基于DSP的CANopen通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

1 引言

CANopen是一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用層協(xié)議，在各種控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對(duì)不同CAN廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

本文針對(duì)自主研發(fā)的全數(shù)字電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用CANopen通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了CAN總線數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）系統(tǒng)與上位機(jī)CAN卡之間的通訊，并通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信息傳遞的可靠性，保證了全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)控制的快速性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

2 通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理

2.1 LF240x系列DSP的CAN控制器模塊

LF240x系列DSP的CAN控制器模塊，是一個(gè)完全的CAN控制器。具有以下特性[6]：

（1）完全支持CAN2.0B協(xié)議；

（2）對(duì)象有6個(gè)郵箱，用于接收和發(fā)送信息，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～8個(gè)字節(jié)；

（3）可編程的中斷配置，位定時(shí)器及CAN總線喚醒功能；

（4）當(dāng)發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤或仲裁丟失數(shù)據(jù)時(shí)，CAN控制器有自動(dòng)重發(fā)功能；

（5）總線錯(cuò)誤自診斷功能；

（6）支持自測(cè)試模式。

2.2 CANopen協(xié)議

CANopen協(xié)議以CAN芯片為硬件基礎(chǔ)，有效利用CAN芯片所提供的簡(jiǎn)單通信功能區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜應(yīng)用層協(xié)議要求。應(yīng)用中應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

2.2.1 對(duì)象字典OD（Object Dictionary）

OD是CANopen協(xié)議的核心概念[1]，它是一個(gè)有序的對(duì)象組，每個(gè)對(duì)象用一個(gè)16位的索引值和一個(gè)8位的子索引尋址。CANopen網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)OD，包含了描述這個(gè)設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。

2.2.2 CANopen 標(biāo)識(shí)符

CANopen定義了強(qiáng)制性的缺省標(biāo)識(shí)符（COB-ID）分配表。它是基于11位的CAN-ID，包括4位功能段（Function Code）和7位地址段（Node-ID），如圖1所示。文獻(xiàn)[1]中給出了CANopen預(yù)定義主/從連接集CAN標(biāo)識(shí)符分配情況。



2.2.3 CANopen通訊機(jī)制

CANopen通訊模型定義了四種報(bào)文（通訊對(duì)象）[1]：

1） 管理報(bào)文NMT(Network Management)

用于網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控和管理。此消息不需要應(yīng)答。NMT消息格式如表1所示。



2）服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO(Service Data Object)

SDO通過使用索引和子索引來訪問一個(gè)設(shè)備的OD。協(xié)議屬于確認(rèn)服務(wù)類型。根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同，有兩種傳送機(jī)制：加速傳送（最多4字節(jié)）和分段傳送（大于4字節(jié)）。發(fā)送和應(yīng)答報(bào)文總是包含8字節(jié)信息，基本結(jié)構(gòu)如表2所示：


3） 過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO(Process Data Object)

用于傳輸正常網(wǎng)絡(luò)操作中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。每個(gè)PDO在OD中用2個(gè)對(duì)象描述：PDO通訊參數(shù)和PDO映射參數(shù)。在此舉例說明PDO的使用方法。假設(shè)第二個(gè)發(fā)送PDO映射如表3所示，如果這個(gè)報(bào)文被發(fā)送，則由3字節(jié)組成，報(bào)文結(jié)構(gòu)如表4所示。[!--empirenews.page--]


4） 預(yù)定義報(bào)文或特殊功能報(bào)文

定義了三個(gè)用于同步，應(yīng)急指示和時(shí)間標(biāo)記的特定對(duì)象。用于配合以上三種通訊機(jī)制。

3系統(tǒng)通訊的軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線硬件設(shè)計(jì)

由于TMS320LF2407A芯片內(nèi)自帶了CAN總線控制器模塊，使得CAN總線的電路設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。將TMS320LF2407A的CANTX、CANRX引腳和CAN收發(fā)器PCA82C250的TXD、RXD引腳相連即可。CAN總線之間需要使用一個(gè)合適的終端電阻連接。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離器件6N137。電路原理圖如圖2所示。



3.2 CANopen協(xié)議對(duì)象字典OD的建立

本伺服驅(qū)動(dòng)器通訊支持CANopen通訊子協(xié)議（DS301）和驅(qū)動(dòng)設(shè)備子協(xié)議及運(yùn)動(dòng)控制命令（DSP-402）。在開發(fā)的過程中，根據(jù)應(yīng)用的具體要求，將數(shù)字輸入/輸入模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備、控制器、編碼器等設(shè)備類型及其相應(yīng)的功能在設(shè)備描述的協(xié)議中進(jìn)行了描述。建立的OD分為三個(gè)部分：

