CANopen協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

時(shí)間：2009-03-29 02:37:56

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[導(dǎo)讀]1 引言基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究是自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。在各種各樣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中， CAN 總線以其成本低、速度快、實(shí)時(shí)性和可靠性較高等特點(diǎn)被快速應(yīng)用于汽車電子、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但是， CAN 總

1 引言

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究是自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。在各種各樣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中， CAN 總線以其成本低、速度快、實(shí)時(shí)性和可靠性較高等特點(diǎn)被快速應(yīng)用于汽車電子、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但是， CAN 總線只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，本身并不完整，針對(duì)這一問題， CiA(CAN in Automation) 協(xié)會(huì)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展于 1995 年發(fā)布了完整的 CANopen 協(xié)議，它不僅定義了應(yīng)用層和通訊子協(xié)議，也為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口、應(yīng)用子協(xié)議定義了幀狀態(tài)，為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的全數(shù)字分布式控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)的一體化管理提供了解決之道。

本文以改善現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提高實(shí)時(shí)性和信息處理能力為前提，針對(duì)并條機(jī)自調(diào)勻整控制系統(tǒng)中各功能模塊的作用，淺析 CAN 總線高層通訊協(xié)議 CANopen ，實(shí)現(xiàn)各功能模塊間的數(shù)據(jù)通信。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，保證了全數(shù)字分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作的快速性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

2 CANopen 協(xié)議概述

2.1 設(shè)備模型

CANopen 協(xié)議是由 CiA 協(xié)會(huì)針對(duì) CAN 協(xié)議的不完整性而定義出來(lái)的一個(gè)更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個(gè) CANopen 設(shè)備模塊可以被分為 3 部分，如圖 1 所示。通信接口和協(xié)議軟件提供在總線上收發(fā)通信對(duì)象的服務(wù)。不同 CANopen 設(shè)備間的通信都是通過(guò)交換通信對(duì)象完成的。這一部分直接面向 CAN 控制器進(jìn)行操作。對(duì)象字典描述了設(shè)備使用的所有的數(shù)據(jù)類型，通信對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象。對(duì)象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，向應(yīng)用程序提供接口，應(yīng)用程序?qū)?duì)象字典進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn) CANopen 通信。應(yīng)用程序包括功能部分和通信部分，通信部分通過(guò)對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn) CANopen 通信，而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)。

2.2 對(duì)象字典

對(duì)象字典 (Object Dictionary ， OD) 是一個(gè)有序的對(duì)象組，每個(gè)對(duì)象采用一個(gè) 16 位的索引值來(lái)尋址，為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素，同時(shí)定義了一個(gè) 8 位的子索引，對(duì)象字典的結(jié)構(gòu)參照表 1 ，對(duì)象字典的描述參照表 2 。

在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)惟一的對(duì)象字典，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典都具有相同的結(jié)構(gòu)，但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定，包含了描述這個(gè)設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。

2.3 通訊對(duì)象

通過(guò) CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?CANopen 通訊對(duì)象可以通過(guò)服務(wù)和協(xié)議來(lái)描述。分類如下：

(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象 (PDO) 協(xié)議傳輸。

用 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)字段把過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象 PDO 映象到一個(gè)單一的 CAN 幀從而傳輸應(yīng)用對(duì)象。每個(gè) PDO 有一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)符且僅可以通過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，但其接收者不止一個(gè)。每個(gè) PDO 在對(duì)象字典中用 2 個(gè)對(duì)象描述： PDO 通訊參數(shù)，規(guī)定了 PDO 的通訊行為，包含哪個(gè) COB ID 將被 PDO 使用，傳輸類型，禁止時(shí)間和定時(shí)器周期； PDO 映射參數(shù)，規(guī)定了哪個(gè)對(duì)象被映射到一個(gè) PDO 里，生產(chǎn)者和消費(fèi)者必須知道這個(gè)映射，以解釋 PDO 內(nèi)容。

(2) 服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象 (SDO) 協(xié)議用來(lái)對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行讀寫操作。 [!--empirenews.page--]

通過(guò)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象 SDO 可以訪問一個(gè)設(shè)備的對(duì)象字典。為了使通訊得到確認(rèn)，一個(gè) SDO 需要兩個(gè)帶有不同標(biāo)識(shí)符的 CAN 數(shù)據(jù)幀，通過(guò) SDO ，在兩個(gè)設(shè)備問可以建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，被訪問對(duì)象字典的設(shè)備是 SDO 通訊的服務(wù)器，一個(gè)設(shè)備可以支持多個(gè) SDO 對(duì)象，但是，至少有一個(gè) SDO 在一個(gè)設(shè)備中被支持。

(3) 特殊功能對(duì)象協(xié)議提供了特定應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)同步，時(shí)間戳和緊急報(bào)文傳輸。

(4) 網(wǎng)絡(luò)管理 (NMT) 協(xié)議提供了網(wǎng)絡(luò)初始化，錯(cuò)誤控制和設(shè)備狀態(tài)控制服務(wù)。

