CANopen協(xié)議介紹(講義)

1、CANopen協(xié)議介紹（講義） 2010-10-12 15:58:28| 分類： 技術(shù)文檔 | 標(biāo)簽： |舉報(bào) |字號(hào)大中小 訂閱 很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，很多人問我CANopen總線優(yōu)勢(shì)到底在什么地方，我也大體的給了口頭的講述，但是比較籠統(tǒng)，沒辦法做到詳細(xì)解釋，加上純技術(shù)的話語比較晦澀，遇上內(nèi)行還能多聊幾句，如果是剛接觸的，那就是云里霧里了。這次正好要進(jìn)行公司業(yè)務(wù)員培訓(xùn)，要講講CANopen，在整理過程中把我的講義貼出來，希望能幫到大家，以下內(nèi)容是我講課的口述內(nèi)容，比較白話，不能作為資料，大家見諒，鑒于我整理也比較辛苦，也算個(gè)小小的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，所以PPT我就不貼出來了。-講義內(nèi)容： 通常CANope

2、n協(xié)議相關(guān)的一些資料相對(duì)來說比較晦澀，非專業(yè)人士看起來比較困難。我盡量以淺顯易懂的方式將CANopen協(xié)議的框架和它在實(shí)際應(yīng)用中存在的優(yōu)缺點(diǎn)展示給大家。我按照最先接觸的內(nèi)容由淺入深的講解，直接講CANopen協(xié)議會(huì)有點(diǎn)跳躍的感覺，所以，我以產(chǎn)品作為切入點(diǎn)，分析一下如何使用，在這個(gè)過程中，讓大家理解什么是CANopen協(xié)議。首先，我們拿到一個(gè)產(chǎn)品，比方說是編碼器，它的用途是作為位置傳感器，那我們就需要將編碼器送出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。一般自然界中存在的信號(hào)有多種形式，大多以模擬量形式存在，類似于人感覺到溫度的高低、水流的快慢、風(fēng)力的大小等等。但這是很模糊的概念，今天熱了還是冷了，風(fēng)大風(fēng)小，沒有比較是很

3、難界定的，為了規(guī)范這些量，方便描述時(shí)的統(tǒng)一性，溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有華氏和攝氏、水流有每秒多少立方、風(fēng)力有級(jí)數(shù)。這些，就是數(shù)字量。數(shù)字量在人與人之間傳遞時(shí)，可以通過嘴和耳，語言和聽力，在設(shè)備之間如何來傳遞呢？學(xué)過數(shù)電的人知道，燈泡有兩種狀態(tài)，亮和暗，在最基礎(chǔ)的電路回路里，“通”和“斷”是兩個(gè)最基本的狀態(tài)，我們可以把他理解為“1”和“0”，這樣，就有了表述的方法。但是單獨(dú)使用這兩種狀態(tài)是無法傳遞信息的，如何把編碼器的數(shù)據(jù)傳遞出去，就需要使用到協(xié)議，下面我就講講協(xié)議。我們知道，人與人交流需要用到語言，我們要表達(dá)出一個(gè)完整的意思就要使用一句話，一句話內(nèi)會(huì)包含很多的字，每個(gè)字又由筆畫構(gòu)成。這樣，我們協(xié)議的基本

4、框架就出來了，在整個(gè)CANopen協(xié)議傳遞過程中，最大的單位稱為“幀”，類似于一句話，“幀”由“字節(jié)”組成，就代表了字，每個(gè)“字節(jié)”由“位”組成，我們稱為筆畫。那地球上還有英語、法語、德語、還有聽不懂的鳥語呢！那就是各個(gè)通訊協(xié)議，比如Profibus-DP、DeviceNet、CC-Link、Hart、Modbus等。讓DP和CANopen通訊，那就是相當(dāng)于一個(gè)講德語的與講中文的對(duì)話，雞同鴨講，能溝通嗎？需要翻譯，對(duì)吧?；剡^頭來我們講講CANopen的幀格式，CANopen一幀數(shù)據(jù)由一個(gè)COB-ID（報(bào)文頭）和最大8字節(jié)數(shù)據(jù)組成，其中COB-ID可以是11位（CAN2.0），也可以是29位（C

