基于dsPIC30F4011單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的CANopen協(xié)議

賈文超， 王競(jìng)恒， 劉柏松， 張 嘉

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春天然氣有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

CANopen是CAN總線通信模型中的應(yīng)用層協(xié)議。其可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性、容錯(cuò)性等多方面優(yōu)勢(shì)明顯，CAN總線和CANopen協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)、工廠自動(dòng)化、分布式控制系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)［1］。CANopen協(xié)議定義了完備的設(shè)備模型，包括標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議、對(duì)象字典和設(shè)備應(yīng)用子協(xié)議。其中，通信協(xié)議遵循CiA DS301協(xié)議，針對(duì)不同的設(shè)備CANopen制定了不同設(shè)備的應(yīng)用子協(xié)議。這些子協(xié)議已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可并成為行業(yè)規(guī)范。CANopen完備的體系結(jié)構(gòu)保證了不同廠商產(chǎn)品之間互聯(lián)的兼容性。

CANopen包括3個(gè)主要組成部分：通信模型（Communication）、對(duì)象字典（Object Dictionary）和設(shè)備子協(xié)議。文中對(duì)CANopen協(xié)議的各部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，重點(diǎn)講述利用dsPIC30F4011單片機(jī)建立符合CANopen協(xié)議的從站節(jié)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證［2］。

1 CANopen協(xié)議簡(jiǎn)介

在CANopen協(xié)議推出之前，歐洲公司推出了一個(gè)名為CAL的CAN總線高層協(xié)議。CAL定義了4種CAN總線應(yīng)用層功能：CMS（基于CAN的報(bào)文應(yīng)用），NMT（網(wǎng)絡(luò)控制），DBT（動(dòng)態(tài)分配），LMT（層參數(shù)管理）。由于CAL對(duì)CMS對(duì)象的內(nèi)容沒(méi)有進(jìn)行規(guī)定，而CANAopen對(duì)其進(jìn)行了定義。CANopen基于CAL的架構(gòu)應(yīng)用了CAL通訊和服務(wù)協(xié)議的子集。

CANopen網(wǎng)絡(luò)遵循主從結(jié)構(gòu)（masterslave），系統(tǒng)有且只有一個(gè)NMT主站，NMT主站對(duì)所有的從站進(jìn)行狀態(tài)控制。一條CAN總線上最多可有128個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中0號(hào)地址節(jié)點(diǎn)為NMT主站，其余為NMT的從站，不同設(shè)備可通過(guò)CAN總線進(jìn)行組網(wǎng)。CANopen設(shè)備模型如圖1所示［3］。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CANopen通信協(xié)議遵循DS301標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，NMT主站可通過(guò)發(fā)送相應(yīng)對(duì)象的報(bào)文使從站工作在不同的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)也可在特殊情況下進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用層面上不同的節(jié)點(diǎn)之間以發(fā)送通信對(duì)象的方式實(shí)現(xiàn)通信，主要的通信對(duì)象有NMT，PDO，SDO和特殊功能對(duì)象。其中PDO用于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞，SDO用于訪問(wèn)對(duì)象字典，NMT用于發(fā)送主站管理命令。

對(duì)象字典（OD：Object Dictionary）是CANopen的核心，不同的設(shè)備其對(duì)象字典的定義是不同的。實(shí)際上，OD是一個(gè)有序的對(duì)象組：對(duì)象用一個(gè)16位的索引進(jìn)行尋址，同時(shí)，每個(gè)索引使用一個(gè)8位的子索引來(lái)尋址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素。在軟件編程過(guò)程中，可以定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組以實(shí)現(xiàn)對(duì)象字典。

2 CANopen節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

CANopen協(xié)議從站硬件的核心是一片MICROCHIP公司生產(chǎn)的dsPIC30F4011芯片，該芯片具有24位寬的指令，16位寬的數(shù)據(jù)總線，48K的程序存儲(chǔ)空間，2K的RAM，1K的EEPROM，帶有17位＊17位的硬件乘法器，性能優(yōu)越，可滿(mǎn)足高頻率、高精度的要求。此外，dsPIC30F4011外設(shè)的功能豐富，帶有QEI模塊、PWM模塊、A／D模塊，以及UART，SPI，I2C，CAN等通信接口。

