（机械电子工程专业论文）基于canopen协议的从站的设计与应用.pdf

摘要 摘要 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被称为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着工控领域又一个新时代的开始。目前，世界范围内 已经形成了很多具有一定影响力的现场总线标准，其中，c a n 总线无论在性能上 还是在市场份额上，都有突出的优势。 c a n 总线是一种串行总线通讯协议，具有成本低、速度快、实时性和可靠性 高的特点，成为在世界范围内得到广泛使用的现场总线国际标准之一。c a n o p c n 是c a n 总线的一种很有影响力的应用层协议，近年来在工厂自动化系统中得到 了广泛应用。研究c a n o p e n 协议并开发出各类c a n o p e n 设备对于我国c a n 总线 技术的应用具有重要的意义。 本论文介绍了应用于m p s 系统的c a n o p e ni 0 从站模块的开发。主要内容包 括从站模块的硬件设计、c a n o p e n 通讯协议的研究与分析、从站模块的软件设计、 系统调试、m p s 控制程序设计五部分。本课题的难点是c a n o p e n 协议在从站系统 软件设计中的实现。 最终，应用c a n o p e ni o 从站构建了基于c o d e s y s 软件与现场总线的分布式监 控系统，实现了基于c a n o p e n 协议的网络数据通讯。希望本文介绍的研究方法， 能够为其他c a n o p e n 设备的开发起到一定的借鉴作用，从而进一步促进c a n o p e n 协议在我国自动控制领域中的应用。 关键词现场总线；c a n 总线；c a n o p c n 协议；m p s 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u s ，c a l l e dc o m p u t e rl o c o a ln e t w o r k , i st h em o s ta t t r a c t e dt e c h n o l o g yi nt h e a u t o m a t i cf i e l d s t h e r ea r em a n yt y p e so ff i e l d b u si nt h ew o r l d b u tt h e yh a v en o t u n i f i e dy e ts of a r a m o n gt h e s e ，c a ni so u t s t a n d i n gw h e t h e ra tt h em a r k e to ra tt h e a s p e c to ft h ep e r f o r m a n c e c a ni sas e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wc o s t 、f a s t s p e e d 、h i g hr e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t y h e r e b y ，c a nb e c o m e so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a l f i e l d b u ss t a n d a r d sw h i c ha r ew i d e l ya p p l i e da l lo v e rt h ew o r l d c a n o p e ni sa w e l l - k n o w na p p l i c a t i o np r o t o c o lo fc a nb u s i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nv a r i o u sa u t o m a t i o ns y s t e m s t h ef u r t h e rr e s e a r c ho fc a n o p e np r o t o c o la n d t h ed e v e l o p m e n to fv a r i o u sc a n o p e nd e v i c e sa r es i g n i f i c a n tf o rt h ea p p l i c a t i o no f c a nb u st e c h n o l o g yi n0 1 1 1 c o u n t r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fc a n o p e n c o m p l i a n ti os l a v em o d u l e a p p l i e di nm p ss y s t e m t h em a i nc o n t e n tc a n b ed e v i d e di n t of i v ep a r t s ：( 1 ) h a r d w a r e d e s i g no fs l a v em o d u l e ；( 2 ) r e s e a r c ha n da n a l y s i so fc a n o p e