| 摘要 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大多把精力放在硬件之上的底層軟件開(kāi)發(fā),使應(yīng)用水平難于提高的問(wèn)題,結(jié)合工業(yè)控制中的伺服電機(jī)控制模塊,開(kāi)發(fā)基于PIC18F258微控制器的CAN總線高層通信協(xié)議CANopen,使模塊具有較強(qiáng)的在線可控性、可擴(kuò)展性和通用性。通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的基于Labview軟件的PC監(jiān)控面板實(shí)現(xiàn)模塊的運(yùn)行校驗(yàn)。 關(guān)鍵詞 CANopen協(xié)議 CAN總線 伺服電機(jī)控制 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。CANopen協(xié)議是目前流行于歐洲的基于CAN總線應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對(duì)工程設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),研究現(xiàn)場(chǎng)總線的核心任務(wù)就是對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本文就是通過(guò)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制模塊的CANopen協(xié)議,說(shuō)明一個(gè)基于CANopen協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。 伺服電機(jī)控制器在自動(dòng)控制領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用,如紡織機(jī)械和印刷機(jī)等。為了得到理想的速控效果, 伺服電機(jī)模塊除了要在分辨率、線性程度以及轉(zhuǎn)換速率上達(dá)到一定的要求外,還應(yīng)具有良好的在線可控性和實(shí)時(shí)在線狀態(tài)檢測(cè)功能。為此,利用CAN總線高層通信協(xié)議CANopen,結(jié)合陜西省教育廳“并條機(jī)自調(diào)勻整” 項(xiàng)目對(duì)伺服電機(jī)控制模塊參數(shù)的要求,開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有硬件可重用性、軟件可重配置特點(diǎn)的伺服電機(jī)控制模塊。 1 CANopen協(xié)議概述[1-2] CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會(huì)針對(duì)CAN協(xié)議的不完整性而定義出的一個(gè)更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個(gè)CANopen 設(shè)備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協(xié)議軟件用于提供在總線上收發(fā)通信對(duì)象的服務(wù);不同CANopen 設(shè)備間的通信都是通過(guò)交換通信對(duì)象來(lái)完成的,這一部分直接面向CAN 控制器進(jìn)行操作。對(duì)象字典描述了設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象;對(duì)象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間,用于向應(yīng)用程序提供接口。應(yīng)用程序?qū)?duì)象字典進(jìn)行操作,即可實(shí)現(xiàn)CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通過(guò)對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)CANopen 通信;而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。  圖1 CANopen設(shè)備模型
在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的一個(gè)對(duì)象字典,而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典都具有相同的結(jié)構(gòu),但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定,包含了描述該設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。CANopen協(xié)議還定義了4種報(bào)文(通信對(duì)象),用于對(duì)不同作用的信息進(jìn)行處理,分別為管理報(bào)文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）和預(yù)定義報(bào)文或特殊功能對(duì)象。具體的CANopen協(xié)議內(nèi)容可參考相關(guān)文檔。 2 伺服電機(jī)模塊的硬件實(shí)現(xiàn) 伺服電機(jī)模塊使用Microchip公司生產(chǎn)的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40 MHz的PIC18F258單片機(jī)進(jìn)行控制[3]。根據(jù)并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)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(fā)送來(lái)的D/A轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù),使用ADI公司的12位AD7243芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。它具有300 kHz的轉(zhuǎn)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(jiǎn)圖。根據(jù)系統(tǒng)需求,設(shè)置AD7243電壓輸出為±5 V,將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實(shí)現(xiàn)。在AD7243的輸出端接有OP07運(yùn)算放大器,用于調(diào)整輸出電壓到±10 V, 以控制電機(jī)正反方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。圖中繼電器FDLL4148用于控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止;光耦TL521用于對(duì)伺服電機(jī)狀態(tài)采集時(shí)的隔離器;為實(shí)時(shí)了解伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)CANopen協(xié)議分別設(shè)計(jì)了用于指示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和錯(cuò)誤的LED(綠色和紅色)指示燈;J1為與伺服控制器的接口插件。  