基于DeviceNet的嵌入式I/O模塊設計

摘 要： DeviceNet與ModBus協議轉換系統由DeviceNet主站，嵌入式I/O模塊，ModBus從站三部分組成，實現DeviceNet與ModBus之間的數據交互。嵌入式I/O模塊采用ARM7控制器LPC2129實現DeviceNet與ModBus之間的通信，同時以軟件的形式實現了一個僅限組2的DeviceNet從站和一個ModBus主站。DeviceNet從站用來解碼從DeviceNet主站端接收到的數據，解碼后的數據由MCU通過另一個UART接口發送給ModBus從站。UART接口旨在向ModBus從站發送讀/寫指令。結果表明，基于DeviceNet總線的嵌入式I/O模塊可以很好地與基于ModBus總線的設備進行通信。

關鍵詞： DeviceNet； ModBus； 嵌入式I/O模塊； LPC2129

中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0134?05

0 引 言

DeviceNet是一種基于CAN總線技術的符合全球工業標準的開放型現場總線通信網絡，它用于控制，配置和數據采集等方面。CAN總線具有布線簡單、典型的總線型結構、穩定可靠、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，DeviceNet總線被廣泛應用于工業自動化控制，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，越來越多的系統方案設計采用DeviceNet來實現。

ModBus協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現場的總線協議，由于該協議的產生，使控制器之間、控制器經由網絡和其他設備之間實現相互通信。ModBus協議現在已經成為一種通用的工業標準，應用該協議技術可以使不同廠商生產的控制設備連成一個工業網絡，進行集中監控管理。此協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。控制器能直接或經由Modem組網。基于DeviceNet的嵌入式I/O模塊通過I/O口發送和接收數據，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之間的協議轉換問題。

1 嵌入式I/O模塊的設計與實現

DeviceNet是一種上層的應用層協議，其物理層和數據鏈路層采用CAN總線技術，ModBus協議只是用于數據鏈路層上的協議[1]。這兩種現場總線是異構的，因此要實現兩種協議之間的通信，必須要進行協議轉換。協議轉換的轉換過程是分層次進行的。首先把總線設備發送過來的設備逐層解包，得到需要的數據，然后再把數據按另一協議所需的方式打包，發送到相應的設備上。

DeviceNet與ModBus協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DeviceNet從站，又是ModBus的主站。通過該模塊可以實現DeviceNet主站的數據與ModBus從站的數據進行傳輸。

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送ModBus格式的響應報文，最后經協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協議數據轉換成中間協議數據，之后轉換成ModBus可以識別的協議數據。

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串口實現與上位機的通信。系統的供電電源采用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。