（信号与信息处理专业论文）基于canopen的嵌入式下位系统研究.pdf

基于c a n o p e n 的嵌入式下位系统研究 摘要 本文首先分析了c a n 总线及c a n o p e n 协议，提出了一种在内置c a n 控制器的3 2 位微控制器上实现监控系统中的智能c a n o p e n 从节点的软硬件解决方案。论文完成了 具有c a n 总线通讯功能的智能从节点模块的硬件设计，节点具有温度测量和电机控制 两种功能。详细分析了s t m 3 2 f 1 0 3 c 8 t 6 内置c a n 控制器的工作原理，将实时多任务 操作系统p c o s i i 移植到s t m 3 2 平台上，并实现模块化软件设计，对c a n 报文实现收 发，把c a n o p e n 各通信对象及主要模块进行了接口函数的标准化封装，论文中给出了 软硬件设计的详细电路图和程序流程图。 c a n o p e n 智能从节点的设计实现了将现场的温度变化数据发送到c a n 总线上，接 收来主节点的控制和管理命令，驱动电机进行执行，充分发挥c a n o p e n 对象字典的优 势，实现了主节点对智能从节点的在线灵活配置。 最后通过c a n o p e n 测试软件对智能从节点模块，在具体应用环境下进行了实际测 试，验证了论文提出方案的可行性。测试结果表明模块的c a n o p e n 通讯对象在c a n 总 线上数据传输高效，可靠，封装和解析准确，达到了预期的效果，具有很好的推广应用 价值，验证了论文提出方案的可行性。 关键词：现场总线；c a n o p e m 嵌入式；移植 基于c a n o p e n 的嵌入式下位系统研究 a bs t r a c t t l l i sp a p e ra n a l y z e st h ec a nb u sa n dc a n o p e np r o t o c o lf i r s t , p r o p o s i n gah a r d w a r ea n d s o f t w a r es o l u t i o n sw h i c hc a ni m p l e m e n tt h ei n t e l l i g e n tc a n o p e ns l a v en o d e si ns u r v e i l l a n c e s y s t e mb yt h e3 2 - b i tm i c r o c o n t r o l l e rt h a tb u i l t i nc a nc o n t r o l l e r n ep a p e rc o m p l e t e st h e h a r d w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n ts l a v en o d em o d u l ew h i c hi m p l e m e n tt h ec a n b u sc o m m u n i c a t i o nw i t hn o d e s b e i n g d i v i d e di n t ot w o t y p e s f u n c t i o n s ： t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dm o t o rc o n t r 0 1 n l ep a p e ra l s oa n a l y s i si nd e t a i lt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ec a nc o n t r o l l e rt h a tb u i l d i ns t m 3 2 f 1 0 3 c 8 t 6 t r a n s p l a n t i n gt h er e a l t i m e m u l t i t a s k i n go p e r a t i n g s y s t e mj t c o s - i i i n t os t m 3 2 p l a t f o r m a n d i m p l e m e n t i n g m o d u l a rs o f t w a r ed e s i g nw h i c he n a b l ei tt os e n da n dr e c e i v em e s s a g e sf r o mc a nb u s b e s i d e s ，t h ep a p e rg i v e sas t a n d a r dp a c k a g i n gt o t h ei n t e r f a c ef u n c t i o n so fa l lt h e c o m m u n i c a t i o no b j e c t so f c a n o p e na n d t h em a i nm o d u l e s p r o g r a mf l o wc h a r ta n d d e t a i l e dc i r c u i to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nh a v eb e e ns h o w ni nt h i sp a p e