nc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ；( 3 ) s o f t w a r ed e s i g no fs l a v em o d u l e ；( 4 ) s y s t e md e b u g g i n g ；( 5 ) m p sc o n t r o l p r o g r a m m i n gd e s i g n t h ed i f f i c u l tp o i n to ft h i sr e s e a r c hi st h ei m p l e m e n t a t i o no f c a n o p e np r o t o c o ls t a c ki ns o f t w a r ed e s i g no fs l a v em o d u l e a tl a s t ，w ea p p l yc a n o p e ni os l a v em o d u l et ob u i l dad i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nc o d e s y ss o f t w a r ea n df i e l d b u s ，a n di m p l e m e n tt h en e t w o r kd a t a c o m m u n i c a t i o nb a s e do nc a n o p e np r o t o c 0 1 w eh o p et h a tt h er e s e a r c hm e t h o d a d o p t e di nt h i sp a p e rc a nb eh e l p f u lf o ro t h e rd e v e l o p m e n to fc a n o p e nd e v i c e ，a n d f u r t h e r m o r ei m p r o v et h ea p p l i c a t i o no fc a n o p e np r o t o c o li na u t o m a t i o nc o n t r o lf i e l d o fo u rc o u n t r y k e y w o r d sf i e l d b u s ；c a nb u s ；c a n o p e np r o t o c o l ；m p s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名雅导师签名圆 日期 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 随着工业生产现代化的不断发展，机电一体化技术的综合应用正起着越来越 重要的作用。依靠实验室引进的德f e s t o 公司的m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m ) 工业自动化教学实验设备，结合自行开发的实验装置及网络管理系统，建立了机 电一体化培训系统。目前，现场总线越来越多地应用到工厂自动化领域，机电一 体化技术也正因为现场总线的引入而迎来新的突破。 m p s 是德国f e s t o 公司结合现代工业企业特点开发研制的模拟自动化生产 加工单元。它采用模块化结构，将气动技术、电气电子、传感器技术、装配技术、 机械技术、现场总线技术综合于一体。选取不同的单元可以组成自己的模拟生产 加工系统，可以构成具有5 个单元的n i p s 系统。包括：送料、检测、加工、提 取和分拣单元。整条自动线基本涵盖了加工、组装和检测一个单作用气缸的全部 流程，体现了自动化生产线上物流、能量流和信息流的概念。其过程为：送料单 元从料仓中分离工件毛坯，并通过摆动气缸将工件毛坯送到检测单元；检测单元 确定待测工件的材质特征和高度，剔除废品或将合格工件送到加工单元：加工单 元对工件进行加工，并检查工件的加工尺寸；提取单元从加工单元移走工件，将 合格品送到分拣单元或将不合格品送至废品滑道；分拣单元对检测合格的气缸按 其特征属性进行分类。 传统的控制是用计算机通过网络管理系统连接到p l c 控制系统，对m p s 物 流自动生产线进行系统监控。现在要对传统的做法进行改进，应用现场总线技术 和软p l c ，同样做到对m p s 物流自动生产线进行系统监控。 1 2 工业现场总线技术发展及现状 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过 程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。目前 现场总线的发展呈现如下特点： ( 1 ) 多种总线共存现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 中采用了8 种协议类型， 以及其它一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自 动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度 高一些，应用多一些，适用性好一些。 ( 2 ) 总线应用领域不断拓展每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其 势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向 其它领域发展。