PIC18單片機的CANopen通信協議簡介及設計

1 CANopen通信協議簡介
CANopen協議是CiA協會基于CAN總線定義的應用層協議之一，在各種控制系統中得到了廣泛應用。它以CAN芯片為硬件基礎，有效利用CAN芯片所提供的簡單通信功能來滿足工業控制網絡的復雜應用層協議要求。CANopen網絡是主從站(Master—Slave)結構，系統的運行由主站控制，主站可以對127個從設備進行控制，不同設備通過CAN總線進行連接組網。圖1為CANopen設備模型。CANopen通信協議接口用于提供在總線上收發通信對象的服務，不同CANopen設備間的通信都是通過交換通信對象來完成的。CANopen協議中定義了4種通信對象(通信模式)，用于對不同作用的信息進行處理：NMT對象(網絡管理對象)、SDO對象(服務數據對象)、PDO對象(過程數據對象)、特殊功能對象。
設備對象字典是CANopen協議的核心概念，位于CANopen設備模型中通信層和用戶應用層之間，為用戶應用層提供接口。它是一個結構標準化的、有序的對象組，描述了該設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象。基于CANopen協議的網絡系統中每一個設備都要實現一個唯一的對象字典，區別在于設備類型不同其內容則不同。對象字典中每個對象擁有一個唯一的16位主索引和8位子索引，由此實現對其中各種對象的訪問。對象字典在系統軟件設計中得以實現，然后使用標準化的EDS文件對其進行描述。

針對系統的要求，選用PICl8F458單片機作為從節點的主芯片。它是Microchip公司的單片16位高性能微控制器，具有片內CAN控制器，CAN模塊符合CAN2．0B標準，帶有3個發送緩沖區、2個接收緩沖區、2個接收屏蔽寄存器、6個完全接收濾波器。CAN收發器采用PCA82C250芯片，它具有高速穩定的差動發送和接收能力，可作為CAN協議控制器和物理總線接口。此外，為了便于調試和與主控制器的通信，系統中還擴展了RS232接口。

對于各個節點都采用預定義連接集中規定的11位ID。它由4位功能碼和7位節點ID組成。其中各通信對象具體分配的COB—ID為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。
設定傳感溫度節點的ID為6，以TPDO對象方式發送測到的溫度。所以發送對象的COB—ID分別為TP—D02(200+6)、TSD()(580+6)、HEARTBEAT(700+6)、EMERGENCY(080+6)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSD()(600+6)。
設定溫度調節節點的ID為7，以RPDO對象方式接收從傳感溫度節點發送的溫度，并以TPDO對象方式發送調節狀態。所以發送對象的COB—ID分別為TPD01(180+7)、TSDO(580+7)、HEARTBEAT(700+7)、EMERGENCY(080+7)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSDO(600+7)、RPDO2(280+6)。
設定命令節點的ID為8，以RPDO對象方式分別接收從傳感溫度節點發送的溫度和從溫度調節節點發送的調節狀態，也可用NMT對象方式發送NMT報文。所以發送對象的COB—ID分別為TSDO(580+8)、HEART—BEAT(700+8)、EMERGENCY(080+8)、NMT MAS—TER(000)，接收對象的COB—ID分別為NMT SERVICE(000)、RSD0(600+8)、RPD02(280+6)、RPD01(180+7)。
2．2 節點對象字典的建立
對象字典的內容除了包括CANopen協議規定的必需項外，還包括調用的各功能模塊和參數設定項。它的正確配置和使用，是保證整個CANopen網絡正常運行的核心，是節點實現其預定功能的必要保證。對象字典的組建采用C語言在頭文件中編寫，通過Struct(結構)語句實現對象字典內容的尋址。對象字典的規劃賦值設計按照CANopen協議規定的格式完成，每個節點的對象字典都具有相同的結構，但具體內容要根據不同的設備而定義，包含了描述這個設備和它網絡的所有參數。對象字典的操作是CANopen協議軟件的核心，通過對象字典實現網絡間參數的映射從而完成各種數據的處理，需要編寫對象字典解碼子函數、讀對象字典子函數和寫對象字典子函數。下面以溫度調節節點為例介紹對象字典的創建、賦值和具體操作。表1顯示了此節點中PDO的各個參數。

命令節點進行NMT對象操作時再觀察各節點狀態：當按下按鈕1時，節點進入欲操作狀態；當按下按鈕2時，節點重啟。
從以上兩個實驗可以看出，整個系統在運行過程中達到了滿意的控制效果，實現了基于CANopen協議的對象數據的交換，通信傳輸理想。

應用PIC18單片機自行開發的基于CANopen協議的節點，實現了對4種通信對象信息的通信處理，并通過測試驗證了系統信息傳遞的可靠性、準確性和實時性，很好地滿足了基于CANopen協議的溫度測控系統的要求；對于CANopen在國內的應用和普及，以及CAN網絡和驅動產品盡早和國際接軌，具有重要的意義。