DeviceNet物理层详解及应用技术

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：DeviceNet的物理层包括两部分：物理信号子层和媒体访问单元子层。在选择收发器时，必须保证所选择的收发器符合DeviceNet规范。图7-6 DeviceNet现场总线拓扑结构每条干线的末端都需要终端电阻。DeviceNet只允许在支线上有分支结构。DeviceNet允许在干线系统中混合使用不同类型的电缆。单个接地点应位于电源分接头处，密封DeviceNet电源分接头的设计应有接地装置，接地点也应靠近网络的物理中心。

DeviceNet的物理层包括两部分：物理信号子层和媒体访问单元子层。物理层下面的传输介质层也在这一节介绍。媒体访问单元子层主要包括驱动器/接收器的电路和其他用于连接节点到传输介质的电路，这部分规定在ISO/OSI参考模型中被称为物理媒体访问（Physi-cal Medium Attachment，PMA）。而传输介质层主要定义了传输介质的电气及机械接口，这部分规定在ISO/OSI参考模型中被称为介质从属接口（Medium Dependent Interface，MDI）。

下面分别对媒体访问单元、传输介质和物理层信号进行介绍。

1.媒体访问单元

物理层的媒体访问单元包括收发器、连接器、误接线保护（MWP）、稳压器和可选的光隔离器。物理层结构图如图7-4所示。

图7-4 物理层结构图

（1）收发器收发器是在网络上传送和接收CAN信号的物理组件。收发器从网络上差分接收网上信号供给CAN控制器，并用CAN控制器传来的信号差分驱动网络。市场上有许多集成CAN收发器。在选择收发器时，必须保证所选择的收发器符合DeviceNet规范。

（2）误接线保护 DeviceNet要求节点能承受连接器上5根线的各种组合的接线错误。在U+电压高达18V时，不会造成永久性的损害。许多集成CAN收发器对CAN-H和CAN-L最大负向电压只有有限的承受能力。使用这些器件时，需要提供外部保护电路。图7-5为误接线保护的电路原理图。在接地线中加入一个肖特基二极管来防止U+信号线误接到U-端子。在电源线上接入了一个晶体管开关，以防止由于U-连接断开而造成的损害。该晶体管及电阻回路可防止接地断开。

在图7-5中，VT₁、R₁和R₂的型号和数值仅供参考，可根据应用自行决定。VT₁必须能承受预期的最大电流。R₂必须选择在最小U+（11V）时能提供足够的基极电流（通常为i_C=10～20mA）。如果R₂的耗散/尺寸不理想，而且调压器能处理较低的输入电压，则采用达林顿晶体管更为理想。R₁必须选择能吸收几百微安但不要超过几毫安的电流。基极电阻限制U+和U-颠倒时的击穿电流。如有必要，可在发射极、基极或发射极和基极之间增加一个二极管，以限制雪崩。

图7-5 误接线保护的电路原理图

（3）接地和隔离为防止地线形成回路，DeviceNet网络必须只在一处接地。所有设备中的物理层回路是以U-总线信号为基准的，总线供电将提供接地连接。除了电源，在U-和地之间不会有电流通过设备。

2.传输介质

DeviceNet物理层协议规范中对传输介质作了描述，定义了DeviceNet的总线拓扑结构及网络元件，具体包括系统接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接地和电源分配。

DeviceNet传输介质有两种主要的电缆：粗缆和细缆。粗缆适合长距离干线和需要坚固干线或支线的情况；细缆可提供方便的干线和支线的布线。

（1）拓扑结构

DeviceNet所采用的典型拓扑结构是干线-分支方式，如图7-6所示。

图7-6 DeviceNet现场总线拓扑结构(www.chuimin.cn)

每条干线的末端都需要终端电阻。线缆包括粗缆（多用于干线）和细缆（多用于分支线）。每条支线最长为6m，允许连接一个或多个节点。DeviceNet只允许在支线上有分支结构。总线线缆中包括24V直流电源线和信号线两组双绞线以及信号屏蔽线。在设备连接方式上，可灵活选用开放式和密封式的连接器。网络采取分布式供电方式，支持冗余结构。总线支持有源和无源设备，对于有源设备提供专门设计的带有光隔离的收发器。

网络干线的长度由数据传输速率和所使用的电缆类型决定。电缆系统中任何两点间的电缆距离不允许超过波特率允许的最大电缆距离。对只由一种电缆构成的干线，两点间的电缆距离为两点间的干线和支线电缆的长度和。DeviceNet允许在干线系统中混合使用不同类型的电缆。支线长度是指从干线端子到支线上节点的各个收发器之间的最大距离，此距离包括可能永久连接在设备上的支线电缆。网络上允许支线的总长度取决于数据传输速率。

（2）终端电阻

DeviceNet要求在每条干线的末端安装终端电阻。电阻的要求为：121Ω、1%金属膜电阻、0.25W。终端电阻不可包含在节点中。将终端电阻包含在节点中很容易使网络由于错误布线（阻抗太高或太低）而导致网络故障。例如，移走含有终端电阻的节点会导致网络故障。终端电阻只应安装在干线两端，不可安装在支线末端。

（3）连接器

所有连接器支持5针类，即一对信号线、一对电源线和一根屏蔽线。所有通过连接器连到DeviceNet的节点都有插头，此规定适用于密封式和非密封式连接器及所有消耗或提供电源的节点。无论选择什么样的连接器，应保证设备可在不切断和干扰网络的情况下脱离网络。不允许在网络工作时布线，以避免诸如网络电源短接、通信中断等问题的发生。

（4）设备分接头

设备端子提供连接到干线的连接点。设备可直接通过端子或通过支线连接到网络，端子可使设备无需切断网络运行就可脱离网络。

（5）电源分接头

通过电源分接头将电源连接到干线。电源分接头不同于设备分接头，其包含下列部件：

1）一个连在电源U+上的肖特基二极管，允许连接多个电源（省去了用户电源）。

2）两根熔丝或断路器，以防止总线过电流而损坏电缆和连接器。连接到网络后，电源分接头的特性提供信号线、屏蔽线和U-线的不间断连接；在分接头的各个方向提供限流保护；提供到屏蔽/屏蔽线的网络接地。

电源分接头可加在网络的任何一点，可以实现多电源的冗余供电。干线的额定电流为8A。光隔离设计允许外部供电的设备（如交流电动机起动器和阀门线圈）分享同一总线电缆，而其他基于CAN的网络只允许整个网络由一个电源供电。

（6）网络接地

DeviceNet应在一点接地。多处接地会造成接地回路，而网络不接地将增加对静电放电（ESD）和外部噪声源的敏感度。单个接地点应位于电源分接头处，密封DeviceNet电源分接头的设计应有接地装置，接地点也应靠近网络的物理中心。干线的屏蔽线应通过铜导体连接到电源地或U-。铜导体可为实心体、绳状或编织线。如果网络已经接地，则不要再把电源地或分接头的接地端接地。如果网络中有多个电源，则只需在一个电源处把屏蔽线接地，接地点应尽可能靠近网络的物理中心。

3.物理层信号

DeviceNet的物理层信号采用CAN的物理层信号。CAN协议规范定义了两种互补的逻辑电平：显性（Dominant）和隐性（Recessive）。例如，在DeviceNet总线接线情况下，显性电平用逻辑“0”表示，隐性电平用逻辑“1”表示。

DeviceNet物理层详解及应用技术

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