如p r o f i b u s 在d p 的基础上又开发出p a ，以适用于流程工业。 ( 3 ) 不断成立总线国际组织大多数总线都成立了相应的国际组织，力图 北京工业大学工学硕士学位论文 在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是 开放的。如w o r l d f i p 国际用户组织、f f 基金会、p r o f i b u s 国际用户组织、p - n e t 国际用户组织及c o n t r o l n e t 国际用户组织等。 ( 4 ) 每种总线都以企业为支撑各种总线都以一个或几个大型跨国公司为 背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支 持，c o n t r o l n e t 以r o c k w e l l 公司为主要背景，w b r l d f 口以a l s t o m 公司为主 要后台。 ( 5 ) 一个设备制造商参加多个总线组织大多数设备制造商都积极参加不 止一个总线组织，有些公司甚至参加2 , 4 个总线组织。道理很简单，装置是要挂 在系统上的。 ( 6 ) 各种总线相继成为自己国家或地区标准每种总线大多将自己作为国 家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况是：p - n e t 已成为丹麦标准， p r o f i b u s 已成为德国标准，w o r l d f i p 己成为法国标准。上述3 种总线于1 9 9 4 年 成为并列的欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。其它总线也都成为各地区的技术规范。 ( 7 ) 在竞争中协调共存协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧 洲标准e n 5 0 1 7 0 在制定时，将德、法、丹麦3 个标准并列于一卷之中，形成了 欧洲的多总线的标准体系，后又将c o n t r o l n e t 和f f 加入欧洲标准的体系。各重 要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线 产品与其它总线相连接，如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际 标准中，也出现了协调共存的局面。 ( 8 ) 以太网成为新热点以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增 长，几乎所有远程f o 接口技术的供应商均提供一个支持t c p i p 协议的以太网 接口，如s i e m e n s 、r o c k w e l l 、g e f a n u c 等，他们除了销售各自p l c 产品，同 时提供与远程i o 和基于p c 的控制系统相连接的接口。f f 现场总线正在开发高 速以太网，这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位【l j 。 综上，现场总线技术越来越成熟，应用也越来越广泛，那么，本文对现场总 线的研究与应用就有其必要性。 1 3c a n 总线及其高层协议概述 1 3 1c a n 总线简介 控制器局部网( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o i 己】k ) 是b o s c h 公司 为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于 工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部 门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。 第l 苹绪论 j i 一一一一一 a i 曼曼皇曼! 皇曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼鼍曼! 曼曼! 曼曼曼! 曼! ! 曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼詈 由于c a n 为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报 文的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了 c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了 曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和 扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具 数字信息交换一高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 11 8 9 8 ) ，为控制 器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。 1 3 2 c a n 总线高层协议简介 实际上即使在执行一些非常简单的基于c a n 的分布式系统时，除了基本的 第二层服务之外还要求或希望有更多的功能，如发送长于8 字节的数据块响应或 确定数据传送标识符，分配网络启动或监控节点。