現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用課件：CAN總線

CAN總線4.1CAN總線概述4.2M340PLC與TesysT電動機管理控制器CANopen通信實驗小結(jié)思考與習題

知識目標

(1)了解CAN總線的發(fā)展歷史。

(2)理解CANopen通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)及定義。

能力目標

(1)掌握不同設(shè)備間CANopen通信的建立方法。

(2)熟練掌握PDO的使用。

4.1CAN總線概述

CAN總線雖然是一個工業(yè)級的現(xiàn)場總線，卻因為其在汽車行業(yè)的應(yīng)用而廣為人知，現(xiàn)在歐洲幾乎每輛新車都配備了至少一套CAN網(wǎng)絡(luò)。CAN總線現(xiàn)在也被廣泛應(yīng)用于其他類型的交通工具如火車、輪船中，在電梯、醫(yī)療、工程機械等行業(yè)中的應(yīng)用更是將它推廣為全球處于領(lǐng)導地位的串行總線系統(tǒng)。

4.1.1

CAN總線簡介

1983年，博世(Bosch)公司開始了車載網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，工程師們期望創(chuàng)造一個應(yīng)用于客車的、新的串行總線來減少電線的使用數(shù)量并拓展新功能。歷時3年以后，博世公司1986年在底特律的SAE大會上正式推出CAN總線。英特爾公司和飛利浦半導體制造商在1987年分別推出了自己的CAN控制器芯片82526和82C200。此后，CAN總線就開始了快速的發(fā)展和標準化的過程。

4.1.2

CANopen通信協(xié)議

1.CANopen通信協(xié)議簡介

自1995年CiA公布了完整修訂版的CANopen通信子協(xié)議后，它被首先應(yīng)用于內(nèi)部設(shè)備，尤其是驅(qū)動器的通信。在一系列成功的案例出現(xiàn)之后，歐洲各個行業(yè)開始嘗試將其應(yīng)用于特殊應(yīng)用。由于CANopen擁有非常高的靈活性和配置性，它開始迅速地被大家接受，僅僅用了5年左右的時間，它就成長為歐洲最重要的嵌入式網(wǎng)絡(luò)標準。

CANopen是在CAL的基礎(chǔ)上開發(fā)的，CAL提供了網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)和報文傳送協(xié)議，CANopen定義了對象的內(nèi)容和類型。從CANopen協(xié)議和CAN總線在OSI模型的角度來看，CAN總線只定義了第1層和第2層，CANopen協(xié)議定義了第7層，它們的關(guān)系如圖4-1所示。

圖4-1

CANopen的OSI模型

2.第1層“物理層”包含的主要內(nèi)容

第1層“物理層”包含的主要內(nèi)容如下：

(1)

CANopen使用的通信介質(zhì)是2線或4線(如果有電源提供)的屏蔽雙絞線。

(2)拓撲結(jié)構(gòu)為總線模式，使用終端電阻。

(3)最大通信距離可以達到5000

m；在10

kb/s～1

Mb/s間有9種可能的波特率可選(基于總線長度和電纜類型，10

kb/s通信距離可到5000

m，1

Mb/s通信距離只有4

m，即通信速度越快，通信距離越短)。

(4)最大設(shè)備總量可達127個，即1個主站，126個從站，但每個分支的最大設(shè)備量只有64個。

3.第2層“數(shù)據(jù)鏈路層”包含的主要內(nèi)容

第2層“數(shù)據(jù)鏈路層”包含的主要內(nèi)容如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)的訪問方式：在總線空閑的時候，每個設(shè)備都可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)生沖突，總線會根據(jù)每一個位的顯性或隱性來判定優(yōu)先權(quán)，以保證數(shù)據(jù)的無損傳輸。消息的優(yōu)先權(quán)是根據(jù)一個叫做COB-ID(CommunicationObjectIdentifier)的值來判定的，COB-ID值最小的擁有最高的優(yōu)先級。作為一個標識符，COB-ID位于數(shù)據(jù)幀的起始位置。

(2)通信模式：生產(chǎn)者-消費者，每個消息的起始位置包含一個標識符，用以通知接收者每個消息包含的數(shù)據(jù)類型，每個接收者根據(jù)它的配置決定是否處理數(shù)據(jù)。

