PIC18单片机的CANopen通信协议简介及设计

    CAN总线由于具有实时性和可靠性高、组网成本低等优点，近年来在汽车工业、楼宇自动化、工厂自动化、机器人控制等领域得到广泛应用。CANopen协议不仅定义了通信规范，而且为可编程系统、不同器件、接口等设备应用子协议定义了大量的行规。遵循CANopen协议开发出的设备能实现不同生产厂家的产品间的互操作。
    要掌握CANopen协议，重点是对对象字典和设备模型的理解以及对4类通信对象的掌握。本文先对CANopen协议进行削析，再重点介绍在PICl8F458单片机上开发基于CANopen协议的节点，最后通过温度测控系统实验验证了系统信息传递的可靠性、准确性和实时性。

1 CANopen通信协议简介
    CANopen协议是CiA协会基于CAN总线定义的应用层协议之一，在各种控制系统中得到了广泛应用。它以CAN芯片为硬件基础，有效利用CAN芯片所提供的简单通信功能来满足工业控制网络的复杂应用层协议要求。CANopen网络是主从站(Master—Slave)结构，系统的运行由主站控制，主站可以对127个从设备进行控制，不同设备通过CAN总线进行连接组网。图1为CANopen设备模型。CANopen通信协议接口用于提供在总线上收发通信对象的服务，不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的。CANopen协议中定义了4种通信对象(通信模式)，用于对不同作用的信息进行处理：NMT对象(网络管理对象)、SDO对象(服务数据对象)、PDO对象(过程数据对象)、特殊功能对象。
    设备对象字典是CANopen协议的核心概念，位于CANopen设备模型中通信层和用户应用层之间，为用户应用层提供接口。它是一个结构标准化的、有序的对象组，描述了该设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象。基于CANopen协议的网络系统中每一个设备都要实现一个唯一的对象字典，区别在于设备类型不同其内容则不同。对象字典中每个对象拥有一个唯一的16位主索引和8位子索引，由此实现对其中各种对象的访问。对象字典在系统软件设计中得以实现，然后使用标准化的EDS文件对其进行描述。

2 温度测控系统的软、硬件设计
2．1 温度测控系统组成
    图2所示温度测控系统包含3个节点，它们构成一个CAN网络。传感温度节点发送测到的温度，此节点由主芯片和温度传感器组成。温度调节节点接收到从传感温度节点发送的温度数据后，低于下限温度加热，高于上限温度降温，并发送调节状态；此节点由主芯片、状态显示灯和空调设备组成。命令节点接收从传感温度节点发送的温度和温度调节节点发送的状态在液晶屏上显示，并有按钮可以发送NMT对象，对整个系统进行控制；此节点由主芯片、液晶屏、状态显示灯和按钮组成。

    针对系统的要求，选用PICl8F458单片机作为从节点的主芯片。它是Microchip公司的单片16位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，CAN模块符合CAN2．0B标准，带有3个发送缓冲区、2个接收缓冲区、2个接收屏蔽寄存器、6个完全接收滤波器。CAN收发器采用PCA82C250芯片，它具有高速稳定的差动发送和接收能力，可作为CAN协议控制器和物理总线接口。此外，为了便于调试和与主控制器的通信，系统中还扩展了RS232接口。