5、AN2.0B），當(dāng)然，CAN2.0B需要向下兼容11位CAN報(bào)文。對(duì)于每字節(jié)數(shù)據(jù)由哪些位組成，這里就不再贅述，因?yàn)檫@部分內(nèi)容不在OSI模型的第七層應(yīng)用層內(nèi)描述，開發(fā)人員也不必過多考慮這塊內(nèi)容。由于CANopen協(xié)議內(nèi)對(duì)COB-ID的各個(gè)地址段報(bào)文有詳細(xì)規(guī)范，這里就花點(diǎn)時(shí)間講一下，當(dāng)然也沒時(shí)間全部討論，只選一些重要內(nèi)容來說。以前我們培訓(xùn)一直在說CANopen協(xié)議好，速度快，廣播報(bào)文，這些關(guān)鍵字聽的多了，但是大家可能不是很理解這些內(nèi)容?，F(xiàn)在就來解釋一下。在編碼器應(yīng)用中，CAN報(bào)文我們常用的有SDO（Service Data Object服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）和PDO（Process Data Object

6、過程數(shù)據(jù)對(duì)象），從字面描述意義看，通常數(shù)據(jù)的發(fā)送讀取是采用PDO來實(shí)現(xiàn)的，CAN參數(shù)的修改是通過SDO來實(shí)現(xiàn)的（當(dāng)然這不是絕對(duì)的，具體的如果有興趣可以會(huì)后詢問）。先來說說PDO，我們?cè)诤芏噘Y料上會(huì)看到這樣一張表對(duì)象COB-ID通訊參數(shù)在 OD 中的索引緊急081H-0FFH1024H，1015HPDO1(發(fā)送)181H-1FFH1800HPDO1(接收)201H-27FH1400HPDO2(發(fā)送)281H-2FFH1801HPDO2(接收)301H-37FH1401HPDO3(發(fā)送)381H-3FFH1802HPDO3(接收)401H-47FH1402HPDO4(發(fā)送)481H-4FFH180

7、3HPDO4(接收)501H-57FH1403HSDO(發(fā)送/服務(wù)器)581H-5FFH1200HSDO(接收/客戶)601H-67FH1200HNMT Error Control701H-77FH1016H-1017H注意：PDO/SDO 發(fā)送/接收是由（slave）CAN節(jié)點(diǎn)方觀察的表一：CANopen主/從連接集對(duì)象假設(shè)我們讀取到一組編碼器數(shù)據(jù)是這樣的0x181 0x30 0x1F 0x00 0x00，我們應(yīng)該如何理解呢？首先，“0x”只是一個(gè)符號(hào)，它代表了緊跟著的數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制的（等同于在數(shù)據(jù)后面直接標(biāo)“H”，上述表達(dá)式也可以表述為181H 30H 1FH 00H 00H），“181”

8、我們查看上表后發(fā)現(xiàn)，它包含在PDO1（發(fā)送）里面，它代表了是由編碼器發(fā)出的過程數(shù)據(jù)對(duì)象，表上顯示是“181H1FFH”，這是因?yàn)镃OB-ID包含了節(jié)點(diǎn)號(hào)信息，地址1對(duì)應(yīng)著181H，地址2對(duì)應(yīng)了182H，以此類推，最大127個(gè)節(jié)點(diǎn)。“0x30 0x1F 0x00 0x00”就代表了數(shù)據(jù)內(nèi)容，在CAN協(xié)議內(nèi)，幀數(shù)據(jù)是低位在前，高位在后的。所以上述數(shù)據(jù)直接讀取后得出編碼器送出1F30H，這就代表了編碼器的當(dāng)前位置值。那在總線上面，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生沖突么？以前我們說過，CAN協(xié)議具有仲裁，這里簡(jiǎn)單介紹一下仲裁是如何實(shí)現(xiàn)的。上面說了，COB-ID包含了節(jié)點(diǎn)號(hào)信息，也就是說，只要總線上的設(shè)備節(jié)

