引言

DeviceNet是一種基于CAN總線技術的符合全球工業(yè)標準的開放型現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡，它用于控制，配置和數(shù)據(jù)采集等方面。CAN 總線具有布線簡單、典型的總線型結構、穩(wěn)定可靠、實時、抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線成本低等特點。由于具備了這些特點，Devi-ceNet總線被廣泛應用于工業(yè)自動化控制，它不僅可以接入更多，更復雜的設備，還可以為上層提供更多的信息和服務。在很多歐美國家，越來越多的系統(tǒng)方案設計采用DeviceNet來實現(xiàn)。

ModBus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，由于該協(xié)議的產生，使控制器之間、控制器經由網(wǎng)絡和其他設備之間實現(xiàn)相互通信。ModBus協(xié)議現(xiàn)在已經成為一種通用的工業(yè)標準，應用該協(xié)議技術可以使不同廠商生產的控制設備連成一個工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控管理。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構體，從而使用戶不需要關心它們使用哪種網(wǎng)絡進行通信。它描述了一個控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

本文主要解決DeviceNet 與ModBus 之間的協(xié)議轉換問題。標準的ModBus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪浻蒑odem 組網(wǎng)。基于DeviceNet 的嵌入式I/O 模塊通過I/O 口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，ModBus通過串口與嵌入式I/O模塊進行通信。通過此過程完成DeviceNet與ModBus之間的協(xié)議轉換問題。

1 嵌入式I/O模塊的設計與實現(xiàn)

DeviceNet是一種上層的應用層協(xié)議，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用CAN總線技術，ModBus協(xié)議只是用于數(shù)據(jù)鏈路層上的協(xié)議[1].這兩種現(xiàn)場總線是異構的，因此要實現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信，必須要進行協(xié)議轉換。協(xié)議轉換的轉換過程是分層次進行的。首先把總線設備發(fā)送過來的設備逐層解包，得到需要的數(shù)據(jù)，然后再把數(shù)據(jù)按另一協(xié)議所需的方式打包，發(fā)送到相應的設備上。

DeviceNet與ModBus協(xié)議都采用主從通信模式，所以它們之間的通信只能是單向的，主站發(fā)送命令報文而從站被動接收命令報文。本設計中的嵌入式I/O模塊既是De-viceNet從站，又是ModBus的主站。通過該模塊可以實現(xiàn)DeviceNet主站的數(shù)據(jù)與ModBus從站的數(shù)據(jù)進行傳輸。

嵌入式I/O模塊的功能是把DeviceNet格式的報文轉換為ModBus的報文命令，再傳給底層的ModBus設備，設備在接收到ModBus命令之后，會向報文轉換模塊發(fā)送ModBus格式的響應報文，最后經協(xié)議轉換模塊將報文轉換為DeviceNet格式的報文傳輸給DeviceNet主站。本嵌入式I/O模塊既是DeviceNet的從站實現(xiàn)接收主站報文并做出響應的功能，同時又可以作為ModBus的主站向其他ModBus設備發(fā)送報文并接收響應報文。

本設計采用的處理器為LPC2129,硬件結構如圖1所示。它是NXP 公司的32 位工業(yè)級ARM7 處理器，其內部集成了兩個CAN 控制器，在一片處理器內首先將主站端的DeviceNet協(xié)議數(shù)據(jù)轉換成中間協(xié)議數(shù)據(jù)，之后轉換成ModBus可以識別的協(xié)議數(shù)據(jù)。

撥碼開關用來設置DeviceNet 端的波特率及MAC地址，其中波特率的開關為3 位，分別代表125 Kb/s,250 Kb/s,500 Kb/s;MAC地址的開關為6位，地址為0~63.

RS 232 既可作為程序下載接口，也可作為通用的RS 232串口實現(xiàn)與上位機的通信。系統(tǒng)的供電電源采用24 V的直流供電，并在內部將24 V電源轉化為模塊需要的5 V,3.3 V及1.8 V電壓電源。

2 DeviceNet 和ModBus 協(xié)議介紹

2.1 DeviceNet協(xié)議規(guī)范

DeviceNetTM規(guī)范由Rockwell 公司開發(fā)，并將其作為一個基于CAN協(xié)議的開放式現(xiàn)場總線標準而公布。與其他現(xiàn)場總線相比，它具有突出的高可靠性、實時性和靈活性。其主要技術特點可歸納為：

