嵌入式網(wǎng)絡Canopen協(xié)議

1、由于其高可靠性和實時性的特點 ,CAN總線能夠滿足系統(tǒng)高性能的要求 ,已經(jīng)深入到各個行業(yè) ,例如專業(yè)車輛、工業(yè)控制、醫(yī)遼器械、海事應用等。CAN的標準協(xié)議 CAN2.0協(xié)議和國際標準 ISO11898是設計 CAN應用系統(tǒng)的基本依據(jù) ,但它們只是定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 ,沒有對應用層進一步規(guī)范 ,本身并不完善 ,需要一個更開放的、標準化的高層協(xié)議來定義 CAN報文中的標識符和字節(jié)數(shù)據(jù)。在此背景下 ,由 CiA(CANin Automation)組織監(jiān)督開發(fā)了CANOpen高層協(xié)議。在 2002年,已經(jīng)形成歐洲標準 EN50

2、325-4。 CANOpen的最大優(yōu)點之一就是實現(xiàn)較為簡單。CANOpen協(xié)議是基于 CAN串行總線系統(tǒng)和應用層 CAL的高層協(xié)議 ,也是一種針對于行業(yè)的標準化的協(xié)議。CANOpen協(xié)議為分布式控制及嵌入式系統(tǒng)的應用提供了必要的實現(xiàn)方法 ,主要提供 :(1)不同 CAN設備間的互操作性、互換性。(2)標準化、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式。(3)設備描述方式和網(wǎng)絡功能。(4)網(wǎng)絡節(jié)點功能的任意擴展。CANOpen協(xié)議以通訊規(guī)范 CiA DS-301為基礎 ,規(guī)定了一系列的設備規(guī)范 ,如 CiA DSP-401,CiA DSP-404等,從而提供了配置通訊參

3、數(shù)和數(shù)據(jù)的方王俊波 :博士研究生本工作得到國家自然科學基金重點項目 (60334010),國家自然科學基金項目 (60474047)高等學校博士學科點專項基金項目 (20030561013)以及廣東省自然科學基金項目 (31406)的資助 法,規(guī)定了設備間的通訊及特定設備間的特定行為 (如數(shù)字 I/O、模擬 I/O、RS485通訊等 ),并定義了標準化的應用對象、基本功能以及網(wǎng)絡功能。CANOpen協(xié)議采用對象字典 (OD)、電子數(shù)據(jù)文檔 (EDS)等一系列概念來描述設備和協(xié)議的相關信息 ,還規(guī)定了服務數(shù)據(jù)對象 (SDO)、過程數(shù)據(jù)對象 PDO、網(wǎng)絡管理等多種通訊

4、機制。在本文中 ,主要是對對象字典、服務數(shù)據(jù)對象 (SDO)、過程數(shù)據(jù)對象 (PDO)進行了簡要的分析。1對象字典 (OD)對象字典是設備規(guī)范中最重要的部分。實際上 ,它是一組參數(shù)和變量的有序集合 ,包含了設備描述及設備網(wǎng)絡狀態(tài)的所有參數(shù) ,也就是說 ,通過網(wǎng)絡可以采用有序的預定義的方式來訪問的一組對象。CANOpen協(xié)議采用了帶有 16位索引和 8位子索引的對象字典 ,對象字典的結構如表 1所示。一個主節(jié)點或配置工具能夠訪問從節(jié)點的對象字典中的所有值。表 1對象字典結構對象字典的實現(xiàn)是整個 canopen協(xié)議的關鍵。所-:82-946以,在使

5、用對象字典來建立對象的描述時 ,要能夠正確描述所建立的對象含義。例如 ,一個節(jié)點的兩個模擬通道的對象字典的描述 ,如表 2所示。對于這樣的描述 ,可以通過建立包含所有對象信息的庫文件來實現(xiàn),以類似于 C語言的方式來實現(xiàn)。表 2對象字典的描述用于實現(xiàn)上述對象字典的 C語言結構 :typedefstruct UNSIGNED8 Entries_Number;UNSIGNED32 An_Input1;UNSIGNED32 An_Input2;Analog_Input;2服務數(shù)據(jù)對象 (SDO)SDO用于建立客戶 /服務器關系 ,客戶設備具有讀寫訪問

6、,且一個 canopen設備必須至少實現(xiàn)一個服務器的 SDO,基于 CAL的通訊報文規(guī)范來訪問設備的對象字典。通過 SDO服務 ,可以訪問對象字典的條目 ,這些條目可能包含有任意長度的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型。所以 SDO服務可以用于在服務器和客戶間互相傳送多個數(shù)據(jù)集合。SDO的傳送機制有三種 :(1)分段傳送 :大于 4個字節(jié)的數(shù)據(jù) ,如果設備支持大于 4個字節(jié)傳送時,則此項是必需的。(2)加速傳送 :數(shù)據(jù)長度小于或等于 4個字節(jié) ,此項是必需的。(3)分塊傳送 :用于較長數(shù)據(jù)的傳送 ,此項是可選的。為了進行標準的分段&#

