CANopen從站協(xié)議的設計與實現(xiàn)

摘要：CANopcn作為一種開放性好、標準化、低成本的基于CAN總線的應用層協(xié)議，目前已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)自動化領域。文章根據(jù)CANop-en DS301應用層協(xié)議規(guī)范，在以C8051F500單片機為控制核心的開發(fā)平臺上建立了CANopen從節(jié)點協(xié)議棧總框架，并實現(xiàn)了其中的各種功能模塊，整合成完整的協(xié)議棧，在搭建的實驗平臺上進行了協(xié)議棧的測試，實驗表明：該協(xié)議棧功能完整，實時性滿足使用要求。
關鍵詞：CANopen；C8051F500；從站協(xié)議

0 引言
    隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的規(guī)模與復雜度成倍增長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢涂煽啃砸笠搽S之提升，現(xiàn)場總線技術就是在這種情況下被提出并迅速發(fā)展起來的。CAN總線是現(xiàn)場總線國際標準之一，它具有可靠性好、實時性高、抗干擾能力較強等優(yōu)點，廣泛應用于汽車和工業(yè)控制領域。但由于其只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并非一個完整的協(xié)議，在高級應用中需要應用層的支持，于是CANopen標準應運而生。
    CANopen是自動化CAN用戶和制造商協(xié)會(CiA，CAN-in-Automation)定義的CAN總線應用層協(xié)議。它采用面向對象的思想設計，具有很好的模塊化特性和很高的適應性。CANopcn不僅定義了應用層和通信子協(xié)議，還為大多數(shù)重要的設備類型定義了大量的規(guī)范，不同廠商遵循這些規(guī)范開發(fā)出的設備之間能夠輕易實現(xiàn)互操作。
    CANopen作為基于CAN總線的高層協(xié)議標準，在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認。尤其是在歐洲，CANopcn協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)領導地位的標準。

1 CANopen協(xié)議總體框架
    CANopen協(xié)議棧主要包含了兩部分，一部分是通信規(guī)范，另一部分是設備規(guī)范。通信規(guī)范(CiA：DS-3011定義了基本的數(shù)據(jù)通信方式和特性，設備規(guī)范(CiA DSP 401-DSP4XX)則針對不同的設備類型進行了報文ID的分配和設備特征數(shù)據(jù)的定義，規(guī)范了設備的行為規(guī)范。其中通信規(guī)范是通用的，本文設計與實現(xiàn)的就是這一部分。
    在通信規(guī)范中，為了互操作性和兼容性，CANopcn設備都必須遵從標準的CANopen設備模型來進行軟件設計，如圖1所示。

    CAN通信接口通過操作CAN控制器，在總線上收發(fā)各種通信對象，來實現(xiàn)與其他CANopen節(jié)點基于協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)交互；對象字典是CANop-cn設備的核心，存儲節(jié)點所有的信息，并向應用程序和通信對象提供訪問接口；通信部分通過對對象字典進行操作，與其他節(jié)點交換各種通信對象實現(xiàn)CANopen操作；應用程序由用戶根據(jù)應用要求和設備的具體任務自己實現(xiàn)。

2 CANopen功能模塊實現(xiàn)
2．1 CAN驅動程序實現(xiàn)
    針對C8051F500單片機，實現(xiàn)了CAN驅動程序。CAN驅動程序負責完成CAN控制器的操作、報文收發(fā)、CAN錯誤處理等任務，由以下部分組成：1)CAN控制器的初始化，主要對CAN控制器的相關寄存器進行配置，包括波特率的設置，消息對象的配置，接收、發(fā)送屏蔽寄存器的設置；2)CAN發(fā)送程序，任務是將打包好的數(shù)據(jù)根據(jù)幀標識符，通過接口寄存器分發(fā)到相應的郵箱里，然后啟動發(fā)送；3)CAN接收程序，由CAN中斷處理程序來完成，負責將報文分配給各個通信模塊處理。
2．2 對象字典實現(xiàn)
    對象字典OD(Object Dictionary)是一個有序的對象組：每個對象采用一個16位的索引值來尋址，同時定義了一個8位的子索引用于訪問數(shù)據(jù)結構中的單個元素。每個CANopen設備中都必須包含一個對象字典。對象字典分為了兩部分，通用的通信子協(xié)議區(qū)域和特定的設備子協(xié)議區(qū)域，前者包含了描述這個設備通信行為的所有參數(shù)，后者包含了設備任務相關的所有數(shù)據(jù)。
    本文設計的對象字典結構如圖2所示。

    針對單片機計算資源緊缺的特點，對象字典實體采用二維靜態(tài)結構體來實現(xiàn)，它具有結構簡單、訪問效率高等優(yōu)點。讀寫函數(shù)與對象字典實體配套使用，目的是將對象字典封閉起來，有效地杜絕非法訪問的情況，保障對象字典的數(shù)據(jù)安全。
2．3 通信對象的實現(xiàn)
    CANopcn協(xié)議規(guī)定了4類通訊對象：SDO(Service Data Objeet，服務數(shù)據(jù)對象)、過程數(shù)據(jù)對象)、NMT(NetworkManagement，網(wǎng)絡管理對象)以及特殊功能對象。
2．3．1 PDO模塊
    PDO服務主要用來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的傳輸，基于生產者和消費者模式，它的通信行為由通信參數(shù)決定，傳送的數(shù)據(jù)由映射參數(shù)來決定。本文實現(xiàn)的PDO模塊包含了三個子模塊，如圖3所示。

