基于dsPIC30F4011單片機實現的CANopen協議

賈文超， 王競恒， 劉柏松， 張 嘉

（1.長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012；2.長春天然氣有限責任公司，吉林長春 130033）

0 引 言

CANopen是CAN總線通信模型中的應用層協議。其可靠性、實時性、抗干擾性、容錯性等多方面優勢明顯，CAN總線和CANopen協議已經成為汽車工業、工廠自動化、分布式控制系統等眾多領域的應用標準［1］。CANopen協議定義了完備的設備模型，包括標準的通信協議、對象字典和設備應用子協議。其中，通信協議遵循CiA DS301協議，針對不同的設備CANopen制定了不同設備的應用子協議。這些子協議已經得到廣泛的認可并成為行業規范。CANopen完備的體系結構保證了不同廠商產品之間互聯的兼容性。

CANopen包括3個主要組成部分：通信模型（Communication）、對象字典（Object Dictionary）和設備子協議。文中對CANopen協議的各部分進行了詳細的分析，重點講述利用dsPIC30F4011單片機建立符合CANopen協議的從站節點，通過試驗對數據進行分析和驗證［2］。

1 CANopen協議簡介

在CANopen協議推出之前，歐洲公司推出了一個名為CAL的CAN總線高層協議。CAL定義了4種CAN總線應用層功能：CMS（基于CAN的報文應用），NMT（網絡控制），DBT（動態分配），LMT（層參數管理）。由于CAL對CMS對象的內容沒有進行規定，而CANAopen對其進行了定義。CANopen基于CAL的架構應用了CAL通訊和服務協議的子集。

CANopen網絡遵循主從結構（masterslave），系統有且只有一個NMT主站，NMT主站對所有的從站進行狀態控制。一條CAN總線上最多可有128個節點，其中0號地址節點為NMT主站，其余為NMT的從站，不同設備可通過CAN總線進行組網。CANopen設備模型如圖1所示［3］。

圖1 定位系統結構圖

CANopen通信協議遵循DS301標準，每一個節點都有一個狀態機，NMT主站可通過發送相應對象的報文使從站工作在不同的狀態，節點也可在特殊情況下進行狀態的轉換。在應用層面上不同的節點之間以發送通信對象的方式實現通信，主要的通信對象有NMT，PDO，SDO和特殊功能對象。其中PDO用于實時的數據傳遞，SDO用于訪問對象字典，NMT用于發送主站管理命令。

對象字典（OD：Object Dictionary）是CANopen的核心，不同的設備其對象字典的定義是不同的。實際上，OD是一個有序的對象組：對象用一個16位的索引進行尋址，同時，每個索引使用一個8位的子索引來尋址數據結構中的單個元素。在軟件編程過程中，可以定義一個結構體數組以實現對象字典。

2 CANopen節點的硬件設計

CANopen協議從站硬件的核心是一片MICROCHIP公司生產的dsPIC30F4011芯片，該芯片具有24位寬的指令，16位寬的數據總線，48K的程序存儲空間，2K的RAM，1K的EEPROM，帶有17位＊17位的硬件乘法器，性能優越，可滿足高頻率、高精度的要求。此外，dsPIC30F4011外設的功能豐富，帶有QEI模塊、PWM模塊、A／D模塊，以及UART，SPI，I2C，CAN等通信接口。

硬件設計分為3個部分：CAN通信模塊、CPU控制、外圍I／O。控制器模塊和CAN總線收發器之間使用高速光耦進行光電隔離，避免了模塊之間的相互干擾，具有良好的電磁兼容性。CANopen節點硬件框圖如圖2所示。

dsPIC30F4011片內外設含2個CAN控制器模塊，實現了CAN2.0A／B協議。設置C1NTE中斷使能寄存器的值，可使能或屏蔽相應中斷，并通過讀取C1INTF中斷標志寄存器的值來判斷當前中斷的中斷源。

PCA82C25對CAN總線提供差動發送、差動接收功能，是CAN協議控制器和物理總線的接口。PCA82C250完全符合“ISO11898”標準，最高速達1Mbps，具有抗瞬間干擾和熱保護的能力，可連接110個節點。有3種工作模式可供選擇：高速、待機、斜率控制。

使用3個旋轉撥碼開關對CAN總線的波特率和CANopen從站的節點地址進行設置；使用2個LED燈指示CANopen從站的運行狀態和錯誤警報。預留QEI模塊、PWM模塊、AD模塊等I／O。

圖2 CANopen節點硬件框圖

3 CANopen節點的軟件設計

軟件設計分為CANopen通訊對象的定義、對象字典的創建以及設備子協議3個部分軟件實現。節點標識符分配采用CANopen的預定義連接集。每個對象的標識符有兩部分組成：功能碼和節點ID。

