摘要 針對目前國內大多把精力放在硬件之上的底層軟件開發,使應用水平難於提高的問題,結合工業控製中的伺服電機控製模塊,開發基於PIC18F258微控製器的CAN總線高層通信協議CANopen,使模塊具有較強的在線可控性、可擴展性和通用性。通過自行開發的基於Labview軟件的PC監控麵板實現模塊的運行校驗。
關鍵詞 CANopen協議 CAN總線 伺服電機控製
基於現場總線的網絡技術的研究是自動化領域發展的一個熱點。CANopen協議是目前流行於歐洲的基於CAN總線應用層的標準協議。對工程設計者來說,研究現場總線的核心任務就是對控製節點進行開發。本文就是通過實現伺服電機控製模塊的CANopen協議,說明一個基於CANopen協議的控製網絡的組態。
伺服電機控製器在自動控製領域裏有著廣泛的應用,如紡織機械和印刷機等。為了得到理想的速控效果, 伺服電機模塊除了要在分辨率、線性程度以及轉換速率上達到一定的要求外,還應具有良好的在線可控性和實時在線狀態檢測功能。為此,利用CAN總線高層通信協議CANopen,結合陝西省教育廳“並條機自調勻整” 項目對伺服電機控製模塊參數的要求,開發了一個具有硬件可重用性、軟件可重配置特點的伺服電機控製模塊。
1 CANopen協議概述[1-2]
CANopen協議是由CiA協會針對CAN協議的不完整性而定義出的一個更高層次的協議——應用層協議。一個CANopen 設備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協議軟件用於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,這一部分直接麵向CAN 控製器進行操作。對象字典描述了設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象;對象字典位於通信程序和應用程序之間,用於向應用程序提供接口。應用程序對對象字典進行操作,即可實現CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通過對對象字典進行操作實現CANopen 通信;而功能部分則根據應用要求來實現。
在CANopen網絡係統中每個節點都有唯一的一個對象字典,而且每個節點的對象字典都具有相同的結構,但具體的內容要根據不同的設備而定,包含了描述該設備及其網絡行為的所有參數。CANopen協議還定義了4種報文(通信對象),用於對不同作用的信息進行處理,分別為管理報文（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）和預定義報文或特殊功能對象。具體的CANopen協議內容可參考相關文檔。
2 伺服電機模塊的硬件實現
伺服電機模塊使用Microchip公司生產的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40 MHz的PIC18F258單片機進行控製[3]。根據並條機自調勻整係統對伺服電機的要求（9 V—3 000 r/min,即3 mV—1 r/min）,以及從總線上以1 ms為周期發送來的D/A轉速控製數據,使用ADI公司的12位AD7243芯片進行D/A轉換。它具有300 kHz的轉換速率,3種可選擇的輸出電壓,分別是0～+10 V、0～＋5 V和-5~+5 V,采用串行端口通信。
圖2為硬件電路簡圖。根據係統需求,設置AD7243電壓輸出為±5 V,將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實現。在AD7243的輸出端接有OP07運算放大器,用於調整輸出電壓到±10 V, 以控製電機正反方向和調節轉速。圖中繼電器FDLL4148用於控製電機的啟動和停止;光耦TL521用於對伺服電機狀態采集時的隔離器;為實時了解伺服電機運行狀態,根據CANopen協議分別設計了用於指示係統當前狀態和錯誤的LED(綠色和紅色)指示燈;J1為與伺服控製器的接口插件。
圖2中,在OP07上接有調節零輸出偏置電壓的可調電位器R3;用ADuM1100高速數字隔離器替代傳統的光電耦合器,以降低功耗,提供精確的信號;MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發器,具有差分發射和接收能力,可將許多節點與同一網絡相連接並采用非屏蔽線部署網絡,從而降低係統成本。
3 伺服電機模塊的CANopen協議實現
(1) CANopen協議實現
伺服電機模塊在CANopen網絡中作為從節點發揮作用,完成屬於自己範圍內的特定任務,進行實時數據傳輸,並對其負責的底層設備進行數據采集和控製。在實現CANopen協議之前,必須先了解它在網絡中的具體功能：通過CAN總線接收控製伺服電機的數據（包括轉速控製、啟動和停止）;采樣伺服Ready信號和電機當前狀態回送到CAN總線。
CANopen協議的核心內容是對象字典,完成各種機器CANopen協議通信的實質是在對象字典的基礎上進行操作,通過映射的關係實現對各種報文數據的處理。根據伺服電機模塊的功能並結合CANopen協議各類報文的特征,定義了如表1和表2所列的屬性。
表 1
表1和表2定義的SDO報文和PDO報文分別用於讀/寫對象字典和傳送實時數據。PDO報文映射參數子索引的內容代表PDO報文中各字節的用途,比如：RxPDO報文映射參數子索引0x64110110L指對象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的數據內容,即控製電機轉速數據。此外,係統還定義了一個接收NMT報文,用於實現主節點對從節點的組態;一個Heartbeat(心跳)報文,以5 000 ms為周期發送,使主節點實時監測從節點狀態並在發生錯誤時及時進行處理。
