基于CANopen协议的力矩传感放大器MP55应用.doc

基于CANopen协议的力矩传感放大器MP55应用 熊四昌 李保（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 杭州 310032） 摘要: 在分析了CANopen协议后，介绍了基于CANopen协议的力矩传感器配套使用的放大器MP55，MP55是基于光电磁效应的全桥载波频率放大器，对于压力、扭矩和位移传感器以及变化范围比较大的各种力传感器都可以使用。通过访问MP55的对象字典可以对传感器的各种参数以及采集数据进行设置和约束，如传感器采集数据峰峰值限制以及输出控制模拟信号给执行器件、传感器放大灵敏度、通信波特率以及滤波频率等。系统中测试数据超限后，利用MP55给PLC发的控制信号实现了对待测工件的保护。关键词: CANopen协议; MP55; CAN总线; 力矩传感器中图分类号：TP271+.4 文献标识码：B The Application of Torque Transducers MP55Based on CANopen Bus ProtocolXIONG SI-chang LI Bao（The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology, Hangzhou, 310032, China）Abstract: Analyzed the CANopen bus protocol, Then introduced especially the application of MP55 module based on CANopen bus protocol, The MP55 module from the PME product line was a carrier-frequency and full bridge amplifier, and was ideal for connecting the widest possible technological varieties of force, pressure, torque and displacement transducers as well as load cells. a series of Parameters and metrical datas are assigned and confined using Object Directory , for example peak-to-peak value and analogy control value transmitted to control equipment、sensitivity of transducers、baud rate and filter rate. In the event of exceeding a limit value level. Control signal which are tranmitted to PLC by MP55 will take effect.Keywords: CANopen bus protocol；MP55；CAN bus；Torque Transducers引言现代工业现场在利用传感器测量场合中多使用CAN总线传输测试数据，CAN总线实现比较简单、成本低、可靠性高并且抗风险能力强而得到广泛的应用。上位工控机利用CAN总线收发器实现对数据的收发，然而对传感器的参数以及传输数据约束却很难做到。必须要使用其它设备来协助完成。例如当传感器测量数据超限无法及时触发执行机构发出保护信号，对传感器的灵敏度也不法进行设置同时对传输的数据格式及其类型也不能直接规定。基于CANopen协议的传感器配套使用的放大器MP55可以方便的实现对传感器参数及其数据进行放大和限制。MP55是CANopen设备用户可以通过访问它的对象字典实现对传感器的各项控制。同时当MP55检测到测试数据超限后可以向执行器件例如PLC和伺服电机发出控制信号从而保护待测对象。而不需要经过上位工控机检测到数据超限后与PLC和伺服放大器通信。现在国内使用此类设备的场合还很少。通过介绍希望能给国内测量工作者们一些借鉴。1 .CANopen协议的核心内容CANopen模型中共定义了四种通信对象2（COB）：过程数据对象PDO(Process Data Object)、服务数据对象SDO(Service Data Object)、网络管理对象NMT(Network Management Object)和特殊功能对象。同时CANopen协议中为了对各对象进行规范化管理，它定义了设备的对象字典，它是一个有序的对象组。每个对象字典通过16位的索引值和8位的子索引值来寻址。这两部分内容是CANopen协议的核心内容。程呵飞2等在基于CANopen协议的车载平台数据通信系统中对此都有详细介绍。这里就不详细介绍。测试系统中MP55在预操作阶段中PC机只能对SDO和NMT和特殊功能对象访问。即主要是对传感器的参数及数据格式和类型等进行设置。不能传输实时测试数据。只有当进入操作阶段时CANopen协议的四种通信对象都可以问。从预操作阶段进入操作阶段是靠PC机对MP55发送启动远程桢（0X01）来实现的。停止数据传输需要发送（0X80）从而使MP55进入预操作阶段。2 力矩传感放大器MP55应用应某航天研究所要求设计一套能测量阻尼稳速展开机构在不同环境下，在不同展开速度过程中的各种性能指标的仪器，系统选用德国HBM公司的旋转力矩传感器、反作用力矩传感器和配套放大器MP55来测量输出力矩。此系统结构如图2-1所示：待测 部件旋转力矩传感器反作用力矩传感器USBCAN智能转换卡工业控制计算机MP55组件MP55组件PLC交流伺服电动机图2-1 MP55系统结构图21 MP55的对象字典CANopen协议中制造商特定子协议区（2000-5FFF）中提供了很多与测试传感器有关的参数，其中有些是只读的。有些是即可以读取又可以写入的。在实际应用中，这些参数并不是每一个都要设置。要根据系统对传感器的要求来选择某些项设置，它通过上位机访问SDO对象来实现。SDO请求和应答报文总是包括8个字节，其中数据字节不够的就在后面补0。