由于这些附加的功能直接支持 应用过程，所以它可以被认作应用层。如果正确执行则应用层以及相应的应用层 接口的简介子协议为通讯和应用过程提供一个清晰定义的分界，以便把它们区分 开来。 因为c a n 协议提供有许多非常独特的功能，因此大部分已知的较高层协议 通过对数据链路层的服务提供直接访问而将这些不同的功能保留给应用层的用 户，基本功能不需要额外的上层协议，特别在工业自动化应用中越来越需要一个 开放标准化的较高层协议，这个协议支持不同生产厂家设备的互用性和可交换 性。因此要求有标准设备模型的规范，即基本功能性的标准设备和标准应用的规 范以作为对标准化应用层的补充【4 】。 表1 - 1c a n 总线高层协议 t a b l e1 - 1 h i g hl a y e rp r o t o c o l sf o rc a nb u s 制定组织主要高层协议 c 认 c a l 协议 c 认 c a n o p e n 协议 o d v ad e v i c e n c t 协议 h o n e y w e l ls d s 协议 k v a s e r c a n k i n g d o m 协议 1 3 3 c a n o p e n 协议简介 can 芯片只提供了开放系统互连参考模型( o s i ) 中的物理层和链路层功 能，一般用户必须直接用驱动程序操作链路层，不能直接满足工业控制网络的组 态和产品互连要求。为了以c a n 芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统， 必须制定相应的应用层协议，实现系统的组态、设备互连和兼容功能。为此目的， 1 9 9 2 年在德国成立了“自动化can 用户和制造商协会”( c i a ，c a n i n a u t o m a t i o n ) ，开始着手制定自动化c a n 的应用层协议c a n o p e n 。此后，协会成员 北京工业大学工学硕士学位论文 开发出一系歹u c a n o p e n 产品，在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加 工等领域获得大量应用。目前c a n o p e n 协议已经被提交欧洲标准委员会讨论， 作为一种新的工业现场总线标准e n 5 0 3 2 5 - 4 。与其他现场总线协议标准相比， c a n o p e n 具有以下特点： ( 1 ) c i a 是非赢利组织，c a n o p e n 是公共和开放的协议，不代表个别公司利 益；免费发布全部技术资料。例如从c i a 网站可以随时获得最新的c a n o p e n 协 议文本。 ( 2 ) 物理层采用c a n 芯片；由于其应用领域广泛、产量大，实际上已经成 为一种通用芯片，采购方便，不受他人限制。 ( 3 ) 协议精练、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度。c a n o p e n 根 据设备类型分类，由图1 1 中的子协议模块组成【5 1 。 d s 一4 0 l 数字输入输出改备 d s 一毒0 2 伺腰驱动设备 d s 一4 0 3操作祁显示设备 p s 一4 0 4 传够嚣私谭带嚣 d s 一4 0 5可编控趁栽器 d s 一4 0 6 垃置端码嚣 d s 一 保留 图1 - 1c a n o p e n 子协议模块 f i g u r e1 - 1c a n o p e ns u b p r o t o c o lm o d u l e 1 4 课题的来源、目的及要求 本课题是实验室自选项目。 该课题将c a n 现场总线技术与软p l c 技术应用到m p s 的控制系统中。通 过c a n o p c n 从站节点，替代传统的继电器控制和造价昂贵的p l c 的i o 接口， 降低系统成本，提高设备运行的可靠性。 此外，尝试采用软p l c 作为m p s 的控制中心，可替代传统p l c 的组态软件， 是具有自己特色的监控系统。 c a n o p e n 的研究在我国起步较晚，其发展的进度落后于c a n 总线在我国 的发展，因此极大的限制了后者的进一步推广，目前关于c a n o p c n 产品的研究 也较少，只有少数的公司在进c a n o p c n 从节点的开发，而由于我国工业现场网 络化进程刚刚开始，此类产品应用不多，即使有少数应用，国内企业一般采取直 接购买国外成套设备的方式来降低开发周期和成本，c a n o p e n 主节点的开发在 我国更是一片空白，本方案计划自行开发这种c a n o p c n 从站模块，本课题的研 究工作正是源于这样的应用背景。 将c a n 现场总线技术运用到s 的控制系统中，课题要完成以下要求： 第1 章绪论 熟悉c a n o p c n 协议，充分考虑该总线的可靠性，是否满足现场的实时性； 设计3 2 d i o ( 数字式的i o 节点，1 6 位输入1 6 输出) 从站节点，并具有可扩 展性，从站i o 端口要满足m p s 控制系统i o 端口传感器的要求； 熟悉各常用组态软件，编写e d s 文件，并进行组态试验； 充分考虑从站节点在m p s 控制系统中的可靠性及安装要求； 1 5 论文主要完成的工作 根据本课题来源以及预期实现的目标，本论文所设计的c a n o p e ni o 从站本 身在实现国产化的基础上，应具有成本低，结构紧凑，易扩展的特点，本文应用 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机开发了基于c a n o p e nd s 3 0 1 、d s p 4 0 1 协议的i o 从站，并且通 过上位机c a n 卡构建了基于德国3 s 公司的c o d e s y s 软p l c 的分布式i o 控制系统， 最终实现了基于c a n o p e n 协议的网络数据通讯。 