7、160;/加速傳送 ,SDO定義了 6個確認服務 (SDO下載 ,SDO上傳 ,啟動 SDO上傳 ,啟動 SDO下載 ,下載 SDO段和上傳 SDO段)和一個非確認服務 (中止 SDO傳送 )。對于啟動 SDO下載協(xié)議。由客戶向服務器發(fā)出請求,我們可以看看是如何來訪問 CANOpen設備中的對象字典的。啟動 SDO下載協(xié)議與對象字典的關系 ,如圖 1所示。注意 :對象字典中的文本描述或數(shù)據(jù)類型是不能夠被傳送的。圖 1啟動 SDO下載協(xié)議與對象字典的關系一個節(jié)點向其它節(jié)點發(fā)送&

8、#160;SDO時,所使用報文 CAN-ID為 600h+Node-ID。例如 ,將值 0x31FF寫入節(jié)點 0x01的索引為 0x6012,子索引為 2的對象字典中 ,對應的字節(jié)賦值 ,如圖 2所示。根據(jù) SDO協(xié)議 ,連接對象報文的標識符 (COB-ID)為 600h+01h=601h。Byte0為 2B,表示客戶向服務器發(fā)出下載請求 ,采用加速傳送方式 ,并且顯示字節(jié)長度。Byte1和 2表示索引和子索引分別為6012h和 2h。Byte3為 02h,表示傳送的數(shù)據(jù)為 2個字節(jié)。Byte4和 5表示

9、傳送數(shù)據(jù)值為 0x31FF。圖 2對應的字節(jié)賦值3過程數(shù)據(jù)對象 (PDO)3.1 PDO概述PDO主要提供了對設備內的應用對象的直接訪問,用于實現(xiàn)優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)實時傳送 ,例如 :一個 canopen設備可以直接讀取另一個 CANOpen設備的實時過程數(shù)據(jù)信息。但是 ,傳送的數(shù)據(jù)長度必須小于或等于 8個字節(jié)。PDO對應于設備對象字典中的條目 ,并且為應用對象提供訪問接口。數(shù)據(jù)類型和應用對象的映射是由設備字典中的相應的缺省 PDO映射結構來確定的。PDO可以用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收 ,分為 TPDOs (Transmi

10、t-PDOs)和 RPDOs(Recive-PDOs)。支持 TPDOs的設備稱為 PDO的生產者 ,能夠接收 PDO的設備稱為PDO的消費者。PDO的生產者和消費者必須知道 PDO報文所含信息的含義 ,報文的每個字節(jié)的含義都是通過 PDO映射消息來預定義的。PDOs必須由 PDO通訊參數(shù)和映射參數(shù)來描述。3.2 PDO發(fā)送類型及映射對于 PDO的發(fā)送來說 ,既要考慮系統(tǒng)的實時性的要求 ,又要考慮總線帶寬的有效使用 ,所有選擇通訊類型也是十分重要的。PDO的傳送類型有多種 :一個 PDO的 傳送類型參數(shù)規(guī)

11、定了傳送模式和觸發(fā)模式。傳送模式分為同步傳送和異步傳送。值得注意的是 :同步對象的產生可以是周期性的 ,也可以非周期性的。報文的觸發(fā)模式有 :事件驅動、定時器驅動和遠程請求。一個報文可以通過節(jié)點內部的定時器以固定的時間間隔來發(fā)送 ,也可以由主節(jié)點發(fā)送同步對象或遠程幀來啟動從節(jié)點的發(fā)送。通過寫訪問與 PDO相關的映射結構 ,可以將數(shù)據(jù)映射到 PDO報文的不同的字節(jié)。多個變量可以映射到一個 TPDO。設備規(guī)范定義了映射的缺省對象字典條目 ,可以方便不同設備間的互用性。3.3實例郵局訂閱號 :82-946 360/年-105例如 ,一個 canope

12、n節(jié)點 (Node_ID為 0x01)具有兩路模擬輸入 ,必須滿足 PDO鏈接和映射機制。PDO映射參數(shù)、節(jié)點的對象字典、PDO通訊參數(shù)及 TPDO的數(shù)據(jù)格式如表 3、4、5和 6所示。在對象字典的索引 1A00h中,存儲了兩個對象 ,它們是數(shù)據(jù)變量 An_Input1和 An_Input2,數(shù)據(jù)長度都為 8位。它們對應于對象字典中的索引為 6000h,子索引 01h和 02,所以 PDO映射參數(shù)結構中的 1st TPDO映射項為 6000108和 6000208。表