例如要设置与旋转力矩传感器相连的MP55的滤波频率为200HZ，请求报文和应答报文的格式和内容如表2-1和2-2所示CAN-ID第一字节第二字节第三字节第四字 节第五字节第六字节第七字节第八字节600+32B902101BB03表2-1 SDO发送报文格式CAN-ID第一字节第二字节第三字节第四字节第五字节第六字节第七字节第八字节580+360902101表2-2 SDO应答报文格式对于发送报文而言，CAN-ID中603H，即110 0000 0011，前4位1100为CAN的功能码，它决定通信对象的优先级别，后7位0000011为节点号，它区分不同的CAN节点。CAN节点号由用户自己定义，这里设定为3。第一个字节2B代表的是要写入两个字节数据，第二、三字节是对象字典的索引，它是低位在前高位在后，第四字节代表的是对象字典的子索引。从二、三、四字节可知此SDO是针对索引为2190子索引是01的对象字典操作的。第五-八字节是数据字节，代表的是要写入的数值，它也是低位在前高位在后，从设备参考书可知MP55中滤波频率200HZ对应的数值是962B，即3BBH，第七和八字节不关心，可全填为0，因此此发送报文SDO即为：06032B902101BB030000。对于应答报文而言，它的结构和发送报文基本类似，583H是CAN-ID，第一字节中60表示成功设置码，如果发送报文错误。则此字节为80H，实际应用中。上位机可通过检测第一字节来确认发送报文是否正确，。如果第一字节是80的话，那么此时的第五-八字节记录的是错误信息。用户在使用中可以根据这四个字节的内容查询得到错误信息。这里有些细节要注意：（1）发送报文的第一个字节由该对象字典事先定义好，写时要查看清楚，2F表示写一个字节、2B表示写两个字节、23表示写三个字节。具体是读写几个字节要查看协议中此对象字典的使用说明（2）第五-八字节的数据部分的小数位数要注意。要以整数形式写入。这里再举几个例子说明，例如要设置传感器的平衡零重为23.250Kg，那么发送报文数据格式应该为：060323802101D25A0000，第五、六字节的数据部分要注意小数点问题，数据应该是23250，即5AD2（H）；要设置传感器的灵敏度为3mv/v。那么发送报文数据格式应该是：060323322101BC020000；设置传感器的单位为Nm，那么发送报文数据格式应该为：06032B22210158060000；设置MP55中显示测量数值的小数点为数为3位，发送报文数据格式为：06032B20210103000000，对应每个发送报文上位机都会收到一个应答报文，它的格式如表2-2所示，对其它对象字典的访问数据格式与此类似。22 MP55的过程数据对象PDO(Process Data Object) 在利用传感器的测试系统中最重要的不是对传感器参数设置，而是如何满足系统性能要求的进行数据的采集和传输。在CANopen设备中SDO和PDO都可以传输数据。但两者的工作原理和方式是不同的。SDO是应答型因此当上位机要求数据时需要给相应的对象字典发生报文，然后等待接收报文，对于本系统中与旋转力矩传感器相连的MP55而言，如果要读取旋转力矩传感器测的净力矩值，查询协议可知此对象字典的索引为2001，子索引为01，因此它的发送报文是6034001200100000000，上位机接收到的应答报文为：58342012001，后四个字节是传感器测得的数据部分。由此可知，利用SDO做到等时间间隔采样，例如采样时间0.5ms，上位工控机Windows系统是无法响应的。因此对于系统大量的实时数据应该使用PDO来实现。由CANopen协议可知通信对象PDO中的内容是预定义好的不需要其它协议设定。本系统中，对PDO内容的预定义是要对对象字典中索引2410（子索引01）、2411（子索引01）和2412（子索引01）按系统要求写入数据，本系统要求测试数据为净力矩值、数据传输速率为0.5ms、数据格式为32位的整型数。那么参照表2-1可得发送报文分别为：6032B102401D7000000，60323112401F4010000，6032B122401E5040000.PDO既可以使用广播式报文发送数据还可以由某个单独的CAN节点发送。PDO的发送由测量节点接收到初始化时工控机发送的远程帧来触发。此后测量节点一直以设置的时间定时发送数据。需要停止PDO发送数据，只要发送终止报文即可。远程帧终止报文CAN-ID00第一字节01（01H）128（80H）第二字节节点地址（00=全部节电）节点地址（00=全部节电）表2-3 PDO的格式 从表2-3可知，要启动PDO的发送，则上位机的远程桢为：0001（是某个MP55的节点号，00表示全部MP55），当需要停止接收数据时，发送的终止报文为：0080（是某个MP55的节点号，00表示全部MP55），这一点在前面的CANopen设备启动过程介绍中也可以看出。由MP55的制造商子协议可知，上位机接收的数据格式如表2-4所示：CAN-ID第14字节第5字节180（H）+节点地址数据（低位在前高位在后）数据状态信息表2-4 接收数据格式如果接收到的数据有错误。那么可根据第5字节的状态信息到已定义好的对象字典中查找出错信息，此对象字典索引为2010，子索引为01。3 系统中MP55使用CANopen协议的优点 CANopen 协议是CAN-bus的高层协议，它是一个开放的、标准化的协议。这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性。它能够实现在CAN网络中提供标准的系统的通信模式，利用对象的字典可以提供设备功能描述和执行网络管理功能。在本测试系统中。应用基于CANopen协议的传感器放大器MP55有如下优点：（1） 利用MP55和所连接的传感器可以方便的组成CAN网络中的一个节点。可设置其中一个是主节点，将其同步信号传输到其它节点当中从而实现同步采集传输数据。（2） 借助CANopen设备的对象字典还可以实现一些特殊的功能。比如可以通过对某些对象字典的设置从而实现对传感器输出值的峰峰值限制以及输出数据格式的限制等。（3） 利用CANopen 设备对传感器直接操作可使系统传感器测试精度和灵敏度达到很高，例如本系统中传感器测试精度可达到0.1%或者0.03%。（4） 利用CANopen设备可以实现较高速的等时间间隔采样。这只需要对CANopen设备对象字典中PDO数据传输间隔进行设置即可。4 系统测试曲线在对航天卫星太阳翼组件阻尼稳速展开机构测试系统中，两套CANopen设备MP55中使用反作用力矩传感器放大器MP55的同步信号做为系统的同步采集信号，两MP55中PDO传输间隔设置为0.5ms，上位机通过USBCAN智能转化卡批次的接收经CAN总线传输来的数据在测试软件界面上画出曲