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

1、canopen協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用關(guān)鍵字：canopen協(xié)議canopen協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)總線，網(wǎng)絡(luò) 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)用于汽車電了、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(wèn)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

2、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)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，。

3、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 ,0d)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(wèn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單

4、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 o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)行為的所冇參數(shù)。2.3通訊對(duì)象通過(guò)can網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腸anopen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

5、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)cobid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(xiě)操作。通過(guò)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象sdo可以訪問(wèn)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(wèn)可以建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，被訪問(wèn)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)

6、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

7、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 口調(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(kāi)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

8、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adumlloo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

9、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 一 id ,見(jiàn)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(wèn)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(kāi)始pdo

10、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)果為了保證系統(tǒng)中每個(gè)模塊都能夠正常工作，需耍設(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(kāi)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l(wèi)ss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b