基于CANopen協(xié)議在車載設(shè)備中的應(yīng)用研究

引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著武器裝備系統(tǒng)的機(jī)動化、自動化和信息化程度的不斷提高，軍用車輛上的車載設(shè)備也不斷增多，其中很多設(shè)備如車載雷達(dá)、車載光學(xué)瞄準(zhǔn)設(shè)備、車載武器設(shè)備等，都需要一個穩(wěn)定的水平平臺作為基座，以保證武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)、跟蹤和精確打擊。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)化程度也越來越高，這就要求一個車載裝置能和其它的設(shè)備進(jìn)行互連，從而有利于形成整車監(jiān)控系統(tǒng)。目前，在車輛中大多數(shù)設(shè)備都通過CAN總線進(jìn)行連接，但是其應(yīng)用層協(xié)議的不統(tǒng)一給不同廠商之間的設(shè)備互連帶來了困難。

CANopen 是基于CAN（Controller Area Network）總線的應(yīng)用層協(xié)議，它最初由從事工業(yè)控制的CiA （CAN in Automation）會員開發(fā)。由于CANopen是一種公共、開放、通用的協(xié)議，而且精練透明、容易開發(fā)，因此在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。如今已經(jīng)被接受為CAN高層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)之一。尤其在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如越野車、海上電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備甚至于還可應(yīng)用于公共汽車和鐵路，且針對行業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)比較簡潔。

一方面，將CANopen應(yīng)用于車載平臺裝置，可使它很方便地掛接到總線上，這樣不僅解決了設(shè)備間的互連問題，同時也提高了信息傳輸?shù)目煽啃?、實時性及裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、開放化程度。另一方面，在國外CANopen的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，而在國內(nèi)有關(guān)CANopen的文章還很少，希望借此文章給從事CAN總線技術(shù)開發(fā)的人員提供一些有用的信息，使我國的CAN總線應(yīng)用早日與國際接軌。

1、 CANopen協(xié)議設(shè)計的實質(zhì)和核心內(nèi)容

CAN 處于OSI網(wǎng)絡(luò)模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而CANopen是基于CAN的應(yīng)用層，因為現(xiàn)場總線通常只包括一個網(wǎng)段，因此不需要第3層（傳輸層）和第4層 （網(wǎng)絡(luò)層），也不需要第5層（會話層）、第6層（描述層）的作用。正是因為有了CANopen這樣應(yīng)用層協(xié)議的存在，從而使CAN總線成為了一個更加完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1.1 CANopen協(xié)議設(shè)計的實質(zhì)——面向?qū)ο?/p>

CANopen 協(xié)議在設(shè)計的時候，對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了分類，即每一個傳輸數(shù)據(jù)都是某一特定類的對象，從而實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。在CANopen中每一類傳輸對象都有其規(guī)范化的格式，從而實現(xiàn)了應(yīng)用層結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一。這樣無論從規(guī)范化角度，還是從模塊化程序設(shè)計角度講，CANopen協(xié)議都是一個設(shè)計比較完善的協(xié)議。

在CANopen 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸中共定義了4類對象（通訊模式），分別為管理對象（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和特殊功能對象。其中NMT 用來傳遞主節(jié)點對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理信息，SDO用來傳遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的配置信息，PDO用來傳遞過程數(shù)據(jù)信息（例如電壓的變化值），特殊功能對象包括同步對象（SYNC）、緊急對象（Emergency）、時間基準(zhǔn)（TIme-Stamp）等。各類對象傳輸時的幀格式在參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)的規(guī)定，在這里就不詳細(xì)介紹了。在實際的工程中用戶只要根據(jù)需要，按照類的規(guī)定把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)映射到相應(yīng)的對象中就可以了。

1.2 CANopen協(xié)議中的核心內(nèi)容——對象字典（Object DicTIonary）

為了對各類對象進(jìn)行規(guī)范化和方便的管理，在CANopen協(xié)議中定義了對象字典的概念。它是一個有序的對象組，其中定義了一個設(shè)備的所有信息，在 CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個設(shè)備都要有一個唯一的對象字典，每個設(shè)備的對象字典具有結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)容不同的特點。通過對對象字典中的對象定義一個唯一的 16位主索引和8位子索引，就可以方便地訪問對象字典中的對象。CANopen協(xié)議中定義了通用的對象字典結(jié)構(gòu)，其中規(guī)定了各種數(shù)據(jù)在對象字典中的位置區(qū)域。在我們建立設(shè)備對象字典的時候，主要工作應(yīng)集中在定義通訊子協(xié)議區(qū)域（1000～1FFF）和制造商特定子協(xié)議區(qū)域（2000～5FFF）部分。

