摘  要： CANopen協(xié)議是由CAN-in-Automation（CiA）定義的標(biāo)準(zhǔn)，并且在以CAN為基礎(chǔ)的工業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域中占著主導(dǎo)地位。本文以五軸機(jī)械手的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為背景，結(jié)合CANopen協(xié)議在汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對多電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時控制。文中提供的以CAN總線控制多個伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，使得硬件電路的設(shè)計(jì)得到很大簡化，同時也使得通信效率和可靠性得到大幅提升。本方案在實(shí)際運(yùn)行中已經(jīng)得到充分的驗(yàn)證，對工業(yè)控制領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： CAN；CANopen；多電機(jī)系統(tǒng)控制；現(xiàn)場總線

0 引言

　　CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線是由德國Bosch公司設(shè)計(jì)的，是一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、成本低的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式。它在離散控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是唯一成為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線[1]。由于CAN只定義了OSI網(wǎng)絡(luò)模型中的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），沒有應(yīng)用層，所以需要高層協(xié)議來具體定義CAN報(bào)文的使用。CANopen協(xié)議是基于CAL協(xié)議的擴(kuò)展，是目前基于CAN的高層通信協(xié)議的一種。CANopen是由CAN-in-Automation（CiA）定義的標(biāo)準(zhǔn)，并且在以CAN為基礎(chǔ)的工業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域中占著主導(dǎo)地位[2]。CANopen專門為不同的接口設(shè)備應(yīng)用子協(xié)議定義了行規(guī)（DSP4），其中CiA402是針對驅(qū)動裝置和運(yùn)動控制裝置的設(shè)備規(guī)范。本文就是根據(jù)CANopen協(xié)議在伺服驅(qū)動設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行展開討論的。

1 CANopen通信協(xié)議簡析

　　CANopen的參考模型如圖1所示。由此圖可以看出CANopen是以CAN為基礎(chǔ)的，CAN數(shù)據(jù)鏈路層提供具有標(biāo)示符的報(bào)文的廣播服務(wù)，所以報(bào)文不是發(fā)送到某一個遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的特定的應(yīng)用程序。實(shí)際上，每個應(yīng)用程序只需要根據(jù)報(bào)文的標(biāo)示符決定是否接受通信對象所攜帶的數(shù)據(jù)，這種特性決定了CAN網(wǎng)絡(luò)是一種基于報(bào)文的協(xié)議，而CANopen協(xié)議中的服務(wù)對象就是CAN網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腃AN報(bào)文。

　　CANopen的設(shè)備模型如圖2所示。從圖中可以看出，一個CAN設(shè)備主要分為三部分：通信接口、對象字典、應(yīng)用程序。通信接口主要定義了四種不同種類的通信對象：服務(wù)數(shù)據(jù)對象、過程數(shù)據(jù)對象、網(wǎng)絡(luò)管理對象和特殊功能對象，用來實(shí)現(xiàn)通信、網(wǎng)絡(luò)管理和緊急情況處理等功能[3]。這四類通信對象（COB）都是由一個或多個報(bào)文實(shí)現(xiàn)的。過程數(shù)據(jù)對象（PDO消息）用來傳輸實(shí)時的數(shù)據(jù)；服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO服務(wù)器消息和SDO客戶端消息）用來配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和訪問節(jié)點(diǎn)的對象字典，建立兩個CANopen設(shè)備之間的客戶/服務(wù)器的關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)管理對象（NMT）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動和監(jiān)控設(shè)備；特殊功能對象是指同步（SYNC）、時間標(biāo)記對象、緊急事件、節(jié)點(diǎn)保護(hù)。

　　CANopen對象字典（Object Dictionary，OD）是CANopen協(xié)議最為核心的概念。對象字典就是通過網(wǎng)絡(luò)讀取一組提前定義好的對象，相當(dāng)于一個參數(shù)列表，每一個對象是用一個16位的索引和8位的子索引來定位。為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，同時也定義了一個8位的子索引。對象字典是所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涉及設(shè)備的應(yīng)用程序、通信以及狀態(tài)機(jī)，也是通信接口與應(yīng)用程序之間的接口。