    对于各个节点都采用预定义连接集中规定的11位ID。它由4位功能码和7位节点ID组成。其中各通信对象具体分配的COB—ID为NMT SERVICE一000、EMER—GENCY一080、TIMESTAMP一100、SYNC一080、TPD01—180、RPD01—200、TPD02—280、RPD02—300、TSDO一580、RSDO一600、HEARTBEAT一700。
    设定传感温度节点的ID为6，以TPDO对象方式发送测到的温度。所以发送对象的COB—ID分别为TP—D02(200+6)、TSD()(580+6)、HEARTBEAT(700+6)、EMERGENCY(080+6)，接收对象的COB—ID分别为NMT SERVICE(000)、RSD()(600+6)。
    设定温度调节节点的ID为7，以RPDO对象方式接收从传感温度节点发送的温度，并以TPDO对象方式发送调节状态。所以发送对象的COB—ID分别为TPD01(180+7)、TSDO(580+7)、HEARTBEAT(700+7)、EMERGENCY(080+7)，接收对象的COB—ID分别为NMT SERVICE(000)、RSDO(600+7)、RPDO2(280+6)。
    设定命令节点的ID为8，以RPDO对象方式分别接收从传感温度节点发送的温度和从温度调节节点发送的调节状态，也可用NMT对象方式发送NMT报文。所以发送对象的COB—ID分别为TSDO(580+8)、HEART—BEAT(700+8)、EMERGENCY(080+8)、NMT MAS—TER(000)，接收对象的COB—ID分别为NMT SERVICE(000)、RSD0(600+8)、RPD02(280+6)、RPD01(180+7)。
2．2 节点对象字典的建立
    对象字典的内容除了包括CANopen协议规定的必需项外，还包括调用的各功能模块和参数设定项。它的正确配置和使用，是保证整个CANopen网络正常运行的核心，是节点实现其预定功能的必要保证。对象字典的组建采用C语言在头文件中编写，通过Struct(结构)语句实现对象字典内容的寻址。对象字典的规划赋值设计按照CANopen协议规定的格式完成，每个节点的对象字典都具有相同的结构，但具体内容要根据不同的设备而定义，包含了描述这个设备和它网络的所有参数。对象字典的操作是CANopen协议软件的核心，通过对象字典实现网络间参数的映射从而完成各种数据的处理，需要编写对象字典解码子函数、读对象字典子函数和写对象字典子函数。下面以温度调节节点为例介绍对象字典的创建、赋值和具体操作。表1显示了此节点中PDO的各个参数。

    OD_ENTRY(0x3000，Ox00，ATTR_RW | ATTR_ROM，TempLo)，(对象主索引3000-下限温度)OD_ENTRY(0x3001，0x00，ATTR_RW|ATTR_ROM，TempHi)，(对象主索引3001-上限温度)
    OD_ENTRY(0x3100，0x00，ATTR_RO，Status)，(对象主索引3100一状态)
    OD_ENTRY(0x3200，0x00，ATTR_RWW，RemoteTemperature)，(对象主索引3200-远程温度)#define ODD_RPDO_PAR_COB_ID_0 Ox40000286L(RPDO的COB-ID为0x286)
    OD_ENTRY(0x160l，0x00，ATTR_RO | ATTR_ROM，ODE_RPDO_Mapping_NoOfEntries)，OD_ENTRY(0x1601，0x01，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODD_RPDO_MAP_0_1，(RPDO映射参数描述)
    #define ODD_RPDO_MAP_0_1 0x32000010L(RPDO定位对象字典索引3200子索引00长度2)
    OD_ENTRY(0xlA00，0x00，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODE_TPDO_Mapping_NoOfEntries)，
    OD_ENTRY(0xlA00，0x01，ATTR_RO|ATTR_ROM，ODD_TPD0_MAP_0_l，(TPDO映射参数描述)
    #define ODD_TPDO_MAP_0_1 0x31000008L(TP-DO定位对象字典索引3100子索引00长度1)
    if(RemoteTemperature    else if(RemoteTemperature>TempHi){Status=1；}(高于上限温度降温，为降温状态)
    else{Status=0；}(在设定温度范围内，为保持状态)
    在此例中，PDO报文是在对象字典中用通信参数和映射参数来描述的。通信参数决定哪个COB—ID将被PDO使用，此例中RPD0的COB—ID为286，TPDO的COB—ID为187。映射参数包含映射到PDO里的对象在对象字典中的索引和子索引，以及对象的数据长度。此例中映射到RPDO里的对象在对象字典中的索引为3200，子索引为OO，长度为2；映射到TPDO里的对象在对象字典中的索引为3100，子索引为00，长度为1。另外某些相关变量也由对象字典所描述，可以通过sD0对象传输方式进行下载修改或上传观察。此例中的上限温度、下限温度，就由对象字典主索引3000、子索引00和主索引3001、子索引00分别描述。
2．3 节点的CANopen协议的软件实现
    在节点上实现CANopen协议软件，首先要实现节点接收报文和发送报文的功能。接收报文的过程是，一旦有接收中断产生，就把CAN接收缓冲区接收到的数据和地址放到一内部阵列中，对接收到的报文进行分析，并送去执行相应的子函数(NMT报文接收处理子函数、SDO报文接收处理子函数、心跳报文接收处理子函数、SDO报文接收处理子函数)，最后返回主程序。发送报文的过程是，把需要发送的变量放到对象字典里，再把它们映射封装成相应的对象，最后将报文发送到总线上。
    主程序按照通信流程编写，模块上电后先进行通信初始化。其首先初始化CANopen协议中的通信相关参数、对象字典、节点号，再初始化CAN控制器的硬件，包括单片机的内部寄存器、定时器、串行口、CAN控制器。通信初始化后自动进入节点初始化，并进行一些特定用户的初始化。完成后，发送一个启动报文自动进入预操作状态。此时用户的程序循环执行着，在每个循环里，调用接收报文1次。这个模块用来检查接收到的对象，并作相应的处理。在NMT报文到来之前一直持续在预操作状态。在
这个状态里，节点可以通过SD0被配置和设置参数，但是不允许发送PDO。在相应的NMT报文到来后，即收到启动远程节点命令后，进入操作状态，在这个状态就可以进行正常的通信了。在收到NMT报文，即停止远程节点命令，节点进入了停止状态，从而停止PDO和SDO通信。