r 1 1 1 e d e s i g no fc a n o p e ni n t e l l i g e n ts l a v en o d eg i v e sf u l lp l a y t ot h ea d v a n t a g e o fc a n o p e no b j e c td i c t i o n a r yw h i c hr e a l i z e st h ef u n c t i o n so fs e n d i n gt h es c e n et e m p e r a t u r e d a t at ot h ec a nb u sa n dr e c e i v i n gt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tc o m m a n d sf r o mt h em a s t e r n o d et od r i v et h em o t o rt op e r f o r m ，r e a l i z i n go n l i n ec o n f i g u r a t i o nf r o mm a s t e rn o d et o i n t e l l i g e n ts l a v en o d e s f i n a l l y ，t h r o u g ha na c t u a lt e s to nt h ei n t e l l i g e n ts l a v en o d e m o d u l ei ns p e c i f i ca p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t sb yt h ec a n o p e ns o f t w a r eu s e df o rt e s t i r i g ，w eh a sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t y o ft h e p r o p o s a lg i v e n i nt h i sp a p e r 刃 er e s u l to ft h et e s t s h o w st h a t c a n o p e nc o m m u n i c a t i o no b j e c t so ft h em o d u l eh a v ea ne 伍c i e n t ，r e l i a b l e a c c u r a t ea n d a n a l y t i c a lp a c k a g ei nd a t at r a n s m i s s i o no nt h ec a nb u s w h i c ha c h i e v e st h ee x p e c t e d r e s u l t s i th a sag o o dp r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fv a l u ea n dh a sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s a lg w e nm t l a i sp a p e r k e y w o r d s ： f i e l d b u s ，c a n o p e n , e m b e d d e d ，t r a n s p l a n t 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 c a n 协议是发展较早的简单的协议，常在网络节点数量比较少的小规模系统中应 用。它的特点是只定义了物理层和数据链路层，因小负荷工作的网络中传输的信息较少， 不会发生网络拥塞的情况，一般可以使用多主发送模式，如果在有针对性定义每个节点 所发送信息帧的高低优先级，在上位应用中对应做处理，就可以设计完成一个具有实际 应用价值的c a n 应用系统了。这样的系统结构比较简单，并且没有复杂的上层协议， 很容易实现并有效控制系统成本。但是因为采用的不是通用上层协议，与其他系统兼容 性较差。 在上世纪9 0 年代初，欧洲筹建成立了一个用户组织，将c a n 总线进行方案整合， 实现标准化。这个组织就是c a ( c a ni na u t o m a t i o n ) ，它在1 9 9 2 年5 月正式成立。c i a 发表的第一份技术杂志是在其成立几个星期以后，主要内容是关于物理层的，c i a 推荐 c a n 收发器必须遵循i s 0 11 8 9 8 标准。随后c i a 的首要任务之就是尽快制定c a n 总线 的应用层协议。 在1 9 9 3 年，由b o s c h 领导的欧洲协会制定和研究出一个c a n 应用层原型，并由此 发展成为现在的c a n o p e n 。这个协议是一个基于c a l 的子协议，主要在内部网络控 制产品部件的应用中使用。这个协议在理论方面主要由g e r h a r dg r u h l c 博士和 m o h a m m e d f a r s i 负责完成。在项目完成之后，c a n o p e n 规范就正式移交给c i a 组织， 由其进行后续的维护与发展。