(3)最大有效數(shù)據(jù)空間：每個數(shù)據(jù)幀8個字節(jié)。

(4)信息傳輸安全：眾多信號和錯誤檢測設(shè)備保證信息傳輸優(yōu)秀的安全性能。

4.第7層“應(yīng)用層”包含的主要內(nèi)容

第7層“應(yīng)用層”包含的主要內(nèi)容如下：

(1)數(shù)據(jù)是“如何”傳輸?shù)?。DS-301通信文件為所有產(chǎn)品通用文件，除此之外它還定義了各個類型消息的COB-ID標識符的分配。

(2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖恰笆裁础薄S-4XX產(chǎn)品文件為各個產(chǎn)品類型特定文件，如數(shù)字量I/O、模擬量I/O、變頻器、編碼器等。

這些功能都是各個設(shè)備的對象字典來描述的，而對象字典的內(nèi)容是依靠EDS文件的形式表述的。

(3)標準功能類型。

4.1.3

CANopen協(xié)議的物理層

如前文所述，CANopen協(xié)議的物理層描述的是物理連接的要求，如表4-1所示。

CANopen協(xié)議的通信距離和通信速度是成反比的，如表4-2所示。

在DR-303-1文件里，CiA推薦了三類連接器：

通用連接器：9針SUB-D連接器DIN41652，多極連接器(帶狀電纜連接至9針SUB-D)，RJ10或RJ45接口。圖4-2所示即為9針SUB-D連接器DIN41652。

圖4-2

9針SUB-D連接器

工業(yè)連接器：5針迷你型、微型、開放型。圖4-3所示即為5針迷你型連接器。圖4-3

5針迷你型連接器

圖4-4所示為開放型連接器。

圖4-4開放型連接器

4.1.4

CANopen協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層

CANV2.0規(guī)格包含兩種不同的類型，即CAN2.0.A和CAN2.0.B。CAN2.0.A使用的是標準幀格式，標識符代碼為11位，CANopen就是使用的這種格式；CAN2.0.B使用的是擴展幀格式，標識符代碼為29位，這種格式較少使用。

CANopen有以下三種通信方式：

(1)主從模型。一個CANopen設(shè)備為總站，負責傳送或者接收其他設(shè)備(即從站)的數(shù)據(jù)。NMT協(xié)定就是使用的主從模型。

(2)服務(wù)器-客戶端模型。這種模型定義在SDO協(xié)定中，SDO客戶端將對象字典的索引及子索引傳送給SDO服務(wù)器，會產(chǎn)生一個或多個需求數(shù)據(jù)。

(3)生產(chǎn)者-消費者模型。這種模型應(yīng)用在Heartbeat(心跳報文)和NodeGuarding(節(jié)點保護)協(xié)定。一個生產(chǎn)者傳送出數(shù)據(jù)給消費者，同一個生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)可能給一個以上的消費者。其又可分為兩種模式：推送模式，生產(chǎn)者會自動傳送出數(shù)據(jù)給消費者；拉拔模式，消費者需送出請求信息，生產(chǎn)者才會送出數(shù)據(jù)。

CAN的幀包含4種類型，如表4-3所示。

1個完整的CAN2.0.A數(shù)據(jù)幀包含有1位幀起始位，11位標識符，1位遠程傳輸請求位，6位控制區(qū)(包含兼容性和數(shù)據(jù)長度)，0～64位數(shù)據(jù)區(qū)(包含有效的數(shù)據(jù)，即最大8個字節(jié))，15位CRC校驗區(qū)，1位CRC定界符，1位ACK位置，1位ACK定界符，7位數(shù)據(jù)幀結(jié)束，如圖4-5所示。

圖4-5完整的CAN2.0.A數(shù)據(jù)幀

總線判定通信數(shù)據(jù)的優(yōu)先級是按位來判斷的，在同一時間如果有多臺設(shè)備發(fā)送請求，總線先根據(jù)數(shù)據(jù)幀的每一位判斷是顯性或者隱性，如果同一位有多個設(shè)備發(fā)送有效，則COB-ID最小的設(shè)備擁有最高的優(yōu)先級。

