廣成科技can總線設(shè)計基于canopen協(xié)議電動執(zhí)行機構(gòu)通信

325（自然科學(xué)版20169JournalofQiqiharUniversity(NaturalScience，，陳衛(wèi)兵，：針對電動執(zhí)行機構(gòu)的現(xiàn)場通信需求，設(shè)計了基于CANopen協(xié)議的電動執(zhí)行機構(gòu)CAN總線通信的應(yīng)用層協(xié)議；分析了基于CANopen的電動執(zhí)行機構(gòu)的主要CAN通信對象，給出了CAN應(yīng)用層的總體設(shè)計以及CANopen協(xié)CAN并采用最早截止期優(yōu)先算法改善CAN總線通信的實時性，實驗表明，該算法可以很好地解決低優(yōu)先級消息的通信：電動執(zhí)行機構(gòu) 總線；CANopen；實時性；最早截止期優(yōu) 文章：1007-984X(2016)05-0036-傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)采用的現(xiàn)場通訊方式大多是RS485總線，近年來CAN總線以其能力強、485[1]。而CAN總線協(xié)議只定義了物理CANCANCANopenCANCAN算法應(yīng)用在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中可以很好的解決低優(yōu)先級消息的實時性問題。應(yīng)用層協(xié)議設(shè)CANopen協(xié)議簡CANopen協(xié)議是CAN的應(yīng)用層協(xié)議之一，近年來其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、包裝機械、智能交通以及工業(yè)控制等領(lǐng)域[2,3]。CANopen協(xié)議定義了四大類通信對象，其中的過程數(shù)據(jù)對象（ProcessDataObject，簡稱PDO）用于實時數(shù)據(jù)的傳輸，服務(wù)數(shù)據(jù)對象（ServiceDataObjects，簡稱SDO）用于系統(tǒng)配置信息的傳輸，NMT對象實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的管理，特殊功能對象用于傳輸時間標(biāo)記、同步報文、緊急報文以及節(jié)點的心跳報文等。CANopen是通信子協(xié)議DS301、擴展子協(xié)議DS302以及各種類型的設(shè)備子協(xié)議的集合，是應(yīng)用層協(xié)議與應(yīng)用對象之間的橋梁，對其的是通過操作一個16位的索引和8位子索引實現(xiàn)。CANopen協(xié)議棧的每一個系統(tǒng)數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)都看作一個對象,對象字典中的對象數(shù)據(jù)類型較多，其收稿日期：2016-03- 據(jù)不需通過子索引。為了便于對象字典的，每一具體方法，總體結(jié)構(gòu)如圖1。typedefstruct{unsignedcharAccessType;/*讀寫類型unsignedchar unsignedcharDataSize; unsignedcharStoreType;/*讀寫類型*/unsignedintSubIndex; typedefstruct{unsignedshortIndexValue*索引值unsignedcharNumSubIndex;/*包含的子索引數(shù)目*/SubIndexType*pSubIndex;/*指向子索引的指針*/}11SubIndexTypeODIndex_6064[]={{_RW,_UINT8,sizeof(unsignedchar),RAM_STORE,IndexTypeODArray[]={????{0x6064H,1,ODIndex_6064},??NTOOO置信息包括死區(qū)誤差、開閥力矩、關(guān)閥力矩、系統(tǒng)故障時的設(shè)備所處的狀態(tài)、心跳報文的時間間隔等信息。然后通過NMT指令使NpnO急停指令、目標(biāo)位置指令、設(shè)定力矩指令實現(xiàn)對從站的運動和動力控制，同時主站可以設(shè)置對控制器的控制方式，是選擇控制還是現(xiàn)場控制。為了能夠?qū)崟r的執(zhí)行主站發(fā)送的報文，從站采用中斷的方式接從站向主站發(fā)送的信息使得主站可以實時的從站的運行狀態(tài)，包括執(zhí)行機構(gòu)運動的實際位置、電電動執(zhí)行機構(gòu)實時通信相關(guān)的PDO通信對象的設(shè)計，PDO對象報文的情況如表1所示。其中TPDO代表由電動執(zhí)行機構(gòu)控制器（從站）向主節(jié)點（主站）發(fā)生的實時性信息，RPDO代表從站從主節(jié)點接收到的實時性信息。電動執(zhí)行機構(gòu)運行過程中主站通過RPDO1指令對其位置和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實時控制，同時從站也TPDO相關(guān)的信息，比如電機溫度，線圈電流值等。而主站可以通過實時急停指令控制從站緊急停止。等信息，使用1001H索引的一個字節(jié)的最低五位代表五種信息，正常情況下對應(yīng)BIT位清零，某一情況發(fā)生時，對應(yīng)BIT位置1。主站發(fā)送心跳報文，這樣主站可以各個從站是否,對象字典的索引為1017H的ms,主站通過服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO

