基于 CANOpen协议从节点研究
CANopen作为一种开放的、标准化的 CAN总线应用层协议, 在国内外各种机电系统与仪表装置中得到了广泛的应用。本文详细阐述并分析了 CANopen的协议结构、对象字典和通信对象，研究了国外的典型 CANopen协议栈的结构与特点，提出了进行 CANopen协议规范的通信接口开发的有效方案，并给出了 CanFestival在微控制器上的实现。关键词：CANopen；现场总线；协议栈；从节点中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2010)02-0027-040 引言CANopen协议主要包括通信规范（Commun
CAN（Controller Area Network，控制器局域网）ication Profile）和设备规范（Device Profile）。通信总线的应用范围非常广泛，但其只定义了物理层和规范（CiA DS-301）定义了基本的数据通信方式及数据链路层，而没有规定应用层，并非一个完整的其特性；设备规范（CiA DSP-401~DSP-XXX）定义
协议。所以在高级应用中，需要一个高层协议来定特定设备的行为规范。其结构如图 1所示。 义CAN报文中的 11/29位标识符、8字节数据的使用，于是 CANopen便应运而生。
CANopen是自动化 CAN用户和制造商协会
（CiA，CAN-in-Automation）定义的 CAN总线应用层协议。它采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很高的适应性。CANopen不仅定义了应用层和通信子协议，还为大多数重要的设备类型定义了大量的规范，不同厂商遵循这些规范开发出的设备之间能够轻易实现互操作。
CANopen作为基于CAN总线的高层协议标准， 在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲， CANopen协议被认为是在基于 CAN的工业系统中 占据领导地位的标准。
1 CANopen协议
1.1 CANopen协议结构
1.2 对象字典对象字典（ObjectDictionary）是 CANopen协
议的核心，它连接了CANopen设备的通讯接口和应用部分，如图 2所示。
基金项目：天津市自然科学基金重点项目（07JCZDJC09600）；天津中小企业创新基金（09ZXCXGX19300）；天津市重点实验室：复杂工业系统控制理论及应用重点实验室的资助。
作者简介：陈在平（1950－），男，教授，硕士，主要研究方向为智能控制，工业网络控制理论与技术。
组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，同时为了允许访问数据结构中的单个元素，还要定义一个 8位的子索引。CANopen网络中每个节点都有一个对象字典，其中包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数，通过访问对象字典可以得到各节点的状态，确定网络的通信模式，进行相应的网络管理。
1.3 通信对象CANopen协议规定了 4类通讯对象：SDO（ServiceData Object，服务数据对象）、 PDO（Process
Data Object，过程数据对象）、NMT（NetworkManagement，网络管理对象）以及特殊功能对象。
1.3.1 SDOSDO用于传送组态数据，对设备进行配置，它通过建立两个CANopen设备的点对点通信来实现可靠的数据传输。SDO的传输是采用客户机 /服务器通讯方式，通过使用索引和子索引，SDO使客户机能够访问服务器对象字典中的对象。
SDO可以传送任何长度的数据，当数据超过 4个字节时，将被分拆成几个CAN报文。由于数据会被分拆成几段，在发送 SDO的第 1个报文后，其后的每段中都可以包含 7个字节的数据，而最后一段可以包含一个终止符。
1.3.2 PDOPDO采用生产者/消费者方式进行传输，用于从一个发送方（生产者）向一个接受方（消费者）或多个接收方（广播形式）传输实时控制参数、变量，因此 PDO的优先级高于 SDO。但一个PDO最大只能传输 8个字节数据。
PDO对应于设备对象字典中的条目，并且为应用对象提供访问接口。报文中的数据类型和映射到PDO中的应用对象是由设备对象字典中所对应的映射参数来描述的，若设备支持可变PDO映射，那么可以使用 SDO报文来重新配置 PDO映射参数 。
1.3.3 NMTNMT用于对网络设备进行管理、控制，并及时发现设备故障。它采用主从结构，一个网络中只有一个 NMT主节点，其余的为从节点。主节点对从节点提供状态管理、节点保护等服务。
每个 CANopen从节点都有初
始化（Initial-isation）、预操作（Pre-Operational）、操作（Operational）和停止（Stopped）4个状态，主节点使用NMT来控制从节点在各状态之间的转换。此外，NMT主节点还会监控从节点的状态，以确定某个不发送PDO的从节点是否已经脱离总线，并检测设备的网络接口错误。
1.3.4 特殊功能对象特殊功能对象主要包括同步对象、时间戳对象和应急对象。
同步对象（SynchronizationObject）是由同步对象生产者为同步对象消费者提供的时钟信号，为设备提供了标准的通信周期。
