基于dsPIC30F4011单片机实现的CANopen协议

贾文超， 王竞恒， 刘柏松， 张 嘉

（1.长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春 130012；2.长春天然气有限责任公司，吉林长春 130033）

0 引 言

CANopen是CAN总线通信模型中的应用层协议。其可靠性、实时性、抗干扰性、容错性等多方面优势明显，CAN总线和CANopen协议已经成为汽车工业、工厂自动化、分布式控制系统等众多领域的应用标准［1］。CANopen协议定义了完备的设备模型，包括标准的通信协议、对象字典和设备应用子协议。其中，通信协议遵循CiA DS301协议，针对不同的设备CANopen制定了不同设备的应用子协议。这些子协议已经得到广泛的认可并成为行业规范。CANopen完备的体系结构保证了不同厂商产品之间互联的兼容性。

CANopen包括3个主要组成部分：通信模型（Communication）、对象字典（Object Dictionary）和设备子协议。文中对CANopen协议的各部分进行了详细的分析，重点讲述利用dsPIC30F4011单片机建立符合CANopen协议的从站节点，通过试验对数据进行分析和验证［2］。

1 CANopen协议简介

在CANopen协议推出之前，欧洲公司推出了一个名为CAL的CAN总线高层协议。CAL定义了4种CAN总线应用层功能：CMS（基于CAN的报文应用），NMT（网络控制），DBT（动态分配），LMT（层参数管理）。由于CAL对CMS对象的内容没有进行规定，而CANAopen对其进行了定义。CANopen基于CAL的架构应用了CAL通讯和服务协议的子集。

CANopen网络遵循主从结构（masterslave），系统有且只有一个NMT主站，NMT主站对所有的从站进行状态控制。一条CAN总线上最多可有128个节点，其中0号地址节点为NMT主站，其余为NMT的从站，不同设备可通过CAN总线进行组网。CANopen设备模型如图1所示［3］。

图1 定位系统结构图

CANopen通信协议遵循DS301标准，每一个节点都有一个状态机，NMT主站可通过发送相应对象的报文使从站工作在不同的状态，节点也可在特殊情况下进行状态的转换。在应用层面上不同的节点之间以发送通信对象的方式实现通信，主要的通信对象有NMT，PDO，SDO和特殊功能对象。其中PDO用于实时的数据传递，SDO用于访问对象字典，NMT用于发送主站管理命令。

对象字典（OD：Object Dictionary）是CANopen的核心，不同的设备其对象字典的定义是不同的。实际上，OD是一个有序的对象组：对象用一个16位的索引进行寻址，同时，每个索引使用一个8位的子索引来寻址数据结构中的单个元素。在软件编程过程中，可以定义一个结构体数组以实现对象字典。

2 CANopen节点的硬件设计

CANopen协议从站硬件的核心是一片MICROCHIP公司生产的dsPIC30F4011芯片，该芯片具有24位宽的指令，16位宽的数据总线，48K的程序存储空间，2K的RAM，1K的EEPROM，带有17位＊17位的硬件乘法器，性能优越，可满足高频率、高精度的要求。此外，dsPIC30F4011外设的功能丰富，带有QEI模块、PWM模块、A／D模块，以及UART，SPI，I2C，CAN等通信接口。

硬件设计分为3个部分：CAN通信模块、CPU控制、外围I／O。控制器模块和CAN总线收发器之间使用高速光耦进行光电隔离，避免了模块之间的相互干扰，具有良好的电磁兼容性。CANopen节点硬件框图如图2所示。

dsPIC30F4011片内外设含2个CAN控制器模块，实现了CAN2.0A／B协议。设置C1NTE中断使能寄存器的值，可使能或屏蔽相应中断，并通过读取C1INTF中断标志寄存器的值来判断当前中断的中断源。

PCA82C25对CAN总线提供差动发送、差动接收功能，是CAN协议控制器和物理总线的接口。PCA82C250完全符合“ISO11898”标准，最高速达1Mbps，具有抗瞬间干扰和热保护的能力，可连接110个节点。有3种工作模式可供选择：高速、待机、斜率控制。

使用3个旋转拨码开关对CAN总线的波特率和CANopen从站的节点地址进行设置；使用2个LED灯指示CANopen从站的运行状态和错误警报。预留QEI模块、PWM模块、AD模块等I／O。

图2 CANopen节点硬件框图

3 CANopen节点的软件设计

软件设计分为CANopen通讯对象的定义、对象字典的创建以及设备子协议3个部分软件实现。节点标识符分配采用CANopen的预定义连接集。每个对象的标识符有两部分组成：功能码和节点ID。

3.1 节点的通信对象说明

CANopen节点通信对象见表1。

表1 CANopen节点通信对象

设置节点地址，发送的对象标识符为：功能码＋节点ID。节点地址的范围为1～127，下面以节点地址06进行说明。NMT对象为主站发送的网络管理命令000H；SYNC对象标识符为080H，当从站收到一个SYNC报文时，发送一个同步报文；TPOD1对象的标识符为（180＋6）H，发送报文的内容为实时数据；RPDO1对象标识符为（200＋6）H，用于接受实时数据。SDO对象采用服务器／客户的通信模式，分为加速传输和分段传输两种传输机制。一个客户的请求一定有来自服务器的应答，例如，如果想访问地址为06这个节点的对象字典，那么访问的节点就是一个客户，标识符为600＋节点地址，06节点做为一个服务器，标识符为（580＋6）H；EMCY对象为紧急对象，在节点发生错误时发送紧急报文，紧急报文包含了错误代码和错误信息，标识符为（080＋6）H；除此之外，还有一个NMT错误控制对象，它通过发送心跳报文来报告节点所处的状态，标识符为（700＋6）H。

