串口調(diào)試在CANopen運動控制協(xié)議中的應(yīng)用技術(shù)研究

錢 城，陳家新

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

目前，在伺服驅(qū)動領(lǐng)域中，PLC變頻器控制逐漸被運動控制器驅(qū)動器所取代，因此傳統(tǒng)的用來調(diào)試PLC和變頻器的方法已然無法適用。在現(xiàn)今的運動控制系統(tǒng)調(diào)試中，往往是通過控制器、驅(qū)動器、伺服電機三者聯(lián)調(diào)實現(xiàn)的[1]。然而，各廠家為了自身利益，主推自家一體化產(chǎn)品，使得不同廠家的控制器和驅(qū)動器難以直接互換使用，直接增加了研發(fā)的難度，拖慢了研發(fā)的時間。對此，各廠家通過PC模擬控制主機，通過CAN分析儀發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給驅(qū)動器，從而調(diào)試伺服電機。盡管該方法無需專門配備主機調(diào)試，降低了一部分成本，但是性能強大的CAN分析儀同樣價格不菲，而且使用CAN分析儀進行調(diào)試必須保證驅(qū)動器的CANopen協(xié)議通訊正常。

針對上述調(diào)試問題，在此，利用驅(qū)動器上閑置的串口資源進行系統(tǒng)開發(fā)，驅(qū)動器直接通過串口與上位機相連接，將調(diào)試命令與調(diào)試數(shù)據(jù)直接通過串口發(fā)送。這樣不僅無需控制主機的支持，繞開CAN通訊限制，同時不必經(jīng)常為修改參數(shù)而擦除程序重新下載，因此也在一定程度上延長單片機壽命[2]。

1 總體框架

文中首先在STM32F4芯片上實現(xiàn)了CANopen DS402協(xié)議從站的運行，進而在從站程序中嵌入了一套基于串口的調(diào)試電機的系統(tǒng)。其中，DS402協(xié)議從站運行的程序框架如圖1所示。

圖1 CANopen運動控制協(xié)議程序框架Fig.1 Program framework of CANopen motion control protoco

從機程序首先對波特率、中斷以及CAN控制器等進行相關(guān)初始化，再將設(shè)定好的對象字典寫入STM32的內(nèi)存中去，最后初始化CANopen協(xié)議棧。根據(jù)協(xié)議要求，通訊系統(tǒng)首先進入未準備啟動狀態(tài)和預(yù)操作狀態(tài)，完成系統(tǒng)自檢之后自動進入取消啟動狀態(tài)。此時，通訊系統(tǒng)可以接收主機的指令，進入準備啟動狀態(tài)、啟動狀態(tài)、允許運行狀態(tài)和快速停止?fàn)顟B(tài)，并能夠在這些狀態(tài)與取消準備狀態(tài)之間切換。在任何運行狀態(tài)中，一旦出現(xiàn)故障，就會進入到故障響應(yīng)狀態(tài)，并且通過故障狀態(tài)進入到取消準備狀態(tài)[3]。

由于在CANopen DS402協(xié)議中從機的運行狀態(tài)復(fù)雜，為便于調(diào)試，在此利用閑置的串口資源設(shè)計了一套調(diào)試電機狀態(tài)的系統(tǒng)，其原理框架如圖2所示。

圖2 串口調(diào)試系統(tǒng)原理框架Fig.2 Principle frame of serial port debugging system

PC端可以通過串口調(diào)試工具直接發(fā)送命令消息，串口接收到預(yù)設(shè)的命令之后，會觸發(fā)定時器中斷，導(dǎo)致CANopen主程序暫停，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷程序。理論上在任何狀態(tài)下，都可以利用中斷程序?qū)崿F(xiàn)修改CANopen設(shè)備的對象字典、切換設(shè)備的運行狀態(tài)等功能，但是為了保證運動控制的安全性，當(dāng)設(shè)備處于允許運行狀態(tài)的時候，調(diào)試功能會被限制在一定的范圍內(nèi)。除了設(shè)備的運行狀態(tài)信息之外，串口也會將從站設(shè)備的初始化信息，故障錯誤信息等發(fā)送給上位機，從而使相關(guān)人員能更方便地監(jiān)控設(shè)備運行情況、排查錯誤原因。

