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引言 CAN總線(xiàn)由于具有實(shí)時(shí)性和可靠性高、組網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在汽車(chē)工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化、機器人控制等領(lǐng)域得到廣泛應用。CANopen協(xié)議不僅定義了通信規范，而且為可編程系統、不同器件、接口等設備應用子協(xié)議定義了大量的行規。遵循CANopen協(xié)議開(kāi)發(fā)出的設備能實(shí)現不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品間的互操作。 要掌握CANopen協(xié)議，重點(diǎn)是對對象字典和設備模型的理解以及對4類(lèi)通信對象的掌握。本文先對CANopen協(xié)議進(jìn)行削析，再重點(diǎn)介紹在 PICl8F458單片機上開(kāi)發(fā)基于CANopen協(xié)議的節點(diǎn)，最后通過(guò)溫度測控系統實(shí)驗驗證了系統信息傳遞的可靠性、準確性和實(shí)時(shí)性。 1 CANopen通信協(xié)議簡(jiǎn)介 CANopen協(xié)議是CiA協(xié)會(huì )基于CAN總線(xiàn)定義的應用層協(xié)議之一，在各種控制系統中得到了廣泛應用。它以CAN芯片為硬件基礎，有效利用CAN芯片所提供的簡(jiǎn)單通信功能來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的復雜應用層協(xié)議要求。CANopen網(wǎng)絡(luò )是主從站(Master—Slave)結構，系統的運行由主站控制，主站可以對127個(gè)從設備進(jìn)行控制，不同設備通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行連接組網(wǎng)。圖1為CANopen設備模型。CANopen通信協(xié)議接口用于提供在總線(xiàn)上收發(fā)通信對象的服務(wù)，不同CANopen設備間的通信都是通過(guò)交換通信對象來(lái)完成的。CANopen協(xié)議中定義了4種通信對象(通信模式)，用于對不同作用的信息進(jìn)行處理：NMT對象(網(wǎng)絡(luò )管理對象)、SDO對象(服務(wù)數據對象)、PDO對象(過(guò)程數據對象)、特殊功能對象。 
設備對象字典是CANopen協(xié)議的核心概念，位于CANopen設備模型中通信層和用戶(hù)應用層之間，為用戶(hù)應用層提供接口。它是一個(gè)結構標準化的、有序的對象組，描述了該設備使用的所有數據類(lèi)型、通信對象和應用對象�；贑ANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )系統中每一個(gè)設備都要實(shí)現一個(gè)唯一的對象字典，區別在于設備類(lèi)型不同其內容則不同。對象字典中每個(gè)對象擁有一個(gè)唯一的16位主索引和8位子索引，由此實(shí)現對其中各種對象的訪(fǎng)問(wèn)。對象字典在系統軟件設計中得以實(shí)現，然后使用標準化的EDS文件對其進(jìn)行描述。 2 溫度測控系統的軟、硬件設計 2．1 溫度測控系統組成 圖2所示溫度測控系統包含3個(gè)節點(diǎn)，它們構成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )。傳感溫度節點(diǎn)發(fā)送測到的溫度，此節點(diǎn)由主芯片和溫度傳感器組成。溫度調節節點(diǎn)接收到從傳感溫度節點(diǎn)發(fā)送的溫度數據后，低于下限溫度加熱，高于上限溫度降溫，并發(fā)送調節狀態(tài)；此節點(diǎn)由主芯片、狀態(tài)顯示燈和空調設備組成。命令節點(diǎn)接收從傳感溫度節點(diǎn)發(fā)送的溫度和溫度調節節點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)在液晶屏上顯示，并有按鈕可以發(fā)送NMT對象，對整個(gè)系統進(jìn)行控制；此節點(diǎn)由主芯片、液晶屏、狀態(tài)顯示燈和按鈕組成。
