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　　【摘要】本文以实现DeviceNet和Modbus现场总线协议转换的DeviceNet通信适配器为例，对其协议结构进行分析并提出了通信模型。设计实现了一款DeviceNet通信适配器，能将Modbus接口的低压电器设备接入到DeviceNet网络中。DeviceNet通信适配器符合DeviceNet一致性测试要求，对其进行了长期运行试验，其软硬件及通信功能均运行正常。

　　【关键词】现场总线通信适配器协议转换DeviceNetModbus

　　引言

　　目前，国际上有几十种不同的现场总线标准，几种主流的现场总线有Modbus、Profibus、DeviceNet、FF、LONWORKS、CAN等。Modbus在国内获得了非常广泛的应用，许多现有的低压电器设备都具有Modbus通信接口，DeviceNet作为IEC和我国现场总线标准之一，支持DeviceNet的智能节点越来越多[4-5]。

　　现场总线协议基于精简的ISO/OSI7层参考模型，也就是以ISO颁布的OSI标准7层参考模型为基础，对第3层到第6层进行了简化，这样可以确保高效的数据传输。现场总线协议的结构一般包括物理层、数据链路层、应用层和用户接口。众多现场总线并存的局面使得开发适应所有现场总线的产品是不经济的，也是不现实的。现场总线的开放性结构决定了开发现场总线通信适配器（协议转换器/网关）是可行的。

　　现场总线通信适配器能够把从一种现场总线设备发送来的数据在不同的协议层解包，得到用户数据，然后再按照另一现场总线协议逐层打包，最后发送到该现场总线设备上的一种协议转换器。通信适配器使得不同的总线协议可以互连互通，在不同现场总线网络之间建立一条连接通道，从而实现不同网络用户间数据的交换。由于大多数的现场总线都采用主从式的总线机制，因此现场总线通信适配器通常是一类现场总线的主站，同时又是另一类现场总线的从站。

　　一、协议结构分析与通信模型

　　1.1DeviceNet与Modbus协议结构分析

　　1）DeviceNet协议分析

　　DeviceNet是一种基于控制器局部网（CAN）技术的设备级底层网络，采用CAN的物理层和数据链路层规约。CAN协议规定了OSI模型中物理层和数据层的一部分。DeviceNet使用带有主干和分支线的线性网络拓扑结构，最多可以连接64个节点，使用点对点、多主或主/从通信方式；采用无破坏性的逐位仲裁技术。DeviceNet的网络结构分为物理层、数据链路层和应用层。DeviceNet沿用了CAN协议标准所规定的物理层和数据链路层，并补充定义了部分物理层和数据连路层，构建了应用层。DeviceNet协议分层结构如图1所示。

　　2）Modbus协议分析

　　Modbus总线适用于主从式控制，是工业串行通信事实上的标准。Modbus协议遵从主/从通信模式。Modbus总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并返回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。Modbus协议定义的各种信息帧格式，描述了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配一个唯一的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。

　　1.2通信适配器通信模型

　　DeviceNet协议和Modbus协议的数据链路层和应用层用户接口完全不同，是两个异构的总线网络，要实现它们的互联，就需要现场总线通信适配器来完成协议转换。

　　DeviceNet通信适配器要实现从Modbus协议至DeviceNet协议的转换，因此DeviceNet通信适配器必须同时实现Modbus主站功能与DeviceNet的从站功能。从DeviceNet至Modbus协议转换的通信模型结构如图2。

　　图2所示的是DeviceNet通信适配器协议转换通信模型。DeviceNet通信适配器作为Modbus主站，向Modbus从站发出请求报文，在接收到Modbus从站响报文后解析报文并存储；当DeviceNet主站发出请求报文后，DeviceNet通信适配器作为DeviceNet从站，接收DeviceNet请求报文并解析，根据Modbus从站响应的数据返回DeiveNet响应报文。

　　二、功能与设计

　　2.1通信适配器功能

　　DeviceNet通信适配器用于将具有Modbus接口的低压电器设备接入DeviceNet总线，它向下通过ModbusRTU协议，RS-485串行接口与设备连接，向上通过DeviceNet接口接入DeviceNet总线。DeviceNet通信适配器主要功能：

　　①协议转换功能。在设备本体（带有Modbus接口）和DeviceNet总线之间架起一座桥梁，使设备的采集数据可以以正确的格式和方式上传给DeviceNet主站，并将DeviceNet主站的命令下传给设备。这样设备本体就不需要花费大量的精力改变结构和研究DeviceNet协议，协议转换这部分工作由DeviceNet通信适配器来完成。

　　②可配置功能。可配置Modbus从站地址、波特率、校验方式，并且可以根据需要来配置每一个ModbusRTU设备需要读取或者写入的寄存器数据。不同的设备，只要符合ModbusRTU协议，利用配置软件配置好设备信息，就可通过DeviceNet通信适配器接入DeviceNet网络，DeviceNet通信适配器向下支持多个ModbusRTU从站设备。

