基于PIC18F258單片機的ANopen協(xié)議監(jiān)控面板設計
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本文將虛擬儀器技術應用于CANopen協(xié)議開發(fā)，有利于實現(xiàn)分布式工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，改善現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的運行效率，提高實時性和信息處理能力。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201611/318324.htm1 CANopen協(xié)議概述
CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出來的一個更高層次的協(xié)議——應用層協(xié)議。不同CANopen設備間的通信都是通過交換通信對象完成的。
1．1 通信對象
通過CAN網(wǎng)絡傳輸?shù)腃ANopen通信對象可以通過服務和協(xié)議來描述。分類為：實時數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象（PDO）協(xié)議傳輸；服務數(shù)據(jù)對象（SDO）協(xié)議用來對對象字典進行讀寫操作；特殊功能對象協(xié)議提供了特定應用，網(wǎng)絡同步，時間戳和緊急報文傳輸；網(wǎng)絡管理（NMT）協(xié)議提供了網(wǎng)絡初始化，錯誤控制和設備狀態(tài)控制服務；層設置服務（LSS）協(xié)議用來配置CAN總線通信參數(shù)和設備參數(shù)。
1．2 CANopen預定義連接集
為了減少簡單網(wǎng)絡的組態(tài)工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符（CAN-ID）分配表。這些標識符在預操作狀態(tài)下可用，通過動態(tài)分配還可修改他們。CANopen設備必須向它所支持的通信對象提供相應的標識符。缺省ID分配表是基于11位的CAN-ID，包含一個4位的功能碼（Function Code）部分和一個7位的節(jié)點ID（Node-ID）部分。
Node-ID由系統(tǒng)集成商定義，范圍是1～127（0不允許使用）。預定義的連接集定義了4個接收PDO（Receive-PDO），4個發(fā)送PDO（Transmit-PDO），1個SDO（占用2個CAN-ID），1個緊急對象和1個節(jié)點錯誤控制ID。也支持不需確認的NMT-Module-Control服務，SYNC和Time Stamp對象的廣播。標識符的默認值如表1，表2所示。
2 CANopen監(jiān)控面板工控現(xiàn)場應用框架
采用虛擬儀器軟件LabVIEW進行CANopen協(xié)議監(jiān)控面板的開發(fā)，完成CANopen數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，實現(xiàn)分布式工控現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)監(jiān)測。LabVIEW是NI公司開發(fā)的虛擬儀器應用程序編程環(huán)境，是一種圖形化編程語言，特別適合開發(fā)測控應用軟件，其具有所有通用編程環(huán)境的標準，如數(shù)據(jù)結構、循環(huán)結構和事件處理。其內(nèi)置各種專業(yè)工具軟件包可滿足工程應用開發(fā)。應用示意見圖1，通過RS 232-CAN協(xié)議轉換器實時監(jiān)測現(xiàn)場總線上各節(jié)點的數(shù)據(jù)，完成控制任務。
3 RS 232-CAN協(xié)議轉換器
虛擬儀器LabVIEW軟件及PC機內(nèi)部沒有專門的CAN接口只有RS 232串行接口，因此使用單片機等微控制器設計RS 232-CAN轉換器，實現(xiàn)PC機接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，完成數(shù)據(jù)監(jiān)聽。在PC機上可用LabVIEW環(huán)境下的NI-VISA實現(xiàn)串口通信。圖2為RS 232-CAN協(xié)議轉換器硬件原理圖，選用內(nèi)嵌CAN總線控制器的Microchip公司PIC18F258單片機為核心處理芯片。