基于课题的基本要求，本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 介绍课题研究背景及意义，简要介绍c a n 总线技术及其高层协议和 c a n o p e n 协议在国内外的发展与应用状况，说明课题的来源、目的和要求。 ( 2 ) 完成c a n o p e ni o 从站硬件设计。 ( 3 ) 在文中重点分析了c a n o p c ni o 从站的相关通讯协议。 ( 4 ) 完成c a n o p e ni o 从站软件设计。 ( 5 ) 完成c a n o p c ni o 从站的调试。 ( 6 ) 将设计好的c a n o p e ni o 从站应用在m p s 控制系统中。 ( 7 ) 总结全文，指出了课题存在的问题并对c a n o p e n 系统的进一步应用与 工作提出自己的看法。 1 6 本章小结 在这一章中，本文首先介绍了机电一体化技术的应用，发展以及m p s 控制 系统，然后对现场总线技术进行了简单介绍，继而又对本论文的核心_ c a n 总 线及其高层协议c a n o p e n 进行了简介。最后说明了本课题的来源、目的要求以 及本论文主要完成的工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章c a n o p e n 从站硬件设计 2 1 c a n o p e n 从站的功能要求 m p s 控制系统每个单元模块有8 位开关量输出的传感器信号、8 位开关量输入 的控制信号、8 位预留按钮信号和8 位信号灯信号。m p s 控制系统的输出作为从站 的输入，从站的输出作为m p s 控制系统的输入。 c a n o p e ni o 从站作为m p s 各个i o 节点的控制设备，需要造价低、可靠性高、 安装方便，需要完成以下功能： 采集现场开关量的输入状态，发送到主站( m a s t e r ) 并保证数据的可靠性； 对采集到的信号具备初步处理的能力； 正确执行主站的命令，驱动各个输出口； 具备指示功能，采用l e d 发光管显示各个i 0 口的状态； 模块化设计，具备扩展i o e i 的能力。 2 2 c a n o p e n 从站的设计方案 根据上节的分析，c a n o p e ni o 从站采用模块化设计，主要应包括i o 模块、 通讯模块、c p u 模块几大部分。从站的核心问题是如何实现c a n o p e n 通讯协议， 通常有以下几种方案： 单片机+ s j a l o o o + p c a 8 2 c 2 5 0 的解决方案 该方案的缺点是使用芯片较多，硬件设计复杂，自行开发协议栈；优点是成 本较低l 带c a n i 了的单片机( c 8 0 5 1 f 0 4 0 ) + s n 6 5 h v d 2 3 2 的解决方案 该方案的缺点是自行开发协议栈，成本较高；优点是使用芯片较少，硬件设 计简单。 ( 要) c a n o p e n l a 针加外围器件 该方案的缺点是成本最高，硬件设计并不是最简单：优点是不用开发协议栈。 经过综合比较，在以上3 种方案中，第二种方案最为合适。采用一款5 1 系 列含c a n 口的单片机c 8 0 51 f 0 4 0 与c a n 收发器s n 6 5 h v d 2 3 2 芯片组合实现 c a n o p e n 通讯协议。 试验平台选用p e a k 公司的p c a n p c ic a n 卡与3 s 公司的c o d e s y s 软p l c 构 成主站。熟悉和掌握c a n o p e r 施$ k 协议之后，然后就可以着手进行i o 从站的设 计工作。 2 3 从站的总体设计 经以上分析，得出c a n o p e ni o 从站的总体框架图如图2 1 所示。c a n o p e n i o 第2 章c a n o p e n 从站硬件设计 从站采用功能模块设计，系统主要由c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机核心部分，其它还有信号 输入输出模块、c a n 通讯模块及电源模块等部分组成。 j t a g 接口是c 8 0 5 1 f 0 4 0 编程下载口，有了这个下载口，系统可以非常方便 的进行软件升级。 ；船 - 一 ：信号输入模块i 怪 c a n 收发器 s n 6 5 h v d 2 3 2 鼢 c p u c 8 0 5 1 f 0 4 0：c a n 通信模块 i 信号输出模块i j t a g 接l 一 卜 牟刮电源模块口p 图2 i 系统总体框架 f i g u r e2 - 1 t h ew h o l ef n eo f t h es y s t e m 2 4 c p u 的选择 盛 绩 根据系统的规模，数据处理速度的要求，选择8 位的m c s - - 5 1 系列单片机就 完全可以满足系统的要求。 5l 系列8 位处理单片机是目前品种比较全面的c p u 。按照产品设计要求：满 足工业现场使用、可靠性高、c a n 接口、i o 接口较多等要求。