2 硬件方案設(shè)計

STM32F407ZGT6是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款32位微處理器。這款芯片擁有非常多的片上外設(shè)，在此使用了SRAM，F(xiàn)lash，16位定時器、串口、CAN口等資源[4]。

CAN口的外圍硬件電路如圖3（a）所示。STM內(nèi)部具有CAN控制器，因此外接1個CAN收發(fā)器就完成了CAN物理層連接。在此，選用TJA1050收發(fā)器；在VCC與GND之間增加1個104電容，可以起到濾波，消除高頻噪聲的作用；在CAN_H和CAN_L之間加上1個終端120 Ω電阻來匹配總線阻抗，以提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠行[5]。

由于PC的USB口不遵循TTL電平，因此需要CH340G芯片將USB轉(zhuǎn)換成TTL電平。串口外圍電路設(shè)計如圖3（b）所示。其中，RXD和TXD口分別與STM32的PA9和PA10引腳連接，D+和D-口通過標準的接口與USB相連即可。

圖3 硬件相關(guān)電路Fig.3 Hardware correlation circuit

3 調(diào)試平臺程序設(shè)計

調(diào)試平臺使用串口進行通信，串口波特率設(shè)為115200，停止位設(shè)為1 b，數(shù)據(jù)位設(shè)為8 b，奇偶校驗選擇無。上位機可以使用任意的串口調(diào)試軟件。

3.1 調(diào)試系統(tǒng)人機交互設(shè)計

系統(tǒng)啟動后會顯示調(diào)試的幫助信息，幫助信息中包含2個指令：help和list指令。help指令可以隨時獲得調(diào)試的幫助信息；list指令可以顯示當(dāng)前可用的函數(shù)名和列表。

函數(shù)中存在常量UART_USE_HELP，其值默認設(shè)置為1，這樣一旦系統(tǒng)開始運行，幫助信息界面就會顯示；如果對幫助系統(tǒng)比較熟悉，可以將其改為0。另外，list中的函數(shù)并不是要進入list界面之中才能使用。在系統(tǒng)啟動之后，隨時可以輸入list中的函數(shù)進行調(diào)用。

3.2 CANopen系統(tǒng)狀態(tài)顯示設(shè)計

由于CANopen中運行狀態(tài)復(fù)雜，顯示當(dāng)前的運行狀態(tài)是非常必要的。系統(tǒng)內(nèi)部顯示流程如圖4所示。

圖4 顯示流程Fig.4 Display flow chart

一旦STM32外設(shè)初始化之后，會顯示CANopen系統(tǒng)的基本信息。隨著CANopen協(xié)議棧初始化的完成，節(jié)點號、CAN控制器、對象字典以及CANopen各項服務(wù)的初始化信息也會在界面上進行顯示。在STM32和協(xié)議棧初始化時，如果程序發(fā)生錯誤，界面上會顯示錯誤信息，程序也會停止運行。當(dāng)設(shè)備開始運行之后，運行狀態(tài)只有改變之后才會才上位機上顯示。運行狀態(tài)出現(xiàn)錯誤會使得設(shè)備進入故障響應(yīng)狀態(tài)，并不會使程序停止運行，上位機也會及時顯示當(dāng)前的錯誤信息以及運行狀態(tài)。

3.3 電機狀態(tài)參數(shù)修改

CANopen DS402協(xié)議的運動控制相關(guān)參數(shù)均保存在對象字典里，因此利用串口對相關(guān)的對象字典進行寫操作即可修改CANopen運行中的參數(shù)。為了方便調(diào)試，可用的修改指令都添加在list指令之下，調(diào)試人員可以按照list所顯示的函數(shù)清單通過編寫好的函數(shù)進行相關(guān)參數(shù)的修改。文中針對運動控制中一些常用的參數(shù)進行了修改程序的編寫，可修改的相關(guān)參見表1。

