夏勇，葉曉東，趙江海

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164;2.南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

CAN即控制器局域網(wǎng)，是一種多主總線，被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]。CAN協(xié)議一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，取而代之的是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼[2]。CANopen是CAN網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用層協(xié)議，是開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，是目前應(yīng)用最廣泛的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。CANopen建立在CAN的數(shù)據(jù)鏈路層之上，除了對(duì)應(yīng)層規(guī)范(DS 301)進(jìn)行定義外，CANopen還專門為不同的接口設(shè)備應(yīng)用子協(xié)議定義了行規(guī)(DSP4)，其中CiA 402是針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置和運(yùn)動(dòng)控制裝置的設(shè)備規(guī)范。本文正是針對(duì)CANopen在伺服上的運(yùn)用展開(kāi)的。

1 CANopen協(xié)議簡(jiǎn)析

CANopen協(xié)議包括對(duì)象字典(Object Dictionary，OD)、通信模型和設(shè)備模型三大部分，設(shè)備對(duì)象字典是中心概念[3]253。

1.1 設(shè)備模型

CANopen設(shè)備如圖1所示，可以視作為一個(gè)抽象設(shè)備，一邊接CAN總線，另一邊接應(yīng)用設(shè)備的I/O數(shù)據(jù)端口。應(yīng)用部分設(shè)備制造商已經(jīng)提供了相關(guān)設(shè)備規(guī)范。為了訪問(wèn)CANopen設(shè)備的對(duì)象字典，必須實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議棧的相關(guān)功能[3]260。

圖1 CANopen設(shè)備模型

1.2 對(duì)象字典

每個(gè)設(shè)備都擁有一個(gè)對(duì)象字典，對(duì)象字典提供了完全訪問(wèn)應(yīng)用程序的途徑，提供了設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信參數(shù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)和參數(shù)配置。對(duì)象字典中常用索引:1000－1FFF，對(duì)應(yīng)的對(duì)象為通訊子協(xié)議區(qū)域(如設(shè)備類型，錯(cuò)誤寄存器，支持的PDO數(shù)量);索引:6000－9FFF，對(duì)應(yīng)的對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備子協(xié)議區(qū)域(例如“DSP－402運(yùn)動(dòng)控制裝置的設(shè)備規(guī)范”中的控制字、速度、位置等)。

1.3 CANopen 通訊模型

CANopen通訊模型定義了4種通訊對(duì)象:管理消息、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象、預(yù)定義的消息或者特殊功能對(duì)象[4]。值得注意的是對(duì)象字典中對(duì)象的訪問(wèn)是使用對(duì)象字典索引和子索引，通訊對(duì)象或者消息的訪問(wèn)是通過(guò) COB－ID。COB－ID本質(zhì)上還是標(biāo)識(shí)符(CAN－ID)，它只是被規(guī)劃了特殊的含義。

1.3.1 服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(Service Data Object，SDO)

SDO用來(lái)訪問(wèn)一個(gè)設(shè)備的對(duì)象字典。訪問(wèn)者被稱作客戶(client)，被訪問(wèn)且提供所請(qǐng)求的設(shè)備稱作服務(wù)器(Server)。SDO是以Server的角度去理解的，從服務(wù)器上獲得數(shù)據(jù)叫做上傳，往服務(wù)器上寫數(shù)據(jù)叫做下載。SDO主要用于一些實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)，一般用來(lái)配置和獲得節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。

1.3.2 過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(Process Data Object，PDO)

PDO用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每個(gè)PDO在對(duì)象字典中用PDO通訊參數(shù)和PDO映射參數(shù)這2個(gè)對(duì)象描述。

通俗的講，PDO只是一個(gè)載體，它里面裝載什么對(duì)象是可以配置的，這些都是由PDO映射來(lái)完成。PDO映射用來(lái)把指定的對(duì)象字典裝進(jìn)PDO，或者從接收的PDO中將數(shù)據(jù)放到配置的對(duì)象中。

PDO分為TPDO和RPDO，但都是針對(duì)從站來(lái)說(shuō)的。TPDO:主站←從站;RPDO:主站→從站。

1.3.3 管理消息(Network Management，NMT)

管理消息包括 Boot－ up 消息，Heartbeat協(xié)議以及 NMT[3]254。

CANopen狀態(tài)機(jī)定義了初始化狀態(tài)，就緒狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。上電后每個(gè)CANopen節(jié)點(diǎn)處于初始化狀態(tài)，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，并發(fā)出Boot-up消息通知NMT主節(jié)點(diǎn)已經(jīng)到就緒狀態(tài)。在就緒狀態(tài)SDO傳輸是允許的。主節(jié)點(diǎn)發(fā)送NMT消息啟動(dòng)從節(jié)點(diǎn)后，從節(jié)點(diǎn)就可以傳輸和發(fā)送PDO了。在停止?fàn)顟B(tài)，除了NMT消息外不允許傳輸和接收其他消息。

2 CANopen協(xié)議在伺服控制中的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由上位機(jī)，USBCAN－2A，Accelnet伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

上位機(jī)和CAN卡構(gòu)成CANopen主站，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)路的監(jiān)控和管理，監(jiān)控伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并將上位機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃之后的運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送給伺服。伺服系統(tǒng)構(gòu)成從站，從站主要是執(zhí)行主站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并將必要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)返回給主站進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)決策。

