PIC18單片機(jī)的CANopen通信協(xié)議

引 言
    CAN總線由于具有實(shí)時性和可靠性高、組網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在汽車工業(yè)、樓宇自動化、工廠自動化、機(jī)器人控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CANopen協(xié)議不僅定義了通信規(guī)范，而且為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口等設(shè)備應(yīng)用子協(xié)議定義了大量的行規(guī)。遵循CANopen協(xié)議開發(fā)出的設(shè)備能實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家的產(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(shè)備模型的理解以及對4類通信對象的掌握。本文先對CANopen協(xié)議進(jìn)行削析，再重點(diǎn)介紹在PICl8F458單片機(jī)上開發(fā)基于CANopen協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，最后通過溫度測控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)信息傳遞的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時性。

1 CANopen通信協(xié)議簡介
    CANopen協(xié)議是CiA協(xié)會基于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。它以CAN芯片為硬件基礎(chǔ)，有效利用CAN芯片所提供的簡單通信功能來滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜應(yīng)用層協(xié)議要求。CANopen網(wǎng)絡(luò)是主從站(Master—Slave)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的運(yùn)行由主站控制，主站可以對127個從設(shè)備進(jìn)行控制，不同設(shè)備通過CAN總線進(jìn)行連接組網(wǎng)。圖1為CANopen設(shè)備模型。CANopen通信協(xié)議接口用于提供在總線上收發(fā)通信對象的服務(wù)，不同CANopen設(shè)備間的通信都是通過交換通信對象來完成的。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(shù)據(jù)對象)、PDO對象(過程數(shù)據(jù)對象)、特殊功能對象。
    設(shè)備對象字典是CANopen協(xié)議的核心概念，位于CANopen設(shè)備模型中通信層和用戶應(yīng)用層之間，為用戶應(yīng)用層提供接口。它是一個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的、有序的對象組，描述了該設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應(yīng)用對象。基于CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)一個唯一的對象字典，區(qū)別在于設(shè)備類型不同其內(nèi)容則不同。對象字典中每個對象擁有一個唯一的16位主索引和8位子索引，由此實(shí)現(xiàn)對其中各種對象的訪問。對象字典在系統(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文件對其進(jìn)行描述。

2 溫度測控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)
2．1 溫度測控系統(tǒng)組成
    圖2所示溫度測控系統(tǒng)包含3個節(jié)點(diǎn)，它們構(gòu)成一個CAN網(wǎng)絡(luò)。傳感溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)送測到的溫度，此節(jié)點(diǎn)由主芯片和溫度傳感器組成。溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)接收到從傳感溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)后，低于下限溫度加熱，高于上限溫度降溫，并發(fā)送調(diào)節(jié)狀態(tài)；此節(jié)點(diǎn)由主芯片、狀態(tài)顯示燈和空調(diào)設(shè)備組成。命令節(jié)點(diǎn)接收從傳感溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度和溫度調(diào)節(jié)節(jié)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，對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制；此節(jié)點(diǎn)由主芯片、液晶屏、狀態(tài)顯示燈和按鈕組成。

    針對系統(tǒng)的要求，選用PICl8F458單片機(jī)作為從節(jié)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(nèi)CAN控制器，CAN模塊符合CAN2．0B標(biāo)準(zhǔn)，帶有3個發(fā)送緩沖區(qū)、2個接收緩沖區(qū)、2個接收屏蔽寄存器、6個完全接收濾波器。CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片，它具有高速穩(wěn)定的差動發(fā)送和接收能力，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。此外，為了便于調(diào)試和與主控制器的通信，系統(tǒng)中還擴(kuò)展了RS232接口。

    對于各個節(jié)點(diǎn)都采用預(yù)定義連接集中規(guī)定的11位ID。它由4位功能碼和7位節(jié)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(shè)定傳感溫度節(jié)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TP—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(shè)定溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的ID為7，以RPDO對象方式接收從傳感溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度，并以TPDO對象方式發(fā)送調(diào)節(jié)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(shè)定命令節(jié)點(diǎn)的ID為8，以RPDO對象方式分別接收從傳感溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度和從溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的調(diào)節(jié)狀態(tài)，也可用NMT對象方式發(fā)送NMT報(bào)文。所以發(fā)送對象的COB—ID分別為TSDO(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(jié)點(diǎn)對象字典的建立
    對象字典的內(nèi)容除了包括CANopen協(xié)議規(guī)定的必需項(xiàng)外，還包括調(diào)用的各功能模塊和參數(shù)設(shè)定項(xiàng)。它的正確配置和使用，是保證整個CANopen網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的核心，是節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能的必要保證。對象字典的組建采用C語言在頭文件中編寫，通過Struct(結(jié)構(gòu))語句實(shí)現(xiàn)對象字典內(nèi)容的尋址。對象字典的規(guī)劃賦值設(shè)計(jì)按照CANopen協(xié)議規(guī)定的格式完成，每個節(jié)點(diǎn)的對象字典都具有相同的結(jié)構(gòu)，但具體內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定義，包含了描述這個設(shè)備和它網(wǎng)絡(luò)的所有參數(shù)。對象字典的操作是CANopen協(xié)議軟件的核心，通過對象字典實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間參數(shù)的映射從而完成各種數(shù)據(jù)的處理，需要編寫對象字典解碼子函數(shù)、讀對象字典子函數(shù)和寫對象字典子函數(shù)。下面以溫度調(diào)節(jié)節(jié)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(jié)點(diǎn)中PDO的各個參數(shù)。