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1實時性PDO 周期/ 改該發(fā)生周期，這里設(shè)定從站發(fā)送心跳報文的時間間隔為1s。為了防止發(fā)送時郵箱溢出而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題，設(shè)置FIFO發(fā)送緩沖區(qū)，在發(fā)送郵箱未滿時，發(fā)送報文首先寫入發(fā)送郵箱，如果發(fā)送郵箱滿時寫入緩沖區(qū)，電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用層協(xié)議棧的總體設(shè)計如圖2所示。通訊延遲分析及CAN圖2ID47ID,存在一個潛在的問題是ID較大的節(jié)點，同能CAN長時間延時。周期性實文應(yīng)該在其下一個周期到達(dá)之前發(fā)送成功，即使是心跳報文以及SDO的應(yīng)答報文也必須在一定時間內(nèi)成功傳輸?shù)街鱎mtmCm，其中tm是報文的排隊等待時間又稱隊列延時，Cm是報文在傳輸線的傳輸時間。傳輸延時Cm圖2tnJjtmBm ( )CjE(t) TmBmmj的排隊抖動，即從報文產(chǎn)生到開始參與總線仲裁所需的時間，j是最大排隊時間，Et)（N制，而且在波特率較高時總線對干擾變得敏感，即使在滿足傳輸距離的條件下，波特率也不能設(shè)定的太CAN人們已經(jīng)提出一些解決CAN總線實時性問題的辦法，其中TTCTriggeredCAN）協(xié)議是基于時間觸發(fā)機制的CAN協(xié)議，其本質(zhì)上是一種基于調(diào)度表的靜態(tài)調(diào)度算法[5]；電動執(zhí)行機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在運行中可能有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)或者節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點數(shù)目改變時需要對TTCAN協(xié)議的調(diào)度表進(jìn)行重新規(guī)劃，此外，TTCAN,，因此TTCANCN]CAN協(xié)議有較大改進(jìn)，但是仍無法從根本上保證相對截止期小的消息的時限要求。人們最早,調(diào)100%的情況下實現(xiàn)可靠的CANMi可描述為Mi{Titia,Di}；其中：Ti是消息的發(fā)送周期，tia是消息的到達(dá)時間；Di是消息幀的絕對截止期。絕對截止期是隨著時間的推移而不斷增加的量，其數(shù)值太大不方便計算，這里用相對截止期dr表示，dr=Di–tia；定義消息的松弛度為ds=Di–ts，其中ts為系統(tǒng)當(dāng)前時間。所以ds范圍為(0，dr)；越接近截止期的消息，松弛度ds就越小，同時其優(yōu)先級也越高，考慮到幀傳輸時間以及CAN消息幀傳輸過程的不可搶占性，應(yīng)該在dsCm之前將消息發(fā)送成功。CAN優(yōu)先級高低與標(biāo)識符綁定，CANopen11位，而最早截止期優(yōu)先算法是動態(tài)調(diào)度算法，需要動態(tài)變化標(biāo)識符，因此需對CAN標(biāo)識符進(jìn)行重劃。現(xiàn)采用擴展標(biāo)識符，其中高18位為動態(tài)變化部分，用于最早截止期優(yōu)先算法，低11位為固定部分，采用CANopen協(xié)議規(guī)定的標(biāo)識符格式?？勺儾糠值臉?biāo)識符大小與消息的松弛度有關(guān)，可變部分的數(shù)值用p表示。規(guī)定最早截止期優(yōu)先調(diào)度算法的調(diào)度周期為Tsc,其值為傳輸一幀消息所需的最短時間，那么ds只取在Tsc的整數(shù)倍，設(shè)所有節(jié)點的實時周期性消息相對截止期的最大值為dmax，當(dāng)消息ds=dmax時其優(yōu)先級最低，那么pmax=0x3FFFF；設(shè)最大幀時間為Cmax,當(dāng)ds=Cmax時優(yōu)先級最高，此時pmin=0，規(guī)定ds與p之間是線性關(guān)系，那么p的表達(dá)式

