基于DSP的CANopen通讯协议的实现 - DSP处理器 - 电子工程世界网
基于DSP的CANopen通讯协议的实现
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1 引言CANopen是一个开放的、标准化的应用层，在各种得到了。依靠CANopen协议的支持，可以对不同CAN厂商的设备通过总线进行实时。本文针对自主研发的全数字电机伺服驱动系统，使用CANopen了CAN总线（DSP）系统与CAN卡之间的通讯，并通过测试实验验证了信息传递的，保证了全数字网络化伺服驱动系统中对的快速性、准确性和实时性。2 实现的基本原理2.1 LF240x系列DSP的CAN控制器模块LF240x系列DSP的CAN控制器模块，是一个完全的CAN控制器。具有以下特性[6]：（1）完全支持CAN2.0B协议；（2）对象有6个邮箱，用于接收和发送信息，其数据长度为0～8个字节；（3）的中断配置，位及CAN总线唤醒功能；（4）当发送出现错误或仲裁丢失数据时，CAN控制器有自动重发功能；（5）总线错误自诊断功能；（6）支持自测试模式。2.2 CANopen协议CANopen协议以CAN芯片为，有效利用CAN芯片所提供的简单通信功能区实现网络的复杂应用层协议要求。应用中应该注意以下几个方面的内容：2.2.1 对象字典OD（Object Diconary）OD是CANopen协议的核心概念[1]，它是一个有序的对象组，每个对象用一个16位的索引值和一个8位的子索引寻址。CANopen网络中的每个节点都有一个OD，包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。2.2.2 CANopen CANopen定义了强制性的缺省标识符（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），如图1所示。文献[1]中给出了CANopen预定义主/从连接集CAN标识符分配情况。2.2.3 CANopen通讯机制CANopen通讯模型定义了四种报文（通讯对象）[1]：1） 管理报文NMT(Network Management)用于网络中主节点对从节点监控和管理。此消息不需要应答。NMT消息格式如表1所示。2）服务数据对象SDO(Service Data Object)SDO通过使用索引和子索引来访问一个设备的OD。协议属于确认服务类型。根据传送数据的长度不同，有两种传送机制：加速传送（最多4字节）和分段传送（大于4字节）。发送和应答报文总是包含8字节信息，基本结构如表2所示：3） 过程数据对象PDO(Process Data Object)用于传输正常网络操作中的实时数据。每个PDO在OD中用2个对象描述：PDO通讯参数和PDO映射参数。在此举例说明PDO。假设第二个发送PDO映射如表3所示，如果这个报文被发送，则由3字节组成，报文结构如表4所示。4） 预定义报文或特殊功能报文定义了三个用于同步，应急指示和时间标记的特定对象。用于配合以上三种通讯机制。3系统通讯的软、3.1 CAN总线硬件设计由于TMS320LF2407A芯片内自带了CAN总线控制器模块，使得CAN总线的变得非常简单。将TMS320LF2407A的CANTX、CANRX引脚和CANPCA82C250的TXD、RXD引脚相连即可。CAN总线之间需要使用一个合适的终端电阻连接。为了进一步提高系统的抗干扰能力，可以在控制器和传输介质之间加接6N137。如图2所示。3.2 CANopen协议对象字典OD的建立本伺服驱动器通讯支持CANopen通讯子协议（DS301）和驱动设备子协议及命令（DSP-402）。在开发的过程中，根据应用的具体要求，将数字输入/、电机及驱动设备、控制器、编码器等设备类型及其相应的功能在的协议中进行了描述。建立的OD分为三个部分：1） 通讯协议对象（Index 0-0x1AFF）定义设备类型，错误，厂商指定状态寄存器，COB-ID同步信息，通讯循环周期，同步CAN信息窗口，以及设备名，软硬件等。另外SDO的通讯参数以及PDO的通讯和映射参数也在该部分定义。