圖2 伺服電機(jī)模塊硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖2中,在OP07上接有調(diào)節(jié)零輸出偏置電壓的可調(diào)電位器R3;用ADuM1100高速數(shù)字隔離器替代傳統(tǒng)的光電耦合器,以降低功耗,提供精確的信號(hào);MCP2551是一種可容錯(cuò)的高速CAN收發(fā)器,具有差分發(fā)射和接收能力,可將許多節(jié)點(diǎn)與同一網(wǎng)絡(luò)相連接并采用非屏蔽線部署網(wǎng)絡(luò),從而降低系統(tǒng)成本。 3 伺服電機(jī)模塊的CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn) (1) CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn) 伺服電機(jī)模塊在CANopen網(wǎng)絡(luò)中作為從節(jié)點(diǎn)發(fā)揮作用,完成屬于自己范圍內(nèi)的特定任務(wù),進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,并對(duì)其負(fù)責(zé)的底層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。在實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議之前,必須先了解它在網(wǎng)絡(luò)中的具體功能：通過(guò)CAN總線接收控制伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)速控制、啟動(dòng)和停止）;采樣伺服Ready信號(hào)和電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)回送到CAN總線。 CANopen協(xié)議的核心內(nèi)容是對(duì)象字典,完成各種機(jī)器CANopen協(xié)議通信的實(shí)質(zhì)是在對(duì)象字典的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作,通過(guò)映射的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)各種報(bào)文數(shù)據(jù)的處理。根據(jù)伺服電機(jī)模塊的功能并結(jié)合CANopen協(xié)議各類報(bào)文的特征,定義了如表1和表2所列的屬性。 表 1
 表 2
 表1和表2定義的SDO報(bào)文和PDO報(bào)文分別用于讀/寫對(duì)象字典和傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。PDO報(bào)文映射參數(shù)子索引的內(nèi)容代表PDO報(bào)文中各字節(jié)的用途,比如：RxPDO報(bào)文映射參數(shù)子索引0x64110110L指對(duì)象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的數(shù)據(jù)內(nèi)容,即控制電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。此外,系統(tǒng)還定義了一個(gè)接收NMT報(bào)文,用于實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的組態(tài);一個(gè)Heartbeat(心跳)報(bào)文,以5 000 ms為周期發(fā)送,使主節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理。 除了上述用于實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)模塊預(yù)定義功能的報(bào)文外,還根據(jù)CANopen協(xié)議的指示燈規(guī)范設(shè)計(jì)了狀態(tài)(綠色)和錯(cuò)誤(紅色)指示燈,通過(guò)定時(shí)器周期性地檢查CAN總線狀態(tài)寄存器和CANopen通信狀態(tài)標(biāo)志,設(shè)置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態(tài),可使用戶直觀地判斷當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài),從而提高工作效率。具體的CANopen協(xié)議和指示燈規(guī)范可以參考相關(guān)文檔[4]。 伺服電機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)是基于CANopen協(xié)議對(duì)象字典的模塊化設(shè)計(jì),它可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展,只須修改對(duì)象字典中報(bào)文映射參數(shù),添加相應(yīng)的功能模塊即可實(shí)現(xiàn)。與以往的基于CAN數(shù)據(jù)傳送協(xié)議相比,大大提高了系統(tǒng)效率,節(jié)約了有限的硬件資源,為功能的擴(kuò)展和用途的延伸提供了方便。 (2) 應(yīng)用程序流程 伺服電機(jī)模塊上電以后,根據(jù)CANopen協(xié)議從節(jié)點(diǎn)的性質(zhì),系統(tǒng)在進(jìn)行完初始化參數(shù)配置后,發(fā)送Bootup報(bào)文通知主節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入預(yù)操作(preoperational)狀態(tài),并在主循環(huán)中等待各種類型中斷的到來(lái)。在預(yù)操作狀態(tài)中,可接收主節(jié)點(diǎn)的SDO報(bào)文讀/寫對(duì)象字典。比如當(dāng)無(wú)法使DA零點(diǎn)輸出偏置電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),可以通過(guò)修改對(duì)象字典的電壓偏置值相來(lái)進(jìn)行調(diào)整。NMT報(bào)文也可在預(yù)操作狀態(tài)中接收,用于改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài),進(jìn)入伺服電機(jī)模塊實(shí)時(shí)傳輸PDO報(bào)文的操作(operational)狀態(tài),開(kāi)始系統(tǒng)的正常工作。一旦系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài),就會(huì)以5 000 ms為周期發(fā)送Heartbeat報(bào)文使主節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服電機(jī)模塊的狀態(tài);當(dāng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)主節(jié)點(diǎn)就可以立刻采取措施,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的功能。圖3為中斷程序流程圖。 |
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