硬件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：CAN通信模塊、CPU控制、外圍I／O?？刂破髂K和CAN總線收發(fā)器之間使用高速光耦進(jìn)行光電隔離，避免了模塊之間的相互干擾，具有良好的電磁兼容性。CANopen節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

dsPIC30F4011片內(nèi)外設(shè)含2個(gè)CAN控制器模塊，實(shí)現(xiàn)了CAN2.0A／B協(xié)議。設(shè)置C1NTE中斷使能寄存器的值，可使能或屏蔽相應(yīng)中斷，并通過(guò)讀取C1INTF中斷標(biāo)志寄存器的值來(lái)判斷當(dāng)前中斷的中斷源。

PCA82C25對(duì)CAN總線提供差動(dòng)發(fā)送、差動(dòng)接收功能，是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口。PCA82C250完全符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)，最高速達(dá)1Mbps，具有抗瞬間干擾和熱保護(hù)的能力，可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。有3種工作模式可供選擇：高速、待機(jī)、斜率控制。

使用3個(gè)旋轉(zhuǎn)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)CAN總線的波特率和CANopen從站的節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行設(shè)置；使用2個(gè)LED燈指示CANopen從站的運(yùn)行狀態(tài)和錯(cuò)誤警報(bào)。預(yù)留QEI模塊、PWM模塊、AD模塊等I／O。

圖2 CANopen節(jié)點(diǎn)硬件框圖

3 CANopen節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為CANopen通訊對(duì)象的定義、對(duì)象字典的創(chuàng)建以及設(shè)備子協(xié)議3個(gè)部分軟件實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符分配采用CANopen的預(yù)定義連接集。每個(gè)對(duì)象的標(biāo)識(shí)符有兩部分組成：功能碼和節(jié)點(diǎn)ID。

3.1 節(jié)點(diǎn)的通信對(duì)象說(shuō)明

CANopen節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象見(jiàn)表1。

表1 CANopen節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象

設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址，發(fā)送的對(duì)象標(biāo)識(shí)符為：功能碼＋節(jié)點(diǎn)ID。節(jié)點(diǎn)地址的范圍為1～127，下面以節(jié)點(diǎn)地址06進(jìn)行說(shuō)明。NMT對(duì)象為主站發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理命令000H；SYNC對(duì)象標(biāo)識(shí)符為080H，當(dāng)從站收到一個(gè)SYNC報(bào)文時(shí)，發(fā)送一個(gè)同步報(bào)文；TPOD1對(duì)象的標(biāo)識(shí)符為（180＋6）H，發(fā)送報(bào)文的內(nèi)容為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；RPDO1對(duì)象標(biāo)識(shí)符為（200＋6）H，用于接受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。SDO對(duì)象采用服務(wù)器／客戶(hù)的通信模式，分為加速傳輸和分段傳輸兩種傳輸機(jī)制。一個(gè)客戶(hù)的請(qǐng)求一定有來(lái)自服務(wù)器的應(yīng)答，例如，如果想訪問(wèn)地址為06這個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典，那么訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)客戶(hù)，標(biāo)識(shí)符為600＋節(jié)點(diǎn)地址，06節(jié)點(diǎn)做為一個(gè)服務(wù)器，標(biāo)識(shí)符為（580＋6）H；EMCY對(duì)象為緊急對(duì)象，在節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送緊急報(bào)文，緊急報(bào)文包含了錯(cuò)誤代碼和錯(cuò)誤信息，標(biāo)識(shí)符為（080＋6）H；除此之外，還有一個(gè)NMT錯(cuò)誤控制對(duì)象，它通過(guò)發(fā)送心跳報(bào)文來(lái)報(bào)告節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)，標(biāo)識(shí)符為（700＋6）H。

3.2 對(duì)象字典的實(shí)現(xiàn)

對(duì)象字典的有關(guān)范圍在0x1000～0x9FFF之間，索引值低于0x0FFF的范圍僅僅是一些數(shù)據(jù)類(lèi)型的定義。對(duì)象字典描述了節(jié)點(diǎn)設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典是在電子數(shù)據(jù)文檔（EDS）中或記錄在紙上。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象字典實(shí)體的格式如下［3］：

索引 子索引 對(duì)象 名稱(chēng) 類(lèi)型 屬性 訪問(wèn)類(lèi)型

不同設(shè)備對(duì)象字典的定義是不同的，DS301對(duì)通訊部分的對(duì)象字典做了詳細(xì)的說(shuō)明，有些實(shí)體的定義是強(qiáng)制性的。對(duì)象字典大體分為3個(gè)部分：

1）通訊子協(xié)議區(qū)（0x1000～0x1FFF），描述了設(shè)備的類(lèi)型、錯(cuò)誤寄存器、支持PDO參數(shù)等。對(duì)于不同的設(shè)備子協(xié)議來(lái)說(shuō)，其定義的PDO數(shù)量可能是不同的。

