傅智河，蔡小偉 ,羅玉平

(龍巖學(xué)院)

基于DeviceNet協(xié)議的模擬量模塊設(shè)計(jì)*

傅智河，蔡小偉 ,羅玉平

(龍巖學(xué)院)

針對工業(yè)上使用的模擬量模塊，大都直接采用模擬信號傳輸，或者使用Modbus通信協(xié)議傳輸，存在傳輸效率低，在傳輸距離上也受到了限制.為此設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DeviceNet協(xié)議的模擬量模塊，以STC15F2K60S2作為主控制器，采用獨(dú)立CAN控制器模塊和CAN收發(fā)器.設(shè)計(jì)4～20 mA電流信號的輸入與輸出電路，通過DeviceNet協(xié)議實(shí)現(xiàn)電流信號的采集與輸出.最后通過CAN分析平臺軟件對模塊的參數(shù)進(jìn)行讀寫測試，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能.

DeviceNet；4～20 mA；模擬量模塊

0 引言

在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場，過程傳感器、執(zhí)行器、閥組等直接轉(zhuǎn)換后在都為電壓信號，如將電壓信號直接進(jìn)行長線傳輸，將易受噪聲干擾，且由于傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓陣，使用現(xiàn)場儀表電壓放大功能帶來不便[1].為解決上述問題，4～20 mA的電流信號便在工業(yè)現(xiàn)場被大量采用，其電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)于回路中不影響數(shù)度，有較強(qiáng)的抗干擾能力[2].但由于4～20mA的電信號在長距離傳輸時(shí)，電流會出現(xiàn)下降，也就是出現(xiàn)衰減，同時(shí)在長距離傳輸時(shí)也會受到環(huán)境的干擾和影響，這些因素對數(shù)據(jù)的測量會產(chǎn)生偏差，引起設(shè)備的誤動或者拒動.目前工業(yè)上通訊大部分都是使用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)議也存在傳輸速率低，傳輸容量小并且在傳輸距離上也受到了限制[3].針對以上問題，提出基于DeviceNet協(xié)議[4]的模擬量模塊設(shè)計(jì)方案[5-6].DeviceNet以及CAN協(xié)議的基本原理，使用“生產(chǎn)者”與“消費(fèi)者”通訊模型,DeviceNet發(fā)送節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，而DeviceNet接收節(jié)點(diǎn)則消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù).兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間的通信總是符合基于連接的通訊模式,DeviceNet協(xié)議為使用物理層為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，具有較強(qiáng)的抗干擾能力與較強(qiáng)的通信可靠性.總線電源與通信使用同一電纜,其通信速率可設(shè)置，相比Modbus通信其通信速率更快,傳輸容量大，在傳輸距離上可以根據(jù)不同的波特率傳輸距離也不一樣，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 km，是未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢.

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支持DeviceNet協(xié)議的4～20 mA電流輸入與輸出傳輸模擬量模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)由微控制器、I/V轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、CAN控制器電路、隔離電路、CAN接口電路、電源電路、地址與波特率設(shè)置電路組成.該模塊作為DeviceNet節(jié)點(diǎn)，具有唯一地址，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的模擬電流信號輸入與輸出.微控制器采用STC15F2K60S2單片機(jī)，SJA1000作為獨(dú)立的CAN控制器[7]，TJA1040T作為CAN收發(fā)器，二者通過光耦隔離連接.節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過DeviceNet協(xié)議傳送給本節(jié)點(diǎn)，控制單片機(jī)輸出特定的PWM信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生4～20 mA的電流輸出.利用電流轉(zhuǎn)電壓電路將采集電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)據(jù)上傳至總線.

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2所示.其電路原理圖大致可以分為四個(gè)環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)中利用電阻R1將電流轉(zhuǎn)換成電壓輸入，由于R4、R5、R6和R7相等，由虛短虛斷得到式1.即U0=U2-U1，在4 mA電流輸入的時(shí)得到0.4 V電壓，在20 mA電流輸入的時(shí)得到2V電壓；第二部分是調(diào)零電路，由于第一部分輸入的是4～20 mA電流，其電壓不可能為0 V輸出，最小有個(gè)0.4 V的電壓值，那么要想得到0 V的電壓，就必須在電位器R3作用下，調(diào)節(jié)出一個(gè)0.4 V的電壓值與第一部分相抵消；第三部分就是把第一部分和第二部分得到的電壓值相減，使得輸出電壓值為0 V；第四部分為調(diào)滿電路，在同向放大器的作用下，根據(jù)虛短虛斷得到式2.因?yàn)樵?0 mA的電流輸入下只能得到2V的電壓輸出，達(dá)不到5 V電壓輸出的要求，那么此時(shí)必須調(diào)節(jié)電位器R14，使得R14/R13為2.125倍的關(guān)系，這樣才能滿足5 V的電壓值輸出.