我们选择t c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 4 0 产品。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 工业级( - 4 0 一8 5 ) 单片机是美l 亘c y g n a l 公司推出的完全集成 的混合信号系统级芯片，其突出的优点是具有很高的运算速度、多达6 4 位可编程 i o i 线、片内集成看门狗定时器、6 4 kf l a s h 程序存储器、2 5 6 b + 4 k b 的r a m 、 1 2 8 b 的非易失性存储器、支持j t a g 调试、片内集成了一个c a n 2 0 b 控制器等 等。c 8 0 5 1 f 0 4 0 的片上资源很丰富，采用这种系统级s o c 芯片，在很大程度上减 少了外围元器件的数量，从而减少了元器件间的走线，有利于系统的可靠性和稳 定性的提高，有利于系统的升级。由此可见，这是一款性价比极高的产品。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机是美国c y g n a l 公司推出的完全集成的混合信号系统级芯 片，图2 2 是其内部主要的模块。 由图2 2 可以看出c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，具有1 0 0 脚封装，可以有多达6 4 个i o ，这样， 大大方便了系统设计，满足系统需要3 2 个输入输出i o 的需要，减少了外围的电 路。 北京i n 大学i 学砸学位论文 图2 2c 8 0 5 i f 0 4 0 的原理框图 f i g u r e 2 - 2 c 8 0 5 1 f 0 4 0 b l o c k d i a g r a m c 8 0 5 1 f 0 4 0 的主要特点罗列如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c 口一5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 在片内) ； 1 2 位8 通道的，高达1 0 0 k s p s 转换速率的a d c ； 2 个1 2 位的d a c 。 6 4 k 字节的在线可编程的f l a s h 存储器； 4 3 5 2 字节( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 的片内r a m i 可寻址“k 地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的c a n 接口和两个u a r t 接口； 内置看门狗定时器，v d d 监视器，温度传感器： c 8 0 5 1 f 0 4 0 的时钟电路主要有两种模式：采用外部振荡器和内部振荡器( 最 大是1 6 m h z ) 。外部振荡器可以是外部提供的时钟信号，如有源晶振。也可接晶 体、r c 电阻网络作为c p u 的外部谐振源。但是采用r c 网络容易造成频率不稳定， 不准确，很少采用，适用于系统性能要求不高，成本控制严格的场合。 第2 章c a n o p e n 从站硬件设计 图2 3c 8 0 5 1 f 0 4 0 时钟电路 f i g u r e2 - 3t h ec l o c kc i r c u i to fc 8 0 51f 0 2 0 该系统中c 8 0 5 1 f 0 4 0 使用有源晶振，电路如图2 3 所示。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 最高工作时钟频率为2 5 m h z ，选取2 2 11 8 4m h z 有源晶振为系统 提供时钟。 图2 3 中可看出有源晶振1 脚悬空，2 脚接地，4 脚接3 3 v 电源，3 脚为晶振信 号输出脚，接c p u 的时钟输入引脚x t a l i 。 2 5电源模块设计 电源模块设计如图2 _ 4 。从站系统和外部供电“+ 2 4 ve x ”要求隔离，因此采 用u 2 、u b - - d c d c 变换隔离模块，将外部电源“+ 2 4 v ”转换成+ 3 v 的“v d d ”和 v c c ”。 图2 4 电源电路 f i g u r e2 - 4t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t t 1 是共扼线圈，降低外部电源的波动，提高系统的共模抑制能力。c 3 、c 4 是滤波电容，c 4 采用钽电容，c 3 为陶瓷电容，他们的特点是对高频干扰有很好 的抑制作用。f 1 是自复式保险丝，当系统内部出现短路故障时，保险丝可以迅速 切断外部供电，一旦系统电流低于设定的危险电流，f 1 有可以自动恢复连接。 d 1 可以防止电源反接损坏系统。 根据设计前的功耗估算，v d d 电压为单片机系统和外部i o 电路进行供电， 北京工业大学工学硕士学位论文 这一路的电源转换模块选用2 w 即可满足电路供电要求。v c c 电压为a d u m l 2 0 1 一侧和s n 6 5 h v d 2 3 2 芯片供电，由于系统中使用变压器隔离芯片a d u m l 2 0 1 代替 了传统的6 n 1 3 7 ，该部分电路的功耗得到极大的降低，因此v d d 这一路选择了 1 w 的低功耗的电源转换模块即可满足要求。 2 6i o 接口设计 如图2 5 所示，这是从站的输入接口部分。