本设计中采用固定PDO映射，不允许动态映射。2） 标准设备子协议对象（Index 0xFF）定义三类信息：第一类是电机及驱动器的相关设备参数，如类型，厂商信息，等；第二类是命令字和状态字；第三类是位置、速度的相关参数。3） 厂商指定协议对象（0xFF）根据厂商需求，灵活定义所使用的变量。 此部分的使用使CANopen协议既保证了设备的通用性，又保证了系统良好的扩展性。3.3 通讯程序的设计及实现针对带CAN控制器的TMS320LF2407A和PC机CAN卡之间的通讯进行了软件设计。TMS320LF2407A的CAN控制器的邮箱2配置为，邮箱3配置为发送方式。都采用标准信息帧格式（11Bit ID）。其中发送信息采用查询方式，接收信息采用中断方式，邮箱2用低中断优先级。信息传输设置为500Kbps。采用CANopen协议对设备进行可以理解为用SDO对数据字典的读写过程。检测设备对象的状态或查询设备当前信息时，可用SDO读取数据字典中的对象；要对设备发布控制命令可利用SDO向相应的数据字典对象写入数据。接收到信息帧时首先要将其命令字节（byte0）读出，以确定下一步的读写命令处理。信息帧的接收和发送均采用的方式。读操作时，发送信息帧长度为4字节，应答信息帧约定为8字节；写操作时，发送信息帧长度约定为8字节，应答信息帧为4字节。采用不同的发送邮箱发送数据长度不同的信息帧。本程序设计中，采用邮箱4发送4字节长度的信息帧，采用邮箱5发送8字节长度的信息帧。这种方式可以提高信息传输的效率。软件图如图3所示。4 测试结果为了测试CAN总线DSP系统与PC机CAN卡之间的通讯情况，采用VC++编写了友好的（见图4）。进行时，首先要选择通讯端口，设置通讯波特率，ID屏蔽位，信息帧格式及传输数据的格式（或）。特别需要注意PC端设置的通讯波特率要和DSP端的通讯波特率保持一致。然后打开CAN总线端口，选定发送SDO的功能段及地址段，填写信息帧长度（以字节为单位）及内容，即可进行通讯测试。例如，要将1号地址的电机轮速期望值设为0x3E8，电机轮速期望值在OD中的索引为0x606B，使用启动域下载协议，加速传输。则设置地址段为1，信息帧长度为8，信息帧内容为2B 6B 60 00 E8 03 00 00。发送成功后返回应答信息帧内容为：ID=581，LENTH=4，DATA=60 6B 60 0 0 0 0 0，说明写入操作正确（见图4）。要将1号地址的电机轮速期望值读出，即读出OD中的对象0x606B，使用启动域上传协议，服务器使用加速传输方式应答。则设置地址段为1，信息帧长度为4，信息帧内容为40 6B 60 00 00 00 00 00，发送成功后返回应答信息帧内容为：ID=581，LENTH=8，DATA=4B 6B 60 0 E8 03 0 0，说明读取操作正确（见图4）。5 结束语本文用CANoen协议实现了CAN总线DSP系统与上位机CAN的通讯，实现了控制系统的数字化、模块化，并保持了系统的可扩展性，为提高伺服驱动系统的智能化水平奠定了坚实的基础。（作者：马艳歌　贾凯　徐方微计算机信息）
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基于CANopen协议分布式控制系统及研究.pdf 58页
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硕士学位论文
基于CANopen协议的分布式控制系统的研究
姓名：蒋智康
申请学位级别：硕士
专业：电力电子与电力传动
指导教师：宋春宁
基于CANopen协议的分布式控制系统的研究
基于现场总线的网络技术研究是自动控制领域发展的一个热点。在各
种工业现场总线中，CAN总线以其成本低、速度快、实时性和可靠性较高等
特点被广泛应用于各领域。CIA(CAN
CANopen协议，定义了应用层和通讯子协议，为基于现场总线的分布式控制
系统的广泛应用提供了解决之道。
本文研究国内外现场总线发展现状后，以改善现场总线网络通讯系统
的运行效率，提高实时性和信息处理能力为前提，浅析CAN总线高层通讯
协议CANopen，分析了主、从节点的各个功能，说明了功能的设计和实现方
