基于DeviceNet协议的伺服系统通讯接口设计

维普资讯

现场总线控制技术　

《电气自动化）２００７年第２９卷第２期　

Ｆｉｅｌｄｂｕｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃｓ　

基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的伺服系统通讯接口设计　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｎ　Ｓｅｒｖｏ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ　

华中科技大学控制科学与工程系（湖北武汉４３００７４）李叶松王华兵鄢波涛　

（Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ　Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ｌｉ　Ｙｅｓｏｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｈｕａｂｉｎｇ　Ｙａｎ　Ｂｏｔａｏ　

摘要：分析了基于ＣＡＮ总线的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议结构，开发了基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的数字式交流伺服系统通讯接口，介绍了系统的硬件设计方　

案，重点阐述了系统通讯功能设计的实现。　

关键词：ＣＡＮ总线ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议数字式交流伺服系统　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ＡＣ　

ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕ—　

ｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｄｅｖｉｃｅＮｅｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｄｉｇｉｔｌａ　ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　

［中图分类号】ＴＰ３９３．０３　［文献标识码】Ａ［文章编号】１０００．３８８６（２００７）０２．００３５．０３　

１　前言　

（１）高性能电机控制器ＡＤＭＣ４０１　

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ是基于ＣＡＮ的一种现场总线协议，可实现低成本　

ＡＤＭＣ４０１是面向电机控制的高性能数字信号处理器，采用１６　

高性能的工业设备的网络互连。它采用串行通信链接，硬件成本　

位定点ＤＳＰ　ＡＤＳＰ２１７１的内核，并将高性能ＤＳＰ内核与丰富的外设　

很低，只需５条线（１对信号线、１对电源线、１条屏蔽线）即可实现　

控制器集成于单片之中。本系统中用它来实现矢量变换、电流环、速　

设备间的连接，极大减少外部连线，抗干扰性能比较好。此外Ｄｅ．　

度环、位置环控制以及ＰＷＭ信号发生、各种故障保护处理等。　

ｖｉｃｅＮｅｔ提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线Ｉ／０　

（２）外设接口ＦＰＧＡ　

接口很难实现的。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议采用ＣＡＮ标准，具有公开的技术　

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　

规范并使用价廉的通信器件，因此开发费用比较低。　

机＋ＤＳＰ双ＣＰＵ结构，ＤＳＰ完成实时性要求高的伺服控制任务，　

本文主要研究基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议的伺服系统通讯接口的软　

ＦＬＡＳＨ结构的８位单片机８９Ｃ５ｌＥＤ２完成实时性要求比较低的系　

硬件设计。采用ＣＡＮ总线接口，利用单片机与高性能电机控制器　

统管理任务，单片机和ＤＳＰ之间的通讯采用双端口并行数据交换方　

进行数据传输与控制，使伺服驱动器可以更灵活地应用于分布式　

式，由ＡＣＴＥＬ　ＦＰＧＡ　４２ＭＸ１６实现，同时ＦＰＧＡ还要完成外部Ｉ／０接　

控制系统中。　

口管理、指令脉冲信号处理及计数、故障信号诊断处理等功能。　

２交流伺服系统的硬件结构　

（３）ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ接口电路　

本文研究的数字式交流伺服系统设计方案采用ＤＳＰ　

本文所设计的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ接口电路中，主要由４部分构成：微　

ＡＤＭＣ４０１＋ＦＰＧＡ＋网络接口的硬件结构［２１，充分利用了ＤＳＰ的高　

控制器８９Ｃ５ｌＥＤ２、独立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、ＣＡＮ总线收发　

速运算能力和片内外设资源，对系统的控制任务进行了细致的划　

器８２Ｃ２５０和高速光电耦合器６Ｎ１３７。微处理器８９Ｃ５ｌＥＤ２负责对　

分，既保证了伺服控制的实时性，又有利于扩展其它现场总线通讯　

ＳＪＡ１０００进行初始化，通过控制ＳＪＡ１０００实现数据的接收和发送　

接口，系统硬件结构图如图１所示。　

等通信任务，同时实现通讯协议功能。　

总线收发器采用Ｐｈｉｌｉｐｓ的８２Ｃ２５０，它与ＳＪＡ１０００之间采用光　

隔离器件６Ｎ１３７实现光电隔离，减少外部信号对系统的干扰，提高　

系统运行的可靠性，采用外部通讯电源供电或ＤＣ．ＤＣ电源隔离器　

件。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／０端口、３个１６位定时／计数器、２５６字　

节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　

ＣＡＮ总线　

求。并且能够在Ｘ２模式（６个时钟／机器周期）下工作运行。　

图１数字式交流伺服系统结构图　

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＜电气自动化）２００７年第２９卷第２期　现场总线控制技术　