(1)

(2)

圖2 I/V轉(zhuǎn)換原理圖

1.3 V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

V/I(電壓/電流)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示.其電路分為四個(gè)部分，當(dāng)輸入電壓值為0V時(shí)，由于要輸出4～20 mA的電流，電流最小值為4 mA，那么單靠第一部分的0 V輸入不可能得到最小電流值4 mA，所以需要由第二部分電位器R2下產(chǎn)生一個(gè)0.2V的電壓值，利用第三部分電路將第一部分和第二部分進(jìn)行疊加，得到一個(gè)0.2V的電壓值作為輸入.又因?yàn)榉糯蟊稊?shù)為二，所以第三部分輸出0.4V的電壓，在第四部分電路的作用下輸出4mA電流.當(dāng)輸入電壓值為5V時(shí)，由于要輸出4～20mA的電流，電流最大值為20mA，假設(shè)外接負(fù)載為100R，則第四部分的輸入電壓為2V,此時(shí)需要調(diào)節(jié)第一部分的電位器R1，使得輸入的5V電壓經(jīng)過電位器分壓后輸出0.6V的電壓值與第二部分0.4V電壓值向疊加得到1V的電壓，即將輸出的電流限制在20mA以內(nèi).第一部分電壓輸入由單片機(jī)內(nèi)部CCP/PCA模塊輸出PWM信號.關(guān)于PWM產(chǎn)生電壓控制信號的實(shí)現(xiàn)分析可參考文獻(xiàn)[8]，為將PWM轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通常還得由一個(gè)低通濾波器將信號進(jìn)行算術(shù)平均值處理后取得，其低通濾波器相關(guān)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[9]，如果要獲得更小紋波電壓，可使用二階低通濾波電路、Tschebyscheff濾波電路或Butterworth濾波電路等，如要輸出更高精度電壓，可將圖3中VIN模擬電壓信號輸入單片機(jī)的A/D輸入端，根據(jù)A/D檢測電壓值以調(diào)整PWM信號.

圖3 V/I轉(zhuǎn)換原理圖

1.4 CAN控制與接口電路設(shè)計(jì)

由于STC15系列單片機(jī)無集成CAN控制器，所以本設(shè)計(jì)采用外部獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，單片機(jī)對SJA1000的操作與單片機(jī)外部擴(kuò)展RAM芯片一樣；單片機(jī)P0口為地址與數(shù)據(jù)總線接口，與SJA1000的AD0～AD7相連接，其ALE、/WR、/RD、P2.4分別連接SJA1000的ALE、/WR、/RD與CS端，其外部中斷INT0與SJA1000的中斷信號端/INT相連接.SJA1000的TX0與RX0分別與光耦隔離接口電路(如圖4所示)中的CAN_TX與CAN_RX連接.CAN光耦隔離接口電路輸入與輸出采用兩個(gè)高速光耦6N137隔離，采用TJA1040T作為CAN收發(fā)器，TJA1040T具有斜率控制功能，以降低電磁輻射，并且在通訊過程傳輸速率快，可達(dá)到1Mbit/s，本身還具備過流保護(hù)，防止發(fā)送輸出級對電源或負(fù)載短路，在系統(tǒng)還沒有上電節(jié)點(diǎn)不受到總線信號的干擾.TJA1040T在正常工作模式時(shí)，收發(fā)器通過CANH和CANL發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，在總線無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CANH和CANL都處于關(guān)閉狀態(tài)，只使用一個(gè)功耗相對比較低的收發(fā)器查看總線狀態(tài).圖4中R5與R6用于保護(hù)接口芯片，以防止在總線電壓接錯時(shí)不至于燒毀接口芯片；U4為CAN專用瞬態(tài)抑制二極管PESD1CAN，以抑制瞬態(tài)電壓從而保護(hù)CAN總線.CAN-VCC與CAN-GND為經(jīng)過B0505S隔離電源轉(zhuǎn)換后的電源與地.