（1）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，從而有強大的支持。

（2）可以容納64個節(jié)點地址，每個節(jié)點支持無限個的I/O口；

（3）網(wǎng)絡拓撲結構，節(jié)點設備配電方式靈活，可網(wǎng)絡統(tǒng)一配電或自行供電；

（4）網(wǎng)絡速度可選125 Kb/s,250 Kb/s 和500 Kb/s;有誤接線保護功能；

（5）數(shù)據(jù)傳送方式多樣，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化等方式；

（6）采用逐位仲裁機制實現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息；

（7）支持輪詢或狀態(tài)改變（基于事件），多主站和主從，支持從設備的即用即拔，無需網(wǎng)絡斷電。

DeviceNet是面向連接服務的網(wǎng)絡，任意兩個節(jié)點的通信必須建立在邏輯連接的基礎上。建立連接時與連接相關的傳送會分配一個11位連接標識符（Connec-tion ID,CID），連接標識符由設備媒體訪問控制標識符（MAC ID）和信息標識符（Message ID）兩部分組成。連接建立后設備可通過發(fā)送釋放連接或刪除連接請求服務來斷開連接。在某個特定的連接上長時間沒有進行通信，這個通信將自動斷開以釋放資源。其中，MAC ID可通過硬件設定，也可通過軟件來配置。標識符分為四組，如圖2所示。DeviceNet連接分為顯式信息連接和I/O連接。

2.2 DeviceNet與CAN

DeviceNet總線協(xié)議是基于CAN總線技術的。它的數(shù)據(jù)鏈路層完全遵循CAN 規(guī)范的定義，并通過CAN 控制器芯片實現(xiàn)。它只使用CAN 2.0A 中的定義，不支持CAN 2.0B中的擴展報文格式。DeviceNet只用125 Kb/s,250 Kb/s,500 Kb/s 三種可選速率，達不到CAN 的最高通信速率1 Mb/s.DeviceNet 只使用數(shù)據(jù)幀，錯誤幀和超載幀三種幀表示和控制，并未使用CAN 中定義的遠程幀。

DeviceNet 在CAN 總線的基礎上又增加了面向對象、基于連接的現(xiàn)代通信技術理念，并開發(fā)了應用層。

其應用層規(guī)定了CAN 數(shù)據(jù)幀的使用方法、重復節(jié)點地址檢測機制、對象模型及設備的標準化。使DeviceNet的應用更廣泛，安全性更好。

2.3 ModBus協(xié)議介紹

ModBus 是一種應用于工業(yè)控制器的網(wǎng)絡通信協(xié)議，它是由Modicon 公司開發(fā)的，主要應用于電子控制器方面，現(xiàn)已成為一種通用工業(yè)標準。該協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS 232,RS 422,RS 485和以太網(wǎng)設備。它定義了一個控制器能認識使用的消息結構，使用者不需要關心它們內部的網(wǎng)絡通信方式?？刂破髋c控制器，控制器與其他設備之間（通過網(wǎng)絡）的通信都要通過ModBus協(xié)議來實現(xiàn)。ModBus 協(xié)議制定了消息域格局和內容的公共格式，并詳細描述了一個控制器請求訪問其他設備的過程以及如何回應其他設備的請求，以及偵測錯誤并記錄的過程。當使用ModBus網(wǎng)絡進行通信時，按照此協(xié)議的規(guī)定，每個控制器需要知道它們的設備地址，并能識別按地址發(fā)來的消息，根據(jù)這些信息決定要產生的動作。

ModBus協(xié)議的消息也能在其他網(wǎng)絡上進行傳輸，只需要將消息轉換為適用于其他網(wǎng)絡上使用的幀或包結構即可。

ModBus分為兩種傳輸模式，ASCII和RTU模式。本文采用RTU模式進行說明。控制器使用主/從技術進行通信，能直接或經由調制解調器（Modem）組網(wǎng)。網(wǎng)絡上的每個從站必須有惟一的地址。地址范圍為1~247.