    建立PDO報文模塊被其他兩個模塊調用，他的任務是根據(jù)映射參數(shù)表把對象字典中對象的數(shù)據(jù)復制進PDO報文中，交由其他模塊處理，建立過程中需注意PDO報文的剩余容量。接收PDO模塊的任務是完成PDO數(shù)據(jù)的解析，將數(shù)據(jù)放入指定對象中；發(fā)送模塊負責根據(jù)CANopen協(xié)議規(guī)范，依據(jù)PDO通信參數(shù)，實現(xiàn)各種PDO傳輸方式，包括同步周期、同步事件預觸發(fā)、異步事件觸發(fā)等方式。
2．3．2 SDO模塊
    SDO模塊是對象字典的遠程訪問接口，一般被用來進行節(jié)點參數(shù)配置和獲取。它基于客戶端服務器模式，每個訪問請求都必須應答，實現(xiàn)了可靠的點對點數(shù)據(jù)傳輸。CANopen為SDO服務設計了5個請求／應答子協(xié)議，分別是：啟動域下載／上傳、域分段下載＼上傳、中止域傳送。
本文設計的SDO模塊包含了訪問發(fā)起模塊和應答模塊。訪問發(fā)起模塊的任務是根據(jù)上層的調用發(fā)起SDO通信，實現(xiàn)了5個訪問子協(xié)議中的請求部分；應答模塊則解析收到的SDO報文中攜帶的命令字，實現(xiàn)了5個訪問子協(xié)議中的應答部分。
2．3．3 NMT模塊
    每個CANopen節(jié)點內都運行著一個狀態(tài)機，狀態(tài)轉換由主節(jié)點控制，不同的狀態(tài)對應不同的節(jié)點任務，也對應了不同的模塊可用性。狀態(tài)轉換如圖4所示。

    本文實現(xiàn)的從節(jié)點NMT模塊的任務是響應主站的NMT控制命令，并反饋自身狀態(tài)，匯報錯誤信息。狀態(tài)轉換模塊的流程：接收到NMT命令后，首先解析NMT命令字，檢查狀態(tài)轉換合法性，然后設置節(jié)點狀態(tài)，啟停各功能模塊：狀態(tài)反饋模塊采用了CiA組織推薦使用的心跳模式，即從節(jié)點周期性地向網(wǎng)絡上發(fā)送包含自身狀態(tài)信息的心跳報文，供主站和其他節(jié)點監(jiān)視。
2．3．4 總體流程
    借助于狀態(tài)機，設計了如圖5的程序運行總體流程。

    從節(jié)點上電啟動后，先進行必要的硬件初始化，如系統(tǒng)時鐘、port、CAN接口、定時器、AD等，完成后設置節(jié)點狀態(tài)為initialization，進入狀態(tài)機，軟件在狀態(tài)機內循環(huán)運行。通信初始化函數(shù)主要負責初始化從節(jié)點的對象字典，節(jié)點初始化函數(shù)則負責將節(jié)點的輸出置為上電值，設置完成后設置節(jié)點狀態(tài)為pre-operational，軟件運行至preoperational函數(shù)，這個函數(shù)的功能是協(xié)助主站完成對從節(jié)點的通信配置。當從節(jié)點收到start remote node命令后，進入operational狀態(tài)，此狀態(tài)包含了從節(jié)點的控制程序，即從節(jié)點開始正常運行，執(zhí)行指定的底層任務，如數(shù)據(jù)采集、控制輸出等。若節(jié)點接收到主站的stop remote node命令，則進入stopped函數(shù)，在此狀態(tài)下從節(jié)點停止執(zhí)行底層任務，等待主節(jié)點的啟動命令。

3 實驗
3．1 測試實驗平臺的搭建
    為了測試本文的CANopen從節(jié)點協(xié)議，搭建了基于USB-CAN模塊的測試平臺，結構如圖6所示。主站是裝有ZLGCANTest的計算機，以USB-CAN通信模塊作為CAN網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)與從站的連接。示波器監(jiān)視總線波形，通信波特率設置為500kb／s。

3．2 實時性測試
    首先進行了協(xié)議棧的實時性測試，測試分為兩步，第一步是測試PDO通信的最小周期，設置PDO為同步周期發(fā)送模式，即收到一個同步報文后返回一個數(shù)據(jù)包，測試結果如圖7所示。

    可見同步幀與數(shù)據(jù)包的間隔時間約為1ms，整個總線占用時間約為1.3ms。
    第二步進行了SDO模塊的最小響應時間測試，測試結果如圖8所示。

    可見SDO請求報文和響應報文間隔時間約為0．7ms，總線占用時間約為1．1ms。協(xié)議棧的實時性基本滿足我們的使用要求。
3．3 功能性測試
    我們對實現(xiàn)的協(xié)議棧進行了CANopen協(xié)議功能和兼容性的測試，測試結果如表1所示。

    目前，我們已經(jīng)將該協(xié)議棧應用于實驗室建立的低溫等離子體測控設備系統(tǒng)中，經(jīng)過一段時間的使用，此協(xié)議棧滿足我們的使用要求。

4 結論
    本文依據(jù)CiA DS301規(guī)范，設計了CANopen協(xié)議總體框架和軟件功能模塊，并將其應用于基于C8051F500獸片機的嵌入式CAN智能節(jié)點上，實現(xiàn)了CANopen從站軟件。協(xié)議棧采用C語言編寫，可移植性較好。經(jīng)測試表明：協(xié)議棧實時性滿足使用要求，功能完整性較好。