CANopen從站協議的設計與實現

摘要：CANopcn作為一種開放性好、標準化、低成本的基于CAN總線的應用層協議，目前已經廣泛地應用于工業自動化領域。文章根據CANop-en DS301應用層協議規范，在以C8051F500單片機為控制核心的開發平臺上建立了CANopen從節點協議棧總框架，并實現了其中的各種功能模塊，整合成完整的協議棧，在搭建的實驗平臺上進行了協議棧的測試，實驗表明：該協議棧功能完整，實時性滿足使用要求。
關鍵詞：CANopen；C8051F500；從站協議

0 引言
隨著現代工業的發展，控制系統的規模與復雜度成倍增長，數據傳輸的吞吐量和可靠性要求也隨之提升，現場總線技術就是在這種情況下被提出并迅速發展起來的。CAN總線是現場總線國際標準之一，它具有可靠性好、實時性高、抗干擾能力較強等優點，廣泛應用于汽車和工業控制領域。但由于其只定義了物理層和數據鏈路層，并非一個完整的協議，在高級應用中需要應用層的支持，于是CANopen標準應運而生。
CANopen是自動化CAN用戶和制造商協會(CiA，CAN-in-Automation)定義的CAN總線應用層協議。它采用面向對象的思想設計，具有很好的模塊化特性和很高的適應性。CANopcn不僅定義了應用層和通信子協議，還為大多數重要的設備類型定義了大量的規范，不同廠商遵循這些規范開發出的設備之間能夠輕易實現互操作。
CANopen作為基于CAN總線的高層協議標準，在發布后不久就獲得了廣泛的承認。尤其是在歐洲，CANopcn協議被認為是在基于CAN的工業系統中占據領導地位的標準。

1 CANopen協議總體框架
CANopen協議棧主要包含了兩部分，一部分是通信規范，另一部分是設備規范。通信規范(CiA：DS-3011定義了基本的數據通信方式和特性，設備規范(CiA DSP 401-DSP4XX)則針對不同的設備類型進行了報文ID的分配和設備特征數據的定義，規范了設備的行為規范。其中通信規范是通用的，本文設計與實現的就是這一部分。
在通信規范中，為了互操作性和兼容性，CANopcn設備都必須遵從標準的CANopen設備模型來進行軟件設計，如圖1所示。

CAN通信接口通過操作CAN控制器，在總線上收發各種通信對象，來實現與其他CANopen節點基于協議規范的數據交互；對象字典是CANop-cn設備的核心，存儲節點所有的信息，并向應用程序和通信對象提供訪問接口；通信部分通過對對象字典進行操作，與其他節點交換各種通信對象實現CANopen操作；應用程序由用戶根據應用要求和設備的具體任務自己實現。

2 CANopen功能模塊實現
2．1 CAN驅動程序實現
針對C8051F500單片機，實現了CAN驅動程序。CAN驅動程序負責完成CAN控制器的操作、報文收發、CAN錯誤處理等任務，由以下部分組成：1)CAN控制器的初始化，主要對CAN控制器的相關寄存器進行配置，包括波特率的設置，消息對象的配置，接收、發送屏蔽寄存器的設置；2)CAN發送程序，任務是將打包好的數據根據幀標識符，通過接口寄存器分發到相應的郵箱里，然后啟動發送；3)CAN接收程序，由CAN中斷處理程序來完成，負責將報文分配給各個通信模塊處理。
2．2 對象字典實現
對象字典OD(Object Dictionary)是一個有序的對象組：每個對象采用一個16位的索引值來尋址，同時定義了一個8位的子索引用于訪問數據結構中的單個元素。每個CANopen設備中都必須包含一個對象字典。對象字典分為了兩部分，通用的通信子協議區域和特定的設備子協議區域，前者包含了描述這個設備通信行為的所有參數，后者包含了設備任務相關的所有數據。
本文設計的對象字典結構如圖2所示。

針對單片機計算資源緊缺的特點，對象字典實體采用二維靜態結構體來實現，它具有結構簡單、訪問效率高等優點。讀寫函數與對象字典實體配套使用，目的是將對象字典封閉起來，有效地杜絕非法訪問的情況，保障對象字典的數據安全。
2．3 通信對象的實現
CANopcn協議規定了4類通訊對象：SDO(Service Data Objeet，服務數據對象)、過程數據對象)、NMT(NetworkManagement，網絡管理對象)以及特殊功能對象。