從站地址用于尋址從站設備。ModBus通信由主節(jié)點發(fā)起，即僅主設備能發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸（即查詢），從設備根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)做出回應信息或響應動作。主設備以單播或廣播模式與從設備通信。在單播模式下，從設備返回消息作為回應，在廣播模式下，不作任何回應（地址0作為廣播地址）。ModBus協(xié)議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域，具體的ModBus 協(xié)議通信過程如圖3所示。

從設備回應消息也由ModBus協(xié)議構成，包括確認要行動的域、要返回的數(shù)據(jù)、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。

對于ModBus通信協(xié)議，信息傳輸為異步方式，以字節(jié)為單位傳送。報文的信息幀格式分為獨立的信息頭和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)兩部分，其報文結構如圖4所示，下面分別介紹。

地址碼為通信傳送的第一個字節(jié)。每個從機都有具有惟一的地址碼，響應回送以各自的地址碼開始。主機發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機地址，而從機發(fā)送的地址碼表明回送的從機地址。

功能碼為通信傳送的第二個字節(jié)。ModBus通信規(guī)約定義功能號為1~127.作為主機請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機執(zhí)行什么動作。作為從機響應，從機發(fā)送的功能碼與從主機發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進行操作。

數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實際數(shù)值、設置點、主機發(fā)送給從機或從機發(fā)送給主機的地址。CRC碼為字節(jié)的錯誤檢測碼。

當通信命令發(fā)送給接收設備時，符合相應地址碼的設備接通信命令，將地址碼去掉，獲取真正的命令內容，判斷是否有誤，無誤則執(zhí)行相應的任務并把執(zhí)行結果返送給發(fā)送者?；厮偷男畔⒅邪ǖ刂反a、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后結果的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼，如果出錯就不發(fā)送任何信息。

3 嵌入式I/O模塊的設計與實現(xiàn)

協(xié)議轉換模塊的功能是把DeviceNet格式的命令報文轉換為ModBus的報文命令，再傳給底層的ModBus設備，設備在接收到ModBus命令之后，會向報文轉換模塊發(fā)送ModBus格式的響應報文，最后經協(xié)議轉換模塊將報文轉換為Devicenet 格式的報文傳輸給DeviceNet 主站。本I/O 模塊既是DeviceNet的從站實現(xiàn)接收主站報文并做出響應的功能，同時又可以作為ModBus的主站向其他ModBus設備發(fā)送報文并接收響應報文。

3.1 架構設計

本程序采用中斷的方法來實現(xiàn)兩種報文的收發(fā)及轉換。本系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化，主處理程序和收發(fā)數(shù)據(jù)三部分。整體結構如圖5所示。

3.2 DeviceNet從站協(xié)議代碼

為了實現(xiàn)DeviceNet 通信模塊與ModBus 模塊通過DeviceNet 現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)傳輸，需要開發(fā)一個Devi-ceNet 從站節(jié)點。一個僅限組2 的DeviceNet 從站在通信模塊中以軟件的形式實現(xiàn)，從站確保通信模塊能夠通過DeviceNet 接口接收到主站的數(shù)據(jù)。DeviceNet 從站代碼組成一套可以移植到其他DeviceNet從站產品上的DeviceNet協(xié)議棧，該協(xié)議棧的主要特點如下：

（1）支持DeviceNet預定義主/從連接模式；

（2）支持報文類型：Poll,Strobe,Change of State/Cyclic.

通過DeviceNet協(xié)議棧，嵌入式I/O模塊可以與主站建立顯式信息連接以及I/O 連接。DeviceNet主/從站連接的過程，當主站發(fā)送一個請求命令時，DeviceNet必須對其進行響應。本嵌入式I/O 模塊屬于僅限組2設備，一個DeviceNet的組2 服務器在通過重復MAC ID 檢測上線后，需等待客戶機分配預定義主/從連接組并建立顯式信息連接，通過客戶機的配置和驗證后建立輪詢的I/O連接。

根據(jù)DeviceNet主/從站的連接過程，DeviceNet從站必須對主站的請求進行響應，具體的通信過程如圖6所示。

4 嵌入式I/O模塊的應用層軟件設計

應用層程序調用協(xié)議棧相關函數(shù)接收DeviceNet主站端的DeviceNet數(shù)據(jù)，然后轉換為ModBus的通信規(guī)約格式，送入UART 口后傳送到ModBus 從站。反之，當ModBus從站發(fā)送讀命令后，若收到DeviceNet主站的響應數(shù)據(jù)，則將該UART 口的數(shù)據(jù)轉換為DeviceNet 規(guī)約格式并打包發(fā)返回到DeviceNet 主站。最終實現(xiàn)Devi-ceNet 和ModBus 之間的雙向數(shù)據(jù)交換。如圖7 所示為主程序流程圖。