除了上述用於實現伺服電機模塊預定義功能的報文外,還根據CANopen協議的指示燈規範設計了狀態(綠色)和錯誤(紅色)指示燈,通過定時器周期性地檢查CAN總線狀態寄存器和CANopen通信狀態標誌,設置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態,可使用戶直觀地判斷當前機器所處的狀態,從而提高工作效率。具體的CANopen協議和指示燈規範可以參考相關文檔[4]。
伺服電機控製模塊的設計是基於CANopen協議對象字典的模塊化設計,它可以方便地進行功能擴展,隻須修改對象字典中報文映射參數,添加相應的功能模塊即可實現。與以往的基於CAN數據傳送協議相比,大大提高了係統效率,節約了有限的硬件資源,為功能的擴展和用途的延伸提供了方便。
(2) 應用程序流程
伺服電機模塊上電以後,根據CANopen協議從節點的性質,係統在進行完初始化參數配置後,發送Bootup報文通知主節點已進入預操作(preoperational)狀態,並在主循環中等待各種類型中斷的到來。在預操作狀態中,可接收主節點的SDO報文讀/寫對象字典。比如當無法使DA零點輸出偏置電壓達到標準值時,可以通過修改對象字典的電壓偏置值相來進行調整。NMT報文也可在預操作狀態中接收,用於改變節點狀態,進入伺服電機模塊實時傳輸PDO報文的操作(operational)狀態,開始係統的正常工作。一旦係統進入預操作狀態,就會以5 000 ms為周期發送Heartbeat報文使主節點實時監控伺服電機模塊的狀態;當從節點發生錯誤時主節點就可以立刻采取措施,實現實時在線監控的功能。圖3為中斷程序流程圖。
(3) 基於PIC18F258微控製器的郵箱動態分配的實現
郵箱動態分配的任務是在不固定某個郵箱具體特性的同時,實現對郵箱中報文作用的判斷。通過郵箱的動態分配,可以節約係統資源,提高軟件靈活性,便於今後係統擴展。
在係統初始化過程中,實現了郵箱的動態分配,具體方法是：PIC18F258微控製器具有2個接收緩衝器和6個接收濾波器,其中：接收緩衝器0對應於接收濾波器0和1;接收緩衝器1對應於接收濾波器2、3、4和5。通過定義常數標誌數組_uCANRxHndls[i](0≤i≤5),依次將要接收的報文COBID定義到接收濾波器中。當產生CAN總線接收中斷時,根據中斷標誌寄存器PIR3的Bit0(RXB0IF,接收緩衝器0中斷標誌位)和Bit1(RXB1IF,接收緩衝器1中斷標誌位)來判斷產生中斷的接收緩衝器。
當接收緩衝器0中斷時,則有：
_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB0CON & 0x01))(1)
其中：uCAN_ret為標識某報文接收中斷的數組常數標誌;接收緩衝器0控製寄存器(RXB0CON)的Bit0為接收濾波器0、1的選擇位。
當接收緩衝器1中斷時,則有：
_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB1CON & 0x07))(2)
其中：接收緩衝器1控製寄存器(RXB1CON)的Bit2~Bit0為接收濾波器2、3、4和5的選擇位。
通過式（1）和式（2）可得代表某種報文中斷的數組常數標誌,實現對接收報文類型的判斷,完成郵箱動態分配和相應報文處理。
4 實驗驗證
為方便實驗室監測,直觀地觀察伺服電機模塊的工作狀態,判斷D/A轉化的線性特征,使用LabView軟件設計了PC監控麵板[5],如圖4所示。
圖4中的amplitude和phase分別用於設置發送正弦波的幅度和相位,正弦波數據以占用兩字節的形式發送,結合繼電器1和2占用的一個字節組成3字節的TPDO報文。光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數據狀態,在此監控麵板的基礎上,使係統的調試更加方便。
在示波器上觀察到的D/A輸出波形如圖5所示,因為D/A輸出為瞬間波形,所以在示波器上看到的波形光線隻有一部分。此外,由於LabView軟件的限製,最高輸出數據周期隻能達到1 ms。 因此, 在示波器上看到的波形有折線存在, 每個轉折點代表一個輸出點,通過設置相位值來決定轉折點的個數,即輸出多少個數據來表示一個波形。例如圖5中的相位為18,則會輸出36個點來表示一個周期波形。
將此D/A輸出至伺服控製器即可實現對伺服電機的控製,這一點已在現場試驗中得到驗證。
5 結論
通過對並條機自調勻整係統的其他控製節點采用相同的方法進行CANopen協議開發,實現了網絡化的控製係統。除了伺服電機外一個完整的控製係統還應有：主控模塊如（DSP或單片機）、PLC模塊和鍵盤顯示模塊等。和伺服電機模塊一樣,可將每個控製模塊都作為一個節點進行開發。每個節點都有各自的節點ID,所接收和發射的數據在總線上進行交流,通過改變伺服電機控製的低速羅拉轉速來調節牽伸倍數,從而達到自調勻整的目的。
自動控製係統的網絡化、標準化是現代工業發展的一個必然趨勢,將CAN總線應用層協議CANopen應用於該領域有著廣闊的應用前景。本文通過將伺服電機控製模塊做成符合CANopen協議的標準化裝置,並應用於並條機自調勻整係統中,使其具有了即插即用和在線監控特性,增強了設備的可擴展性,提高了數據傳輸的可靠性。這種基於現場總線應用層標準協議的開發和使用,對提高係統的工作效率,特別是對複雜係統的研製具有一定的指導意義。
參考文獻
[1] Boterenbrood H. CANopen:highlevel protocol for CANbus. 2000.
