基于 CANopen协议的多机通讯设计

1引言

煤矿的控制系统需要对分布在不同位置的设备进行远程监控 ,要求系统具备通讯距离远 ,抗干扰性能强等特点。目前的工业现场应用中多采用基于 modbus协议的 485多机通信 ,485短距离多机通信具有通信可靠性高和组网成本低等优点。

在一对多的多机通讯系统中 ,当 485总线有数据传输时 ,从节点需要接收数据 ,产生中断进行地址判断 ,若不是本机地址 ,则退出中断等待下次数据传输。因此 ,当节点数越多 ,节点为判定地址其软件被中断干扰的次数多。而 CAN通讯是通过硬件设置判定总线上标识符和本节点标识符 ,若相同 ,本节点接收总线数据 ,否则不予响应 ,减小软件被中断干扰次数 ,提高可靠性。

与 485通讯相比 ,CAN总线通讯还具备以下优点 :

1. (1) CAN总线通信最大传输距离 10Km,而 485通信最大传输距离仅为 1.2Km。

    

2. (2) CAN总线通信可靠通信速率可达到 1Mbps,而 485通信可靠通信速率仅为几十 Kbps。
1. (3) CAN总线通信一次传输数据最大可传输八个字节 ,而 485通信一次传输数据量仅为一个字节。

    

2. CAN总线硬件具有一定的错误处理能力 ,能减少软件的工作量。

    

武强:硕士研究生

总线的功能更强 ,应用范围更广。

本文在基于 TMS320F2812DSP的变频器系统中 ,按照 CANopen协议进行多机通讯系统平台设计 ,通过实验验证主从之间通信的实时性、准确性和从节点的一致性的特点。

2多机通讯系统硬件设计

为模拟煤矿控制系统的多机通讯 ,硬件设计方案如图 1所示。本实验采用两台基于 TMS320F2812DSP的变频器和型号为 BX3100的倍福 PLC搭建试验平台组成两从节点和一主点的网络。为把 DSP控制器的 CAN信号转换为符合 ISO11898标准的要求需要外接 CAN控制器芯片。

在多机通讯中 ,信号电缆上经常会引起信号反射 ,导致通信不正常 ,产生的主要原因是阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续是指在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有 ,信号由此引起反射 ;阻抗不匹配主要表现在通信线路处在空闲方式时 ,整个网络数据混乱。在实际应用中 ,为简单方便 ,在传输线两端分别接 120Ω匹配电阻 ,减小在长距离通讯中电缆的信号反射 ,提高信号传输的可靠性。

3多机通讯系统软件设计

在软件设计中 ,主站采用倍福 PLC的 SSB口即 CANopen通信口,从站为两基于 DSP的变频器硬件平台。首先要对 CAN控制器进行主从设置 ,然后按照 CANopen协议进行通讯 ,最后给出多机通讯验证方案。

3.1 DSP软件寄存器配置

首先对 DSP的 CAN寄存器进行初始化配置。主从节点工作模式和波特率配置相同 ,区别是接受和发送邮箱的标识符以及屏蔽索引寄存器不同 ,寄存器配置如下 :

(1)将主从节点 eCAN配置为标准 CAN模式 ,设置主控制寄存 CANMC.SCB=1。

(2)主从节点波特率设置为 500kbps,根据 DSP系统时钟是

120MHz,寄存器配置如下 : CANBTC.bit.BRP = 9; CANBTC.bit.TSEG2 = 6; CANBTC.bit.TSEG1 = 15。

1. PLC中设置两个邮箱其节点 ID分别为 1和 2。其设置方法如图 4所示。

    

2. 两个从节点是基于 DSP的变频器平台 ,其节点 ID分别为 1和 2。

    

3. 从节点的邮箱标识符屏蔽位设置相同。邮箱 0的 7-10被屏蔽 ,通过设置局部接收屏蔽寄存器 ECanaLAMRegs.LAM0 [25-28]=1和接收邮箱 0的消息标志寄存器 MSGID.AME=1实现。