圖4 CAN光耦隔離接口電路

2 DeviceNet接口軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)主要包括SJA1000控制器、PWM輸出、A/D輸入初始化與DeviceNet應(yīng)用層程序編寫.SJA1000控制器主要根據(jù)包含的兩個(gè)總線定時(shí)寄存器進(jìn)行配置，總線定時(shí)寄存器0設(shè)置波特率和重同步跳轉(zhuǎn)寬度，總線定時(shí)器1用于定義每個(gè)位的周期長度、采樣點(diǎn)的位置以及采樣的次數(shù).PWM設(shè)計(jì)主要完成單片機(jī)內(nèi)部比較控制寄存器CMPCR1與CMPCR2，具體設(shè)計(jì)可參考STC15單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.STC15系列單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，作為A/D使用時(shí)需要將P1ASF特殊功能寄存器的位作相應(yīng)置位，具體設(shè)計(jì)也可參考STC15單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.DeviceNet支持位選通、輪詢、狀改變等多種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式，本設(shè)計(jì)中同時(shí)使用了輪詢與位選通數(shù)據(jù)觸發(fā)試，分別建立了連接實(shí)例.DeviceNet協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于其對象模型的建立，本從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)識對象、DeviceNet對象、聯(lián)接對象.DeviceNet通訊過程可以劃分為三個(gè)階段，第一階段主要重復(fù)MAC ID檢查，保證地址的唯一性；第二階段主要是主從站之間的建立連接；第三階段主要是報(bào)文傳輸，獲取從站的相關(guān)信息和配置從站的相關(guān)參數(shù).本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)是按照預(yù)定義主從連接組的規(guī)范設(shè)計(jì)的，一旦網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)立刻捕獲該信息并開始判斷信息類型，然后依據(jù)DeviceNet協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10].整個(gè)軟件主流程圖如圖5所示.

圖5 主程序流程圖

3 測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方法制作了樣機(jī)，通過CAN總線分析儀進(jìn)行測試.如發(fā)送報(bào)文標(biāo)識符=10 000010 101(10為組二信息，000010為目的MAC ID=02，101為主站I/O輪詢命令)，數(shù)據(jù)=00(00通過PWM后得到一個(gè)4.72V的電壓輸出經(jīng)過4～20mA電流輸出電路，將得到的電流值給4～20mA輸入電路，最終把輸出的電壓值傳回主站)，其測試結(jié)果如圖6所示.通過觀察響應(yīng)報(bào)文可知，接收到的標(biāo)識符=01 111 000010(01為組二信息，000010為源MAC ID=02)，數(shù)據(jù)=BD 03 00 00 00 00 00 (BD為數(shù)據(jù)的低八位，03為數(shù)據(jù)的高八位，將十六進(jìn)制03BD化成十進(jìn)制為957，(957/1024)*5=4.67V)，與之前的4.92V對比有一定的誤差.

圖6 I/O報(bào)文傳輸測試結(jié)果

4 結(jié)束語

該文利用單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)了I/V轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、CAN控制與接口電路等，并編程實(shí)現(xiàn)了DeviceNet協(xié)議，最終進(jìn)行相關(guān)測試，驗(yàn)證了本方案的可行性，達(dá)到了預(yù)期效果.測試結(jié)果電壓較電源電壓低，是由于對單片機(jī)進(jìn)行5V供電，其I/O口并不通完全輸出滿電壓，且與選有的運(yùn)放未選用滿幅運(yùn)放，從而導(dǎo)致誤差.后期可利用降低電壓輸入量程轉(zhuǎn)換方式與使用滿幅運(yùn)放改進(jìn)電路.

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DesignofAnalogModuleBasedonDeviceNetProtocol

Fu Zhihe，Cai Xiaowei，Luo Yuping

(Longyan University)

Most of the analog modules used in industry are transmitted directly by analog signal, or transmitted by Modbus protocol, with low transmission efficiency and limited transmission distance. The module of a DeviceNet protocol is designed to be the main controller based on STC15F2K60S2. Using independent CAN controller module and CAN transceiver, the input and output circuit of the 4～20 mA current signal are designed,and the current signals are collected and output through the DeviceNet protocol. Finally, the module parameters are red and writen tests by CAN analysis software, The results show that the design can achieve the desired function.

DeviceNet; 4～20 mA; Analog module

于達(dá))

TP271

A

1000-5617(2017)04-0026-05

2017-06-29

*福建省教育廳項(xiàng)目(JA15486);龍巖市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014LY61)；全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201711312038)