然后，本文将CANopen协议应用于分布式控制系统，详细论述了基于
PICl8控制器的从节点和基于DSP控制器的主节点的实现过程。主、从节点
具有基于CANopen协议的总线通信功能。从节点具有数字量和模拟量输入
输出功能。主节点可以通过键盘对各节点运行状态和各节点参数进行调整，
还可以通过液晶屏显示实时控制量和各节点运行状态。PC机能在线监测CAN
报文数据流。本文对两种类型节点的设计思想、硬件组成和软件设计均做
了详尽的阐述，并给出了部分关键硬件原理图和软件流程图。
最后，把已开发的从节点和主节点组成一个温度测控系统和一个电机
控制系统。经过实验室测试，证明系统具有良好的实时性，通讯稳定可靠，
解决了传统CAN总线节点通讯可控性差，无法灵活设置的问题。对目前国
内CAN总线应用中大多把精力放在硬件之上的底层软件开发，少有使用上
层软件协议的习惯，起到了一定的推动意义，提高了应用水平。
8现场总线分布式控制系统
SOMERESEARCHON
DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM
BASEDONCANOPENPROTOCOL
Theresearchofnetwork
basedonthefieldbushas
technology
controlarea．Inall
oftheindustrial
bushas_beenusedinalot
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　　CANopen数据采集模块的应用　　CANopen数据采集模块现场总线在工业控制领域中的应用研究日益广泛，使用现场总线可以有效的减少各个通信节点之间的连接线数量，从而有效的降低成本，提高通信可靠性。　　在众多的现场总线中，工控领域中较为常用的有RS232/485/422总线、CANopen数据采集模块总线、Ethernet总线。其中CANopen数据采集模块总线以其易于掌握、易于开发等优点，成为一种很有应用前景的现场总线。但CAN不是一种完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分。CANOPEN网关是最初由从事工业控制的CiA（CAN in Automation）会员开发的针对工业系统，并基于CANOPEN网关通信协议的应用层协议。CANopen数据采集模块在包括海上电子设备，医疗设备以及铁路系统等多个领域都有广泛的应用。　　一、CANOPEN网关协议结构　　CANOPEN网关协议的结构定向根据ISO11898国际标准,以开放系统互联网络OSI为参考模型，结构如图1所示：　　　　图1CANOPEN网关通信参考模型　　如图所示，在数据链路层，具有CAN控制芯片，遵循CAN 2.0A/2.0B协议，物理层规定执行ISO11898国际标准,数据链路层和物理层由硬件实现　　CANOPEN网关的设备规范，使得制造商可以按照其规范生产标准的通用设备，也不需要特殊的软件来把不同厂家的网络设备组建起来。基本的网络操作由明确的强制的设备规范所保证。CiA提供了包括CiA-401的I/O模型，以及CiA-404的用于测量设备和闭环控制的规程。这些规程都由一个叫做“对象字典”的标准化数据库来实现。对象字典可以用一个16 位的索引进行存取，在数组和结构的情况下再用一个8 位的子索引。该字典也描述了设备的全部应用对象。　　二、CANOPEN网关通信对象　　CANopen数据采集模块通信标准规定了四中通信对象（报文），通过通信标识符（COB-ID）或CAN标识符来表示区分。　　1. 网络管理报文NMT　　网络管理报文提供网络管理服务，例如，初始化，错误控制和设备状态控制。所有这些功能都是基于主-从这个概念上的。　　1.1 NMT对象　　NMT 对象映象到一个单一的带有2 个字节数据长度的CAN 帧，它的标识符为0 ，第一个字节包含命令说明符，第二个字节包含必须执行此命令的设备的节点标识符，当节点标识符为0 时，所有的从节点必须执行此命令。由NMT 主站发送的NMT 对象强制节点转换成另一个状态。　　