基于DeviceNet数据采集系统的设计

蒋成清 王晓宇

【摘要】工业现场上经常需要监控现场的工作环境和设备的运行状态，所以需要对现场的温度、湿度和设备的电压、电流等参数进行采集，并传送给上位机监测。本文提出了一种数据采集系统的设计和实施方案，采用STM32作为微处理器，标准DeviceNet协议作为通信规约，实现数据采集的网络化和智能化。

【关键词】数据采集;STM32;DeviceNet协议;DN1022

1.引言

随着我国工业化水平不断提高，工业现场需要监控现场的工作环境和设备的运行状况，包括测量现场的温度、湿度和设备的电压、电流等参数。传统的数据采集多采用变送器，但是，变送器采集的数据采用模拟量传输，抗干扰能力较差，并且采集数据单一，不能完成多参数采集，不易实现网络化。如何提高采集数据抗干扰能力，并且完成多参数采集等问题有待完善。本设计采用stm32作为CPU，DeviceNet作为通信协议，接收并处理DeviceNet主站下达的查询命令，组织相应数据上报给DeviceNet主站，有多路的输入和多路的输出。

2.总体设计方案

从功能上讲，本设计可以分为两大部分：即工业现场信号采集电路和工业现场控制电路。其中工业现场信号采集电路完成对数字信号的采集，再由stm32对数据进行处理，通过标准的DeviceNet协议与DeviceNet主站通信。工业现场控制电路接收并处理DeviceNet主站下达的控制命令，组织相应数据实现对工业现场的控制。系统框图如图1所示。

图1 系统的方框图

2.1 数据采集电路

数据采集电路实现了开关量的实时采集功能。微处理器STM32f103R8的I/O口可以配置为开关量输入端口，开关量输入信号由I端输入，通过光电耦合器PC817与微处理器I/O口相连。微处理器对输入端进行状态查询，读取状态信息。光电耦合器PC817在作用是实现现场开关量与微处理器间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力。

2.2 协议芯片接口电路

DN1022芯片具有内置的CAN口和DeviceNet处理引擎，内置DeviceNet Group 2 Only Slave从站协议栈，具有高速串行口和配置口。微处理器可通过串口和DN1022通信。其集成度高、封装简单，满足一般的DeviceNet从节点功能要求。

（1）工作状态配置。DN1022芯片初始化时会检测配置口线CFG1的状态，根据状态的不同，决定芯片的工作状态。如果CFG1=0，芯片处于配置状态;CFG1=1，芯片处于工作状态。

（2）I/O数据交换状态。DN1022内部有一个I/O数据缓冲区，DeviceNet主站与DN1022之间的数据交互是异步进行的。

在工作状态，stm32可以与DN1022进行I/O数据交换及参数读写。如图3，DN1022芯片的RXD、TXD为串行口信号接收和发送引脚，分别接用户的处理器的TXD及RXD。高速串口最高波特率可达115.2Kbps，可以满足与DeviceNet相匹配的速度。

图2 DN1022接口电路

2.3 输出控制电路

当接收到DeviceNet主站发送的命令时，微处理器stm32对数据进行处理，根据主站要求指示相应的继电器闭合，三极管饱和导通，相应指示灯亮，实现了对开关量的控制。光电耦合器PC817实现电气隔离作用。

图3 输出控制电路

2.4 拨码开关电路

拨码开关电路分为从站地址的选择和波特率的选择两种，并且要求在配置状态下才能设置。从站地址的选择通过拨码开关中的前六位A1—A6设置从站地址，采用8421BCD编码规则配置从站地址，设置范围0-63。波特率的选择有125Kbps、250Kbps、500 Kbps和自动波特率设置4种可选。通过拨码开关中的后两位A7和A8选择波特率，采用8421BCD编码规则配置波特率。

3.系统软件设计

本设计由C语言编程实现，完成对工业现场信号进行采集，组织相应数据通过DeviceNet协议传给主站;并且接收处理DeviceNet主站发出的命令，控制对输出继电器做出闭合或释放动作，以实现开关量信号的输出。本设计中采用Keil uVision4为开发平台，编写了主程序，数据采集及处理程序，串口通信程序。上电后，CPU首先对DN1022进行配置，需要配置的参数有地址、波特率、Network Input连接长度等。然后进行I/O数据交换。DeviceNet主站与DN1022之间的数据交互是异步进行的。

表1 DN1022命令表

命令号 命令功能

0x1 设定身份识别信息（配置状态）

0x2 设定连接信息（配置状态）

0x5 I/O数据传输（运行状态）

0x6 I/O数据传输，并读取Device Net网络状态（运行状态）

0xE 读取参数（运行状态）

0x10 设置参数（运行状态）

0x20 设定参数信息参数（配置状态）

表1为协议芯片DN1022的命令表，本设计使用了1号、2号以及5号命令。1号命令是配置命令，包含设备号，设备许可号，版本号，产品名称等。当发送完一帧命令后，DN1022返回一个响应帧，0x81是正确响应帧，0xE0和0x2是错误响应帧。2号命令是配置命令，包括地址、波特率、输入及输出长度。地址和波特率是通过拨码开关读取的，由于输入和输出为4组，所以设置为各1个字节。正确响应帧为0x82，0x01和0xff是错误响应帧。5号命令为运行命令，完成DN1022与stm32之间的数据通信，正确响应帧为0x85。图6为整个系统设计的软件流程图。

图4 软件流程图

4.结论

本设计采用stm32作为CPU，对工业现场信号进行多路采集，采集的信息同时性好，通过devicenet协议与PLC实时通信，传输数据的实时性与可靠性显著提高，完全能满足整个系统的运行，通用性好，具有较好的应用价值和市场前景。

参考文献

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[5]程晓辉，董爱华，舒国汀，方建安.I/O模块的DeviceNet接口设计[J].东华大学学报（自然科学版），2005（02）.

作者简介：蒋成清（1993—），安徽宿州人，大学本科，现就读于辽宁科技大学。

通讯作者：王晓宇（1978—），辽宁鞍山人，硕士，讲师，主要研究方向：信号与系统。