2 年后，c i a 正式发表了完整版的c a n o p e n 通讯子协议， 随后的5 年，c a n o p c n 协议发展迅速，到2 0 0 0 年时，它己成为欧洲最重要的嵌入式网 络标准之一。c a n o p e n 的特点是在定义了应用层和通讯子协议的同时，又定义了页状 态，可以在可编程器件和接口中应用，从而在工业领域得到了飞速发展( 如：医疗、海 事、办公等系统) 。 c a n o p e n 在欧美得到广泛的应用。尤其是在欧洲，比如德国和瑞士，许多地铁、 轻铁的生产商把c a n o p e n 协议应用在它们的车辆内部控制上；在欧洲的一些工厂自动 化系统也是以c a n o p e n 协议作为核心来设计的，例如无人驾驶的天车运输系统、集成 电路生产系统等：在一些中，c a n o p c n 协议也经常用在海运电子系统的发动机控制、 发电机组的控制、电力管理以及泵和阀的控制等；c a n o p e n 的最重要的应用领域还是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 在工业设备的嵌入式控制系统中，在许多大型系统中，如印刷机、包装机、木材加工机 以及流水线机器人等内部已经实现了c a n o p e n 嵌入式网络；此外，在日常医疗设备和 日常生活电子系统中，c a n o p e n 也有较广泛的应用。 由于c a n o p e n 总线发展比较新，c a n o p e n 的研究在我国起步较晚，刚刚开始对 c a n o p e n 协议进行研究，研究的深度和广度远远落后欧美，远远不能满足对c a n o p e n 协议的需求，这与c a n 总线在我国应用和发展已有的基础不相协调，因此极大的限制 了c a n 总线的进一步推广。目前我国只有很少的公司在进c a n o p e n 从站的开发， c a n o p e n 的产品就更少，大多都处于研究阶段。近年来，我国工业现场网络化进程发 展需求快速增加，但此类产品以及有关应用较少，国内企业现有的少数应用，较多的是 采取直接购买国外成套设备的方式，用以提高开发效率，缩短开发周期和和减少成本。 对于c a n o p e n 主节点的开发在我国更是一片空白。 c a n o p e n 协议的特点就是开放性，其它应用协议可以在c a n o p e n 协议的基础上， 根据实际需求定义相关行业应用的子协议，这样既可以充分利用c a n o p e n 协议已有的 优势，又能根据实际应用对协议进行特性设计，并且设计出来的控制网络仍然可以与其 它符合c a n o p e n 协议规范的系统进行通讯。在c a n o p e n 协议的框架下，设计出种类繁 多的嵌入式网络控制系统，能够大大的提高系统的生产效率，提高设备的控制精度。因 此，在理论或实践上对c a n o p e n 协议的研究应用都具有重要的意义和价值。本课题的 研究就是在这样的背景下，开发具有通用特性的c a n o p e n 从站模块。 1 2 现场总线技术现状 近年来，计算机通信、网络和工业控制等技术的发展迅速，信息的交换的领域已快 速覆盖了从设备到控制和管理的每个层面，覆盖了工厂的现场和市场。信息技术的高速 发展，已经引起了自动控制系统的巨大变革，目前正在逐步形成以网络为基础，集成自 动控制系统和信息管理技术的企业信息系统。现场总线技术( f i e l d b u s ) 就是在这一时 期快速发展起来的高新技术。 从1 9 8 0 年以后，有几种具有各自的特点的现场总线技术在一些特定应用领域显示 了各自的优势，并逐渐形成影响，具有较强的生命力1 2 】。 基金会现场总线f f 技术( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 在过程自动化领域发展迅速，并得 到了广泛的支持并且具有良好发展前景。按照传输速率划分，该总线有高速和低速两种 类型。高速类型的传输速率可设为1 0 0 m b s 和2 5 m b s ，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。 2 第1 章绪论 低速类型的传输速率为3 1 2 5 k b s ，传输距离较远，最远可以达到1 9 0 0 m 。总线物理上 最多可分为6 5 0 0 0 个段，每段最多可以有2 4 0 个节点，最大允许报文长度为1 2 8 比特， 采用曼彻斯特编码信号。 p r o f i b u s 是一种综合现场总线标准，它集合了欧洲标准e n 5 0 1 7 0 和德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 ，在物料输送机械、大型装备和过程控制中得到了较多的应用。传输速率为 9 6 k b s - 1 2 m b s ，传输距离在l o o m - 2 4 k m 。其传输介质可以是双绞线或者光缆。最多可 以挂接1 2 7 个站点。 c a n 由德国著名的b o s c h 公司提出，其总线规范现已被国际标准化组织( i s 0 ) 承 认，并指定为国际标准，在汽车内部测量系统与执行机构之间通信领域得到了广泛的应 用。同时，它又得到了摩托罗拉、西门子、飞利浦、n e c 等公司的支持，广泛应用在离 散控制领域。c a n 总线的信号传输介质为双绞线。c a n 总线传输速率最高达到1 m b s ， 最远传输距离可达1 0 k m ，总线挂接设备数量最多可达11 0 个。 