3 实验结果
    在软件设计中编写了与上位机的通信模块程序，可以将每个节点接收和发送报文的ID号、数据长度、数据转发到串口，便于上位机进行观测。
    图3为系统传输数据的过程，温度传感节点发送报文过程为发送自启动报文后以周期为1 s发送心跳报文，以周期为100 ms发送PDO1报文，发送数据为传感温度(分别为19°，20°，…，21°…)。上限温度和下限高温都为20°时，温度调节节点接收报文过程为接收到NMT报文命令后进入操作状态，不断接收PDOl报文。温度调节节点发送报文过程为发送自启动报文后以周期为1 s发送心跳报文，以事件触发方式发送PDOO报文(发送数据为工作状态长度为1，当接收到的温度低于20°时发送数据为02表示加热，当接收到的温度高于20°时发送数据为01表示降温，当接收的温度为20°时发送数据为OO表示保持)，状态显示灯不断闪烁红色、黄色、蓝色。如在命令节点中发送SDO报文改变对象字典中的上限温度和下限温度，再观察各节点变化。情况1，当上限温度低于20°(为15°)时，温度调节节点一直在降温状态，状态显示灯为红色。情况2，当下限温度高于20°(为25°)时，温度调节节点一直在加热状态，状态显示灯为黄色，情况3，当上限温度高于20°(为25°)，下限温度低于20°(为15°)时，温度调节节点一直在保持状态，状态显示灯为蓝色。命令节点在液晶显示屏中显示实时温度，在状态显示灯中显示实时状态。

    命令节点进行NMT对象操作时再观察各节点状态：当按下按钮1时，节点进入欲操作状态；当按下按钮2时，节点重启。
    从以上两个实验可以看出，整个系统在运行过程中达到了满意的控制效果，实现了基于CANopen协议的对象数据的交换，通信传输理想。

    应用PIC18单片机自行开发的基于CANopen协议的节点，实现了对4种通信对象信息的通信处理，并通过测试验证了系统信息传递的可靠性、准确性和实时性，很好地满足了基于CANopen协议的温度测控系统的要求；对于CANopen在国内的应用和普及，以及CAN网络和驱动产品尽早和国际接轨，具有重要的意义。