PIC18單片機的CANopen通信協(xié)議簡介及設(shè)計

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。

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)。

命令節(jié)點進行NMT對象操作時再觀察各節(jié)點狀態(tài)：當(dāng)按下按鈕1時，節(jié)點進入欲操作狀態(tài)；當(dāng)按下按鈕2時，節(jié)點重啟。
從以上兩個實驗可以看出，整個系統(tǒng)在運行過程中達到了滿意的控制效果，實現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的對象數(shù)據(jù)的交換，通信傳輸理想。

應(yīng)用PIC18單片機自行開發(fā)的基于CANopen協(xié)議的節(jié)點，實現(xiàn)了對4種通信對象信息的通信處理，并通過測試驗證了系統(tǒng)信息傳遞的可靠性、準確性和實時性，很好地滿足了基于CANopen協(xié)議的溫度測控系統(tǒng)的要求；對于CANopen在國內(nèi)的應(yīng)用和普及，以及CAN網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動產(chǎn)品盡早和國際接軌，具有重要的意義。