如图2 - 6 所示，这是从站的输出 接口部分。 由于i o 从站将运用在工业现场，必须保证系统的抗干扰能力和可靠性。所 以，系统和外界的输入输出必须要采取隔离的措施。 目前常用的隔离措施主要有：变压器隔离、光隔离等措施。常用的光隔离芯 片为t l p 5 2 1 、6 n 1 3 7 等，本方案采用性价比较高的t l p 5 2 1 作为i o 口的输入输 出隔离。5 3 k v r m s ，7 5 k v p k 的隔离电压完全满足了现场的电气隔离要求。 为了使从站能够驱动m p s 系统中的电磁阀，光耦输出后加达林顿管以加大 驱动电流。最后接自恢复式保险丝，然后输出。在图2 5 、2 - 6 中只给出4 路输 入输出，1 6 路类同。在工业现场，需要共阴极的继电器输出，设计的i o 从站需 要1 6 路输入1 6 路输出。每片u d n 2 9 8 2 具有8 路信号输入，所以系统选择两片 u d n 2 9 8 2 达林顿管就足够了。单片机在复位时，端口为高电平，为了避免复位 期间继电器动作，所以设计低电平光耦连通，继电器吸合。由此，输出光耦使用 下拉电阻。输入输出都有l e d 显示各路状态。 c d g n d d 7 一i 童多 盔 m 5 1 “ 图2 5 数字量输入模块电路图 f i g u r e2 - 5d i g i t a li n p u tm o d u l ec i r c u i t 第2 章c a n o p e n 从站硬件设计 唧 曝 砼0 鲫篙。 啊：擀 广 + 州，- 既 u 1 3 1 8j ；阱l o u l 7 ：吨o u t 1 6 ；1 响o u t ： 眦鲫 一巧石o u t 仃 一脯o u r 可 ( 窜怒叫o u r r r 刊! 一竺! 可 + 2 4 ( e x u d n 2 9 8 1 飞乒旷 d - 2 0 j肼 ) ： 1 1 h f r ( 鬯仉。 * ；一 ) ：岫， 障乒i 下 舱i am 嘲 ( u o 2 ： 1hz 7 f 昌 a 。兀，l h 。 够l 4 型 最m 揄? ： 0 “ u 9 d+ 甲l l 享乒【l ， 图2 - 6 数字量输出模块电路图 f i g u r e2 - 6d i g i t a lo u t p u tm o d u l ec i r c m t 2 7c a n 接口电路设计 一般的，为提高c a n 总线可靠性，也是需要隔离的。通常的方案是采用价格 便宜的6 n 1 3 7 光电隔离作为总线的隔离芯片。但是由于在总线需要较高的传输速 率( 2 5 0 k b p s ) 时，光电开关的速度就无法满足要求，而且，光电耦合器需要很 多的外围器件。a d 公司最新的基于i c o u p l c r 隔离技术的a d u m l 2 0 1 芯片，与传统 的光耦器件相比优势非常明显： 完全满足工业现场宽范围的温度要求，达到( - 4 0 1 0 5 ) ；低功耗；最 高可达9 0 m b p s 的传输速率；所需的外围元件少。 如图2 7 所示，a d u m l 2 0 1 所隔离的两端有各自的电源和参考地，电源电压 为2 7 5 5 v ，这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗，系统中使 用的电源是3 3 v 。由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用两通 道输输出反向设计，非常适合c a n 总线双向收发的特性，大大简化可隔离器 与所隔离两端的硬件连接。需要注意的是：d g n d 与g n d 是两个不同的参考地， 否则将达不到隔离的效果；a d u m l 2 0 1 正常工作时，两端的供电源需要同时上 电才能保证a d u m l 2 0 1 两通道都能正常工作，如果有一个没有上电就能导致整个 芯片无法正常工作。 隔离芯片a d u m l 2 0 1 处于系统的中间，用来隔离各传感器节点，比传统的光 电隔离器件具有更好的性能。a d u m l 2 0 1 消除了传统光电隔离器不确定的传输速 率、非线性的传输函数以及温度和寿命对器件的影响，无需其他驱动和分立元件， 北京工业大学工学硕士学位论文 提供了更加稳定的转化性能，而且在相同的信号传输速率下功耗只有光电隔离器 的1 1 0 1 6 。另外，a d u m l 2 0 1 以单一芯片实现了c a n 总线节点之间的电气隔离， 并采用双转化通道，两通道方向相反的特殊结构，非常适合于c a n 总线信号的传 输，大大简化了系统的硬件结构，同时，由1 个隔离芯片代替以往的2 个，大大增 加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。 在通讯模块中，采用s n 6 5 h v d 2 3 2 作为c a n 收发器，它具有高速稳定的差动 发送和接收能力；各个控制节点之间通过屏蔽双绞线互联构成c a n 总线网络，总 线两端连接1 2 0 f 2 的阻抗匹配电阻，用来提高系统的稳定性、增强系统的抗干扰 能力。 v c c 蓦黼v d d i 濂v d r r s 岸, 。j1 营搴c 刻n c v o u t a c 飞 n 。r x 一v l 一；一 i ； ：g n d j 1 刊黼粉巨- 。i ；鼍。