1.2 NMT节点保护（Node guarding）　　节点保护对象是由NMT 主站节点远程请求的具有一个字节的CAN 帧。 数据字节主要包含节点的状态, 节点保护时间在对象定期发送,节点保护时间也在对象字典中作了规定。此外还规定了保护时间寿命（Life Guarding Time） ，在该时间区内NMT 主站必须保护一个NMT 从站，这就确保了即使在主站不存在的情况下，节点仍能以用户指定的方式作出反应。图2显示了NMT功能和特定命令字的关系：　　　　图2 NMT功能命令字　　2. 过程数据对象（PDO）　　过程数据对象用来传递实时数据，数据由一个生产者发出，可以有一个或多个消费者接受。数据传输被限制在1到8个字节内，每个PDO 有一个唯一的标识符，标识符具有高优先级以确保良好的实时性能，如果需要硬实时控制，那么系统的设计者可为每个PDO 组态一个禁止时间（inhibit　　-time） ，该“禁止时间”严禁在特定的时间内发送这个对象。PDO有三种传输模式：　　（1）事件或定时器触发PDO模式。此种传输模式又叫做异步PDO模式。当设备内的特别设备或特别制造商事件发生时PDO被传送，这些事件如应用数值的改变，例如数字输入的改变，温度的改变等。使用这种传输模式对网络带宽的要求最低。　　（2）远程请求触发PDO模式。PDO消费者可以通过发送一个CAN远程帧，相应的PDO生产者将对远程帧做出反应。由于不同CAN控制器的远程帧行为不同，所以在正常运作时这种传输模式是不允许的。此外，相比事件或定时器触发PDO模式，此传输模式对带宽有更高的要求。　　（3）同步触发PDO模式。同步PDO模式由Sync（同步）报文触发。负责发送同步报文的是同步生产者（Sync producer）,同步生产者可以存在于如简单的输入输出设备，驱动器和复杂的过程控制设备中。　　3. 服务数据对象（SDO）　　服务数据对象用于建立两个CANOPEN网关设备的点对点通信，这种连接是基于客户/服务器机理的。SDO服务器是对要求连接设备提供对象字典的设备，SDO客户是想连接特定设备的对象字典的设备。SDO服务是基于具有两个不同标识符的CAN报文之上的，一个报文由SDO服务器使用，另外一个由SDO客户使用。一个SDO客户可以有最多127个通道，也就意味着一个SDO客户可以同时和最多127个不同设备连接。　　4. 预定报文或特殊功能对象　　CANOPEN网关还定义了三个特定对象：同步，时间标记，和应急对象。　　（1）同步对象（Synchronization object）。同步对象通过外部事件同步所有设备。在网络上有一个设备是同步发生器，它的唯一功能就是产生同步信号，网络上的任何设备在接受到同步信号后都必须同步。同步信号是一个短报文，它只是一个CAN报文，而没有任何数据，但它可具有多达8 个字节的用户专用数据　　（2）时间标记对象（Time Stamp Object）。时间标记对象利用系统时钟同步本地时钟。一个通用的时间帧参考提供给设备，它包含一个时间　　和日期的值，相关的CAN 帧有标识符256 和一个6 个字节长度的数据字段。　　（3）应急对象（Emergency object）。应急对象被用来传递应用设备的状态信息。由设备内部出现致命错误来触发。因此应急对象适用于中断类型的报警信号。每个“错误事件”（error event）只能发送一次应急对象，只有当设备发生新的应急事件时，才可以再发送应急对象。CANOPEN网关通信标准规定了应急错误代码，它是一个单一的具有8 个数据字节的CAN 帧。　　三、标识符的地址分配　　为了减少对简单网络管理工作，CANopen 定义了强制性的缺省标识符地址分配表。这些标识符在初始化后可以在预操作状态中获得。这个缺省ID分配表包括一个功能部分和一个模块ID部分。标识符规定了其对象的优先级别。　　这些ID分配表允许单一主设备与多达127个从设备进行点对点（peer-to-peer）通信。也支持非确认的NMT 广播，同步和时间标定对象以及节点保护。预定的主/从连接集支持1个应急对象，1个SDO,最多4个接收PDO（Receive-PDO）和4个发送PDO（Transmit-PDO） 和节点保护对象（Node Guarding Object）。预定主/从连接集定义了一些CAN标示符，而其他的是开放的，可以有设计者定义。