    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(yuǎn)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(shù)描述)
    #define ODD_RPDO_MAP_0_1 0x32000010L(RPDO定位對象字典索引3200子索引00長度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(shù)描述)
    #define ODD_TPDO_MAP_0_1 0x31000008L(TP-DO定位對象字典索引3100子索引00長度1)
    if(RemoteTemperature<TempLo){Status=2；}(低于下限溫度加熱，為加熱狀態(tài))
    else if(RemoteTemperature>TempHi){Status=1；}(高于上限溫度降溫，為降溫狀態(tài))
    else{Status=0；}(在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，為保持狀態(tài))
    在此例中，PDO報(bào)文是在對象字典中用通信參數(shù)和映射參數(shù)來描述的。通信參數(shù)決定哪個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(shù)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(shù)據(jù)長度。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sD0對象傳輸方式進(jìn)行下載修改或上傳觀察。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(jié)點(diǎn)的CANopen協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
    在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議軟件，首先要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接收報(bào)文和發(fā)送報(bào)文的功能。接收報(bào)文的過程是，一旦有接收中斷產(chǎn)生，就把CAN接收緩沖區(qū)接收到的數(shù)據(jù)和地址放到一內(nèi)部陣列中，對接收到的報(bào)文進(jìn)行分析，并送去執(zhí)行相應(yīng)的子函數(shù)(NMT報(bào)文接收處理子函數(shù)、SDO報(bào)文接收處理子函數(shù)、心跳報(bào)文接收處理子函數(shù)、SDO報(bào)文接收處理子函數(shù))，最后返回主程序。發(fā)送報(bào)文的過程是，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(yīng)的對象，最后將報(bào)文發(fā)送到總線上。
    主程序按照通信流程編寫，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(shù)、對象字典、節(jié)點(diǎn)號，再初始化CAN控制器的硬件，包括單片機(jī)的內(nèi)部寄存器、定時器、串行口、CAN控制器。通信初始化后自動進(jìn)入節(jié)點(diǎn)初始化，并進(jìn)行一些特定用戶的初始化。完成后，發(fā)送一個啟動報(bào)文自動進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)。此時用戶的程序循環(huán)執(zhí)行著，在每個循環(huán)里，調(diào)用接收報(bào)文1次。這個模塊用來檢查接收到的對象，并作相應(yīng)的處理。在NMT報(bào)文到來之前一直持續(xù)在預(yù)操作狀態(tài)。在
這個狀態(tài)里，節(jié)點(diǎn)可以通過SD0被配置和設(shè)置參數(shù)，但是不允許發(fā)送PDO。在相應(yīng)的NMT報(bào)文到來后，即收到啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)命令后，進(jìn)入操作狀態(tài)，在這個狀態(tài)就可以進(jìn)行正常的通信了。在收到NMT報(bào)文，即停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)命令，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了停止?fàn)顟B(tài)，從而停止PDO和SDO通信。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在軟件設(shè)計(jì)中編寫了與上位機(jī)的通信模塊程序，可以將每個節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送報(bào)文的ID號、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到串口，便于上位機(jī)進(jìn)行觀測。
    圖3為系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的過程，溫度傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文過程為發(fā)送自啟動報(bào)文后以周期為1 s發(fā)送心跳報(bào)文，以周期為100 ms發(fā)送PDO1報(bào)文，發(fā)送數(shù)據(jù)為傳感溫度(分別為19°，20°，…，21°…)。上限溫度和下限高溫都為20°時，溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)接收報(bào)文過程為接收到NMT報(bào)文命令后進(jìn)入操作狀態(tài)，不斷接收PDOl報(bào)文。溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文過程為發(fā)送自啟動報(bào)文后以周期為1 s發(fā)送心跳報(bào)文，以事件觸發(fā)方式發(fā)送PDOO報(bào)文(發(fā)送數(shù)據(jù)為工作狀態(tài)長度為1，當(dāng)接收到的溫度低于20°時發(fā)送數(shù)據(jù)為02表示加熱，當(dāng)接收到的溫度高于20°時發(fā)送數(shù)據(jù)為01表示降溫，當(dāng)接收的溫度為20°時發(fā)送數(shù)據(jù)為OO表示保持)，狀態(tài)顯示燈不斷閃爍紅色、黃色、藍(lán)色。如在命令節(jié)點(diǎn)中發(fā)送SDO報(bào)文改變對象字典中的上限溫度和下限溫度，再觀察各節(jié)點(diǎn)變化。情況1，當(dāng)上限溫度低于20°(為15°)時，溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)一直在降溫狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為紅色。情況2，當(dāng)下限溫度高于20°(為25°)時，溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)一直在加熱狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為黃色，情況3，當(dāng)上限溫度高于20°(為25°)，下限溫度低于20°(為15°)時，溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)一直在保持狀態(tài)，狀態(tài)顯示燈為藍(lán)色。命令節(jié)點(diǎn)在液晶顯示屏中顯示實(shí)時溫度，在狀態(tài)顯示燈中顯示實(shí)時狀態(tài)。

    命令節(jié)點(diǎn)進(jìn)行NMT對象操作時再觀察各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)：當(dāng)按下按鈕1時，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入欲操作狀態(tài)；當(dāng)按下按鈕2時，節(jié)點(diǎn)重啟。
    從以上兩個實(shí)驗(yàn)可以看出，整個系統(tǒng)在運(yùn)行過程中達(dá)到了滿意的控制效果，實(shí)現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的對象數(shù)據(jù)的交換，通信傳輸理想。

結(jié) 語
    應(yīng)用PIC18單片機(jī)自行開發(fā)的基于CANopen協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對4種通信對象信息的通信處理，并通過測試驗(yàn)證了系統(tǒng)信息傳遞的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時性，很好地滿足了基于CANopen協(xié)議的溫度測控系統(tǒng)的要求；對于CANopen在國內(nèi)的應(yīng)用和普及，以及CAN網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動產(chǎn)品盡早和國際接軌，具有重要的意義。