3.2 对象字典的实现

对象字典的有关范围在0x1000～0x9FFF之间，索引值低于0x0FFF的范围仅仅是一些数据类型的定义。对象字典描述了节点设备和它的网络行为的所有参数。一个节点的对象字典是在电子数据文档（EDS）中或记录在纸上。一个标准的对象字典实体的格式如下［3］：

索引 子索引 对象 名称 类型 属性 访问类型

不同设备对象字典的定义是不同的，DS301对通讯部分的对象字典做了详细的说明，有些实体的定义是强制性的。对象字典大体分为3个部分：

1）通讯子协议区（0x1000～0x1FFF），描述了设备的类型、错误寄存器、支持PDO参数等。对于不同的设备子协议来说，其定义的PDO数量可能是不同的。

2）制造商特定子协议区（0x2000～0x5FFF），设备的制造商可以自行定义所需的实体。

3）标准的设备子协议区（0x6000～0x9FFF），实体的定义必须符合标准的设备子协议，如符合DS401，DS406等。

程序中对象字典可通过一个结构体数组实现，储存在单片机的非易失性存储器中。具体形式为：

其中，pData的值为EEPROM的地址，对象字典的实体数据值存放在EEPROM中。

以设备子协议DS401为例说明对象字典的建立：首先对对象字典中的内容在头文件中进行预定义，例如属性、实体内容。

索引为0x1A00H中映射PDO参数预定义：

这样在对象字典实体的定义中，可用相应的预定义的名称代替属性代码和数据值。

定义实体的具体格式为：

PDO1通信参数设置见表2［4］。

表2 PDO1通信参数设置

其在程序中的实体定义为：

PDO1映射参数设置见表3。

表3 PDO1映射参数设置

3.3 程序流程

程序分为3个部分：初始化、主程序、中断。具体流程如图3所示。

图3 CANopen节点流程

程序的初始化包括单片机硬件模块的初始化、用户程序的初始化设置、复位通信节点、中断的初始化设置。主程序包括外围接口的检测，节点地址和波特率的输入，判断节点工作状态，数据的采集和发送流程［5］。

初始化完成后程序发送一个BOOT-UP报文，并进入预操作状态，当收到NMT主站命令后进入操作状态。报文的接收和发送是通过中断进行的，当CAN模块接收到报文后即产生接收中断，程序根据报文的标识符来判断接收到报文的对象种类，进行报文长度和数据的错误检测，然后，复制到相应的接收数字中并置位接收报文的标志位［6］。当有新报文发送而CAN模块正被占用时，新报文会被存入发送缓冲数组并置位新标志位和新报文计数器，当前报文发送完后即进入发送中断，程序检查新报文标志位并将计数器减1，随后进行报文发送直到计数器为0。

PDO报文和心跳报文是以事件触发模式发送的，事件为1s定时发送，定时器设置为1ms中断，每次中断后计数器加1，当计数器计满1 000个数后进行PDO报文和心跳报文的发送［7－8］。

3.4 试验验证

搭建CAN总线网络，上位机由一台PCICAN卡实现，通过软件实现数据的收发试验，搭建实验板，对PIC单片机进行在线调试，对单片机端口的I／O量进行传送，结果见表4［4］。

表4 节点传输数据

节点在上电后进入预操作状态，心跳报文发送的状态代码为0x7F。从站接收NMT，主站发送网络控制命令，进入操作状态，进行PDO报文的发送，心跳报文显示了节点工作在操作状态。

4 结 语

文中针对分布式网络系统，应用高性能的16位PIC单片机实现了一种CANopen协议的从站节点，具有较高的可靠性和通用性。试验结果表明，系统传输的数据精确、有效，有较强的抗干扰性，并且降低了系统成本，易于实现调试和扩展。此外，CANopen从站有利于国内自主开发智能型从站设备。

［1］ 饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003：379-403.

［2］ 梁涛，张江涛，孙鹤旭，等.CANOPEN总线智能多路温度采集从站的研制［J］.仪表技术与传感器，2009（10）：61-63.

［3］ Ci A.CANopen：Application layer and communication profile［Z］.DraftDtandard 301，2002.

［4］ Ci A.CANopen：Device Profile for Generic I／O Modules［Z］.CiA Draft Standard 401，2002.

［5］ 孙树文，杨建武，张慧慧，等.基于CANopen协议的分布式控制系统I／O从站设计［J］.计算机测量与控制，2007，15（12）：1706-1707.

［6］ 刘永木，李慧，付志勇.CAN总线系统节点模块的一种设计［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2002，23（3）：16-18.

［7］ 李秋菊，田秋艳.基于CAN总线的车身控制系统设计［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2008，29（2）：226-229.

［8］ 戴宏亮.基于CAN总线的实时数据采集系统［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2003，24（4）：53-55.