　　缺省SDO（和），NMT错误控制报文（）这些标示符是固定不可改变的。　　四、结束语　　总之，CANopen数据采集模块为客户提供了标准的CANOPEN网关的应用层协议。CANOPEN网关非常灵活的应用层协议和许多可供选择的特性都有利于嵌入式网络设计者设计出更有竞争力的产品。此外，已经有很多通用的管理工具及软件，客户可以根据自己的需要设计特定的网络设备。随着对现场总线研究的深入，CANOPEN网关将会在更多领域得到广泛应用。　　~~~~~欢迎大家讨论分享CANopen数据采集模块相关知识，共同成长，共同进步！
请遵守言论规则，不得违反国家法律法规CANOpen与RS232/485转换器在工业设备控制系统中的应用
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CANOpen与RS232/485转换器在工业设备控制系统中的应用 &&&&
& & 现场总线在工业控制领域中的应用研究日益广泛，使用现场总线可以有效的减少各个通信节点之间的连接线数量，从而有效的降低成本，提高通信可靠性。
& & 在众多的现场总线中，工控领域中较为常用的有RS232/485/422总线、CAN总线、Ethernet总线。其中 CAN总线以其易于掌握、易于开发等优点，成为一种很有应用前景的现场总线。但CAN不是一种完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分。CANopen是最初由从事工业控制的CiA（CAN in Automation）会员开发的针对工业系统，并基于CAN通信协议的应用层协议。CANopen在包括海上电子设备，医疗设备以及铁路系统等多个领域都有广泛的应用。
一、CANopen 协议结构
　　CANopen协议的结构定向根据ISO11898国际标准,以开放系统互联网络OSI为参考模型，结构如图1所示：
图1 CANopen通信参考模型
　　如图所示，在数据链路层，具有CAN控制芯片，遵循CAN 2.0A/2.0B协议，物理层规定执行ISO11898国际标准,数据链路层和物理层由硬件实现
　　CANopen的设备规范，使得制造商可以按照其规范生产标准的通用设备，也不需要特殊的软件来把不同厂家的网络设备组建起来。基本的网络操作由明确的强制的设备规范所保证。CiA提供了包括CiA-401的I/O模型，以及CiA-404的用于测量设备和闭环控制的规程。这些规程都由一个叫做“对象字典”的标准化数据库来实现。对象字典可以用一个16 位的索引进行存取，在数组和结构的情况下再用一个8 位的子索引。该字典也描述了设备的全部应用对象。
二、CANopen通信对象
　　CANopen通信标准规定了四中通信对象（报文），通过通信标识符（COB-ID）或CAN标识符来表示区分。
　　1. 网络管理报文NMT
　　网络管理报文提供网络管理服务，例如，初始化，错误控制和设备状态控制。所有这些功能都是基于主-从这个概念上的。
　　1.1 NMT对象
　　NMT 对象映象到一个单一的带有2 个字节数据长度的CAN 帧，它的标识符为0 ，第一个字节包含命令说明符，第二个字节包含必须执行此命令的设备的节点标识符，当节点标识符为0 时，所有的从节点必须执行此命令。由NMT 主站发送的NMT 对象强制节点转换成另一个状态。
　　1.2 NMT节点保护（Node guarding）
　　节点保护对象是由NMT 主站节点远程请求的具有一个字节的CAN 帧。 数据字节主要包含节点的状态, 节点保护时间在对象定期发送,节点保护时间也在对象字典中作了规定。此外还规定了保护时间寿命（Life Guarding Time） ，在该时间区内NMT 主站必须保护一个NMT 从站，这就确保了即使在主站不存在的情况下，节点仍能以用户指定的方式作出反应。
　　图2显示了NMT功能和特定命令字的关系：
图2 NMT功能命令字
　　2. 过程数据对象（PDO）