4.1.5CANopen協(xié)議的應(yīng)用層

CANopen協(xié)議的應(yīng)用層定義了數(shù)據(jù)是“如何”傳輸?shù)暮蛡鬏數(shù)氖恰笆裁础?，這里有一個很重要的概念就是“對象字典”。

CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個對象字典(Object

Dictionary，OD)，它是一個對象的有序組(SequencedGroupofObjects)，每個對象都有一個16位的“索引”，某些情況下還包含一個8位的“子索引”，它描述了產(chǎn)品的所有功能。對象字典的結(jié)構(gòu)如表4-4所示。

對象字典的描述是通過EDS文件(ElectronicDataSheet)來實現(xiàn)的，導入EDS文件即可導入設(shè)備的對象字典。EDS文件是一個有嚴格語法要求的、以ASCII格式編寫的文件，它可以被總線配置工具加載，用于描述不同設(shè)備的各個對象的索引(及子索引)。ATV71變頻器的EDS文件的起始部分如圖4-6所示。

圖4-6

ATV71變頻器的部分EDS文件界面

例如，我們在Unity中導入ATV71變頻器的EDS文件，再將ATV71添加到CANopen網(wǎng)絡(luò)后，可以在變頻器的屬性中找到對象字典，如圖4-7所示。

圖4-7

Unity中變頻器的對象字典界面

CANopen通信文件DS-301定義了4類標準通信對象(COB)，如表4-5所示。

在網(wǎng)絡(luò)管理中，標識符的分配可以由CANopen預先定義的默認分配，也可以由用戶或者應(yīng)用修改。以預定義的默認分配為例，COB-ID標識符分為兩部分，如圖4-8所示。

圖4-8預定義的默認分配標識符

預定義的默認分配標識符如表4-6所示。

PDO是現(xiàn)場應(yīng)用中需要頻繁使用的功能，我們的實驗中也會用到很多PDO來控制和監(jiān)視設(shè)備。PDO使得設(shè)備可以對應(yīng)一個或多個消費者來建立一個最大64位(即8個字節(jié))的變量。每個發(fā)送或接收的PDO在對象字典中都是用2個對象來描述的，一個是PDO通信參數(shù)，定義PDO是如何發(fā)送或接收的，它包含了使用的COB-ID、發(fā)送或接收的方式、發(fā)送PDO時2個消息間的最小時間；另一個是PDO映像參數(shù)，定義PDO傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，它包含對象字典內(nèi)的對象列表、每個對象的大小。

DO有同步和異步兩種傳輸方式：同步通過接收同步對象實現(xiàn)同步，非周期的由遠程幀或設(shè)備文件中的特定事件對象預觸發(fā)發(fā)送，周期的在每1、2，最多240個同步消息后觸發(fā)；異步由遠程幀或設(shè)備文件中的特定事件對象預觸發(fā)發(fā)送。

SDO用于點對點的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，它不是實時的。在現(xiàn)場應(yīng)用中，我們通常應(yīng)用它來對設(shè)備的參數(shù)進行設(shè)定，設(shè)定完畢一次即可保存一次直到下次修改為止，不需要也不建議頻繁刷新保存。1個SDO的交換需要2個COB-ID，1個用于請求，1個用于響應(yīng)。

SFO包含的是很多特殊功能對象，如SYNC是同步對象，它被用于同步輸入的獲得及輸出的更新；時間標記對象給所有的設(shè)備提供了一個6個字節(jié)的、精確到毫秒的絕對時間(自1984年1月1日起)；緊急時間對象由設(shè)備的各種內(nèi)部錯誤(如電流、電壓、溫度、通信故障)觸發(fā)。

SFO有兩種監(jiān)視各站點狀態(tài)的機制：一種是節(jié)點保護，它是基于主從模式的，由總線管理器在可配置的時間間隔里請求檢查每個站點的狀態(tài)；另一種是“心跳”協(xié)議，它是基于生產(chǎn)者-消費者模式的，各個站點的狀態(tài)由可配置的循環(huán)間隔來管理?，F(xiàn)在的新產(chǎn)品使用更多的是更可靠的“心跳”協(xié)議。