在整個CANopen協(xié)議中對象字典起到了連接DLL模塊（通訊接口）和應(yīng)用程序的作用。我們要想把一個應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)（如I/O的輸入值）送到CAN總線上，我們首先要確定這個數(shù)據(jù)屬于對象字典中的哪一類對象（例如I/O口的輸入值應(yīng)為過程數(shù)據(jù)對象），然后用DLL模塊訪問對象字典中相應(yīng)的對象并把其按照相應(yīng)的幀格式發(fā)送到CAN總線上去，從而完成了數(shù)據(jù)的傳輸。

2 、車載平臺數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的組成

在我們的調(diào)平系統(tǒng)中，平臺采用4點支撐，由4個1KW、24V的直流電機(jī)和減速器、T型絲杠相連接，以控制平臺中4個支點的上升或下降。主控制器、4個電機(jī)控制器和USB-to-CAN通過CAN總線相連，水平傳感器和手操器通過RS232接口和主控制器相連，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中主控制、電機(jī)控制器和手操器為我們自行開發(fā)的嵌入式設(shè)備，電機(jī)控制器可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的電機(jī)位置控制，手操器可以提供手動調(diào)平功能。水平傳感器為Crossbow Technology公司生產(chǎn)的CXTD02型，它可以由RS232口送出精確的平臺X、Y軸角度密位信息;USB-to-CAN設(shè)備為德國IXXAT公司生產(chǎn)的USB-to-CAN compact，其中包含了SJA1000 CAN控制器可完成消息的收發(fā)，并可以將CAN信號轉(zhuǎn)換成USB信號傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)通過運(yùn)行IXXAT公司的監(jiān)視軟件（miniMON）可以在線觀察總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)中CAN硬件接口設(shè)計

在主控制器和電機(jī)控制器中微處理器采用FUJITSU公司的MB90F543芯片，其本身帶有內(nèi)嵌CAN控制器，因此只需加一個CAN總線驅(qū)動器，就可方便地實現(xiàn)主控制器和4個電機(jī)控制器之間的通信。本系統(tǒng)中選用了PCA82C250收發(fā)控制器，該芯片提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，PCA82C250是標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器，實驗顯示，只要總線的每米電容小于120pf條件下，就滿足CAN總線傳送距離的標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線驅(qū)動電路圖略。為了加強(qiáng)總線的抗干擾能力，總線的通信介質(zhì)采用帶屏蔽線的雙絞線。

2.3 對象字典的建立

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個設(shè)備都要有一個唯一的對象字典，其中定義了各種對象的屬性（如ID、發(fā)送方式等）。在我們的系統(tǒng)中共有5個節(jié)點，它們以主從方式工作（1 個主節(jié)點和4個從節(jié)點），主控制器對應(yīng)主節(jié)點，4個電機(jī)控制器對應(yīng)4個從節(jié)點。為了系統(tǒng)擴(kuò)展的方便，我們設(shè)4個從節(jié)點的節(jié)點號分別為10、11、12、 13，在各個節(jié)點對象字典中的對象ID都采用預(yù)定義連接集中規(guī)定的11位ID，它由4位功能代碼和7位節(jié)點號組成。

下面以主節(jié)點對象字典的建立為例說明對象字典的建立方法。首先要分析主節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的作用，從而確定對象字典中要包含哪一類對象及其個數(shù)，然后定義對象的屬性。在我們的系統(tǒng)中主節(jié)點要支持從節(jié)點的訪問，因此需要一個SDO;主節(jié)點要向4個從節(jié)點發(fā)送位置信息，因此要有4個Tx-PDO和4個Rx-PDO，其中每個PDO又由Tx（Rx）PDO Parameter和Tx（Rx）-PDO mapping兩部分組成;當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生緊急情況的時候主節(jié)點要發(fā)送緊急信息，因此要有1個應(yīng)急指示緊急對象（Emergency Object）;向從節(jié)點發(fā)送的位置信息保存在制造商特定子協(xié)議區(qū)域（2000～5FFF）中;另外主節(jié)點要完成各個從節(jié)點的管理工作，因此還要有NMT 管理模塊。SDO、PDO的屬性設(shè)置如表1、2所示，由于4對PDO的屬性除了映射值不用以外，其他屬性基本相同，因此只給出了向（從）節(jié)點號為10的從節(jié)點發(fā)送（接收）PDO的設(shè)置。