3.1 節點的通信對象說明

CANopen節點通信對象見表1。

表1 CANopen節點通信對象

設置節點地址，發送的對象標識符為：功能碼＋節點ID。節點地址的范圍為1～127，下面以節點地址06進行說明。NMT對象為主站發送的網絡管理命令000H；SYNC對象標識符為080H，當從站收到一個SYNC報文時，發送一個同步報文；TPOD1對象的標識符為（180＋6）H，發送報文的內容為實時數據；RPDO1對象標識符為（200＋6）H，用于接受實時數據。SDO對象采用服務器／客戶的通信模式，分為加速傳輸和分段傳輸兩種傳輸機制。一個客戶的請求一定有來自服務器的應答，例如，如果想訪問地址為06這個節點的對象字典，那么訪問的節點就是一個客戶，標識符為600＋節點地址，06節點做為一個服務器，標識符為（580＋6）H；EMCY對象為緊急對象，在節點發生錯誤時發送緊急報文，緊急報文包含了錯誤代碼和錯誤信息，標識符為（080＋6）H；除此之外，還有一個NMT錯誤控制對象，它通過發送心跳報文來報告節點所處的狀態，標識符為（700＋6）H。

3.2 對象字典的實現

對象字典的有關范圍在0x1000～0x9FFF之間，索引值低于0x0FFF的范圍僅僅是一些數據類型的定義。對象字典描述了節點設備和它的網絡行為的所有參數。一個節點的對象字典是在電子數據文檔（EDS）中或記錄在紙上。一個標準的對象字典實體的格式如下［3］：

索引 子索引 對象 名稱 類型 屬性 訪問類型

不同設備對象字典的定義是不同的，DS301對通訊部分的對象字典做了詳細的說明，有些實體的定義是強制性的。對象字典大體分為3個部分：

1）通訊子協議區（0x1000～0x1FFF），描述了設備的類型、錯誤寄存器、支持PDO參數等。對于不同的設備子協議來說，其定義的PDO數量可能是不同的。

2）制造商特定子協議區（0x2000～0x5FFF），設備的制造商可以自行定義所需的實體。

3）標準的設備子協議區（0x6000～0x9FFF），實體的定義必須符合標準的設備子協議，如符合DS401，DS406等。

程序中對象字典可通過一個結構體數組實現，儲存在單片機的非易失性存儲器中。具體形式為：

其中，pData的值為EEPROM的地址，對象字典的實體數據值存放在EEPROM中。

以設備子協議DS401為例說明對象字典的建立：首先對對象字典中的內容在頭文件中進行預定義，例如屬性、實體內容。

索引為0x1A00H中映射PDO參數預定義：

這樣在對象字典實體的定義中，可用相應的預定義的名稱代替屬性代碼和數據值。

定義實體的具體格式為：

PDO1通信參數設置見表2［4］。

表2 PDO1通信參數設置

其在程序中的實體定義為：

PDO1映射參數設置見表3。

表3 PDO1映射參數設置

3.3 程序流程

程序分為3個部分：初始化、主程序、中斷。具體流程如圖3所示。

圖3 CANopen節點流程

程序的初始化包括單片機硬件模塊的初始化、用戶程序的初始化設置、復位通信節點、中斷的初始化設置。主程序包括外圍接口的檢測，節點地址和波特率的輸入，判斷節點工作狀態，數據的采集和發送流程［5］。

初始化完成后程序發送一個BOOT-UP報文，并進入預操作狀態，當收到NMT主站命令后進入操作狀態。報文的接收和發送是通過中斷進行的，當CAN模塊接收到報文后即產生接收中斷，程序根據報文的標識符來判斷接收到報文的對象種類，進行報文長度和數據的錯誤檢測，然后，復制到相應的接收數字中并置位接收報文的標志位［6］。當有新報文發送而CAN模塊正被占用時，新報文會被存入發送緩沖數組并置位新標志位和新報文計數器，當前報文發送完后即進入發送中斷，程序檢查新報文標志位并將計數器減1，隨后進行報文發送直到計數器為0。

PDO報文和心跳報文是以事件觸發模式發送的，事件為1s定時發送，定時器設置為1ms中斷，每次中斷后計數器加1，當計數器計滿1 000個數后進行PDO報文和心跳報文的發送［7－8］。

3.4 試驗驗證

搭建CAN總線網絡，上位機由一臺PCICAN卡實現，通過軟件實現數據的收發試驗，搭建實驗板，對PIC單片機進行在線調試，對單片機端口的I／O量進行傳送，結果見表4［4］。

表4 節點傳輸數據

節點在上電后進入預操作狀態，心跳報文發送的狀態代碼為0x7F。從站接收NMT，主站發送網絡控制命令，進入操作狀態，進行PDO報文的發送，心跳報文顯示了節點工作在操作狀態。

4 結 語

文中針對分布式網絡系統，應用高性能的16位PIC單片機實現了一種CANopen協議的從站節點，具有較高的可靠性和通用性。試驗結果表明，系統傳輸的數據精確、有效，有較強的抗干擾性，并且降低了系統成本，易于實現調試和擴展。此外，CANopen從站有利于國內自主開發智能型從站設備。

［1］ 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003：379-403.

［2］ 梁濤，張江濤，孫鶴旭，等.CANOPEN總線智能多路溫度采集從站的研制［J］.儀表技術與傳感器，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］ 孫樹文，楊建武，張慧慧，等.基于CANopen協議的分布式控制系統I／O從站設計［J］.計算機測量與控制，2007，15（12）：1706-1707.

［6］ 劉永木，李慧，付志勇.CAN總線系統節點模塊的一種設計［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2002，23（3）：16-18.

［7］ 李秋菊，田秋艷.基于CAN總線的車身控制系統設計［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2008，29（2）：226-229.

［8］ 戴宏亮.基于CAN總線的實時數據采集系統［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2003，24（4）：53-55.