c a n 总线的信号特点是：采用短帧格式传输，每帧的有效字节数为8 字节，所以 传输时间比较短，工作时受到干扰的概率相对低，当c a n 节点发生严重错误时，还具 有自动检测和关闭机制，使总线上的其他正常工作的节点通信不受影响，所以具有很强 的抗干扰能力。 现场总线d e v i c e n e t 和c a n o p e n 都是基于c a n 总线的网络系统。 d e v i c e n e t 是由a l l e n - b r a d l e y 公司开发的。最为一种高性能的协议，在美国和亚洲 应用较多，并在市场上处于领先地位，并且该总线的解决方案在欧洲也取得了快速增长 业绩。d e v i c e n e t 用户组织( o d v a ) 负责发布d e v i c e n e t 规范以及对d e v i e e n e t 标准进 行维护。 d e v i c e n e t 是一个开放性的协议，每个o d v a 成员都有资格发布基于d e v i c e n e t 标 准开发的后续产品。除了加入o d v a 组织需缴纳的会员费以及实际购买的费用外，使 用d e v i c e n e t 是免版税的。现在已经有超过3 0 0 家的公司注册成为o d v a 的成员，全世 界拥有超过5 0 0 家的公司提供d e v i c e n e t 产品。d e v i c e n e t 协议是成本较为低廉，并且 设计也相对简单，但对于现场总线系统来说，性能却很高，性能价格比突出。 c a n o p e n 也是基于c a n 的串行总线系统。c a n o p e n 可应用于多种领域，如应用于 工业控制、汽车电子、海事电子以及医疗设备。 c a n o p e n 可定义标准化的基本功能和应用对象，并且设备接口符合应用规范。 c a n o p c n 在每个离散的控制应用中都有各自异的通信对象，并且这些通信对象都已成 为标准化，在每个应用中的通讯字典里都做了详尽的描述。这样为网络管理服务简化了 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1_ 项目设计，便于系统集成和错误诊断。c a n o p e n 的对象字典甚至允许在一个很小空间 里的c a n o p e n 模块上实现8 个虚拟设备。 i n t e r b u s 总线是i e c 6 11 5 8 标准之一，已广泛应用于机器加工和制造业行业中，主 要用于连接计算机控制站和远端的传感器或执行器，也是一种开放的串行总线系统，主 要分为本地总线网络和远程总线网络。本地总线网络可通过总线终端上的模块将远程网 络数据转换为本地网络数据，远程总线网络则用于远程传输数据，物理介质采用r s 4 8 5 总线传输，网络本身不提供电源，通信方式采用全双工方式，传输速率可达5 0 0 k b s 。 c o n t r o l n e t 是c a n b u s 的改进型技术，主要用于计算机和p l c 之间的网络通信。 它可连接个入计算机、串并行设备、执行机构和人机界面等，传输速率为5 m b s 。 c o n t r o l n e t 是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场所。 表1 1 和表1 2 比较了以上几种主要的现场总线的物理特性和性能参数。 表1 1 物理特性 总线名称 物理介质最大节点数最大传输距离 p r o f i b u s光纤、双绞线1 2 7 段间1 0 0 m ；光纤 2 4 k m i n t e r b u s光纤、双绞线2 5 6段间4 0 0 m ，总长可 达1 2 8 k m d e v i e e n e t 电力信号双绞线6 45 0 0 m ，带中继可达 6 k m f f双绞线、光纤2 4 0 、6 5 0 0 0 1 9 0 0 m c o n t r o i n c t同轴电缆、光纤9 91 0 0 0 m c n a o p e n 双绞线+ 可选的电源1 2 72 5 m 10 0 0 m 和信号 表1 2 性能参数 总线名称周期时间周期时间单节点1 2 8 b 组传送 ( 2 5 6 离散，1 6 节( 1 2 8 同类，1 6 节 点，1 6 i o 口)点，8 i o 口) p r o f i b u s与网络配置有关，通与网络配置有关，通 无法实现 常小于2 m s常小于2 m s i n t e r b u s1 8 m s7 4 m s1 4 0 m s d e v i c e n e t 2 0 m s1 0 m s4 2 m s f f小于l o o m s 小于6 0 0 m s3 6 m s c o n t r o l n e t小于0 s m s 小于0 5 m s 小于0 5 m s c a n o p e n 小于l m s5 m s小于2 5 m s 从物理特性以及性能参数上可以比较可以看出c a n 总线技术在工业监控的应用具 4 第1 章绪论 有一定优势。而基于c a n 总线技术的c a n o p e n 和d e v i c e n e t 这2 种现场总线应用也较 为广泛，所以本设计选择c a n o p e n 为标准编写c a n 网络的应用层协议。