9、點(diǎn)號(hào)不同，所送出的廣播報(bào)文的COB-ID肯定是不同的，如果一個(gè)是182H，一個(gè)是183H，仲裁時(shí)怎么做？本文最開始的時(shí)候介紹了每個(gè)字由筆畫組成，現(xiàn)在就要用到位（bit）的概念了，182H換算成二進(jìn)制是0001 1000 0010（B），“B”代表了二進(jìn)制，183H換算成二進(jìn)制是0001 1000 0011（B），關(guān)于顯性位、隱形位這里不再贅述，這個(gè)有興趣可以找我要資料看，這里我就簡(jiǎn)單描述為“0”比“1”的優(yōu)先級(jí)高，可以理解為拖后腿，“0”為低電平，“1”為高電平，在線上低電平會(huì)把高電平拉低，一旦183H發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中與自身數(shù)據(jù)不符合，就終止上傳，保證了182H的數(shù)據(jù)先上總線。我們?cè)趯?shí)踐中會(huì)

10、發(fā)現(xiàn)，編碼器的數(shù)據(jù)在不斷的更新輸出，那輸出周期如何定義呢？這個(gè)我們就來討論一下引申的PDO傳送方式。我們以前在培訓(xùn)時(shí)一直介紹CANopen協(xié)議與DP協(xié)議相比的好處在于DP是輪詢的，問答方式浪費(fèi)了大量的時(shí)間，而CAN協(xié)議是廣播的，可以將1MHz的速率發(fā)揮至極致。這種說法形象，一般可以解釋給初步接觸CANopen的人聽。其實(shí)CANopen的報(bào)文形式很多樣化，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以采取不同的方式，上面說的稱為異步方式，異步方式也分兩種，一種是上面的內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)，也就是按照固定時(shí)間間隔發(fā)送，另一種是事件觸發(fā)，假設(shè)編碼器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)據(jù)相應(yīng)送出。還有一種同步方式，我們也可以口述為踏拍方式，當(dāng)主站要求報(bào)數(shù)是，

11、所有從節(jié)點(diǎn)按照仲裁的優(yōu)先順序進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。這三種報(bào)文方式分別在哪些場(chǎng)合適用呢？我們以車輛來舉例。車輛開在路上，在整個(gè)車輛控制內(nèi)，最重要的，具有高優(yōu)先級(jí)的，應(yīng)該是牽涉到安全的制動(dòng)（剎車），安全氣囊等等。其次是轉(zhuǎn)向、車燈。再次是音響、影視系統(tǒng)（當(dāng)然，我對(duì)車不是很熟悉，這是我的主觀認(rèn)識(shí)，作為一個(gè)例程）。我們可以把小的節(jié)點(diǎn)號(hào)分配給制動(dòng)系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)能及時(shí)送達(dá)控制器，并采用定時(shí)報(bào)數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的情況。對(duì)于音箱什么的，我們可以采用事件觸發(fā)方式，在有輸入控制時(shí)（比方說打開收音機(jī)）進(jìn)行響應(yīng)。同步數(shù)據(jù)一般用在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，比方是在同一時(shí)間點(diǎn)查閱角度、位置、重量、壓力、流量等等信息，保證所監(jiān)測(cè)的各

