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1、CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现针对CAN协议的不完好性而定义出的一个更高层次的协议应用层协议。一个CANopen设备模块可分为3局部,如图1所示。通讯接口和协议软件用于提供在总线上收发通讯对象的效劳;不同CANopen设备间的通讯都是通过交换通讯对象来完成的,这一局部直接面向CAN控制器进展操纵。对象字典描绘了设备使用的所有数据类型、通讯对象和应用对象;对象字典位于通讯程序和应用程序之间,用于向应用程序提供接口。应用程序对对象字典进展操纵,即可实现CANopen通讯。它包括功能局部和通讯局部,通讯局部通过对对象字典进展操纵实现CANopen通讯;而功能局部那么根据应用要求来实现。
2、图1CANopen设备模型在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典,而且每个节点的对象字典都具有一样的构造,但详细的内容要根据不同的设备而定,包含了描绘该设备及其网络行为的所有参数。CANopen协议还定义了4种报文通讯对象,用于对不同作用的信息进展处理,分别为治理报文NMT、效劳数据对象SDO、经过数据对象PDO和预定义报文或者特殊功能对象。详细的CANopen协议内容可参考相关文档。2伺服电机模块的硬件实现伺服电机模块使用Microchip公司消费的带有CAN总线功能模块的主频为40MHz的PIC18F258单片机进展控制3。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求9V300
3、0r/min,即3mV1r/min,以及从总线上以1ms为周期发送来的D/A转速控制数据,使用ADI公司的12位AD7243芯片进展D/A转换。它具有300kHz的转换速率,3种可选择的输出电压,分别是0+10V、0+5V和-5+5V,采用串行端口通讯。图2为硬件电路简图。根据系统需求,设置AD7243电压输出为5V,将AD7243芯片的ROFS引脚与REFIN引脚相连实现。在AD7243的输出端接有OP07运算放大器,用于调整输出电压到10V,以控制电机正反方向和调节转速。图中继电器FDLL4148用于控制电机的启动和停顿;光耦TL521用于对伺服电机状态收集时的隔离器;为实时理解伺服电机运
4、行状态,根据CANopen协议分别设计了用于指示系统当前状态和错误的LED绿色和红色指示灯;J1为与伺服控制器的接口插件。图2伺服电机模块硬件构造简图图2中,在OP07上接有调节零输出偏置电压的可调电位器R3;用ADuM1100高速数字隔离器替换传统的光电耦合器,以降低功耗,提供准确的信号;MCP2551是一种可容错的高速CAN收发器,具有差分发射和接收才能,可将很多节点与同一网络相连接并采用非屏蔽线部署网络,进而降低系统本钱。3伺服电机模块的CANopen协议实现1CANopen协议实现伺服电机模块在CANopen网络中作为从节点发挥作用,完成属于自己范围内的特定任务,进展实时数据传输,并对
5、其负责的底层设备进展数据收集和控制。在实现CANopen协议之前,必须先理解它在网络中的详细功能：通过CAN总线接收控制伺服电机的数据包括转速控制、启动和停顿;采样伺服Ready信号和电机当前状态回送到CAN总线。CANopen协议的核心内容是对象字典,完成各种机器CANopen协议通讯的本质是在对象字典的根底上进展操纵,通过映射的关系实现对各种报文数据的处理。根据伺服电机模块的功能并结合CANopen协议各类报文的特征,定义了如表1和表2所列的属性。表1和表2定义的SDO报文和PDO报文分别用于读/写对象字典和传送实时数据。PDO报文映射参数子索引的内容代表PDO报文中各字节的用处,比方：R
6、xPDO报文映射参数子索引0x64110110L指对象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的数据内容,即控制电机转速数据。此外,系统还定义了一个接收NMT报文,用于实现主节点对从节点的组态;一个Heartbeat心跳报文,以5000ms为周期发送,使主节点实时监测从节点状态并在发生错误时及时进展处理。除了上述用于实现伺服电机模块预定义功能的报文外,还根据CANopen协议的指示灯标准设计了状态绿色和错误红色指示灯,通过定时器周期性地检查CAN总线状态存放器和CANopen通讯状态标志,设置指示灯的常亮、闪亮和闪烁等状态,可使用户直观地判定当前机器所处的状态,进而进步工作效率。详细的C
7、ANopen协议和指示灯标准可以参考相关文档4。伺服电机控制模块的设计是基于CANopen协议对象字典的模块化设计,它可以方便地进展功能扩展,只须修改对象字典中报文映射参数,添加相应的功能模块即可实现。与以往的基于CAN数据传送协议相比,大大进步了系统效率,节约了有限的硬件资源,为功能的扩展和用处的延伸提供了方便。2应用程序流程伺服电机模块上电以后,根据CANopen协议从节点的性质,系统在进展完初始化参数配置后,发送Bootup报文通知主节点已进入预操纵preoperational状态,并在主循环中等待各种类型中断的到来。在预操纵状态中,可接收主节点的SDO报文读/写对象字典。比方当无法使D