　　③按键、显示功能。按键可对DevicNet通信波特率、节点地址进行设置；液晶显示状态，包括DevicNet节点地址、波特率，Modbus节点地址、波特率等。

　　2.2通信适配器硬件设计

　　根据DeivceNet规范规定，网络中任一设备都必须有接地隔离栅。根据隔离栅在节点内部还是外部，分为隔离节点和非隔离节点。隔离节点根据隔离位置分为两种，在物理层处进行隔离的节点是具有隔离物理层的节点，在I/O处隔离的节点是非隔离物理层的节点。

　　DeviceNet通信适配器设计采用在I/O处隔离的方式，是具有非隔离物理层的隔离节点。DeviceNet通信适配器的硬件结构见图3。包括误接线保护电路、DC-DC电路、隔离电路、液晶段码电路、微处理器、485收发器、CAN收发器、按键、指示灯等。

　　DeviceNet网络电压为24V，而DeviceNet通信适配器内部工作电压为5V和3.3V，电源电路选用TPS5430将24V电压转换为5V电压，采用LDO芯片SPX1117M3-3.3V将5V降为3.3V。微处理器选用Silicon公司的C8051F500，该MCU具有8051内核微控制器，集成CAN2.0B控制器。DeviceNet协议的物理层采用CAN通信方式，选用PCA82C2501作为CAN收发器。在Modbus通信端使用RS-485接口，选用AD公司485收发器ADM2483，它是带隔离的增强型RS-485收发器。

　　2.3通信适配器软件设计

　　DeviceNet通信适配器按照DeviceNet协议和CIP协议上关于设备状态转换机制的要求进行软件设计，设备共有6种状态：不存在、设备自检、待机、可操作、重要可恢复故障、重要不可恢复故障。DeviceNet通信适配器的状态转换机制如图4所示。

　　主程序上电运行之后会先初始化MCU，接着读取FLASH中的数据，创建ModbusRTU通信表，初始化DeviceNet通信参数表，然后通信适配器进入设备自检，设备自检失败进入重要不可恢复故障状态，自检通过后会检查工作模式，若为配置节点地址/波特率模式，可通过按键修改DeviceNet节点地址和波特率；若为上位机配置模式，可通过RS485接口与上位机配置软件通信，获取适配器的参数；若为运行模式，在适配器与主站建立连接后，会扫描报文请求应用程序，如当前为显式信息请求，根据显式信息的服务代码去读/写Modbus报文，更新DeivceNet显式报文缓冲区，向主站发送DeviceNet响应信息；如为I/O信息请求（定时器触发），运行配置在适配器里的周期性Modbus报文，更新DeviceNetI/O报文缓冲区。执行完报文请求应用程序，会扫描按键程序，至此，运行模式的处理程序结束，判断故障，若有故障进入故障处理，接着回到设备自检通过的位置，开启下一个循环。

　　三、测试与运行

　　为了保证连接在DeviceNet网络上的设备能互相通讯和互相操作，DeviceNet设备需要进行一致性测试，DeviceNet国际组织ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation）开发了DeviceNet设备的一致性测试。DeviceNet通信适配器在我司根据ODVA一致性测试规范搭建DeviceNet一致性测试平台上按照ODVA颁布的测试政策和一致性测试版本，对DeviceNet通信适配器进行了一致性测试，包括协议一致性测试、物理层测试和互操作性测试，见图5。

　　DeviceNet通信适配器通过一致性测试后，对其进了长时间的试运行试验。DeviceNet通信适配器将带Modbus接口的智能低压电器接入到DeviceNet平台中。经过长期试运行，DeviceNet通信适配器的软、硬件及通信功能均运行正常。

　　四、总结

　　现场总线协议转换技术可以集成不同种类的现场总线设备。DeviceNet通信适配器能将Modbus接口的低压电器设备接入DeviceNet网络，不仅可以应用在低压电器领域，还可以应用于智能配电系统、智能电网用户端系统、工业自动化等领域。本文提到的DeviceNet通信适配器的原理与设计实现也可为其它种类现场总线通信适配器的研究和开发提供借鉴和参考。

　　参考文献

　　[1]吴新忠，乔宏颖，任子辉.现场总线技术综述.工矿自动化，2004，（1）：23-25.

　　[2]武长坤，戴瑜兴.DeviceNet现场总线及其应用.低压电器，2004，（7）：31-33，61.

　　[3]方彦军，胥军.现场总线协议转换方法研究及其网关开发.2005中国控制与决策学术年会论文集，1373-1376.

　　[4]阮于东，刘健，季慧玉等.GB/T18858.3-2002，低压开关设备和控制设备控制器--设备接口（CDI）第3部分：DeviceNet.北京：中国标准出版社，2003.

　　[5]刘健，阮于东，季慧玉等.JB/T10709-2007，低压电器通信适配器.北京：机械工业出版社，2007.