表1 常用參數(shù)Tab.1 Common parameter

4 系統(tǒng)功能驗證

上位機通過串口調(diào)試軟件與STM32進行串口通訊，實現(xiàn)了初始化顯示、人機交互以及修改參數(shù)的功能。完成串口程序設(shè)置后打開串口，就會進入初始化顯示。

4.1 系統(tǒng)初始化顯示

初始化顯示信息如圖5所示。首先顯示項目名稱，使用人信息以及系統(tǒng)版本號。其次顯示初始化節(jié)點信息和CANopen各項服務(wù)的初始化信息，至此就開始等待主機通訊。在等待主機通訊的同時進行自檢，直至設(shè)置完成PDO，SDO的通道，從機可對主機命令進行執(zhí)行與應(yīng)答操作，狀態(tài)機也將從未準備啟動狀態(tài)切換到準備啟動狀態(tài)。

4.2 人機交互界面

人機交互界面中help指令和list指令顯示的信息如圖6所示。在初始化完成之后的任何時間都可以直接使用這2個指令。help指令會呼出幫助界面，方便調(diào)試者了解系統(tǒng)的幫助指令；list指令會呼出系統(tǒng)所有可用的函數(shù)命令以及調(diào)用命令的格式，無需調(diào)試人員記住所有調(diào)用的函數(shù)及其格式。幫助系統(tǒng)并非僅支持這2個指令，使用者還可以按照自己的想法，在程序里定義的結(jié)構(gòu)體變量sys_cmd_tab中，添加幫助指令及其功能。

4.3 電機狀態(tài)修改驗證

修改參數(shù)功能是利用STM32的中斷，對CANopen程序中對象字典的相關(guān)參數(shù)進行讀寫操作，從而達到上位機直接修改進行調(diào)試的目的。因此可以通過讀取對象字典中相應(yīng)的參數(shù)來對此功能進行驗證。

圖5 初始化顯示信息Fig.5 Initialize display information

圖6 人機交互顯示信息Fig.6 Human-computer interaction display information

在系統(tǒng)啟動之后，利用傳統(tǒng)的CAN分析儀通過SDO服務(wù)來讀取相關(guān)對象字典，讀取的各參數(shù)初始值如圖 7（a）所示。

在CANopen協(xié)議中，數(shù)據(jù)位第1個字節(jié)為功能碼，第2和第3字節(jié)為對象字典主索引，第4字節(jié)為子索引，之后的4個字節(jié)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位[6]。因此，由圖可見，程序初始化后初值除電機狀態(tài)、實際轉(zhuǎn)矩、軌跡速度之外全部為0。

在獲得初值之后，上位機通過串口調(diào)試軟件，利用調(diào)試系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)進行修改，修改界面及相關(guān)參數(shù)值如圖7（b）所示。由于CANopen通訊中所有參數(shù)為16進制數(shù)，因此在輸入?yún)?shù)時程序中會將輸入的參數(shù)值轉(zhuǎn)換為16進制。

修改結(jié)束后，通過SDO服務(wù)讀取電機參數(shù)的對象字典，可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)值已經(jīng)改變成重新設(shè)定的值，如圖 7（c）所示。

圖7 電機控制參數(shù)相關(guān)值Fig.7 Motor control parameter correlation values

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)CANopen設(shè)備調(diào)試繁瑣的問題，利用閑置的串口資源，設(shè)計了一個小型的調(diào)試系統(tǒng)，實現(xiàn)了上位機繞過CANopen服務(wù)主機，直接控制從機對電機進行調(diào)試，免去以往調(diào)試、修改、下載、再次調(diào)試的復(fù)雜操作。目前，該調(diào)試系統(tǒng)已在企業(yè)機械臂運動調(diào)試中投入應(yīng)用，縮短了設(shè)備調(diào)試的時間，提高了工作效率。