钳e 自 d g l q da d a m l 2 0 1古 眦h v i 恤i n l d mi d 3 7 l 三t ：上- ，：k d i o d e =d 1 0 d e 砩f 阿9 j 2 8 本章小结 图2 7c a n 总线接口电路图 f i g u r e2 - 7 c a nb u si n t e r f a c ec k c m t 在这一章里，论文介绍了本课题o 尸c a n o p e ni o 从站的硬件系统设计。首先 介绍了从站的功能要求、从站的设计方案以及从站的总体设计，接下来对c p u 的 选择、电源模块设计、i o 接口设计以及c a n 接口电路设计等内容逐一进行了介 绍。其中涉及电路芯片的选型、技术特点和各部分电路原理的说明。 第3 章c a n o p c n 从站软件设计 第3 章c a n o p e n 从站软件设计 3 1从站软件总体设计 在国际标准化组织( i s o ) 提出的“开放系统互连”( 0 s i ) 的参考模式中，网络系 统结构划分为7 层，依次为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据 链路层、物理层，如图3 1 所示，然而在实际中，使用网络协议与这个参考模式 多多少少有些差异。也就是说，这种层次结构并不是严格和必须的，而是看实际 需要而定【刚。 图3 - 1 网络系统结构 f i g u r e3 - 1s t r u c t u r eo fn e t w o r ks y s t e m 从o s i 网络模型的角度来看同，现场总线网络一般只实现了第l 层( 物理层) 、 第2 层( 数据链路层) 、第7 层( 应用层) 。因为现场总线通常只包括一个网段， 因此不需要第3 层( 传输层) 和第4 层( 网络层) ，也不需要第5 层( 会话层) 第6 层( 描述层) 的作用。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 现场总线仅仅定义了第1 层、第2 层( 见 i s 0 1 1 8 9 8 标准) 。实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开 发相关软件( s o f t w a r e ) 或固件( f i r m w a r e ) 。同时，c a n 只定义物理层和数据 链路层，没有规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义c a n 报文中 的1 1 2 9 位标识符、8 字节数据的使用。而且，基于c a n 总线的工业自动化应用中， 越来越需要一个开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种c a n 厂商设备的 北京工业大学工学硕士学位论文 互用性、互换性，能够实现在c a n 网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提 供设备功能描述方式，执行网络管理功能。 ( 1 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：为网络中每一个有效设备都能够提供一组 有用的服务与协议。 ( 2 ) 通讯描述( c o m m u n i c a t i o np r o f i l e ) ：提供配置设备t 通讯数据的含义， 定义数据通讯方式。 一 ( 3 ) 设备描述( d e v i c ep r o f l i l e ) ：为设备( 类) 增加符合规范的行为【7 j 。 下面就应用层开发展开介绍。 从站软件系统的设计内容主要是在基于c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机的i o 从站模块上 实现c a n o p e n j 盅讯协议。从功能上可分为：基本功能部分，其包括节点的通讯初 始化和硬件设备初始化；定义和访问对象字典；p d o 通讯；s d o 通讯：节点保护 等功能。 c a n o p e n 协议的软件实现遵循c a n o p e n 协议预定义主从连接集，系统软件 设计采用模块化设计如图3 2 所示，程序模块分为主程序模块、c a n o p e n 协议栈 模块、对象字典与节点配置模块、系统i o 模块、单片机与c a n 控制器硬件驱动 模块。在从站软件设计中，结合通讯协议的特点，采用了结构体的方式来定义诸 如c a n 报文、发送和接收p d o 配置对象、c a n o p e n 协议配置对象等，通过定义 结构体型指针变量完成对对象中相关数据的读写，给程序的编制带来了方便。此 外，利用定义数组的方法实现了对象字典和过程数据映像的操作。在s d o 报文处 理子函数中，通过被访问对象的主索引和子索引，以数组查询的方式实现了对对 象字典的读写访问。c a n o p e n i o 从站的状态机转换通过判断接收n m t 报文命令 字，对心跳报文标志字节代码进行读写，产生程序散转的方式得以实现。对于 p d o 、s d o 通讯对象的处理则根据心跳报文标志字节代码指明的当前状态分别进 行处理。 图3 2 模块化软件设计 f i g u 鹏3 - 2m o d u l a rs o f t w a r ed e s i g n 下面，本文首先介绍一下c a n 总线规范以及c 8 0 5 1 f 0 4 0 是如何实现c a n 通讯 的，然后介绍软件设计中较为重要的主程序模块、单片机与c a n 控制器硬件驱动 第3 荦c a n o p e n 从站软件设计 模块，最后介绍c a n o p e n 协议及其应用以及c a n o p e n 协议栈模块