13、0;5反映了 PDO的通訊參數(shù)。對于通訊參數(shù)索引為 1800h,子索引為 2,所表示的就是傳送類型 ,值 255表示 PDO的 COB-ID為 181h(十進制為 385)的對象可以采用周期性或非周期性的同步的傳送方式。對于 TPDO而言 ,可以設定事件定時器 ,利用事件驅動傳送。定時事件由 TPDO的索引 1800,子索引 5來設置。當節(jié)點檢測到輸入通道的測量值發(fā)生變化時 ,就產生觸發(fā) PDO傳送的事件。在本例中 ,采用定時 150ms發(fā)送一次 TPDO的事件。通

14、過對映射結構中的參數(shù)進行寫訪問 ,可以配置 TPDO報文的數(shù)據(jù)格式 ,但是在一般情況下 ,可以采用由設備規(guī)范定義的缺省數(shù)據(jù)格式。如表 6所示 ,4網(wǎng)絡管理 (NMT)網(wǎng)絡管理是基于主從結構的概念 ,一個 canopen網(wǎng)絡中只有個主節(jié)點 ,其它為從節(jié)點。它可以用于控制和管理網(wǎng)絡設備 ,包括參數(shù)配置、ID分配、節(jié)點狀態(tài)控制、錯誤控制等。NMT服務可以實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)的轉換 ,網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)結構框圖 ,如圖 3所示。在完成初始化 (Initialisation)后,節(jié)點可以直接進入預操作 (Pre-Operational)狀態(tài) ,此時就可以通過 SD

15、O對節(jié)點的進行設置參數(shù)和配置信息。但是不能進行用于實時數(shù)據(jù)傳送的 PDO服務。然后 ,就可以切換到操作 (Operational)狀態(tài)。在預操作和操作狀態(tài)可以使節(jié)點進入初始化和停止狀態(tài) (Stopped),在任何情況下,都可以對節(jié)點進行初始化 ,體現(xiàn)了 CANOpen系統(tǒng)的靈活特性。圖 3網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)結構框圖在網(wǎng)絡管理機制中 ,其中一個重要的特性就是 Heartbeat協(xié)議。一個節(jié)點可以產生周期性的報文稱為 Heartbeat報文。不需要主節(jié)點發(fā)送遠程幀 ,從節(jié)點就可以向主節(jié)點或其它節(jié)點報告自己的狀態(tài)。Heartbeat生產者和消費者的關系可以

16、由對象字典來配置建立。一個生產者可以周期性地發(fā)送 heartbeat報文。Heartbeat協(xié)議如圖 4所示。圖 4Heartbeat協(xié)議值得注意的是 :根據(jù) canopen的錯誤控制協(xié)議 ,在初始化之后 ,從節(jié)點會發(fā)出一個 Boot-Up報文 ,向主節(jié)點說明已經(jīng)進行預操作狀態(tài)。例如 :Node-ID為 0x01的節(jié)點在初始化會向主節(jié)點發(fā)送一個 Boot-Up報文 ,對象連接標識符 COB-ID為 0x700h+Node-ID= 0x701h,數(shù)據(jù)字節(jié) Byte0為 0。由 Heartbeat協(xié)議可知 ,

17、該報文也是一個節(jié)點發(fā)出的第一個 Heartbeat報文。另外 ,有關網(wǎng)絡管理機制的其它協(xié)議 ,如模塊控制協(xié)議、Node Guarding協(xié)議等 ,不再詳細分析和介紹。5結束語CANOpen協(xié)議的應用在國外已經(jīng)深入到各個領域,而且正在進一步完善和發(fā)展 ,特別是在嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)機械裝置等方面的應用已經(jīng)體現(xiàn)了其優(yōu)異的特性 ,將對我國測控自動化、計算機測量等都將產生重要影響。本文具有參考價值和實用性 ,(轉 158頁)算控制量 ,最后將計算結果通過雙口 RAM送到脈沖發(fā)生器。由于 DSP的運算速度很快 ,所以完全可以在 500s的周期內實現(xiàn)

18、采樣、讀取數(shù)據(jù)及實現(xiàn)各種復雜的控制算法并查表計算出 STATCOM逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相位差 ,實際的程序編制運行中已經(jīng)證明了這一點。圖 3是主控制器主程序流程圖和定時器中斷服務程序流程圖。82-9464控制算法仿真結果本次仿真軟件用 MATLAB6.1 PSB(電源系統(tǒng)模塊 )控制工具箱 ,將含有采用電流間接控制方法的 STATCOM接入一個單機無窮大系統(tǒng) ,假設系統(tǒng)其中的一條線路在 0.3秒發(fā)生瞬時兩相對地短路 ,在 0.45秒切除故障線路 ,記錄發(fā)電機機端電壓、功角的動態(tài)仿真特性曲線 ,無 STATCOM的系統(tǒng)和裝有