c a n o p e n 与 d e v i c e n e t 这两种现场总线对比如下： l 、d e v i c e n e t 现场总线对接口设备要求较高，设备必须符合d e v i c e n e t 的物理层标 准，而c a n o p e n 在接口设备上则没有特殊要求，可以在现有c a n 总线系统的硬件基础 上应用，适应性较强，同时系统成本也得到了降低。 2 、d e v i c e n e t 网络最大节点数是6 4 ，而c a n o p e n 网络最大节点数是1 2 7 ，可以接 入更多的工作节点。 3 、d e v i c e n e t 协议不是对任何人都是开放的，而c a n o p e n 协议具有开放性，完全 向任何人公开，很容易获得。 4 、c a n o p e n 协议具有可裁减性和定制性特点，可以满足特殊的用户需要，只需要 通过参数的设置，即可最大限度的将系统定制化，并实现最优化，而这些无须改变任何 硬件设置，从而保证了最优的通讯特性。 1 3 国内外本课题研究情况与分析 c a n o p e n 协议已成为国际标准，在国外受到了足够的重视，c i a 组织的成员目前已 接近5 0 0 个，c a n o p e n 应用层协议也在很多方面得到了大量应用。 在欧美这样的国际市场上，传统自动控制领域的一部分大厂商，如i x x a t 、 i n t e r c o n t r o l 、h i l s c h e 、p o r t 等公司，在c a n o p e n 这个市场展开了激烈的竞争。因此 有较多的产品出现，产品主要集中在集成c a n o p e n 协议的通信板卡、通用c a n o p e n 模 块以及商业化的协议源码几种形式。由于这些大厂商直接参与了部分子协议的制定，加 上他们以往长期的自动控制领域产品开发经验，在这个新兴的产品市场中占据了优势地 位，拥有了大部分的市场分额【3 j 。 在欧洲，c a n o p c n 总线在医疗设备中已被广泛的使用，同时在安保控制系统中也 有大量的应用；在美国，c a n o p e n 总线已经被确定为公共运输设备和装载机械的标准， 另外在工业嵌入式系统的控制中也得到大量应用。目前，国外c a n o p e n 软件和硬件产 品开发工具已经在市场上推出，比如：e l k h a r t 公司和n o r t h h a m p t o n 公司都有c a n o p e n 的开发工具推出；d o w n e r s g r o v e 公司推出c a n o p e n 的控制模块；还有飞利浦公司的 c a n o p e n i ad e v e l o p e r s 硒t 工具等1 4 j 。 c a n 在我国的应用较早，并且已经比较广泛，在工业现场控制、过程控制和民用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电子设备都有较多应用，但是都是在c a n 应用比较低的层次上，大多使用简单的c a n 控制器、c a n 收发器完成c a n b u s 的简单应用，在应用层协议并没有使用国际标准或 者通用标准，使用的都是自定义的简单协议，通用性、扩展性、可靠性都不高。目前的 现状与具体应用要求比较简单有关； 国内对c a n 总线高层协议( 如c a n o p e n 、d e v i c e n e t 等) 研究比较少，相应的应 用也比较少，国内总体处于研究和起步阶段，以国外c a n o p e n 产品代理销售或者系统 集成的形式居多，做c a n o p e n 技术研究和应用的的公司比较少，更没有参与c a n o p e n 协议标准制定的设备制造商。现有的c a n o p e n 应用，较多的是使用直接内嵌c a n o p e n 协议的国外公司控制器产品，在自主开发的产品方面有很大差距。所以目前急需加强我 国c a n 总线高层协议标准化发展的进程。在我国c a n 的应用层协议以d e v i c e n e t 协议 应用居多，用到c a n o p e n 较少，仅有广州周立功公司目前在做c a n o p e n 的有关产品推 广，并且推出有c a n 的高层协议i c a n 协议。虽然i c a n 的出现，对c a n o p e n 和 d e v i c e n e t 提出了挑战，并在国内也实现了c a n 高层协议的一定应用，但是还没有成 为标准化的协议，在国内的应用也有所不足，在国际市场的推广还有很长的路要走，因 此c a n o p e n 协议需要在我国进一步推广 3 1 。 1 4 课题研究的目的和意义 本课题的目的是研究c a n o p e n 协议在工业测控领域中的应用，设计具有采集、测 量、通讯功能的通用从站，并针对现场温度的采集和控制具体实现测量控制的方案，验 证方案的可行性。 c a n o p e n 协议技术比较新，c a n o p e n 的研究在我国起步较晚，其发展的阶段与我 国c a n 总线的应用状况不协调，不能满足c a n o p e n 在我国应用的需求，因此制约了 c a n o p e n 的进一步推广。目前，我国工业现场网络化进程刚刚开始不久，关于c a n o p e n 产品的研究不多，只有少数的几家电子公司在进行c a n o p e n 从节点的开发，所以产品 应用不多，目前国内企业的少数应用，也一般直接购买国外设备，从而缩短开发周期和 减少成本，而在我国开发c a n o p e n 主节点是技术空白。 