Ｆｉｅｌｄｂｕｓ　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ｔｅｃｈｎｉｃｓ　

表１请求报文数据包　

字节　

０　

１　

７　６　５～Ｏ　

Ｆｒａｇ［０１　

Ｒ／ＲＦ０１　

ＸＩＤ　

对象ＩＤ　

实例ＩＤ　

服务数据　

ＭＡＣ　ＩＤ　

服务码　

图２　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通讯接口接构图　

（４）主电路及开关电源电路　

２　

３．３　Ｉ／ｏ报文　

处理　

Ｉ／Ｏ信息报文　

用于在ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网　

３　

４～７　

伺服系统的主回路逆变器采用智能功率模块ＰＭ３ＯＣＳＪ０６０。该　

模块采用３０Ａ６００Ｖ　ＩＧＢＴ功率管，内部集成了驱动电路，并设计有　

过电压、过电流、过热、欠压等故障保护电路。系统的控制电源采　

用开关电源供电，开关电源功率开关器件选用ＴＯＰ２２４。对于伺服　

电机光电编码器的供电电源，考虑其反馈信号线上的电压降可能　

表２响应报文数据包　

络中传输应用和过　

程数据。Ｉ／Ｏ报文通　

比较大，会影响到反馈信号的可靠性，因此采用带有反馈调节的　

ＤＣ／ＤＣ变换器单独供电。　

常使用高优先级的　

报文标识符。Ｉ／Ｏ报文传送通过Ｉ／Ｏ信息连接对象来实现。　

Ｉ／Ｏ信息报文格式的最重要的特性是完全利用了ＣＡＮ数据　

场来传输过程数据。连接的端点通过ＣＡＮ报文标识符来识别过程　

数据的重要性。Ｉ／Ｏ报文的处理过程类似显示报文的处理。　

３通讯功能设计实现　

３．１　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ连接的建立　

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ是一个基于连接的网络系统。只有当对象之间已建　

立连接后，才能通过网络进行报文传送。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ规定了两种类　

型连接：Ｉ／Ｏ连接和显示连接。　

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议对Ｉ／Ｏ报文的８个字节的数据只当作单纯的　

数据，并没有对这部分信息进行定义，不过针对不同的设备给出了　

不同的参考模式，系统可根据自己的实际情况和设备需求自定义　

这部分信息的含义。针对伺服系统应用实际，设计了两种Ｉ／Ｏ报　

文：运动命令和控制参数读写命令。其中运动命令主要用于对伺　

服系统的监视与控制，包括能够实时反应电机的当前状态，如电机　

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ节点在开机后能够立即寻址的唯一端１２１是“非连接　

信息管理器端１２１”（ＵＣＭＭ端口）和预定义主／从连接组的“Ｇｒｏｕｐ２　

非连接显式请求端１２１”。本设计采用的是仅限组２的通讯方式。　

预定义主／从连接组用于简单而快速地建立一个连接。当使用预　

定义的主／从连接组时，客户机（主站）和服务器（从站）之间只允　

许存在一个显式连接。连接建立过程如下：主机（ＰＣ或ＰＬＣ）通过　

组２的保留信息通道，即非连接显式报文请求（Ｇｒｏｕｐ　２　Ｍｅｓｓａｇｅ　

６），发送“分配预定义主／从连接组”请求报文，从机接收到该信息　

之后，根据自身支持的连接方式和当前所处的状态发送给主机适　

当的响应。如果从机没有被其他主机“占有”，且主机的报文正确，　

则通过组２非连接显式报文响应通道（Ｇｒｏｕｐ　２　Ｍｅｓｓａｇｅ　３）发送“分　

当前转速，当前的位置等；而控制参数读写命令主要用于读取或者　

修改伺服系统的关键内部参数如控制器增益、各个命令控制字、以　

及系统的状态查询等。以运动命令为例设计报文格式。　

ＰｏＵｅｄ输入／输出报文的格式如表３所示：　

以直线定位为例进行说明。设在Ｐｏｌｌｅｄ　Ｉ／Ｏ方式下，主机　

（ＭＡＣＩＤ：０）要求从机（ＭＡＣＩＤ＝３）以绝对运动方式移动到位置　

０ｘ１２３４５６７８，则主机的请求报文和从机的响应报文如图３所示。　

配成功”的信息给主机。通讯连接建立好以后，从机在接收到主机　

发送来的请求帧后，根据数据帧中的连接标识符判断是显式报文　

请求或是Ｉ／０报文请求。　

３．４　ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议程序流程　

系统初始化完成后，则进入等待中断状态。等待接收来自上　

位机的命令，分析上位机命令，执行相应的处理，并将有关的数据　

返回给上位机。其流程图如图４所示。　