在表2中傳輸類型255表示異步、事件觸發(fā)傳輸，映射參數(shù)0x20000110按照從左至右的順序分別表示將對象字典中主索引為2000H，子索引為01H的16位數(shù)值（10）映射到PDO中去。也就是說將保存在2000H處的位置信息映射到PDO中發(fā)送。

在對象字典建立完成之后要生成EDS（Electronic Data Sheet）來描述這個設(shè)備的對象字典，主節(jié)點的EDS如圖2所示。

2.3 DLL模塊的實現(xiàn)

MB90F543具有兩個CAN控制器分別為CAN0和CAN1，我們只用CAN0，這樣CAN1可以在系統(tǒng)擴(kuò)展時使用。CAN控制器具有如下的特點：

符合規(guī)范CAN2.0A和CAN2.0B;

支持通過接收遠(yuǎn)程幀發(fā)送數(shù)據(jù);

16個收、發(fā)緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)都具有29比特ID和8字節(jié)數(shù)據(jù)，多級緩沖配置;

每個緩沖區(qū)支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的多種過濾方式;

波特率可從10Kbit/s到1Mbit/s。

在我們系統(tǒng)中使用規(guī)范CAN2.0A，波特率為125k/s，并且為每類消息分配了一個獨立的緩沖區(qū)，這樣做可以減少中斷程序的處理時間，從而提高了系統(tǒng)的實時性。

DLL模塊是對象字典和CAN控制器之間的通訊接口，它要完成的主要工作是：

對CAN控制器進(jìn)行初始化，其中包括波特率設(shè)置和CAN寄存器初始化等;

對CAN引發(fā)的中斷處理，其中包括：

1）在發(fā)送時通過訪問對象字典將各種對象按照規(guī)定的幀格式發(fā)送到總線上;

2）在接收的時候把接收到的對象信息寫到對象字典的相應(yīng)位置中去。

我們用兩個函數(shù)-DLL_InitCAN （）和DLL_Interrupt（）來實現(xiàn)CAN控制器的初始化和中斷處理功能。

2.4 主控制器的應(yīng)用程序流程

在系統(tǒng)中各個從節(jié)點被配置成節(jié)點監(jiān)測狀態(tài)，主節(jié)點通過檢測4個從節(jié)點發(fā)送的周期性心跳報文（Heartbeat）來判斷各個從節(jié)點的工作狀態(tài)。

主控制器的應(yīng)用程序流程為：在系統(tǒng)上電后主控制器首先判斷各個從控制器是否發(fā)出Boot-Up消息，如果有Boot-up消息則讓各個從節(jié)點進(jìn) OperaTIonal狀態(tài)并接著判斷是否有心跳報文（Heartbeat）產(chǎn)生以判斷各節(jié)點是否成功進(jìn)OperaTIonal狀態(tài)，否則通過指示燈報錯，然后采集水平傳感器輸出的X、Y軸密位信息并判斷是否在誤差帶內(nèi)，接著通過調(diào)平策略解算出3個電機(jī)應(yīng)該上移或下移的位置（3點即可解決一個平面），并且通過CAN總線將位置信息傳送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器在運(yùn)動了相應(yīng)的位置后向主控制器發(fā)出確認(rèn)消息，主控制器在接到確認(rèn)消息后，再次采集水平傳感器輸出的位置信號，如果位置誤差在誤差帶內(nèi)則數(shù)據(jù)傳輸停止，否則循環(huán)上述過程。其流程圖如圖3所示。

3、 實驗結(jié)果

整個平臺在調(diào)平過程中達(dá)到了滿意的效果，調(diào)平的時間在2min之內(nèi)，調(diào)平精度能達(dá)到3‘，這從一方面驗證了通訊系統(tǒng)的可靠性。為了更直觀地觀察數(shù)據(jù)傳輸過程，我們通過運(yùn)行監(jiān)視程序（miniMON）可以在上位機(jī)上實時地顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^程，這無論從系統(tǒng)調(diào)試方面還是從系統(tǒng)檢驗方面來講都是很有意義的。系統(tǒng)運(yùn)行時的數(shù)據(jù)通訊如圖4所示。通過監(jiān)視數(shù)據(jù)的傳輸，我們可以更加確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4、 結(jié)束語

車載設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化是組成車載監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要條件，同時也是車載設(shè)備發(fā)展的一個重要方向。CANopen協(xié)議作為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在車輛領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過把車載平臺做成符合CANopen協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化裝置，從而增強(qiáng)了設(shè)備的可擴(kuò)展性同時也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中軍用車載設(shè)備的要求。