    

3.2多机通讯验证方案设计。

在多机通讯系统中 ,主节点 PLC通过外部开关量改变相应发送数据内容 ,从节点采用中断接收和中断发送报文。为验证基于 CANopen协议的 CAN总线多机通信过程 ,采用主从节点进行 SDO报文和 PDO报文的通信实验。当主节点发送 SDO报文 ,从节点接收 SDO报文处理流程图如图 2。

主节点发送 SDO报文的功能码为 60H;发送数据的内容 Byte [0]根据 CANopen协议定义为读写命令 ,写命令定义为 0x23,读命令定义为 0x40;Byte[1]为索引的低八位 ,Byte[2]为索引的高八位 ;Byte[3]为子索引 ;Byte[4]代表 16位变量的高八位 ,Byte

[5]代表 16位变量的低八位 ;Byte[6]和 Byte[7]代表数据传输的保

留位。 PDO报文选择四种 PDO中的一种 TxPDO3来发送变频器实时运行数据 ,通过标识符 COB_ID判断是不是 PDO报文 ,然后根据从节点的状态决定是否响应处理 PDO报文 ,其处理流程图如图 3。

4实验验证

为验证多机网路中主从节点正确通信和从节点的一致性 ,按照软件设计的验证方案进行如下两个通信实验。

4.1主节点与从节点 SDO报文通信实验。主节点 PLC通过通过 BOX1发送 RxSDO报文 ,BOX1设置如图 4所示 ,其节点 Node Id=1。

PLC通过外部开关输入状态改变 BOX1中的 RxSDO报文内容 ,RxSDO中的 COB_ID=0X601。其发送报文的数据区内容是随外部输入开关量的变化而变化的 ,当开关 1输入时 ,其数据区内容如图 5,变量的 online值分别为 Var1=0x002B,低八位代表 8字节写命令 ,高八位代表索引低八位 ;Var2=0x0312,低八位代表索引的高八位 ,高八位代表子索引 ;

Var3=0x000A,代表写数据的具体内容 ,在此代表变频器输入频率值 ;Var3=0x0000无意义。

实验结果表明 ,当开关 1输入时 ,变频器输出频率为 PLC的设定值 10Hz,当开关 2输入时 ,变频器输出频率为 PLC的设定值 20Hz。

同时从节点 1通过 TxPDO3将实时运行频率值发送给 PLC,其 COB_ID=0X381。当变频器运行频率值为 10Hz时,PLC显示的运行频率如图 6所示 ,变量 Vab1=0x000A代表实时运行频率为 10Hz。

5结论

基于 CANopen协议 ,设计模拟多机通讯平台 ,并进行多机通讯实验 ,得出如下结论 :

1. 通过实验得出基于 CANopen协议的 CAN总线多机通信方式使每个从节点只响应总线上数据帧的标识符 ID与从节点标识符 ID相同的数据 ,提高了从节点的软件运行效率。

    

2. 主节点和两个从节点组成 CANopen网络中 ,主节点可以与任一从节点进行独立通信且相互无影响 ,在通信过程中任意退出或接入一个从节点不影响其它节点的通信 ,表明从节点的一致性。

    

3. CANopen协议的多机通讯可以实现数据的远距离、实时和可靠传输。可以应用到煤矿以及其它远距离多机通讯网络中。

    

本文的创新点在 :多机通讯系统中 ,当 485总线有数据传输时,从节点需要接收数据 ,产生中断进行地址判断 ,若不是本机地址,则退出中断等待下次数据传输。因此 ,当节点数越多 ,节点为判定地址软件被中断干扰的次数多。而 CAN通讯是通过硬件设置判定总线上标识符和本节点标识符 ,若相同 ,本节点接收总线数据 ,否则不予响应 ,减小软件被中断干扰次数 ,提高可靠性。