在设计中，采用Ｋｅｉｌ　Ｃ环境进行开发。该通讯接口已成功应　

３．２显式报文处理　

显式信息报文用于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络中两个设备之间的一般性　

数据交换。显式报文通常使用低优先级的报文标识符。显式报文　

用于三轴分布式伺服控制系统中，在实际测试过程中，实现了基本　

的功能，能够准确对电机的各个参数进行控制，同时也能正确实时　

地反映电机当前运行的状态。此外，即使某一伺服系统出现通讯　

故障，对另外两台伺服控制器的运行不会产生任何影响。这表明　

表３　Ｐｏｌｌｅｄ输入／输出报文的格式　

为点对点传送，采用典型的请求／响应通讯模式，通常用于设备配　

置、故障诊断。显式报文请求指明了对象、实例和属性，以及所要　

调用的特定分类服务，并由报文路由对象传递到相应的对象。　

主机如果发送显式报文请求（Ｇｒｏｕｐ　２　Ｍｅｓｓｇｅａ　４），则从　

机的显式报文连接对象将请求数据包发送给报文路由对　

象，报文路由对象根据数据包中包含的信息将此数据包传　

递给相应的处理对象，处理对象解析该请求数据包的剩余　

信息并结合自身当前的状态完成相应的操作，然后将响应　

数据交给报文路由对象，报文路由对象再将其传递给显式　

Ｂｙｔｅ　Ｂｉｔ７　Ｂｉｔ６　Ｂｉｔ５　Ｂｉｔ４　Ｂｉｔ３　Ｂｉｔ２　Ｂｉｔｌ　Ｂｉｔ０　

Ｏ　

１　

２　

Ｏ　数据　１　

有效　

响应类型　

急停　报警　警告　伺服　

使能　

命令代码　

开始　

运行　

Ｏ　

报文连接对象，显式报文连接对象将此信息打包，通过显式　

报文响应通道（Ｇｒｏｕｐ　２　Ｍｅｓｓｇｅａ　３）将响应数据包发送给主　

机，完成一次显式报文信息交换“１。　

对于小于等于８个字节的数据，可以采用非分段式显　

３　

４　

５　

６　

７　

Ｏ　

命令／响应数据第一个字节　：最低位）　

命令／响应数据第二个字节（次低位）　

命令／响应数据第三个字节（次高位）　

命令／响应数据第四个字节（最高位）　

旋转　增量／绝　

方向　对方式　

式报文请求／响应格式如表１和表２所示：　

３６　ｆ　ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　

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《电气自动化｝２００７年第２９卷第２期　

Ｆｉｅｌｄｂｕｓ　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ｔｅｃｈｎｉｃｓ　

Ｍａｓｅｒ　

Ｓｌａｖｅ　

（　ＩＤ＝Ｏ）　

ｏＩ＾ｃＩＤ：３）　

请求；ＣＩＤ＝１０。００００１１。１０１（ｂｉｔ）Ｄａｔａ＝６３。１１。Ｏ０．０３。７８　５６　３４　１２　

Ｇｒｏｕｐ

ｓｔｉｎａｔｉｏｎ，

’ｓ

ｓｚｌｌ　ＡＣＩＤ

Ｐｏｌｌ　Ｒｅｑｕｅｓｔ

—＿

Ｊ．　．－＿Ｊ１　ＬＬ　

请求：ＣＩＤ＝Ｏ，１ＩＩ１。００００１１（ｂｉｔ）Ｄａｔａ－－６３。１１。Ｏ０。０３。ｆ６　Ｏｂ　ＯＯ　００　

－　

ｉ

Ｉ　ｌ篙ｉｌ＇￣ｔ　

一　～

。。

行　

图　３　

图４系统软件设计流程图　

该系统软硬件设计是正确合理的。　

参考文献　

４结语　

【１】ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ　Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ　Ｖｏｌｕｍｅ　Ｉ，ＩＩ　Ｒｅｌｅａｓｅ　２．０，Ｅｒｒａｔａ　４．ＯＤＶＡ，２００１　

本文将网络通讯接Ｅｌ技术与伺服驱动技术结合起来，实现了伺　

【２】李叶松全数字交流永磁同步电机伺服系统设计【Ｊ】．电力电子技术，　

服系统的全数字化控制。其通讯接Ｅｌ设计方案采用ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ总线　

２００２（６）　

【３】ＡＴＭＥＬ．８－ｂｉｔ　Ｆｌａｓｈ　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＡＴ８９Ｃ５１ＥＤ２【ｚ】　

技术，支持分布式控制，使伺服系统可以很好的应用到整个控制系　

［４１黄恒等．基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ技术的仅限组２从设备设计【Ｊ】．电工技７　杂　

统中，降低了整个系统的复杂度，提高了系统开放性，同时它较传统　

志．２００４（６）　

的串行通信具有更高的可靠性，易于系统扩展，可实现低成本设计。　

ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｉ　３７