1） 通訊協(xié)議對(duì)象（Index 0x1000-0x1AFF）

定義設(shè)備類型，錯(cuò)誤寄存器，廠商指定狀態(tài)寄存器，COB-ID同步信息，通訊循環(huán)周期，同步CAN信息窗口，以及設(shè)備名，軟硬件版本號(hào)等。另外SDO的通訊參數(shù)以及PDO的通訊和映射參數(shù)也在該部分定義。本設(shè)計(jì)中采用固定PDO映射，不允許動(dòng)態(tài)映射。

2） 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備子協(xié)議對(duì)象（Index 0x6000-0x65FF）

定義三類信息：第一類是電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)設(shè)備參數(shù)，如類型，廠商信息，分類號(hào)等；第二類是命令字和狀態(tài)字；第三類是位置、速度的相關(guān)參數(shù)。

3） 廠商指定協(xié)議對(duì)象（0x2000-0x20FF）

根據(jù)廠商需求，靈活定義所使用的變量。 此部分的使用使CANopen協(xié)議既保證了設(shè)備的通用性，又保證了系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性。

3.3 通訊程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)帶CAN控制器的TMS320LF2407A和PC機(jī)CAN卡之間的通訊進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

TMS320LF2407A的CAN控制器的郵箱2配置為接收方式，郵箱3配置為發(fā)送方式。都采用標(biāo)準(zhǔn)信息幀格式（11Bit ID）。其中發(fā)送信息采用查詢方式，接收信息采用中斷方式，郵箱2用低中斷優(yōu)先級(jí)。信息傳輸波特率設(shè)置為500Kbps。

采用CANopen協(xié)議對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的過程可以理解為用SDO對(duì)數(shù)據(jù)字典的讀寫過程。檢測(cè)設(shè)備對(duì)象的狀態(tài)或查詢?cè)O(shè)備當(dāng)前信息時(shí)，可用SDO讀取數(shù)據(jù)字典中的對(duì)象；要對(duì)設(shè)備發(fā)布控制命令可利用SDO向相應(yīng)的數(shù)據(jù)字典對(duì)象寫入數(shù)據(jù)。接收到信息幀時(shí)首先要將其命令字節(jié)（byte0）讀出，以確定下一步的讀寫命令處理。

信息幀的接收和發(fā)送均采用緩沖區(qū)的方式。讀操作時(shí)，發(fā)送信息幀長(zhǎng)度為4字節(jié)，應(yīng)答信息幀約定為8字節(jié)；寫操作時(shí)，發(fā)送信息幀長(zhǎng)度約定為8字節(jié)，應(yīng)答信息幀為4字節(jié)。

采用不同的發(fā)送郵箱發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同的信息幀。本程序設(shè)計(jì)中，采用郵箱4發(fā)送4字節(jié)長(zhǎng)度的信息幀，采用郵箱5發(fā)送8字節(jié)長(zhǎng)度的信息幀。這種方式可以提高信息傳輸?shù)男省＼浖O(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]



4 測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試CAN總線DSP系統(tǒng)與PC機(jī)CAN卡之間的通訊情況，采用VC++編寫了友好的人機(jī)界面（見圖4）。進(jìn)行通訊測(cè)試時(shí)，首先要選擇通訊端口，設(shè)置通訊波特率，ID屏蔽位，信息幀格式及傳輸數(shù)據(jù)的格式（十進(jìn)制或十六進(jìn)制）。特別需要注意PC端設(shè)置的通訊波特率要和DSP端的通訊波特率保持一致。然后打開CAN總線端口，選定發(fā)送SDO的功能段及地址段，填寫信息幀長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位）及內(nèi)容，即可進(jìn)行通訊測(cè)試。



例如，要將1號(hào)地址的電機(jī)輪速期望值設(shè)為0x3E8，電機(jī)輪速期望值在OD中的索引為0x606B，使用啟動(dòng)域下載協(xié)議，加速傳輸。則設(shè)置地址段為1，信息幀長(zhǎng)度為8，信息幀內(nèi)容為2B 6B 60 00 E8 03 00 00。發(fā)送成功后返回應(yīng)答信息幀內(nèi)容為：ID=581，LENTH=4，DATA=60 6B 60 0 0 0 0 0，說明寫入操作正確（見圖4）。

要將1號(hào)地址的電機(jī)輪速期望值讀出，即讀出OD中的對(duì)象0x606B，使用啟動(dòng)域上傳協(xié)議，服務(wù)器使用加速傳輸方式應(yīng)答。則設(shè)置地址段為1，信息幀長(zhǎng)度為4，信息幀內(nèi)容為40 6B 60 00 00 00 00 00，發(fā)送成功后返回應(yīng)答信息幀內(nèi)容為：ID=581，LENTH=8，DATA=4B 6B 60 0 E8 03 0 0，說明讀取操作正確（見圖4）。

5 結(jié)束語

本文用CANoen協(xié)議實(shí)現(xiàn)了CAN總線DSP系統(tǒng)與上位機(jī)CAN的通訊，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化，并保持了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。