12、個(gè)數(shù)據(jù)在很小的時(shí)間變化范圍內(nèi)。當(dāng)然CANopen不可能摒棄問答方式的數(shù)據(jù)采集，這可以通過SDO訪問OD來實(shí)現(xiàn)。講到SDO服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，我們可以這么理解，PDO報(bào)文在發(fā)送出去后不需要反饋信號(hào)，總線上能消化這個(gè)數(shù)據(jù)的都可以消化，所以白話叫廣播報(bào)文。而SDO報(bào)文是需要響應(yīng)的，每一幀SDO發(fā)出后需要等待反饋。那這會(huì)不會(huì)引起無反饋時(shí)總線死機(jī)呢？不會(huì)，CAN數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)規(guī)定了超時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)得不到回答，總線將進(jìn)行后面的作業(yè)，多次詢問無果，總線會(huì)對(duì)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屏蔽處理。SDO的幀格式和PDO的幀格式是一致的，但對(duì)有些字節(jié)的定義不同，下面就簡(jiǎn)單介紹一些編碼器修改參數(shù)時(shí)用到的幀格式。SDO中實(shí)現(xiàn)了5個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答

13、協(xié)議，這里我只講講啟動(dòng)域下載與上傳，其他的有興趣可以問我要資料看。COB-ID命令字對(duì)象字典OD子索引數(shù)據(jù)主從連接集1 byte2 bytes1 byte4 bytes我來解釋一下上表，COB-ID引用第一張表的SDO地址段。假設(shè)主站需要讀取1號(hào)編碼器對(duì)象字典（OD）6200H內(nèi)的參數(shù)，我們應(yīng)該如何做呢？我們需要發(fā)送0x601 0x40 0x00 0x62 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00我們得到編碼器的反饋數(shù)據(jù)是0x581 0x4B 0x00 0x62 0x00 0x0A 0x00 0x00 0x00上述命令的解釋是，控制器通過SDO指令讀取1號(hào)編碼器OD為6200H的編碼器

14、發(fā)送數(shù)據(jù)周期的參數(shù)，得到編碼器的回答是每隔10ms發(fā)送一次。40H和4BH是啟動(dòng)域上傳的命令字。如果需要將6200H的參數(shù)修改為20ms一次數(shù)據(jù)，我們應(yīng)該怎么做？發(fā)送：0x601 0x22 0x00 0x62 0x00 0x14 0x00 0x00 0x00反饋：0x581 0x60 0x00 0x62 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00未完待續(xù)。作為十大總線來說，CANOpen的開放性等等就不贅述了。該協(xié)議最早在汽車總線中得到了大量的推廣。目前很多廠家都支持CANOpen總線。比如施耐德、菲尼克斯等。尤其是施耐德，目前在所有的傳動(dòng)產(chǎn)品、中高端的PLC上都支持CANOpen總線。

15、可能是由于所有產(chǎn)品在總線支持上不然Rockwell和西門子的緣故吧。目前CANOpen在連接現(xiàn)場(chǎng)從站設(shè)備時(shí)，很多廠家的PLC已經(jīng)可以像step7軟件組態(tài)profibus DP從站設(shè)備一樣，只需導(dǎo)入eds文件后，在軟件中直接選擇或拖拉即可。相關(guān)參數(shù)的地址定義等等都自動(dòng)完成。相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。當(dāng)然如果軟件即便不支持上述方式，有個(gè)公司專門開發(fā)了一個(gè)sycon的軟件，利用sycon軟件也可以直接定義CANOpen從站設(shè)備。相對(duì)來說也比較簡(jiǎn)單。只不過需要做sycon到PLC軟件的地址的映射的操作。CANOpen總線與Profibus DP總線相比：1. CANOpen的通訊速率較低，最高1Mbps。而P

16、rofibus DP最高支持12Mbps；2. 兩種總線隨著距離的增加都會(huì)衰減，但是CANOpen衰減的更快一些；3. 理論上CANOpen支持127個(gè)子站（當(dāng)然和CANOpen主站設(shè)備有關(guān)，在實(shí)際PLC產(chǎn)品中一般最大只能支持64，有的只能支持32或16個(gè)），而Profibus DP在子站支持能力上較強(qiáng)；4. CANOPen的中繼器支持樹形結(jié)構(gòu)連接，這一點(diǎn)與Profibus的總線型連接方式有區(qū)別；5. 從組態(tài)來說，集成CANOpen總線的設(shè)備組態(tài)方式與Profibus DP的組態(tài)方式類似。只需導(dǎo)入eds文件即可；6. 抗干擾能力經(jīng)過我使用了，感覺和Profibus DP差不多。當(dāng)然CANOpe