8、A零点输出偏置电压到达标准值时,可以通过修改对象字典的电压偏置值相来进展调整。NMT报文也可在预操纵状态中接收,用于改变节点状态,进入伺服电机模块实时传输PDO报文的操纵operational状态,开场系统的正常工作。一旦系统进入预操纵状态,就会以5000ms为周期发送Heartbeat报文使主节点实时监控伺服电机模块的状态;当从节点发生错误时主节点就可以立即采取措施,实现实时在线监控的功能。图3为中断程序流程图。图3中断程序流程图3基于PIC18F258微控制器的邮箱动态分配的实现邮箱动态分配的任务是在不固定某个邮箱详细特性的同时,实现对邮箱中报文作用的判定。通过邮箱的动态分配,可以节约系统
9、资源,进步软件灵敏性,便于今后系统扩展。在系统初始化经过中,实现了邮箱的动态分配,详细方法是：PIC18F258微控制用具有2个接收缓冲器和6个接收滤波器,其中：接收缓冲器0对应于接收滤波器0和1;接收缓冲器1对应于接收滤波器2、3、4和5。通过定义常数标志数组_uCANRxHndlsi0i5,依次将要接收的报文COBID定义到接收滤波器中。当产生CAN总线接收中断时,根据中断标志存放器PIR3的Bit0RXB0IF,接收缓冲器0中断标志位和Bit1RXB1IF,接收缓冲器1中断标志位来判定产生中断的接收缓冲器。当接收缓冲器0中断时,那么有：_uCAN_ret=_uCANRxHndls+RXB
10、0CON&0x011其中：uCAN_ret为标识某报文接收中断的数组常数标志;接收缓冲器0控制存放器RXB0CON的Bit0为接收滤波器0、1的选择位。当接收缓冲器1中断时,那么有：_uCAN_ret=_uCANRxHndls+RXB1CON&0x072其中：接收缓冲器1控制存放器RXB1CON的Bit2Bit0为接收滤波器2、3、4和5的选择位。通过式1和式2可得代表某种报文中断的数组常数标志,实现对接收报文类型的判定,完成邮箱动态分配和相应报文处理。4实验验证为方便实验室监测,直观地观察伺服电机模块的工作状态,判定D/A转化的线性特征,使用LabView软件设计了PC监控面板5,如图4所示
11、。图4伺服电机模块测试面板图4中的amplitude和phase分别用于设置发送正弦波的幅度和相位,正弦波数据以占用两字节的形式发送,结合继电器1和2占用的一个字节组成3字节的TPDO报文。光耦1、2表示从RPDO报文接收到的数据状态,在此监控面板的根底上,使系统的调试更加方便。在示波器上观察到的D/A输出波形如图5所示,由于D/A输出为瞬间波形,所以在示波器上看到的波形光线只有一局部。此外,由于LabView软件的限制,最高输出数据周期只能到达1ms。因此,在示波器上看到的波形有折线存在,每个转折点代表一个输出点,通过设置相位值来决定转折点的个数,即输出多少个数据来表示一个波形。例如图5中的
12、相位为18,那么会输出36个点来表示一个周期波形。图5示波器观察波形将此D/A输出至伺服控制器即可实现对伺服电机的控制,这一点已在现场试验中得到验证。通过对并条机自调匀整系统的其他控制节点采用一样的方法进展CANopen协议开发,实现了网络化的控制系统。除了伺服电机外一个完好的控制系统还应有：主控模块如DSP或者单片机、PLC模块和键盘显示模块等。和伺服电机模块一样,可将每个控制模块都作为一个节点进展开发。每个节点都有各自的节点ID,所接收和发射的数据在总线上进展沟通,通过改变伺服电机控制的低速罗拉转速来调节牵伸倍数,进而到达自调匀整的目的。自动控制系统的网络化、标准化是当代工业开展的一个必然
13、趋势,将CAN总线应用层协议CANopen应用于该领域有着广阔的应用前景。本文通过将伺服电机控制模块做成符合CANopen协议的标准化装置,并应用于并条机自调匀整系统中,使其具有了即插即用和在线监控特性,增强了设备的可扩展性,进步了数据传输的可靠性。这种基于现场总线应用层标准协议的开发和使用,对进步系统的工作效率,十分是对复杂系统的研制具有一定的指导意义。1BoterenbroodH.CANopen:highlevelprotocolforCANbus.2000.2CiA,CANopenCommunicationProfileforIndustrialSystemsBasedonCAL.1996.3刘和平,刘林,于红欣,等.PIC18FXXX单片机原理及接口程序设计.北京：北京航空航天大学出版社,2004.4CiA.CANopenIndicatorSpecification.2001.5汪敏生.LABVIEW根底教程.北京：电子工业出版社,2002.作者简介：宋晓梅副教授,主要研究方向为信号处理及计算机通讯技术。贾佳硕士,主要研究方向为CANopen协议以及单片机的开发应用。