c a n o p e n 协议的最重要特点是开放性，实际用户可以在c a n o p e n 协议的基础上按 需定义相关应用的子协议。这样既充分利用c a n o p e n 协议的优势，又能根据实际应用 对协议进行优化，设计出来的控制网络可以无缝的与其它符合c a n o p e n 协议的设备进 行通讯，大大提高了系统的灵活性，增强了产品的生命力。同时，设计出各种基于 6 第1 章绪论 c a n o p e n 协议的工业设备的嵌入式网络控制系统，也能够大大的提高生产效率和系统 的控制精度。因此，对c a n o p e n 协议的研究在理论上和实践应用上都有重要的意义和 价值。本课题就是在这样的应用背景下自行开发这种c a n o p e n 从站模块。 c h n o p e n 是当今基于c a n 总线的主流应用层协议之一，是现场总线技术的重要组 成部分，是国际公认的最有前途的现场总线之一。基于c a n o p e n 的数据通信被应用于 汽车电子，工业控制，海运电子设备，医疗仪器设备等领域，当前c a n o p e n 发展趋势 强劲，不断被应用于各种领域，必将成为行业的发展重点。 i t c o s i i 是一个源码公开的实时多任务操作系统。其内核提供任务调度与管理、时 间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。 t c o s i i 适合小型控制系统， 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。 本课题完成后将实现具有输入输出、采集、测量功能的c a n o p e n 从站，该站在实 时多任务操作系统下运行，具有很好的稳定性。为c a n o p e n 系统的推广应用提供一个 基础平台。 ； 1 5 论文内容安排 本课题的目的是研究c a n o p e n 协议在工业测控领域中的应用，设计具有采集、测 量、通讯功能的通用从站，并针对现场温度的采集和控制具体实现测量控制的方案，验 证方案的可行性。 本论文从理论方面分析了c a n 总线及c a n o p e n 协议的基本情况，并对在嵌入式硬 件平台上实现c a n o p e n 从站各功能的方案进行了详细分析和研究，制定出合理的方案， 并结合温度测量和电机控制具体应用进行了详细的硬件设计，设计了嵌入式操作系统下 的应用软件，最后对系统进行了测试。 本论文的章节安排如下： 第l 章：介绍了课题的研究背景，从c a n 和c a n o p e n 的发展历史分析，结合国内 外c a n o p e n 高层协议的应用现状，指出现今c a n o p e n 嵌入式设计的趋势和紧迫形势； 第2 章：分析了c a n 总线和c a n o p e n 协议的技术特点，并对在嵌入式硬件平台上 实现c a n o p e n 从站各功能的方案进行了详细分析和研究，制定合理的设计方案； 第3 章：结合温度测量和电机控制具体应用对硬件平台各部分进行设计，从核心器 件的选取到各模块电路的功能参数设计都进行了详细说明；配合硬件平台对系统的软件 平台也进行了设计，从嵌入式操作系统的分析和选择以及软件系统的设计运行方案也进 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 行了说明： 第4 章：在具体应用的软硬件环境下，制订了开发从站系统的调试和测试方案，并 结合应用的功能的实现，介绍了系统调试和测试的具体环境以及调试测试结果。 8 第2 章c a n o p e n 协议概述及系统总体设计 第2 章c a n o p e n 协议概述及系统总体设计 2 1c a n 总线 2 1 1c a n 总线概述 c a n 总线是一个应用较早的串行通信协议，其应用范围很广，从高速到低速，从 复杂到简单，各种应用都可以很方便的使用c a n 总线作为通信总线，其传输速度最高 可达1 m s 。 c a n 总线是在国际标准组织i s o 的开放系统互联模型o s i 基础上建立起来的，主 要目标是在任何两个c a n 设备之间建立有效的通信。但是，在总线的电气特性和数据 转换的报文解释方面不同的应用又有所不同。所以，c a n 总线又被细分为不同的模型 和不同的层次结构。 c a n 总线的模型有3 层，对应于o s i 参考模型的物理层、数据链路层和应用层。 因为c a n 总线应用范围较小，数据结构相对简单，因此复杂度不高，所以将o s i 参考 模型的网络层、会话层、表示层等其它中间层取消，这样总体结构层次减少，可以提高 系统中实时控制信号的传送效率，应用系统的实时性大大提高。 2 1 2 c a n 总线的结构 c a n 作为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制。为 了达到设计的透明度以及实施的灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n 被细分为以下 不同的层次： 1 、物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 物理层是将微控制器连接至c a n 总线的驱动电路。在c a n 总线中，物理层可分为 三子层：物理层信令、物理介质附件和介质从属接口层。其中物理层信令连同数据链路 层功能由c a n 控制器完成，物理介质附件层功能由c a n 收发器完成，介质从属接口层 定义了连接器和电缆的特性。 