針對系統的要求，選用PICl8F458單片機作為從節點(diǎn)的主芯片。它是Microchip公司的單片16位高性能微控制器，具有片內CAN控制器，CAN模塊符合CAN2．0B標準，帶有3個(gè)發(fā)送緩沖區、2個(gè)接收緩沖區、2個(gè)接收屏蔽寄存器、6個(gè)完全接收濾波器。CAN收發(fā)器采用 PCA82C250芯片，它具有高速穩定的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)接口。此外，為了便于調試和與主控制器的通信，系統中還擴展了RS232接口。
對于各個(gè)節點(diǎn)都采用預定義連接集中規定的11位ID。它由4位功能碼和7位節點(diǎn)ID組成。其中各通信對象具體分配的COB—ID為NMT SERVICE一000、EMER—GENCY一080、TIMESTAMP一100、SYNC一080、TPD01—180、RPD01—200、 TPD02—280、RPD02—300、TSDO一580、RSDO一600、HEARTBEAT一700。 設定傳感溫度節點(diǎn)的ID為6，以TPDO對象方式發(fā)送測到的溫度。所以發(fā)送對象的COB—ID分別為T(mén)P—D02(200+6)、TSD() (580+6)、HEARTBEAT(700+6)、EMERGENCY(080+6)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSD()(600+6)。 設定溫度調節節點(diǎn)的ID為7，以RPDO對象方式接收從傳感溫度節點(diǎn)發(fā)送的溫度，并以TPDO對象方式發(fā)送調節狀態(tài)。所以發(fā)送對象的COB—ID分別為 TPD01(180+7)、TSDO(580+7)、HEARTBEAT(700+7)、EMERGENCY(080+7)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSDO(600+7)、RPDO2(280+6)。 設定命令節點(diǎn)的ID為8，以RPDO對象方式分別接收從傳感溫度節點(diǎn)發(fā)送的溫度和從溫度調節節點(diǎn)發(fā)送的調節狀態(tài)，也可用NMT對象方式發(fā)送NMT報文。所以發(fā)送對象的COB—ID分別為T(mén)SDO(580+8)、HEART—BEAT(700+8)、EMERGENCY(080+8)、NMT MAS—TER(000)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSD0(600+8)、RPD02(280+6)、RPD01(180+7)。 2．2 節點(diǎn)對象字典的建立 對象字典的內容除了包括CANopen協(xié)議規定的必需項外，還包括調用的各功能模塊和參數設定項。它的正確配置和使用，是保證整個(gè) CANopen網(wǎng)絡(luò )正常運行的核心，是節點(diǎn)實(shí)現其預定功能的必要保證。對象字典的組建采用C語(yǔ)言在頭文件中編寫(xiě)，通過(guò)Struct(結構)語(yǔ)句實(shí)現對象字典內容的尋址。對象字典的規劃賦值設計按照CANopen協(xié)議規定的格式完成，每個(gè)節點(diǎn)的對象字典都具有相同的結構，但具體內容要根據不同的設備而定義，包含了描述這個(gè)設備和它網(wǎng)絡(luò )的所有參數。對象字典的操作是CANopen協(xié)議軟件的核心，通過(guò)對象字典實(shí)現網(wǎng)絡(luò )間參數的映射從而完成各種數據的處理，需要編寫(xiě)對象字典解碼子函數、讀對象字典子函數和寫(xiě)對象字典子函數。下面以溫度調節節點(diǎn)為例介紹對象字典的創(chuàng )建、賦值和具體操作。表1顯示了此節點(diǎn)中PDO的各個(gè)參數。 