在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)中，需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)履行 NMT 的 Master( 主節(jié)點(diǎn) ) 功能。其他節(jié)點(diǎn)作為 NMT的 Slave( 從節(jié)點(diǎn) ) 。 NMT 提供了以下功能：模塊控制服務(wù) ( 初始化參加網(wǎng)絡(luò)通訊的從點(diǎn) ) ；錯(cuò)誤控制服務(wù) ( 管理節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)通訊的狀態(tài) ) ；配置控制服務(wù) ( 上傳和下載網(wǎng)絡(luò)的配置據(jù) ) 。

(5) 層設(shè)置服務(wù) (LSS) 協(xié)議用來(lái)配置 CAN 總線通訊參數(shù)和設(shè)備參數(shù)。

使用 CANopen 協(xié)議定義的 LSS 報(bào)文實(shí)現(xiàn)對(duì) CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的配置，包括節(jié)點(diǎn) ID ，通訊波特率，儀器的產(chǎn)品號(hào)、序列號(hào)等。 LSS 報(bào)文在 CANopen 協(xié)議通訊中是可選的，可以在節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)直接指定節(jié)點(diǎn) ID ，通訊速率等參數(shù)，它的使用可以提高系統(tǒng)靈活性。

3 通信網(wǎng)絡(luò)的 CANopen 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.1 自調(diào)勻整系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)由鍵盤顯示控制器、 DSP 控制器、 A 孔伺服電機(jī)控制器、 B 孔伺服電機(jī)控制器、 PLC 邏輯控制器和 PC 機(jī)監(jiān)控組成，各節(jié)點(diǎn)在 CAN 總線的基礎(chǔ)上采用 CANopen 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊，完成系統(tǒng)預(yù)定義的功能。圖 2 所示為 A 孔開環(huán)式并條機(jī)自調(diào)勻整原理圖。

3.2 硬件部分

DSP 控制器部分為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、工作控制。下面主要說(shuō)明 DSP 控制器的 CANopen 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

采用集成 CAN 模塊的 TMS 320F 2810 DSP 實(shí)現(xiàn)，它有多達(dá) 32 個(gè)郵箱，占用 512 B RAM ，都可以配置為發(fā)送或接收郵箱，且都有一個(gè)可編程的接收屏蔽寄存器。這樣就使數(shù)據(jù)傳輸更加方便靈活、信息量大大增加。圖 3 為 DSP 控制器 CAN 總線部分驅(qū)動(dòng)電路圖，分別選用 TMS320F 2810 的 64 引腳 CANTXA 和 65 引腳 CANRXA 作為 CAN 總線的發(fā)送和接收引腳。采用 ADuM1100 高速數(shù)字隔離器替代傳統(tǒng)的光電耦合器。采用 MCP2551 作為高速 CAN 收發(fā)器，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點(diǎn)與同一網(wǎng)絡(luò)相連接。

3.3 軟件部分

根據(jù) CANopen 協(xié)議軟件框架，分別設(shè)置了 NMT 報(bào)文、 SYNC 報(bào)文、 SDO 報(bào)文、 PDO 報(bào)文和 Heartbeat 報(bào)文，并針對(duì) DSP 控制器從節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)及其與各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，設(shè)置了各報(bào)文的 COB － ID ，見表 3 。

在系統(tǒng)中鍵盤顯示控制器為主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)液晶顯示監(jiān)控各從節(jié)點(diǎn)信息，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)檢測(cè) 4 個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的周期性心跳報(bào)文 (Heartbeat) 來(lái)判斷各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。圖 4 為 DSP 控制器從節(jié)點(diǎn)的 CANopen 協(xié)議通訊流程：在系統(tǒng)上電后，首先向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送 Boot-up 報(bào)文，通知主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 Pre-operational 狀態(tài)，等待主節(jié)點(diǎn)的 SDO 報(bào)文訪問對(duì)象字典，在完成對(duì)象字典的配置后，等待接收主節(jié)點(diǎn)的 NMT 報(bào)文進(jìn)入 Operational 狀態(tài)，開始 PDO 報(bào)文的發(fā)送及接收，完成信息數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)控制。

4 測(cè)試結(jié)果 [!--empirenews.page--]

為了保證系統(tǒng)中每個(gè)模塊都能夠正常工作，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠與 PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊的通用板，滿足對(duì)系統(tǒng)各部分在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。采用 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì) PC 機(jī)監(jiān)控面板，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)靈活性。

在監(jiān)控面板上可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(hào) (Node ID) ，主／從節(jié)點(diǎn)，設(shè)置要發(fā)送報(bào)文的類型 ( 如 TPDOn ， SDO) ， NMT ， Heartbeat ， LSS) 及內(nèi)容 ( 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，內(nèi)容 ) ，選擇通訊端口，還可以觀察到接收的 CAN 報(bào)文類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)號(hào)和報(bào)文內(nèi)容。圖 5 顯示的數(shù)據(jù)是在初始化狀態(tài)時(shí)進(jìn)行的設(shè)置，可以在數(shù)據(jù)接收窗口看到進(jìn)行 LSS 節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置和存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)的返回報(bào)文，以及節(jié)點(diǎn)根據(jù) CANopen 協(xié)議的規(guī)定發(fā)送 Boot-up 報(bào)文，和進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)后的 Heartbeat 報(bào)文。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將 CANopen 協(xié)議應(yīng)用于自調(diào)勻整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化，增強(qiáng)了設(shè)備的可擴(kuò)展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開發(fā)和使用，對(duì)提高系統(tǒng)的工作效率，特別是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。