易和用戶提供了技術(shù)橋梁。（以下略） 1.3 本文所作的工作 本文主要進(jìn)行DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的研究，在研究的基礎(chǔ)上分別用PC機(jī)和單片機(jī)來開發(fā)DeviceNet節(jié)點。為了進(jìn)行更好的驗證以及更快的將研究成果應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，本文將用單片機(jī)實現(xiàn)的DeviceNet節(jié)點用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，從而開發(fā)出一套實用的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。文章對DeviceNet節(jié)點進(jìn)行了初期的一致性測試，對智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控

21、制算法進(jìn)行了一定研究并給出了智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的試驗結(jié)果。（以下略） 2 DeviceNet協(xié)議規(guī)范研究 2.1 DeviceNet現(xiàn)場總線概述 圖4-1 協(xié)議分層及實現(xiàn)方式 DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放型通信網(wǎng)絡(luò)。它既可連接底端工業(yè)設(shè)備，又可將可編程控制器、操作員終端、傳感器、光電開關(guān)、電動機(jī)起動器、驅(qū)動器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，減少了I/O接口和布線數(shù)量，實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程管理。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與其它現(xiàn)場總線相比，它具有突出的高可靠性、實時性和靈活性。其主要技術(shù)特點可歸納為[13~14]：（

22、以下略）圖的示例如右圖所示。 2.2 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2-1所示。（以下略） DeviceNet提供125/250/500kbps三種可選的波特率，最大拓?fù)渚嚯x為500米，每個網(wǎng)段最多可連接64個節(jié)點。波特率、線纜類型、拓?fù)渚嚯x之間的對應(yīng)關(guān)系如表2-1所示： 表2-1 DeviceNet波特率、線纜類型、拓?fù)渚嚯x間的對應(yīng)關(guān)系 傳輸速率 125Kbps 25

23、0Kbps 500Kbps 粗纜干線最大長度 500m 250m 125m 細(xì)纜干線最大長度 100m 100m 100m 最大支線長度 6m 6m 6m 支線允許總長 156m 78m 39m 2.3 DeviceNet與CAN （以下略） 2.4 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊模型 （以下略） 6 系統(tǒng)調(diào)試 6.1 系統(tǒng)總體介紹 前面幾章主要介紹了兩從站節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計實現(xiàn)。當(dāng)整個系統(tǒng)初步完成以后，測試就是另外一個很重要的部分，系統(tǒng)的調(diào)試占有很大的工作量，尤其是聯(lián)網(wǎng)調(diào)試，需要掌握DeviceNet的組網(wǎng)、配置，還需要理解Dev

24、iceNet主站的行為特性。 （以下略） 6.2 OMRON CompoBus/D網(wǎng)及調(diào)試 CompoBus/D網(wǎng)是OMRON主推的一種開放式網(wǎng)絡(luò)，它遵循DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)，非OMRON公司生產(chǎn)的設(shè)備，如主單元和從單元都可以連接到該網(wǎng)絡(luò)上[25]。 （以下略） 6.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試 本文開發(fā)的兩個DeviceNet節(jié)點都掛接到OMRON公司的DeviceNet總線上。首先，應(yīng)該對所開發(fā)的節(jié)點進(jìn)行初步一致性測試，判斷開發(fā)的節(jié)點能否與OMRON公司的DeviceNet主站模塊進(jìn)行通信，測試的結(jié)果是非常令人滿意的。在通信能正常進(jìn)行的基礎(chǔ)上就可以對兩個節(jié)點的功能進(jìn)行測試了。 （以

25、下略） 7 結(jié)論與展望 致 謝 本論文是在導(dǎo)師 教授的悉心指導(dǎo)下完成的，無論是在論文的選題、課題的研究，還是在論文的撰寫、修改和定稿都凝聚著導(dǎo)師的汗水。（以下略） 唐 2004年5月20于珞珈山 參考文獻(xiàn) [1]陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，1999，33～45 [2]周明．現(xiàn)場總線控制．北京：中國電力出版社，2001，55～57 [3]吳新忠，喬宏穎，任子暉．現(xiàn)場總線技術(shù)綜述．工礦自動化，2004，第1期：34～36 [4]劉小波，肖登明，王俏華．基于GPRS的分布式配電網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)．高壓電器，第41卷第5期，2005年10月：357～359 （以下略） ·10· 附錄2 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)之控制器電路原理圖