OD_ENTRY(0x3000，Ox00，ATTR_RW | ATTR_ROM，TempLo)，(對象主索引3000-下限溫度)OD_ENTRY(0x3001，0x00，ATTR_RW|ATTR_ROM，TempHi)，(對象主索引3001-上限溫度) OD_ENTRY(0x3100，0x00，ATTR_RO，Status)，(對象主索引3100一狀態(tài)) OD_ENTRY(0x3200，0x00，ATTR_RWW，RemoteTemperature)，(對象主索引3200-遠程溫度)#define ODD_RPDO_PAR_COB_ID_0 Ox40000286L(RPDO的COB-ID為0x286) OD_ENTRY(0x160l，0x00，ATTR_RO | ATTR_ROM，ODE_RPDO_Mapping_NoOfEntries)，OD_ENTRY(0x1601，0x01，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODD_RPDO_MAP_0_1， (RPDO映射參數描述) #define ODD_RPDO_MAP_0_1 0x32000010L(RPDO定位對象字典索引3200子索引00長(cháng)度2) OD_ENTRY(0xlA00，0x00，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODE_TPDO_Mapping_NoOfEntries)， OD_ENTRY(0xlA00，0x01，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODD_TPD0_MAP_0_l，(TPDO映射參數描述) #define ODD_TPDO_MAP_0_1 0x31000008L(TP-DO定位對象字典索引3100子索引00長(cháng)度1) if(RemoteTemperature else{Status=0；}(在設定溫度范圍內，為保持狀態(tài)) 在此例中，PDO報文是在對象字典中用通信參數和映射參數來(lái)描述的。通信參數決定哪個(gè)COB—ID將被PDO使用，此例中RPD0的COB—ID為 286，TPDO的COB—ID為187。映射參數包含映射到PDO里的對象在對象字典中的索引和子索引，以及對象的數據長(cháng)度。此例中映射到RPDO里的對象在對象字典中的索引為3200，子索引為OO，長(cháng)度為2；映射到TPDO里的對象在對象字典中的索引為3100，子索引為00，長(cháng)度為1。另外某些相關(guān)變量也由對象字典所描述，可以通過(guò)sD0對象傳輸方式進(jìn)行下載修改或上傳觀(guān)察。此例中的上限溫度、下限溫度，就由對象字典主索引3000、子索引00和主索引3001、子索引00分別描述。 2．3 節點(diǎn)的CANopen協(xié)議的軟件實(shí)現 在節點(diǎn)上實(shí)現CANopen協(xié)議軟件，首先要實(shí)現節點(diǎn)接收報文和發(fā)送報文的功能。接收報文的過(guò)程是，一旦有接收中斷產(chǎn)生，就把CAN接收緩沖區接收到的數據和地址放到一內部陣列中，對接收到的報文進(jìn)行分析，并送去執行相應的子函數(NMT報文接收處理子函數、SDO報文接收處理子函數、心跳報文接收處理子函數、SDO報文接收處理子函數)，最后返回主程序。發(fā)送報文的過(guò)程是，把需要發(fā)送的變量放到對象字典里，再把它們映射封裝成相應的對象，最后將報文發(fā)送到總線(xiàn)上。 主程序按照通信流程編寫(xiě)，模塊上電后先進(jìn)行通信初始化。其首先初始化CANopen協(xié)議中的通信相關(guān)參數、對象字典、節點(diǎn)號，再初始化CAN控制器的硬件，包括單片機的內部寄存器、定時(shí)器、串行口、CAN控制器。通信初始化后自動(dòng)進(jìn)入節點(diǎn)初始化，并進(jìn)行一些特定用戶(hù)的初始化。完成后，發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)報文自動(dòng)進(jìn)入預操作狀態(tài)。此時(shí)用戶(hù)的程序循環(huán)執行著(zhù)，在每個(gè)循環(huán)里，調用接收報文1次。這個(gè)模塊用來(lái)檢查接收到的對象，并作相應的處理。在NMT報文到來(lái)之前一直持續在預操作狀態(tài)。在 這個(gè)狀態(tài)里，節點(diǎn)可以通過(guò)SD0被配置和設置參數，但是不允許發(fā)送PDO。在相應的NMT報文到來(lái)后，即收到啟動(dòng)遠程節點(diǎn)命令后，進(jìn)入操作狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)就可以進(jìn)行正常的通信了。