嵌入式CANopen下位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王金達(dá) 張勇 王德宇 趙振環(huán) 閆晗

摘 要：CANopen是開放的總線技術(shù)，廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)各個領(lǐng)域，目前國內(nèi)CANopen研究滯后，與國內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程發(fā)展需求不符，本文的研究就是在這樣的背景下，開發(fā)具有通用特性的CANopen從站模塊。在對 CANopen 協(xié)議研究的基礎(chǔ)上，提出了基于STM32的嵌入式從站設(shè)計(jì)方案，并描述了其硬件與軟件的架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：CANopen；CANopen從站；嵌入式

引言

CANopen是建立在CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，CAN總線是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是針對汽車電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的控制局域網(wǎng)協(xié)議。由于其低成本、高可靠性、高傳輸速度原因，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CAN接口芯片定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，由于系統(tǒng)使用STM32作為系統(tǒng)主控制芯片，內(nèi)部集成CAN接口芯片，在使用時接上CAN收發(fā)器即可。CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議僅可以數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、錯誤處理等底層數(shù)據(jù)傳輸問題，本身并不完整，對于應(yīng)用層沒有規(guī)定相應(yīng)的解析協(xié)議。為了提高CAN總線效率，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、快速、標(biāo)準(zhǔn)化的CAN通信協(xié)議，即CANopen協(xié)議。

CANopen是在CAL基礎(chǔ)上開發(fā)的，使用了CAL通訊和服務(wù)協(xié)議子集，提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案。CAL提供了所有的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)和報(bào)文傳送協(xié)議，但沒有定義CMS對象的內(nèi)容或正在通訊的對象的類型（只定義How，沒有定義What）。CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互用性的同時允許節(jié)點(diǎn)的功能隨意擴(kuò)展。CANopen的核心概念是設(shè)備的對象字典，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文NMT、數(shù)據(jù)對象SDO、過程數(shù)據(jù)對象PDO預(yù)定義報(bào)文或者特殊功能對象核心報(bào)文。

1 CANopen從站模塊設(shè)計(jì)

本文中CANopen從站模塊是采用ST公司的STM32運(yùn)行在？COS II上來實(shí)現(xiàn)與主站CAN通訊，并具備對CANopen協(xié)議報(bào)文分析和打包的功能得以實(shí)現(xiàn)與主站之間的數(shù)據(jù)傳輸和處理。主站方面，應(yīng)用高級應(yīng)用程序開發(fā)軟件編制具備CANopen接口的人機(jī)交互界面，使用測試工具CANalyst-II 來實(shí)現(xiàn)主站的傳輸和調(diào)試。

2 CANopen從站硬件系統(tǒng)

本文中CANopen從站采用以STM32F103RET6為核心的硬件系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)CAN通訊與CANopen協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，從站還具有輸入、輸出和通訊等功能。

由于微控制器芯片內(nèi)嵌了完全兼容CAN2.0B的CAN總線控制器，因此硬件系統(tǒng)中的CAN接口電路得到了簡化，只需設(shè)計(jì)CAN總線收發(fā)器電路即可。設(shè)計(jì)中使用了外接隔離型CAN總線收發(fā)器，防止總線對從站的干擾，避免核心電路損壞。從站系統(tǒng)除了核心最小系統(tǒng)外，還有模擬量的輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、外存儲器、CAN接口、串口、JTAG接口和電源等子電路。硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 STM32最小系統(tǒng)

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本系統(tǒng)采用STM32F103RET6做為系統(tǒng)主芯片，具有64K的片內(nèi)RAM，512K的片內(nèi)flash。系統(tǒng)時鐘頻率可工作在72MHz，若從flash執(zhí)行代碼，STM32功耗僅36mA。STM32內(nèi)部集成高性能外設(shè)，如1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度，內(nèi)部具有8MHz的RC震蕩，可經(jīng)過倍頻后直接作為系統(tǒng)時鐘。STM32提供了一個SysTick定時器，可以提供操作系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍。

2.2 CAN驅(qū)動器

CAN收發(fā)器（也就是協(xié)議控制器）的作用就是完成數(shù)據(jù)鏈路層組幀和生成物理層比特流，驅(qū)動器的作用是把控制器輸出的高低邏輯電平變成CAN總線的差分式電平。STM32內(nèi)部有CAN收發(fā)器，所以，不用考慮該部分硬件設(shè)計(jì)。協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容基本都由協(xié)議控制器完成，軟件上只要配置需要的通信速率、幀ID以及發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后通知收發(fā)器，讓它發(fā)送就可以。不需要從軟件上編寫協(xié)議。

2.3 串口模塊

MAX3232用于顯示系統(tǒng)調(diào)試相關(guān)信息，包括錯誤提示信息，接收數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。它是一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口RS232電平是+10v～-10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0～+5v，MAX3232就是用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的。

2.4 其他功能模塊

從站可以實(shí)現(xiàn)模AD和DA功能、數(shù)字量的輸入輸出模塊、存儲器模塊、串口功能，在STM32內(nèi)部集成有多路AD和DA，可以很經(jīng)濟(jì)和快捷的實(shí)現(xiàn)以上功能，利用內(nèi)置的SPI和I2C可以連接外存儲器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，利用內(nèi)置的UART模塊可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)串口通訊。所以，在擴(kuò)展必要的外部輔助電路接口以后，就可以實(shí)現(xiàn)以上幾個外設(shè)功能。

3 CANopen從站軟件系統(tǒng)

從站軟件系統(tǒng)采用C語言開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)？COS-II下的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與主站的CANopen接口通訊，同時對模擬量數(shù)據(jù)的采集和輸出、數(shù)字量信號的輸入輸出、串口通訊以及系統(tǒng)參數(shù)的存儲等功能也都一并實(shí)現(xiàn)；主站采用高級應(yīng)用程序開發(fā)軟件開發(fā)具備CANopen接口的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對從站的控制。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從站系統(tǒng)可以劃分為五大模塊：CANopen通信模塊、模擬量采集和輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、存儲器模塊、串口模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是CAN及CANopen的收發(fā)函數(shù)，以及在？滋COS-II下實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議的對象字典和相應(yīng)功能。在實(shí)現(xiàn)核心功能后，設(shè)計(jì)幾個外設(shè)功能模塊，提供采集、控制、通信、存儲功能，使系統(tǒng)更加完整和實(shí)用化備。軟件系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

4 結(jié)束語

通過整體設(shè)計(jì)及調(diào)試，利用CANopen高層協(xié)議完成了從站與主站之間的數(shù)據(jù)傳輸以及STM32與各模塊之間的聯(lián)系，并且采用C語言開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)？COS-II下的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理，與主站進(jìn)行通訊等相關(guān)內(nèi)容，具有較好的系統(tǒng)框架，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。設(shè)計(jì)完成的從站系統(tǒng)具有較好的通用性和實(shí)用性，市場前景較好。