17、n電纜有4種，DP應(yīng)該分普通和復(fù)雜環(huán)境兩種。從電纜來說，CANOpen電纜的適用性更強(qiáng)一些。以上內(nèi)容，只是一己之見，不含任何廣告內(nèi)容，也請(qǐng)各位批評(píng)指正于CANopen協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)孫樹文楊建武（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子學(xué)院，北京100022）摘要：針對(duì)印刷機(jī)外圍設(shè)備多分散、數(shù)據(jù)傳輸信息量大、實(shí)時(shí)性和可靠性要求高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行軟PLC程序，通過PC-CAN卡與現(xiàn)場(chǎng)I/O從站進(jìn)行通信，形成分布式網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。本文介紹了分布式監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)；分析了CANopen協(xié)議、詳細(xì)說明了采用P87C5

18、91單片機(jī)開發(fā)I/O從站的硬件電路、軟件設(shè)計(jì)流程以及從站節(jié)點(diǎn)的調(diào)試方法。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試和模擬運(yùn)行表明，I/O從站與監(jiān)控主機(jī)通訊可靠、準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性滿足了印刷機(jī)控制系統(tǒng)的要求，具有一定的參考價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：CANopen；CAN總線；軟PLC；分布式控制系統(tǒng)；P87C591中國(guó)分類號(hào)：TP247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ATheDesignofDistributedControlSystemI/OSlaveBasedonCANopenProtocolSunShuwen,YangJianwu,ZhangHuihui,ZhaoJianguang(CollegeofMechanicalEngineering

19、&AppliedElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)Abstract:Counteringtheproblemsexistingintheprintingmachine,suchastheexcessiveanddistributedperipheralequipment,manyinformationexchange,thereliability,veracityandrealtimefeatureofdatacommunication,adistributedcontrols

20、ystembasedonCAN(ControlAreaNetworks)Busisdesigned.TheSoftPLCisstudiedandrealizedontheplatformofmonitorhostcomputer.ViaPC-CANcard,themastercomputerandI/Oslavenodescancommunicatewitheachotherdirectly,likeadistributednetwork.Thesystemstructureismoreconcise.Thefunctionofdistributedsettingandconcentrated

21、controlisrealizedinthissystem.Thewholestructureandprincipleofsystem,thehardwarecircuit,thesoftwareprogrammingandthetestingexperimentwerediscussedindetail.Practicalusingshowsthatthisdistributedcontrolsystemhasthebettercontroleffect,indicatesitsbrilliantandvaliditybeyondtraditionalcontrolmethodsandiss

22、uitableforsimilarpracticalengineering.Keywords:CANopen,CANbus,SoftPLC,DistributedControlSystem,P87C5910引言印刷機(jī)有大量的外圍設(shè)備，存在大量的I/O信號(hào)，如何保證外圍設(shè)備與控制主機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊，使得印刷機(jī)可靠運(yùn)行，目前采用的方式主要有種：）采用傳統(tǒng)的PLC構(gòu)成集散型控制系統(tǒng)（DCS）；）采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式I/O系統(tǒng)。采用前一種方式存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性1。而采用第二種方式基本局限于國(guó)外產(chǎn)品，如西門子公司的基于Profibus分布式I/O系

23、統(tǒng)，WAGO公司基于CANbus、DeviceNET、Profibus分布式I/O系統(tǒng)，但價(jià)格較高。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與軟PLC的印刷機(jī)分布式控制系統(tǒng)。CAN（ControllerAreaNetwork）總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是由德國(guó)Bosch公司在80年代初為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制。目前CAN總線規(guī)范已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織指定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并得到了Motorola，Intel，Philips，Siemens，NEC等公司的支持1。CANopen是CAN總線的一種有影響力的應(yīng)用層協(xié)議，近年來得到了廣泛的