在收到NMT報文，即停止遠程節點(diǎn)命令，節點(diǎn)進(jìn)入了停止狀態(tài)，從而停止PDO和SDO通信。 3 實(shí)驗結果 在軟件設計中編寫(xiě)了與上位機的通信模塊程序，可以將每個(gè)節點(diǎn)接收和發(fā)送報文的ID號、數據長(cháng)度、數據轉發(fā)到串口，便于上位機進(jìn)行觀(guān)測。 圖3為系統傳輸數據的過(guò)程，溫度傳感節點(diǎn)發(fā)送報文過(guò)程為發(fā)送自啟動(dòng)報文后以周期為1 s發(fā)送心跳報文，以周期為100 ms發(fā)送PDO1報文，發(fā)送數據為傳感溫度(分別為19°，20°，…，21°…)。上限溫度和下限高溫都為20°時(shí)，溫度調節節點(diǎn)接收報文過(guò)程為接收到 NMT報文命令后進(jìn)入操作狀態(tài)，不斷接收PDOl報文。溫度調節節點(diǎn)發(fā)送報文過(guò)程為發(fā)送自啟動(dòng)報文后以周期為1 s發(fā)送心跳報文，以事件觸發(fā)方式發(fā)送PDOO報文(發(fā)送數據為工作狀態(tài)長(cháng)度為1，當接收到的溫度低于20°時(shí)發(fā)送數據為02表示加熱，當接收到的溫度高于 20°時(shí)發(fā)送數據為01表示降溫，當接收的溫度為20°時(shí)發(fā)送數據為OO表示保持)，狀態(tài)顯示燈不斷閃爍紅色、黃色、藍色。如在命令節點(diǎn)中發(fā)送SDO報文改變對象字典中的上限溫度和下限溫度，再觀(guān)察各節點(diǎn)變化。情況1，當上限溫度低于20°(為15°)時(shí)，溫度調節節點(diǎn)一直在降溫狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為紅色。情況2，當下限溫度高于20°(為25°)時(shí)，溫度調節節點(diǎn)一直在加熱狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為黃色，情況3，當上限溫度高于20°(為25°)，下限溫度低于 20°(為15°)時(shí)，溫度調節節點(diǎn)一直在保持狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為藍色。命令節點(diǎn)在液晶顯示屏中顯示實(shí)時(shí)溫度，在狀態(tài)顯示燈中顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。
命令節點(diǎn)進(jìn)行NMT對象操作時(shí)再觀(guān)察各節點(diǎn)狀態(tài)：當按下按鈕1時(shí)，節點(diǎn)進(jìn)入欲操作狀態(tài)；當按下按鈕2時(shí)，節點(diǎn)重啟。 從以上兩個(gè)實(shí)驗可以看出，整個(gè)系統在運行過(guò)程中達到了滿(mǎn)意的控制效果，實(shí)現了基于CANopen協(xié)議的對象數據的交換，通信傳輸理想。 結語(yǔ) 應用PIC18單片機自行開(kāi)發(fā)的基于CANopen協(xié)議的節點(diǎn)，實(shí)現了對4種通信對象信息的通信處理，并通過(guò)測試驗證了系統信息傳遞的可靠性、準確性和實(shí)時(shí)性，很好地滿(mǎn)足了基于CANopen協(xié)議的溫度測控系統的要求；對于CANopen在國內的應用和普及，以及CAN網(wǎng)絡(luò )和驅動(dòng)產(chǎn)品盡早和國際接軌，具有重要的意義。 參考文獻 1. 鄧遵義 CANopen 協(xié)議剖析及其在伺服電機控制中的實(shí)現 [期刊論文] -機電工程2007(24) 2. CANopen high-level protocol for CAN-bus H.Boterenbrood NIKHEF 2000 3. 馬凱歌 基于DSP 的CANopen通信協(xié)議的實(shí)現 [期刊論文] -微計算機信息2006 4. Microchip Technology Inc PICI8F458 英文手冊 2003 作者：廣西大學(xué) 蔣智康 宋春寧 宋紹劍 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統 2008（9） |