CANopen通信協(xié)議的消息類別復雜、通信對象類型繁多，其通信過程的具體內(nèi)容這里不再逐幀分析。實驗中，我們將重點測試PDO過程數(shù)據(jù)對象的分配和使用，它被廣泛應(yīng)用于CANopen通信應(yīng)用中的控制和監(jiān)視。

4.2

M340PLC與Tesys

T電動機管理控制器CANopen通信實驗

4.2.1硬件連接

1.硬件列表實驗需要的硬件設(shè)備如表4-7所示。

2.硬件連接

如圖4-9所示，CANopen電纜TSXCANCA50兩側(cè)各插入兩個CANopen連接器VW3CANKCDF180T，再分別插入PLCBMXP3420102和TesysT電動機管理控制器LTMR08CFM的CANopenSUB-D9針通信接口，即可實現(xiàn)CANopen總線的連接。

圖4-9

CANopen通信實驗硬件連接

需要注意的是，TesysT電動機管理控制器LTMR08CFM右下側(cè)的通信端子排(端子標號為：V+,CAN_H,S,CAN_L,V+)一樣可以用于CANopen總線的連接，但通信端子排和SUB-D9針通信接口同時只能有一個接口進行總線連接。由于SUB-D9針通信接口連接更為可靠，因此現(xiàn)場連接推薦使用SUB-D9針通信接口。

PLCBMXP3420102的CANopenSUB-D9針通信接口引腳定義分別如圖4-10和表4-8所示。

圖4-10

PLCBMXP3420102的CANopenSUB-D9針通信接口

TesysT電動機管理控制器LTMR08CFM的CANopenSUB-D9針通信接口引腳定義分別如圖4-11和表4-9所示。

圖4-11

LTMR08CFM的CANopenSUB-D9針通信接口

TesysT電動機管理控制器LTMR08CFM的通信端子排端子定義如表4-10所示。

CANopen連接器VW3CANKCDF180T的引腳及端子定義分別如圖4-12和表4-11所示。

圖4-12

VW3CANKCDF180T的引腳及端子定義

參考以上各個元件的引腳及端子定義圖，將CANopen電纜TSXCANCA50的兩根雙絞線對應(yīng)連接至CANopen連接器VW3CANKCDF180T輸入口的CAN_L和CAN_H端子，并將兩個CANopen連接器VW3CANKCDF180T上的終端電阻撥碼開關(guān)都撥到“ON”的位置。

4.2.2

Tesys

T配置

TesysT電動機管理控制器的配置可以通過面板LTMCU(新型號為LTMCUF)或者PC軟件SoMove來實現(xiàn)，TesysT電動機管理控制器本體或者擴展模塊左側(cè)的RJ45端口用于面板或者PC的連接，分別如圖4-13和圖4-14所示。

圖4-13

TesysT本體或者擴展模塊左側(cè)的RJ45端口連接面板圖4-14

TesysT本體或者擴展模塊左側(cè)的RJ45端口連接PC

由于TesysT電動機管理控制器保護功能強大，它的參數(shù)是非常多的，推薦使用更簡單直觀的SoMove軟件對其進行配置。

本實驗的目的是，通過CANopen總線對TesysT電動機管理控制器進行控制和監(jiān)視，以實現(xiàn)電動機的控制和保護，主要的參數(shù)配置包括通信和控制通道部分。

通信部分設(shè)置如圖4-15所示，在“parameterlist”(參數(shù)列表)標簽中，選擇“communication”(通信)菜單，展開“networkport”(網(wǎng)絡(luò)端口)子菜單，對通信相關(guān)的參數(shù)進行配置。本實驗設(shè)置如表4-12所示。

圖4-15

SoMove通信設(shè)置菜單的界面

控制通道部分設(shè)置如圖4-16所示，在“parameterlist”(參數(shù)列表)標簽中，選擇“control”(控制)菜單，展開“l(fā)ocal/remotecontrol”(本地/遠程控制)子菜單，在“l(fā)ocal/remotechannels”(本地/遠程通道)里就可以修改控制通道。

