CANopen协议在现场总线网络中的应用

1、canopen协议在现场总线网络中的应用关键字：canopen协议canopen协议，现场总线，网络 1引言 基于现场总线的网络技术研究是自动控制领域发展的一个热点。在各种各 样的工业现场总线中，can总线以其成本低、速度快、实时性和可靠性 较高等特点被快速应用于汽车电了、医疗、军事等领域。但是，can总 线只定义了物理层和数据链路层，本身并不完整，针对这一问题，cia(can in automation)协会经过不断的发展于1995年发布了完整的canopen 协议，它不仅定义了应用层和通讯子协议，也为可编程系统、不同器件、 接口、应用子协议定义了帧状态，为基于现场总线的全数字分布式控制系

2、统的广泛应用和系统的一体化管理提供了解决之道。本文以改善现场总线网络现场总线网络通讯系统的运行效率，提高实时性和信息处 理能力为前提，针对并条机自调匀整控制系统中各功能模块的作用，浅析 can总线高层通讯协议canopen ,实现各功能模块间的数据通信。通过 实验测试，证明系统工作稳定、可靠，保证了全数字分布式网络系统工作 的快速性、准确性和实时性。2 canopen协议概述2.1设备模型canopen协议是由cia协会针对can协议的不完整性而定义出來 的一个更高层次的协议——应用层协议。一个 canopen设备模块可以被分为3部分，。

3、通信接口和协议软件提供在总线 上收发通信对象的服务。不同canopen设备间的通信都是通过交换通信 对象完成的。这一部分直接面向can控制器进行操作。对象字典描述了 设备使用的所有的数据类型，通信对象和应用对象。对象字典位于通信程 序和应用程序之间，向应用程序提供接口，应用程序对对象字典进行操作 就可以实现canopen通信。应用程序包括功能部分和通信部分，通信部 分通过对对象字典进行操作实现canopen通信，而功能部分则根据应用 要求实现。2.2对象字典对象字典(object dictionary ,0d)是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单

4、个元素, 同时定义了一个8位的子索引，对象字典的结构参照表1 ,对象字典的 描述参照表2 o在canopen网络系统中每个节点都有一个惟一的对象字典，每个节 点的对象字典都具有相同的结构，但具体的内容要根据不同的设备而定, 包含了描述这个设备和它的网络行为的所冇参数。2.3通讯对象通过can网络传输的canopen通讯对象可以通过服务和协议来描 述。分类如下：(1) 实时数据通过过程数据对象(pdo)协议传输。用8个字节的数据字段把过程数据对象pdo映象到一个单一的 can帧从而传输应用对象。每个pdo有一个惟一的标识符且仅可以通过 一个节点发送，但其接收者不止一个。每个pdo在对象字典中用2

5、个对 象描述：pdo通讯参数，规定了 pdo的通讯行为，包含哪个cobid将 被pdo使用，传输类型，禁止时间和定时器周期；pdo映射参数，规 定了哪个对象被映射到一个pdo里，生产者和消费者必须知道这个映射, 以解释pdo内容。(2) 服务数据对象(sdo)协议用來对对象字典进行读写操作。通过服务数据对象sdo可以访问一个设备的对象字典。为了使通讯 得到确认，一个sdo需要两个带有不同标识符的can数据帧，通过 sdo ,在两个设备问可以建立点对点的通信，被访问对象字典的设备是 sdo通讯的服务器，一个设备可以支持多个sdo对象，但是，至少有一 个sdo在一个设备中被支持。(3) 特殊功能对

6、象协议提供了特定应用，网络同步，时间戳和紧急报 文传输。(4) 网络管理(nmt)协议提供了网络初始化，错误控制和设备状态控 制服务。在canopen网络中，需要一个节点履行master(主节点)功能。其 他节点作为nmt的slave(从节点)。nmt提供了以下功能：模块控制 服务(初始化参加网络通讯的从点)；错误控制服务(管理节点和网络 通讯的状态)；配置控制服务(上传和下载网络的配置据)。(5) 层设置服务(lss)协议用来配置can总线通讯参数和设备参数。使用canopen协议定义的lss报文实现对can总线网络的配置， 包括节点id ,通讯波特率，仪器的产品号、序列号等。lss报文在

7、canopen协议通讯中是可选的，可以在节点初始化时直接指定节点id , 通讯速率等参数，它的使用可以提高系统灵活性。3通信网络的canopen协议实现3.1 口调匀整系统通信网络结构本并条机自调匀整系统由键盘显示控制器、dsp控制器、a孔伺服 电机控制器、b孔伺服电机控制器、plc逻辑控制器和pc机监控组成, 各节点在can总线的基础上采用canopen协议实现通讯，完成系统预 定义的功能。图2所示为a孔开环式并条机自调匀整原理图。3.2硬件部分dsp控制器部分为整个系统的核心，负责对整个通信网络进行信息采 集、数据运算、工作控制。下面主要说明dsp控制器的canopen协议实 现。采用集成

8、can模块的tms 320f 2810 dsp实现，它有多达32个邮 箱，占用512 b ram ,都可以配置为发送或接收邮箱，且都有一个可编 程的接收屏蔽寄存器。这样就使数据传输更加方便灵活、信息量大大增加。 图3为dsp控制器can总线部分驱动电路图，分别选用tms320f 2810 的64引脚cantxa和65引脚canrxa作为can总线的发送和接收 引脚。采用adumlloo高速数字隔离器替代传统的光电耦合器。采用 mcp2551作为高速can收发器，具有差分发射和接收能力，可将许多节 点与同一网络相连接。3.3软件部分根据canopen协议软件框架，分别设置了 nmt报文、sync

9、报文、sdo报文、pdo报文和heartbeat报文，并针对dsp控制器从节点的性质及其与各节点之间的关系，设置了各报文的cob 一 id ,见表3。在系统中键盘显示控制器为主节点，通过液晶显示监控各从节点信息, 主节点通过检测4个从节点发送的周期性心跳报文（heartbeat）来判断 各个从节点的工作状态。图4为dsp控制器从节点的canopen协议通 讯流程：在系统上电后，首先向主节点发送boot-up报文，通知主节点进 入pre-operational状态，等待主节点的sdo报文访问对象字典，在完成 对象字典的配置后，等待接收主节点的nmt报文进入operational状态， 开始pdo

10、报文的发送及接收，完成信息数据的交换，实现分布式网络控 制。4测试结果为了保证系统中每个模块都能够正常工作，需耍设计一个能够与pc机进行实时通讯的通用板，满足对系统各部分在实验室环境下进行测试, 确保系统正常运行。采用labview软件设计pc机监控面板，内置信号 采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供 强大功能的同时还保证了系统灵活性。在监控面板上可以设置节点号（node id）,主/从节点，设置要发送 报文的类型（如tpdon , sdo） , nmt , heartbeat , lss）及内容（数据长度, 内容），选择通讯端口，还可以观察到接收的can报文类型、数据长度、 节点号和报文内容。图5显示的数据是在初始化状态时进行的设置，可 以在数据接收窗口看到进行lss节点号设置和存储设置参数的返回报文, 以及节点根据canopen协议的规定发送b