上電后，嵌入式I/O模塊啟動，首先進行一次自檢，檢測它的MAC ID,波特率，E2PROM.自檢通過后，對LPC2129進行初始化，打開CAN收發(fā)中斷。在主循環(huán)里首先查看是否有新的DeviceNet主站數(shù)據(jù)，若有則將它轉換為UART 的格式寫到ModBus 內部。若無新數(shù)據(jù)，則直接進入下一步，發(fā)送讀ModBus主站命令，每發(fā)一條等待響應，若在等待周期內收到響應，則在接收中斷內將接收到的ModBus從站數(shù)據(jù)轉換為DeviceNet數(shù)據(jù)。

在嵌入式I/O模塊自檢過程中可以根據(jù)指示燈的情況判斷自檢是否成功，只有在自檢成功后才進行CAN總線初始化。

void SelfCheck（void）是I/O 模塊自檢函數(shù)。在自檢過程中需要調用控制燈初始化函數(shù)和控制函數(shù)，voidinit_led（void），void net_led_ctrl（_U08 ctrl_para）?？刂茻粢还灿?個，端口號分別為P0.8~P1.3.通過這6個燈的亮滅分別驗證波特率，MAC ID,網(wǎng)絡，E2PROM 是否正確。

在本工程中添加uart.h 和uart.c 文件，其中INT8UUART0_Ini（INT32U baud,UARTMODE set）（void）是串口初始化程序，在該程序中主要實現(xiàn)參數(shù)過濾，設置串口波特率，設置串口模式的功能。

void SendBytes（INT8U *data,INT8U len）（void）按字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。

void IRQ_UART0（void）（void）串口UART0 接收中斷。在該函數(shù)中比較是否有新數(shù)據(jù)產生，在有新數(shù)據(jù)的情況下進行中斷處理。

void uart0_oper（）是串口數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

void init_uart0（INT32U bandrate_uart）（void）初始化中斷啟動函數(shù)，在該函數(shù)中進行設置I/O 連接到UART0,設置中斷允許等操作。

部分程序如下：

其中的中斷通道號是可以修改的，但是在一個工程中不能重復。VICVectAddr6中的6即為通道號，0×26和（1《6）中的6為中斷向量，各種中斷向量是確定的，不可隨意更改。

void DnsPollRequestUpdate（void）是DeviceNet協(xié)議棧部分DeviceNet數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，它在嵌入式I/O模塊接收到一個完整的輪詢請求后被調用。該函數(shù)首先對本次接收到的數(shù)據(jù)和上次接收到的數(shù)據(jù)進行比較，只有當不同時才將接收到的新數(shù)據(jù)賦給aubAppOldConsData[i]以便被串口通過中斷方式讀取后寫到ModBus主站。

這樣不僅減輕了MCU的處理負擔，還避免了ModBus主站寄存器的不斷寫入。

void DnsPollResponseUpdate（void）也是DeviceNet協(xié)議棧部分DeviceNet數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，它在通信模塊進行輪詢響應前被調用。該函數(shù)將讀ModBus從站命令獲得的數(shù)據(jù)_U08 aubAppNewProdData[i]賦給aubApp-PollProdData[ubCntByte]作為輪詢響應。

5 結論

本設計采用NXP公司的ARM7處理器LPC2129,實現(xiàn)了基于DeviceNet總線的PCI5010-D主站與基于Mod-Bus 總線的設備之間的通信。充分利用了LPC2129 的CAN控制器設計和UART接口，一個接PCI5010-D主站端的DeviceNet總線，另一個接ModBus端。主站，從站和I/O模塊同時上電后，PCI5010-D主站與I/O模塊間的DeviceNet總線先建立連接后進行I/O 輪詢，PCI5010-D主站的輸出通過I/O模塊的轉換后通過UART接口被寫入ModBus相應的寄存器。然后I/O 模塊發(fā)出讀命令并將ModBus 的返回值轉換為DeviceNet總線格式作為輪詢輸入返回到PCI5010-D 主站。這樣便完成了一個完整的信息交換過程。

嵌入式I/O在實際的工作環(huán)境下經過嚴格的測試，能夠滿足模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化要求。DeviceNet從站代碼經過了ODVA 的一致性測試，可移植到其他的產品上。