2.1 實(shí)現(xiàn)方法

主站開(kāi)發(fā)環(huán)境選用 VC6.0，主要實(shí)現(xiàn)兩部分內(nèi)容:1)實(shí)現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)通信;2)實(shí)現(xiàn)CANopen數(shù)據(jù)幀的解析。前者的實(shí)現(xiàn)主要是調(diào)用USBCAN－2A的接口函數(shù)庫(kù)，先打開(kāi)CAN設(shè)備，然后對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，之后啟動(dòng)CAN卡，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，函數(shù)調(diào)用流程如圖3所示。

后者的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)CAN數(shù)據(jù)幀的解析，這里的數(shù)據(jù)幀主要就是CANopen通訊模型定義的4種通訊對(duì)象。

對(duì)象字典中每個(gè)對(duì)象采用一個(gè)16位的索引值來(lái)尋址，為了允許訪問(wèn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素，同時(shí)定義了一個(gè)8位的子索引[3]253。對(duì)象字典可用 SDO直接進(jìn)行讀寫，也可以配置到 PDO映射中進(jìn)行讀寫。

圖4為SDO的使用方法。以上傳和下載伺服控制器中參數(shù)目標(biāo)速度為例，對(duì)象字典索引為60FF，子索引為00，大小為4字節(jié)，值為0x3E8。對(duì)應(yīng)的SDO操作信息如圖4所示。

圖3 接口庫(kù)函數(shù)使用流程

圖4 SDO的上傳和下載

返回的SDO命令字為80時(shí)為錯(cuò)誤，具體的錯(cuò)誤內(nèi)容可參見(jiàn)SDO錯(cuò)誤碼。加速傳送機(jī)制，最多傳送4字節(jié)數(shù)據(jù)。大于4字節(jié)接著的數(shù)據(jù)都運(yùn)用分段傳送結(jié)構(gòu)為SDO命令字+最多7字節(jié)數(shù)據(jù)[5]，多個(gè)分段只由1個(gè)確認(rèn)報(bào)文應(yīng)答以增加總線吞吐量。

圖5為Copley伺服驅(qū)動(dòng)器PDO配置方法。通訊參數(shù)和映射內(nèi)容為預(yù)定義，可以用 SDO進(jìn)行讀取驗(yàn)證，配置RPDO映射與TPDO類似，以TPDO2，Node－ID等于2為例，配置TPDO步驟如圖5所示。

實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，PDO傳輸類型常用的是:

(1)同步傳輸:在收到一個(gè)或者多個(gè)SYNC消息后觸發(fā)PDO發(fā)送[6]。

(2)定時(shí)發(fā)送:有別于SYNC，它是節(jié)點(diǎn)本身定時(shí)發(fā)送，通過(guò)設(shè)置通訊參數(shù)eventtime來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，并不是所有設(shè)備都支持這項(xiàng)服務(wù)。

(3)事件觸發(fā):當(dāng)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)時(shí)間發(fā)生觸發(fā)的一次數(shù)據(jù)發(fā)送，該方式是實(shí)時(shí)性最好的一種傳輸方式。

2.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中以伺服的兩種位置模式為例，驗(yàn)證CANopen協(xié)議在伺服上的運(yùn)用。上位機(jī)以SDO方式發(fā)送運(yùn)動(dòng)參數(shù)，啟動(dòng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，配置控制字來(lái)啟動(dòng)停止，控制界面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定周期地發(fā)送SDO查詢實(shí)時(shí)位置，速度和電流等。若使用PDO方式，必須先啟動(dòng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置相關(guān)通訊參數(shù)。伺服調(diào)試的控制界面如圖6所示。

圖5 TPDO配置

圖6 伺服調(diào)試的控制界面

離散位置模式經(jīng)過(guò)計(jì)算設(shè)定的參數(shù)是:梯形模式，目標(biāo)位置:36 000 Counts，配置最大速度:3 000 r/min，最大加速度:1 000 r/s2，最大減速度:500 r/s2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正確，伺服有較好的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中1表示目標(biāo)位置，2表示配置的速度曲線，3表示實(shí)時(shí)速度曲線，4線表示實(shí)時(shí)位置。

圖7 離散位置模式曲線

為觀測(cè)伺服對(duì)CANopen協(xié)議的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，又實(shí)驗(yàn)了連續(xù)位置模式，通過(guò)計(jì)算設(shè)定的參數(shù)是:梯形模式，起始最大加速度:1 000 r/s2。最大速度:3 000 r/min。第二段最大加速度為333.33 r/s2。最大速度:4 000 r/min。最大減速度:1 333.33 r/s2。最終位置124 633 Counts。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，曲線顏色分配同上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送無(wú)誤，伺服能按照計(jì)算的模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。最終位置由于上位機(jī)定時(shí)器的不精確有少量的偏差。

圖8 連續(xù)位置模式

3 結(jié)束語(yǔ)

CANopen面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，協(xié)議公開(kāi)透明，便于理解和開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，在多軸運(yùn)動(dòng)控制上是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方法。

本文利用CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)了由上位機(jī)和USBCAN－2A組成的主站與從站數(shù)字伺服之間的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了CANopen協(xié)議在伺服控制上的可行性和較高的可靠性。同時(shí)，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試為基于CANopen協(xié)議多電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

[1]宋海亮 CAN總線的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)[J].應(yīng)用科學(xué)，2010(8):6－8.

[2]左永文.CAN總線通訊在汽車電子控制系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012(4):92－93.

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[6]CAN in Automation.Device Profile Drivers and Motion Control[S].CiA Draft Standard Proposal 402，Version 2.0，2005(3).