时间戳对象（Time StampObject）通常表示从1984年 1月 1号后的天数和午夜过后的毫秒数，一共 6个字节，为对时间要求苛刻的设备提供毫秒级的高精度同步协议。
应急对象（EmergencyObject）在一个设备内部发生严重错误的情况下被触发，并使用高优先级发送到其他设备，适用于中断类型错误警告。
2 基于开源代码 CANopen节点的实现近年来，已经有很多公司和组织开发出了成熟的 CANopen协议栈，这为我们开发 CANopen设备提供了许多便利。但是，商用协议栈价格昂贵，会为开发增加高昂的成本，而自行开发又会耗费巨大的人力、物力和时间，因此进行CANopen协议的开发，首先想到的是如何利用现有的开源代码 。目前，主要有 CanFestival、CANopenNode和MicroCANopen三种符合 LGPL和 GPL协议的开源CANopen协议栈可供我们使用。
2.1 典型的 CANopen开源协议栈CanFestival是一个由法国 Lolitech资助的完整
CANopen协议栈，可在 PC和微控制器上实现主节点或从节点功能。它用ANSI-C编写，完全支持DS301 V4.02标准，具有良好的可移植性。此外，CanFestival还提供了带有图形用户界面的对象字典编辑器，从而为生成设备的对象字典提供了便利的工具。
CANopenNode是由斯洛文尼亚的 JanezPaternoster所编写的，基于 Microchip公司PIC18控制器的开源 CANopen协议栈。它可作为主节点或从节点，提供多个设备之间在CANopen网络上的串行通信。CANopenNode的功能齐全，协议接口完善，完全遵从于 CiA DS-301标准和 CANopen指示灯标准CiA DR-303-3。
MicroCANopen 是由 Embedded SystemsAcademy所开发的，其代码相当精简，只保留最低限度的功能，通常只被用做单一功能模块。该协议栈的硬件需求极低，最少只需要 4k字节的代码空间和170字节的程序空间。此外，Embedded SystemsAcademy还开发了一个具备大多数 CANopen常用功能的MicroCANopen Plus版本，MicroCANopen用户可以方便地将自己的工程移植到 MicroCANopenPlus上 。
2.2 CanFestival在微控制器的实现
本文采用 CanFestivalV3.0 RC3，以开源 CANopen协议栈在微控制器上加以实现。Canfestival协议的结构如图 3所示。
CanFestival的文件目录如表1所示。在CanFestivalV3.0 RC3的源代码中，提供了 MotorolaMC9S12DP256微控制器的驱动。在使用 GNU gcc编译程序后，直接烧写至MC9S12DP256控制器。通过 CAN控制器 PCA82C250将MC9S12DP256的CAN0端口（PM0,PM1）连接到CANopen网络，并通过MAX232将芯片上的portS（TxD0）端口连接到波特率设置为 19200的控制台上，从而实现了一个典型CANOPEN从节点。 该协议栈也可以较为方便地移植到其他控制器上。在移植之前，首先必须确保目标控制器具有40k以上的代码空间和 2k以上的RAM。相对于自己重新编写代码来说，在官方提供的某一个最接近目标
控制器的平台的源代
码基础上进行修改显然是一种更加简单的方法。在移植时，需要修改的文件包括：include文件夹中与目标处理器相关的头文件、drivers文件夹中的目标控制器驱动文件以及各相关文件夹中的Makefile文件。
此外，在编辑对象字典时，采用objdictgen文件夹中的对象字典编辑器来简便而高效地进行操作。需要注意的是，该编辑器是一个 Python应用程序，Windows用户必须安装 Python（2.4
有关 CANopen从节点的研究与开发仍然处于起步阶段。本文通过借鉴国外的先进经验，利用开源代码实现 CANopen协议规范，提出了进行了CANopen协议规范的通信接口开发的有效方案，这一方案对于缩短开发周期，降低开发难度，节约开发成本，加速CANopen在国内的应用与推广具有
重要的现实意义。
图 4 对象字典编辑器
版以上）和 wxPython（2.6.3.2版本以上）才可以使用该程序。图3给出了对象字典编辑器的主界面，在该程序中，上半部分可以选择对象字典中的某一区域，左下部分为这一区域对象字典中的索引，右下部分为子索引，可以在这里进行具体的修改。
CANopen作为一种非常有竞争力的总线标准，在国内外的应用已经深入到了各个领域，并且还在进一步发展。但是基于CANopen协议规范的通信接口关键技术仍然被国外若干公司所垄断，国内目前
通过对回转式刀具切削性能测试实验台上相似
盾构刀盘切削岩石和土壤两种工况进行有限元分析，
得到了刀盘的应力和变形分布：刀盘危险截面位于
牛腿与刀盘的连接处，最大应力为168.54 Mpa，最
大变形为 0.278 mm，排除有限元模型中的边界条件
简化和结构细部简化，最大应力位置与实际情况比
较吻合；从刀盘整体看，大部分区域应力、变形都
较小，具有较大的强度和刚度裕量，设计可行。本
文的工作有助于进一步建立刀盘的参数化模型，研
究刀盘拓扑结构对刀盘切削性能的影响。
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