24、應(yīng)用，它保證了各種廠商設(shè)備的互用性、互換性，同時(shí)提高了信息傳輸?shù)目煽啃?，?shí)時(shí)性。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到了汽車行業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域。軟PLC是一種基于PC機(jī)的新興自動(dòng)控制技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬PLC的所有功能，而且遵循IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供了更多的開放性和適用性。1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成2整個(gè)控制系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PC-CAN適配卡、I/O從站節(jié)點(diǎn)（n<110）、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在現(xiàn)場(chǎng)的I/O從站節(jié)點(diǎn)連接印刷機(jī)的外圍設(shè)備，并通過CAN通信接口與總線相連；監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟PLC軟件并通

25、過PC-CAN適配卡和連接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)印刷機(jī)組的分散控制和集中監(jiān)管?？刂葡到y(tǒng)中的I/O從站節(jié)點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：光電隔離、I2C、LED顯示等）組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以選用普通PC或工控機(jī)IPC。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡。各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。2 I/O從站的硬件設(shè)計(jì)目前，有兩種CAN總線器件可以選擇：一種是帶片上CAN的微控制器，如

26、P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等；另一種是獨(dú)立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200,Intel公司的82526、以及Microchip公司的MCP2510等，但是獨(dú)立的CAN控制芯片需要外接一個(gè)微處理器，接收外部CPU的控制才能運(yùn)行。本系統(tǒng)選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，這樣大大簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性2。I/O從站節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器、CAN通信模塊、輸入輸出接口模塊、擴(kuò)展接口模塊、參數(shù)設(shè)置模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。P87C591是一款8位高性

27、能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，從80C51微控制器家族派生而來，采用了強(qiáng)大的80C51指令集并成功的包括了Philips半導(dǎo)體SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能。CAN收發(fā)器采用的是PhilipsPCA82C250芯片，它具有高速穩(wěn)定的差動(dòng)發(fā)送和接收能力；為了提高抗干擾能力，系統(tǒng)中采用雙路電源模塊供電，在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離器件ADuM1201高速數(shù)字隔離器替代傳統(tǒng)的光電耦合器（如6N137），簡(jiǎn)化了電路，極大的降低了功耗。從站節(jié)點(diǎn)I/O接口模塊采用了光電隔離電路，提高了抗干擾能力；為了使本系統(tǒng)具有更好的適用性和擴(kuò)展性，預(yù)留了基于I2C總線擴(kuò)展接口模塊。此外，從站節(jié)

28、點(diǎn)還外擴(kuò)了RS232接口；以及電源信號(hào)、通訊狀態(tài)、I/O端口、故障信號(hào)等狀態(tài)的LED顯示。3 I/O從站的軟件設(shè)計(jì)在I/O從站的軟件設(shè)計(jì)中，使用C51Windows編程語言實(shí)現(xiàn)各種功能，與從站節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)相一致，軟件設(shè)計(jì)也遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則，使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活且方便3。從站節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。3.1 CANopen通訊協(xié)議45CANopen協(xié)議是CiA協(xié)會(huì)基于CAN總線定義的應(yīng)用層協(xié)議之一，在各種控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。CANopen設(shè)備模型如圖所示，不同設(shè)備通過CAN總線進(jìn)行連接組網(wǎng)，CANopen通信

29、協(xié)議接口用于提供在總線上收發(fā)通信對(duì)象的服務(wù)；不同CANopen設(shè)備間的通信都是通過交換通信對(duì)象來完成的。CANopen協(xié)議中定義了4種通信對(duì)象（通訊模式），用于處理不同作用的信息，包括：）NMT對(duì)象，用來傳遞主節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理信息；）SDO對(duì)象，用來傳遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的配置信息；）PDO對(duì)象，用來實(shí)時(shí)傳送過程數(shù)據(jù)信息；）特殊功能對(duì)象，包括同步對(duì)象（Sync）緊急對(duì)象（Emergency）時(shí)間戳對(duì)象（TimeStamp）等，詳細(xì)內(nèi)容可參考CANopen協(xié)議相關(guān)文檔4。設(shè)備對(duì)象字典是CANopen協(xié)議的核心概念，描述了該設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象，CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中