　　过程数据对象用来传递实时数据，数据由一个生产者发出，可以有一个或多个消费者接受。数据传输被限制在1到8个字节内，每个PDO 有一个唯一的标识符，标识符具有高优先级以确保良好的实时性能，如果需要硬实时控制，那么系统的设计者可为每个PDO 组态一个禁止时间（inhibit-time） ，该“禁止时间”严禁在特定的时间内发送这个对象。PDO有三种传输模式：
　　（1）事件或定时器触发PDO模式。此种传输模式又叫做异步PDO模式。当设备内的特别设备或特别制造商事件发生时PDO被传送，这些事件如应用数值的改变，例如数字输入的改变，温度的改变等。使用这种传输模式对网络带宽的要求最低。
　　（2）远程请求触发PDO模式。PDO消费者可以通过发送一个CAN远程帧，相应的PDO生产者将对远程帧做出反应。由于不同CAN控制器的远程帧行为不同，所以在正常运作时这种传输模式是不允许的。此外，相比事件或定时器触发PDO模式，此传输模式对带宽有更高的要求。
　　（3）同步触发PDO模式。同步PDO模式由Sync（同步）报文触发。负责发送同步报文的是同步生产者（Sync producer）,同步生产者可以存在于如简单的输入输出设备，驱动器和复杂的过程控制设备中。
　　3. 服务数据对象（SDO）
　　服务数据对象用于建立两个CANopen设备的点对点通信，这种连接是基于客户/服务器机理的。SDO服务器是对要求连接设备提供对象字典的设备，SDO客户是想连接特定设备的对象字典的设备。SDO服务是基于具有两个不同标识符的CAN报文之上的，一个报文由SDO服务器使用，另外一个由SDO客户使用。一个SDO客户可以有最多127个通道，也就意味着一个SDO客户可以同时和最多127个不同设备连接。
　　4. 预定报文或特殊功能对象
　　CANopen 还定义了三个特定对象：同步，时间标记，和应急对象。
　　（1）同步对象（Synchronization object）。同步对象通过外部事件同步所有设备。在网络上有一个设备是同步发生器，它的唯一功能就是产生同步信号，网络上的任何设备在接受到同步信号后都必须同步。同步信号是一个短报文，它只是一个CAN报文，而没有任何数据，但它可具有多达8 个字节的用户专用数据
　　（2）时间标记对象（Time Stamp Object）。时间标记对象利用系统时钟同步本地时钟。一个通用的时间帧参考提供给设备，它包含一个时间和日期的值，相关的CAN 帧有标识符256 和一个6 个字节长度的数据字段。
　　（3）应急对象（Emergency object）。应急对象被用来传递应用设备的状态信息。由设备内部出现致命错误来触发。因此应急对象适用于中断类型的报警信号。每个“错误事件”（error event）只能发送一次应急对象，只有当设备发生新的应急事件时，才可以再发送应急对象。CANopen通信标准规定了应急错误代码，它是一个单一的具有8 个数据字节的CAN 帧。
三、标识符的地址分配
　　为了减少对简单网络管理工作，CANopen 定义了强制性的缺省标识符地址分配表。这些标识符在初始化后可以在预操作状态中获得。这个缺省ID分配表包括一个功能部分和一个模块ID部分。标识符规定了其对象的优先级别。
　　这些ID分配表允许单一主设备与多达127个从设备进行点对点（peer-to-peer）通信。也支持非确认的NMT 广播，同步和时间标定对象以及节点保护。预定的主/从连接集支持1个应急对象（Emergency object），1个SDO,最多4个接收PDO（Receive-PDO）和4个发送PDO（Transmit-PDO） 和节点保护对象（Node Guarding Object）。
　　预定主/从连接集定义了一些CAN标示符，而其他的是开放的，可以有设计者定义。NMT（0）,缺省SDO（和），NMT错误控制报文（）这些标示符是固定不可改变的。
四、结束语
　　总之，CANopen为客户提供了标准的CAN的应用层协议。CANopen非常灵活的应用层协议和许多可供选择的特性都有利于嵌入式网络设计者设计出更有竞争力的产品。此外，已经有很多通用的管理工具及软件，客户可以根据自己的需要设计特定的网络设备。随着对现场总线研究的深入，CANopen将会在更多领域得到广泛应用。