圖4-16

SoMove控制通道菜單的界面

4.2.3

M340硬件組態(tài)

本實驗使用的軟件為UnityProXLV12.0。

新建項目，CPU選擇ModiconM340下的BMXP3420102，如圖4-17所示。

展開“項目瀏覽器”中的“配置”，雙擊“3：CANopen”打開CANopen總線配置界面，如圖4-18所示。

圖4-17新建項目選擇CPU的界面圖4-18

CANopen總線配置界面

雙擊CANopen總線配置界面里的從站地址框來添加新設(shè)備，如圖4-19所示。

圖4-19

CANopen總線添加新設(shè)備界面

在新設(shè)備添加界面中可以發(fā)現(xiàn)有4種和TesysT相關(guān)的選項，它們區(qū)別在于是否有擴展模塊、工作模式是本地/遠程，如表4-13所示。

需要注意的是，這里的本地/遠程模式并不是指TesysT電動機管理控制器的控制通道是本地/遠程通道，而是指是否允許通過通信對TesysT電動機管理控制器的參數(shù)進行配置。本地模式代表不允許，遠程模式代表允許。

設(shè)備的選定必須與實際的硬件配置和參數(shù)設(shè)置對應(yīng)。例如，本實驗選擇新設(shè)備為“TesysT_MMC_L”，那么實際的硬件配置必須是不帶擴展模塊的，而且SoMove參數(shù)設(shè)置中必須要將“configurationvianetworkportenable”(通過通信配置使能)設(shè)置為“forbidden”(禁止)。如果設(shè)備的選定和實際的硬件配置或參數(shù)設(shè)置不對應(yīng)，則PLC會對設(shè)備無法識別，從而無法進行通信。

再次雙擊CANopen總線配置界面里的從站地址框，將從站地址修改為“3”，修改后軟件會提示是否更新所有變量(程序和數(shù)據(jù))的引用，點擊“確定”按鈕繼續(xù)，如圖4-20所示。

圖4-20將從站地址修改為“3”的界面

雙擊從站打開從站配置界面，點擊“PDO”標簽對需要使用的PDO進行配置，如圖4-21所示。

圖4-21

PDO的配置界面

本實驗期望通過通信來控制TesysT電動機管理控制器的啟動和停止，并監(jiān)視其工作狀態(tài)和運行電流。默認的PDO選擇和我們的需求不同，我們需要刪除不需要的變量，并添加需要的變量，在列表中點擊右鍵即可選擇。

我們需要保留“傳輸”中的“Systemstatusregister1”(系統(tǒng)狀態(tài)寄存器1，索引：2004:06)，“接收”中的“Commandregister1”(命令寄存器1，索引：2008:05)，其他不需要的變量刪除，取消“PDO4”的勾選；并在“傳輸”中添加“Iavamps(1)”(平均電流(1)，索引：2004:33)和“Iavamps(2)”(平均電流(2)，索引：2004:34)，這兩個寄存器共同用于平均電流，數(shù)字1對應(yīng)0.01安培。PDO修改完畢后，如圖4-22所示。

圖4-22

PDO修改完畢界面

點擊菜單列表下方的“確認”圖標來確認修改，再點擊菜單“生成”里的“重新生成所有項目”，系統(tǒng)會提示錯誤信息“配置二進制生成錯誤”，如圖4-23所示。

從故障信息列表中我們可以看到，錯誤和警告是CANopen總線上的寄存器數(shù)量和從站實際需求不匹配引起的，錯誤的原因是“%MWIN”的數(shù)量比從站實際需求要少，警告的原因是其他寄存器的數(shù)量比從站實際需求要多。

圖4-23錯誤信息“配置二進制生成錯誤”的界面

雙擊組態(tài)界面中CPU的SUB-D9針CANopen通信端口，如圖4-24所示。

圖4-24雙擊CANopen通信端口的界面

打開的界面即為主站的CANopen通信配置界面，如圖4-25所示。

圖4-25

CANopen通信配置界面

將“輸入”中的“字數(shù)(%MW)”修改為“46”，其他設(shè)置為“0”；將“輸出”中的“字數(shù)(%MW)”修改為“8”，“第一個%MW的索”修改為“46”，其他設(shè)置為0。