ADuM1100高速數(shù)字隔離器支持100 Mb／s數(shù)據(jù)傳輸速率并且可以采用3．0～5．5 V單電源供電，以一種新的更有效的傳輸數(shù)據(jù)的方法替代傳統(tǒng)的光耦合器，從而保護了高電壓和低電壓電氣環(huán)境之間的接口。MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發(fā)器，可作為CAN協(xié)議控制器和系統(tǒng)物理總線的接口。MAX232用于完成RS 232與TLL／CMOS的電平轉換。RS 232接口用于連接PC機。當單片機內(nèi)部CAN總線控制器收到CAN總線上的信號后通過USART接口傳給PC機的RS 232接口，同樣PC機把數(shù)據(jù)通過RS 232接口發(fā)給單片機，再發(fā)送到CAN總線上。單片機負責實現(xiàn)通信協(xié)議的轉換，轉換RS 232串口通信數(shù)據(jù)與CAN通信數(shù)據(jù)。
4 虛擬儀器上位機監(jiān)控面板開發(fā)
LabVIEW程序開發(fā)主要包括三方面內(nèi)容：CANopen監(jiān)控面板主程序、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊。其中，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊作為子VI供監(jiān)控面板主程序調(diào)用。
4．1 CANopen主控面板程序設計
主控面板的設計主要包括：CANopen報文的組建及打包發(fā)送，以及CANopen報文的接收顯示。
4．1．1 CANopen報文打包
根據(jù)CANopen協(xié)議標識符分配表及主從節(jié)點設置定義了各報文的ID號，如圖3所示，通過LabVIEW分支結構實現(xiàn)報文類型的選擇，并按照CANopen協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式要求定義了發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括高低8位ID、數(shù)據(jù)長度、遠程幀標志以及8 B數(shù)據(jù)，通過捆綁送入CANWrite．vi子模塊發(fā)送到VISA接口。
4．1．2 CANopen報文解析
CANopen報文的解析是實現(xiàn)CANopen協(xié)議監(jiān)控面板的重點，實現(xiàn)過程為：將從VISA接口接收的數(shù)據(jù)按照CANopen報文格式進行組建；判斷接收的報文是遠程幀還是數(shù)據(jù)幀；將接收的數(shù)據(jù)幀累積；對累積的數(shù)據(jù)幀依次進行格式轉換，完成數(shù)據(jù)顯示（見圖4）。
4．2 數(shù)據(jù)發(fā)送／接收模塊程序設計
數(shù)據(jù)發(fā)送模塊CANwrite．vi使用VISA Write節(jié)點予以實現(xiàn)，并將該發(fā)送模塊作為子VI調(diào)用。在LabVIEW平臺控制的串行通信過程中，數(shù)據(jù)格式是以字符串的格式組成的，字符串中的每個字符實際上對應大家熟悉的ASCII字符，即計算機能夠識別的數(shù)據(jù)代碼是ASCII代碼，所以在傳送到串口發(fā)送數(shù)據(jù)之前要經(jīng)過代碼轉換，這就意味著以十進制、二進制、十六進制表示的數(shù)據(jù)必須轉化為ASCII字符串才能進行傳送和接收。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊如圖5所示，其中，以0xAA作為握手信號
數(shù)據(jù)接收模塊CANRead．vi使用VISA Read節(jié)點讀取數(shù)據(jù)，如圖6所示，從緩沖器接收到的數(shù)據(jù)是ASCII字符串，經(jīng)過ASCII字符串轉換為十六進制字節(jié)數(shù)組的模塊處理后，最終得到正確的數(shù)據(jù)。
4．3 監(jiān)控面板
使用虛擬儀器LabVIEW開發(fā)的監(jiān)控面板如圖7所示?？梢钥吹剑髠葹閿?shù)據(jù)發(fā)送部分，首先設置NodeID，選擇主從節(jié)點類型，根據(jù)用戶需要選擇待發(fā)送的報文類型，并設置幀類型（數(shù)據(jù)幀／遠程幀）以及具體的發(fā)送數(shù)據(jù)。右側為數(shù)據(jù)接收部分，顯示從CAN總線上監(jiān)聽到的CANopen報文。
5 結語
本文將虛擬儀器技術與現(xiàn)場總線高層通信協(xié)議CANopen相結合，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線上位機監(jiān)控面板的開發(fā)，為分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)提供了高效、全面的監(jiān)控環(huán)境，不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場不同設備同步監(jiān)控的問題，而且提供了較強的在線可控性。同時，利用LabVIEW提供的各類專業(yè)工具軟件包，可以進一步對工業(yè)數(shù)據(jù)進行處理，完成波形顯示、信號濾波和頻譜分析等功能。
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