ppmaxpmin(dCdmax 節(jié)點只發(fā)送表1中的實時性消息，且發(fā)送消息情況一致。為了模擬偶發(fā)性信息，將其看做周期很大的周期性消息處理，這里設(shè)定各個偶發(fā)性消息的周期為2s,0到2000ms的均勻分布。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的變化通過改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目來實現(xiàn),節(jié)點數(shù)目越多網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率越高。消息沒有10

傳統(tǒng)

負(fù)載基于傳統(tǒng)CAN協(xié)議的消息調(diào)度，在負(fù)載率為39%于瞬時負(fù)載率升高所致，而當(dāng)負(fù)載率到達(dá)85%時網(wǎng)絡(luò)中有3.6%的消息丟失，而在100%負(fù)載率時網(wǎng)絡(luò)平均丟幀率為8.4%。這僅僅是整個網(wǎng)絡(luò)丟幀率的平均值，對于節(jié)點ID數(shù)值最大的節(jié)點，其丟幀率情況必然會更加嚴(yán)峻甚至出現(xiàn)TPDO4，RPDO1，RPDO2無法發(fā)送的情況。而基于最早截止期調(diào)度算法的CAN協(xié)議調(diào)度在負(fù)載率為90%時依然沒有消息丟失，在負(fù)載率為96%時也存在0.66%的消息丟失，在負(fù)載率位100%時有1.7%的消息丟失，這是由于在網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率將要達(dá)到100%時，某些時刻的瞬時負(fù)載率超100%而導(dǎo)致少量消息的丟失，因此,只要控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率不超過90結(jié)束CANCANopenCAN用層通信協(xié)議。對電動執(zhí)行機構(gòu)組成分布式CANopen網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的實時性實驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)CAN協(xié)議CANopen[1].基于現(xiàn)場總線CAN的高精度數(shù)字化電動執(zhí)行器的研究[D].濟南：山東輕工業(yè)學(xué)院,FarsiM,BarbosaM.CANopenImplementationApplicationtoIndustrialNetworks[M].England:ResearchStudiesPress,2003:，，.汽車TTCAN實時性分析及其可視化研究[J].汽車工程,2011,33(2):172-，，.CAN和TTCAN通信延遲時間的分析[J].學(xué)報,2006,46(2):261-ZuberiKM,ShinKG.Schedulingmessagesoncontrollerareanetworkforreal-timeCIMapplication[J].IEEETransactiononRoboticsandAutomation,1997,13(2):310-314.CAN網(wǎng)絡(luò)通信及實時性研究[D].蘭州:蘭州大學(xué):.CAN總線實時性通信研究及改進(jìn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),.最早截止期優(yōu)先實時調(diào)度算法研究[D].:華技大學(xué),WEILei，ZHAOFa-yong，CHENWei-bing，TANGYi-（SchoolofPhysicsandElectronicEngineering, NormalUniversity,Anhui 236037,:Inordertomeetcommunicationofelectricactuator,applicationlayerprotocolofCANcommunicationofelectricactuatorbasedonCANopenprotocolisdesigned,andcommunicationobjectofElectricActuatorbasedonCANopenisyzed.OveralldesignofapplicationlayerobjectdictionaryandthedesignmethodofCANopenprotocolobjectdictionaryisgiven.Afteryzingthereal-timeproblemofthedistributedCANnetworkofElectricActuator,thee