目前，大多数微控制器不集成c a n 控制器，这样就需要用户单独设计c a n 控制器 和收发器电路；有部分微控制器集成了c a n 控制器，用户只需设计外部c a n 收发器电 路；还有的微控制器甚至连c a n 收发器也集成在内，用户只需设计c a n 的电气接口即 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可。 、 2 、数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 数据链路层是c a n 总线的核心内容，分为逻辑链路控制和媒介访问控制2 个子层 和其中逻辑链路控制子层负责完成报文过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控 制子层负责完成数据打包和解包、信息帧编码、媒介访问管理、传输错误检测、错误信 令、串并转换等功能。 2 1 3 c a n 总线的报文传输 c a n 2 0 b 协议中的报文分为标准帧和扩展帧2 种帧格式，他们都可以传输4 种不 同类型的帧。其主要区别是：标准帧有1 l 位标识符，扩展帧有2 9 位标识符【5 1 。c a n 主 要的报文帧有【6 】： 1 、数据帧：将数据从一个节点的发送器传输到其他节点的接收器。 2 、远程帧：它从总线的一个节点发送出去，请求其他具有相同标识符的节点发送 数据帧。 3 、错误帧：总线上任何节点，一旦检测到总线错误就发出错误帧。 4 、过载帧：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 数据帧是c a n 总线的核心。各个节点之间通过数据帧完成数据的交换和传输。 2 2c a n o p e n 通讯协议 2 2 。1c a n o p e n 协议概述 c a n o p e n 总线是以c a n 总线为基础的串行总线系统，c a n o p e n 节点的硬件必须符 合i s 0 11 8 9 8 的规定，具有一个c a n 控制器和一个c a n 收发器。 c a n o p e n 提供了一系列公开的协议集，该协议集没有版权的限制，详细描述了标 准的通讯机制和各设备的功能。c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 是一个国际组织，负责定义和 维护c a n o p e n 协议。 c a n o p e n 规定的重要通讯子集有： 1 、应用层和通讯子集：c i ad s 3 0 1 t 7 l 2 、可编程控制器的设备子集：c i ad s 3 0 2 1 8 j 3 、电缆和接口子集：c i ad s 3 0 3 1 1 0 第2 章c a n o p e n 协议概述及系统总体设计 4 、额外的专用设备描述协议子集：d s - 4 x x l 9 1 2 2 2c a n o p e n 通信模型 在c a n o p e n 协议中经常采用的通信模型有1 3 】： 1 、主从( m a s t e r s l a v e ) 模型： 在工程应用中，主从模式( 主从关系) 经常被用来描述不同的控制之间的通信实体 和受到控制的关系。这个实体可以是不同角度的节点、模块、站等，只要它们之间的关 系是控制和被控制的，我们就可以使用主从模式来定义它们。主从模型中，只有主从实 体之间的通信可以直接沟通，并且命令必须是主体发出，从实体响应。 从实体必须通过主体的中转过程，才能实现间接通信。在c a n o p e n 协议当中，n m t ( 网络管理) 和l s s ( 层设置) 的定义都是基于主从模式的。在相应的函数执行时，主 节点处于主动的地位，从节点必须根据主节点发送请求完成特定的动作。 2 、客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模型 c s 模式是一个成熟的服务模式。客户端发送一个请求数据，服务器接收到数据并 发回的指令作出反应，客户端读取响应数据进行验证。换句话说，每个请求的客户服务， 服务器可以提供不了服务，但是也必须进行回复，这中必须有确认的服务方式和实施过 程可以保证通信的可靠性。 3 、生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模型 p c 模型定义了一个单向的，没有办法确认的服务。数据被生产者“推”到个或 多个消费的过程中，这种生产者消费者关系需要定制，才可以实施。一旦建立这种关 系，那么生产者将只负责生产不关心消费者，消费者只接收数据的情况，不向生产者答 复任何消息。 2 2 3c a n o p e n 的对象字典 c a n o p e n 协议的核心概念是对象字典( o b j e c td i c t i o n a r y ) ，所有的通讯的模式和 其他多种相关的网络管理都通过访问对象字典实现。 c a n o p e n 网络的每个节点都有一个对象字典。对象字典包含了该设备的描述和它 的所有网络行为的参数。想要了解每个节点的状态或判断网络的通信模式可以通过访问 它来实现。还可以选择适当的网络管理，以及输入和输出端口相连，存储应用程序特定 的输入和输出数据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l l 对象字典是一组有序的对象，每个对象使用一个1 6 位的索引值来进行寻址，它还 定义了一个8 位的子索引，用来允许访问数据结构的单个元素。