即將%MW0至%MW45分配給輸入，%MW46至%MW53分配給輸出，不分配%M。

再次點擊菜單列表下方的“確認”圖標來確認修改，然后點擊菜單“生成”里的“重新生成所有項目”，之前產(chǎn)生的錯誤和警告都消除了，如圖4-26所示。

圖4-26消除了錯誤和警告的界面

我們可以看到，CPU的CANopen總線傳輸速度也是在這里配置的，默認的值是250千波特，和之前我們給TesysT電動機管理控制器設(shè)置的速度是一致的，無需更改。

項目重新生成完畢后，可以看到從站PDO配置界面中已經(jīng)給各個變量映射了寄存器，如圖4-27所示。

圖4-27各個變量映射了寄存器的界面

PDO映射列表如表4-14所示。

在“項目瀏覽器”的“動態(tài)數(shù)據(jù)表”中，點擊右鍵新建一個數(shù)據(jù)表，添加需要監(jiān)視和控制的寄存器，如圖4-28所示。

圖4-28新建動態(tài)數(shù)據(jù)表界面

4.2.4通信數(shù)據(jù)分析

在菜單“PLC”中，點擊“設(shè)置地址”打開連接屬性界面，如圖4-29所示。

本實驗使用MiniUSB接口連接PC和PLC，將“介質(zhì)”選擇為“USB”，點擊“測試連接”按鈕，如果連接正常的話會彈出連接成功的界面，如圖4-30所示。

圖4-29連接屬性界面圖4-30連接成功界面

在菜單“PLC”中點擊“連接”，將PC連接至PLC；再在菜單“PLC”中點擊“將項目傳輸?shù)絇LC”，在彈出的項目傳輸界面中點擊“傳輸”按鈕，將當前配置的項目下載到PLC中，如圖4-31所示。

圖4-31將項目下載到PLC中的界面

項目下載完畢后，點擊菜單“PLC”中的“運行”，運行PLC中的項目。Unity下方的任務(wù)欄會顯示當前項目的狀態(tài)，如圖4-32所示。

圖4-32當前項目的狀態(tài)界面

如果CANopen總線配置界面中從站的地址顯示為紅色(如圖4-33所示)，或者主站的CANopen“故障”檢測界面有故障信息(如圖4-34所示)，則是項目配置或者硬件連接有錯誤，請仔細檢查之前的配置步驟。

在開始對TesysT電動機管理控制器進行控制和監(jiān)視之前，一定要保證通信是正常的，而且PLC處于運行的狀態(tài)。

圖4-33從站的地址顯示為紅色的界面圖4-34

CANopen“故障”檢測界面有故障信息

選擇“項目瀏覽器”中“動態(tài)數(shù)據(jù)表”，雙擊打開我們剛才創(chuàng)建的“數(shù)據(jù)表”。在變量“%MW8”和“%MW51”上點擊右鍵選擇“顯示格式”，將數(shù)據(jù)顯示的格式修改為“二進制”，顯示結(jié)果如圖4-35所示。

圖4-35數(shù)據(jù)表的二進制顯示

可以看到，“Systemstatusregister1”(系統(tǒng)狀態(tài)寄存器1)%MW8里的值是二進制的0000000001000001。系統(tǒng)狀態(tài)寄存器1各個bit的定義如表4-15所示。

“Commandregister1”(控制寄存器1)%MW51各個bit的定義如表4-16所示。

可以看到，bit0置1即可讓電機正轉(zhuǎn)，點擊“數(shù)據(jù)表”中的“修改”按鈕，將“Commandregister1”(控制寄存器1)%MW51的bit0置1讓電機開始正轉(zhuǎn)，如圖4-36所示。

圖4-36控制字bit0置1的界面

電機開始正轉(zhuǎn)以后，“Systemstatusregister1”(系統(tǒng)狀態(tài)寄存器1)%MW8里的值變?yōu)槎M制的1010000111000011。

bit1和bit7變?yōu)?，對應(yīng)電機處于運行的狀態(tài)。

bit8至bit13的值換算為十進制為32，即運行電流達到100%FL