30、每一個(gè)設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)一個(gè)唯一的對(duì)象字典，區(qū)別在于設(shè)備類型不同其內(nèi)容則不同。對(duì)象字典中每個(gè)對(duì)象擁有一個(gè)唯一的16位主索引和8位子索引，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)其中各種對(duì)象的訪問。對(duì)象字典在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中得以實(shí)現(xiàn)，然后使用標(biāo)準(zhǔn)化的EDS文件對(duì)其進(jìn)行描述。EDS文件的編寫，基本可以借鑒同類設(shè)備的EDS文件，只需針對(duì)具體不同應(yīng)用做出相應(yīng)修改即可。3.2 I/O從站的CANopen通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)I/O從站的軟件設(shè)計(jì)遵循CANopen協(xié)議預(yù)定義主/從連接集，在程序中采用預(yù)定義的強(qiáng)制性的缺省標(biāo)識(shí)符（CAN-ID）分配表。從站節(jié)點(diǎn)支持4個(gè)接收PDO對(duì)象，4個(gè)發(fā)送PDO對(duì)象，1個(gè)SDO對(duì)象，1個(gè)緊急對(duì)象和1個(gè)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤控制對(duì)象。協(xié)

31、議的相關(guān)細(xì)節(jié)可查看文檔6。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，結(jié)合通訊協(xié)議的特點(diǎn)，大多采用了結(jié)構(gòu)體的方式來定義諸如CAN報(bào)文、發(fā)送和接收PDO配置對(duì)象、CANopen協(xié)議配置對(duì)象等，通過定義結(jié)構(gòu)體型指針變量完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的讀寫，給程序的編制帶來了方便。此外，利用定義數(shù)組的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)象字典和過程數(shù)據(jù)影像的操作。在SDO報(bào)文處理子函數(shù)中，通過被訪問對(duì)象的主索引和子索引，以數(shù)組查詢的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)對(duì)象字典的讀寫訪問。CANopenI/O從站的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換通過判斷接收NMT報(bào)文命令字，對(duì)心跳報(bào)文標(biāo)志字節(jié)代碼進(jìn)行讀寫，通過程序散轉(zhuǎn)方式得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)PDO、SDO通訊對(duì)象的處理則根據(jù)心跳報(bào)文標(biāo)志字節(jié)代碼指明的當(dāng)前狀態(tài)分別進(jìn)行

32、處理。3.3 I/O從站的調(diào)試從站節(jié)點(diǎn)的開發(fā)與調(diào)試采用了德國(guó)PEAK公司的CANopen開發(fā)系統(tǒng)，硬件包括PCI和USB接口的CAN卡，軟件是PCANopenMagicPro3.07專業(yè)開發(fā)版，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)CANopen網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置、分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控。調(diào)試所采用的通訊結(jié)構(gòu)如圖所示，通過USB-CAN適配器監(jiān)控主機(jī)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方式在后續(xù)系統(tǒng)組網(wǎng)調(diào)試時(shí)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。通過PCANopenMagicPro3.0軟件可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)腃ANopen通訊對(duì)象報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；通過加載從站設(shè)備的EDS文件實(shí)現(xiàn)對(duì)從站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置；可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)設(shè)備對(duì)象字典的訪問。在調(diào)試過程中，要注意保持CAN總線網(wǎng)絡(luò)中主從設(shè)備的CAN波特率要一致，否則將不能建立正常的通信。4 控制系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)的整體測(cè)試采用如圖所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行德國(guó)3S公司的CoDeSys軟PLC軟件及RTE實(shí)時(shí)程序組件，作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的主站（相當(dāng)于一臺(tái)高性能可編程控制器），通過PCAN-PCI卡與自行設(shè)計(jì)開發(fā)的I/O從站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)成了基于軟PLC和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式I/O控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)的硬件連接完成后，還需要在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上通過CoDeSys軟件對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，包括：