2）制造商特定子協(xié)議區(qū)（0x2000～0x5FFF），設(shè)備的制造商可以自行定義所需的實(shí)體。

3）標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備子協(xié)議區(qū)（0x6000～0x9FFF），實(shí)體的定義必須符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備子協(xié)議，如符合DS401，DS406等。

程序中對(duì)象字典可通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)存在單片機(jī)的非易失性存儲(chǔ)器中。具體形式為：

其中，pData的值為EEPROM的地址，對(duì)象字典的實(shí)體數(shù)據(jù)值存放在EEPROM中。

以設(shè)備子協(xié)議DS401為例說(shuō)明對(duì)象字典的建立：首先對(duì)對(duì)象字典中的內(nèi)容在頭文件中進(jìn)行預(yù)定義，例如屬性、實(shí)體內(nèi)容。

索引為0x1A00H中映射PDO參數(shù)預(yù)定義：

這樣在對(duì)象字典實(shí)體的定義中，可用相應(yīng)的預(yù)定義的名稱(chēng)代替屬性代碼和數(shù)據(jù)值。

定義實(shí)體的具體格式為：

PDO1通信參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2［4］。

表2 PDO1通信參數(shù)設(shè)置

其在程序中的實(shí)體定義為：

PDO1映射參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 PDO1映射參數(shù)設(shè)置

3.3 程序流程

程序分為3個(gè)部分：初始化、主程序、中斷。具體流程如圖3所示。

圖3 CANopen節(jié)點(diǎn)流程

程序的初始化包括單片機(jī)硬件模塊的初始化、用戶(hù)程序的初始化設(shè)置、復(fù)位通信節(jié)點(diǎn)、中斷的初始化設(shè)置。主程序包括外圍接口的檢測(cè)，節(jié)點(diǎn)地址和波特率的輸入，判斷節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送流程［5］。

初始化完成后程序發(fā)送一個(gè)BOOT-UP報(bào)文，并進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)，當(dāng)收到NMT主站命令后進(jìn)入操作狀態(tài)。報(bào)文的接收和發(fā)送是通過(guò)中斷進(jìn)行的，當(dāng)CAN模塊接收到報(bào)文后即產(chǎn)生接收中斷，程序根據(jù)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符來(lái)判斷接收到報(bào)文的對(duì)象種類(lèi)，進(jìn)行報(bào)文長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢測(cè)，然后，復(fù)制到相應(yīng)的接收數(shù)字中并置位接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)志位［6］。當(dāng)有新報(bào)文發(fā)送而CAN模塊正被占用時(shí)，新報(bào)文會(huì)被存入發(fā)送緩沖數(shù)組并置位新標(biāo)志位和新報(bào)文計(jì)數(shù)器，當(dāng)前報(bào)文發(fā)送完后即進(jìn)入發(fā)送中斷，程序檢查新報(bào)文標(biāo)志位并將計(jì)數(shù)器減1，隨后進(jìn)行報(bào)文發(fā)送直到計(jì)數(shù)器為0。

PDO報(bào)文和心跳報(bào)文是以事件觸發(fā)模式發(fā)送的，事件為1s定時(shí)發(fā)送，定時(shí)器設(shè)置為1ms中斷，每次中斷后計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)1 000個(gè)數(shù)后進(jìn)行PDO報(bào)文和心跳報(bào)文的發(fā)送［7－8］。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建CAN總線網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)由一臺(tái)PCICAN卡實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)試驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)板，對(duì)PIC單片機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，對(duì)單片機(jī)端口的I／O量進(jìn)行傳送，結(jié)果見(jiàn)表4［4］。

表4 節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)

節(jié)點(diǎn)在上電后進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)，心跳報(bào)文發(fā)送的狀態(tài)代碼為0x7F。從站接收NMT，主站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制命令，進(jìn)入操作狀態(tài)，進(jìn)行PDO報(bào)文的發(fā)送，心跳報(bào)文顯示了節(jié)點(diǎn)工作在操作狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中針對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)用高性能的16位PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種CANopen協(xié)議的從站節(jié)點(diǎn)，具有較高的可靠性和通用性。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精確、有效，有較強(qiáng)的抗干擾性，并且降低了系統(tǒng)成本，易于實(shí)現(xiàn)調(diào)試和擴(kuò)展。此外，CANopen從站有利于國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)智能型從站設(shè)備。

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