索引下的子索引参数的 属性和类型很可能是不同的。 c a n o p e n 协议通过s d o 对象来实现对对象字典的读写访问。当执行读访问时，系 统使用默认的操作模式；当进行写入访问时，系统需要根据用户的要求适当改变操作的 模式。对象字典规定对不同的参数使用不同的访问方法，这些方法有：只读、只写、和 读写等。 2 3 系统总体结构设计 本课题所设计的c a n o p e n 从站采用s t 公司的s t m 3 2 为核心，实现与主站的c a n 通讯，同时具有对c a n o p e n 协议的报文解析和打包功能，可以接收主站传输的数据， 并进行配置，还可以根据主站指令进行输入输出控制和数据的回传。主站方面，应用 d e l p h i 软件编制具备c a n o p e n 接1 ：3 的人机交互界面，同时应用c a n a l y s t i i 来实现 p c 机与c a n 总线的数据传输和调试。 2 4 系统的硬件设计 本课题中c a n o p e n 从站采用以s t m 3 2 f 系列a r mc o r t e x m 3 内核的硬件系统， 主要负责c a n o p e n 协议转换和c a n 通讯功能，同时实现从站输入输出等控制。 s t m 3 2 f 系列3 2 位闪存微控制器基于突破性的a r mc o r t e x m 3 内核，这是一款专 为嵌入式应用而开发的内核。s t m 3 2 f 系列产品得益于c o r t e x m 3 在架构上进行的多项 改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的t h u m b 2 指令集，大幅度提高的中断响 应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。s t m 3 2 f 系列产品的目的是为 m c u 用户提供新的自由度。它提供了一个完整的3 2 位产品系列，在结合了高性能、低 功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性【1 0 l 。 a r mc o r t e x m 3 是专为嵌入式应用而开发的内核，s t m 3 2 f 是s t 公司具有这一内 核的高性能微控制器。由于c o r t e x m 3 在架构上的先进性，在提升了性能的同时，又 提高了代码密度，使s t m 3 2 f 系列微控制器比传统a r m 具有突出的优势。s t m 3 2 f 的 优点还有中断响应快，功耗低，低电压供电。同时，s t m 3 2 f 系列微控制器还为开发提 供了方便而高效的库函数。 1 2 第2 章c a n o p e n 协议概述及系统总体设计 由于s t m 3 2 芯片内嵌了完全兼容c a n 2 0 b 标准的增强型c a n 总线控制器，设计 中只需设计c a n 总线收发器电路即可构成完整c a n 接口电路，因此大大简化了硬件系 统中的c a n 总线接1 2 1 部分的电路。同时，为了防止外部环境从总线对从站产生干扰， 设计中选择了外接隔离型c a n 总线收发器c t m 8 2 5 1 a t ，该收发器可以稳定的提供差 动发送和接收c a n 总线信号的能力，同时隔离外部总线上的干扰信号，避免核心电路 损坏。除了c a n 通讯模块之外，从站还设计有复位电路、j t a g 调试接口、r s 2 3 2 串 1 2 1 、存储器模块、a d 采集模块、数字量输入输出模块、温度采集模块、电机控制模块 和电源模块【儿1 2 j 。总体结构框图如图2 1 所示。 模拟量 输入电 卜 l j 、 r 7 c a n 接口 路 数字量输 入输出电 j t a g 路( 含温度 s t m 3 2 f 10 3 系列 电路 采集和电 l j a r m l 八 机控制) 串行 l 、 j 、 存储 接口 模块 2 5 系统的软件设计 图2 1 从站总体结构框图 ：。、 软件系统主要包括两部分，从站软件系统和主站软件系统。从站软件系统采用c 语 言开发嵌入式操作系统g c o s i i 下的应用，实现模拟量数据的采集和输出、数字量信号 的输入输出以及系统参数的存储，并与主站采用c a n o p e n 接1 ：3 进行通讯；主站采用 d e l p h i 软件开发具备c a n o p e n 接口的人机交互界面，实现对从站的控制。 根据硬件电路，从站系统可以划分为6 大模块：c a n 通信模块、模拟量输入模块、 开关量输入输出模块、串1 2 1 模块、存储器模块、温度采集模块、电机控制模块。系统设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计的重点是在底层c a n 收发函数接口的基础上，在嵌入式操作系统下实现c a n o p e n 协 议的基本对象和相应功能，设计几个外设模块，提供采集、控制、存储功能可使系统更 加完整，为后续从站实用化设计做准备【1 3 】。软件系统的工作流程如图2 2 所示。 2 6 本章小结 图2 2 从站工作流程 本章介绍了c a n 总线和c a n o p e n 协议的概要情况，并从总体方面对从站进行了规 划设计，对硬件设计总体框架以及设