PIC18單片機的CANopen通信協(xié)議

　引 言

　　CAN總線由于具有實時性和可靠性高、組網(wǎng)成本低等優(yōu)點，近年來在汽車工業(yè)、樓宇自動化、工廠自動化、機器人控制等領(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)議進行削析，再重點介紹在PICl8F458單片機上開發(fā)基于CANopen協(xié)議的節(jié)點，最后通過溫度測控系統(tǒng)實驗驗證了系統(tǒng)信息傳遞的可靠性、準確性和實時性。

　　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)的運行由主站控制，主站可以對127個從設(shè)備進行控制，不同設(shè)備通過CAN總線進行連接組網(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)標準化的、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?；贑ANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個設(shè)備都要實現(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)計中得以實現(xiàn)，然后使用標準化的EDS文件對其進行描述。

　　2 溫度測控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

　　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，它們構(gòu)成一個CAN網(wǎng)絡(luò)。傳感溫度節(jié)點發(fā)送測到的溫度，此節(jié)點由主芯片和溫度傳感器組成。溫度調(diào)節(jié)節(jié)點接收到從傳感溫度節(jié)點發(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)點由主芯片、狀態(tài)顯示燈和空調(diào)設(shè)備組成。命令節(jié)點接收從傳感溫度節(jié)點發(fā)送的溫度和溫度調(diào)節(jié)節(jié)點發(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)進行控制；此節(jié)點由主芯片、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單片機作為從節(jié)點的主芯片。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標準，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)中還擴展了RS232接口。

　　對于各個節(jié)點都采用預(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)點的ID為7，以RPDO對象方式接收從傳感溫度節(jié)點發(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)點的ID為8，以RPDO對象方式分別接收從傳感溫度節(jié)點發(fā)送的溫度和從溫度調(diào)節(jié)節(jié)點發(fā)送的調(diào)節(jié)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)定的必需項外，還包括調(diào)用的各功能模塊和參數(shù)設(shè)定項。它的正確配置和使用，是保證整個CANopen網(wǎng)絡(luò)正常運行的核心，是節(jié)點實現(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)計按照CANopen協(xié)議規(guī)定的格式完成，每個節(jié)點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)點中PDO的各個參數(shù)。