　　CANopen由一系列稱為子協(xié)議的文檔組成，這些子協(xié)議主要分為3類，分別是通信子協(xié)議、制造商自定義子協(xié)議和設(shè)備子協(xié)議。子協(xié)議描述對象字典中的每個對象的功能、名字、索引、子索引、數(shù)據(jù)類型、讀寫屬性，以及這個對象是否必須等待，從而保證不同制造商的同類設(shè)備能夠相互兼容。根據(jù)這些協(xié)議生產(chǎn)CANopen設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠商產(chǎn)品之間的互操作，大大降低了系統(tǒng)通信的開發(fā)難度[4-6]。

2 機(jī)械手的實(shí)現(xiàn)

　　機(jī)械手主要有三部分組成：手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)。手部是指用來抓取物體的部件；運(yùn)動機(jī)構(gòu)使手部完成各種規(guī)定動作；控制系統(tǒng)通過對各個電機(jī)的控制來完成所需要的規(guī)定動作，同時通過接收反饋的信息形成閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分，本文主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是控制系統(tǒng)。

　　隨著現(xiàn)場總線在工業(yè)控制領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用，以及控制系統(tǒng)向著網(wǎng)絡(luò)化、開放性的方向發(fā)展，所以本文也采用總線的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)與外部設(shè)備的通信分別采用以太網(wǎng)總線和CAN總線。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　由圖3可以看出，該系統(tǒng)主要由4部分組成：手持器、控制電路、電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)。其運(yùn)行過程大致是手持器通過以太網(wǎng)接口把相應(yīng)的動作指令發(fā)給控制電路，該過程采用LWIP協(xié)議；然后控制電路在接收到指令之后，開始解析指令，再通過CAN接口給伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送指令，該過程采用CANopen協(xié)議；伺服驅(qū)動器在得到指令后開始驅(qū)動電機(jī)，在電機(jī)到達(dá)指定位置后停止。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如何實(shí)現(xiàn)對5個電機(jī)的實(shí)時控制是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。為保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和實(shí)時性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時采用了CAN接口和以太網(wǎng)接口[7]。

3 機(jī)械手CANopen通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 CANopen通信的硬件設(shè)計(jì)

　　由圖3可以看出，CANopen通信是在控制電路和電機(jī)驅(qū)動器之間實(shí)現(xiàn)的。CANopen只是一個應(yīng)用層的規(guī)范協(xié)議，與具體總線的物理實(shí)現(xiàn)無關(guān)。由圖1 CANopen的參考模型可以看出，CANopen是以CAN為基礎(chǔ)的，所以CANopen的硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)際是CAN總線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)驅(qū)動器自身支持CANopen協(xié)議，所以硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是控制電路能符合CANopen協(xié)議。CAN的硬件實(shí)現(xiàn)包括兩個部分：與OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層分別對應(yīng)的CAN控制器和CAN收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)。本文采用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片作為控制電路的MCU，該芯片內(nèi)有CAN控制器，并且完全支持CAN協(xié)議2.0。CAN收發(fā)器選用CTM1050T，其內(nèi)部集成了CAN隔離及收發(fā)器件，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，同時具有隔離功能機(jī)ESD保護(hù)作用。CAN通信硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示[8]。

　　3.2 CANopen通信程序設(shè)計(jì)

　　CAN通信硬件設(shè)計(jì)完成后能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的報(bào)文通信，但是仍需對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行定義，主要包括數(shù)據(jù)內(nèi)容的傳輸格式以及數(shù)據(jù)讀取規(guī)則。本部分主要介紹控制電路與伺服電機(jī)驅(qū)動器之間CAN通信程序的設(shè)計(jì)，程序采用CANopen協(xié)議中的服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO（Service Data Object）數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。采用該機(jī)制是因?yàn)镾DO為每個消息都生成一個應(yīng)答，這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。同時通過每5 ms查詢一次的方式來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。CANopen通信程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。首先對控制電路的CAN接口進(jìn)行配置，選擇波特率，完成CAN接口的初始化。電機(jī)驅(qū)動器節(jié)點(diǎn)的配置是通過驅(qū)動器的面板進(jìn)行設(shè)定，把各節(jié)點(diǎn)配置為可操作模式，然后再根據(jù)傳送過來的數(shù)據(jù)對伺服驅(qū)動器進(jìn)行相應(yīng)的配置。在整個通信過程中，由于伺服電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部集成標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議，所以控制電路所發(fā)的數(shù)據(jù)要按照CANopen協(xié)議中的規(guī)定發(fā)送才能被伺服電機(jī)驅(qū)動器識別。同時這也簡化了控制電路關(guān)于CANopen協(xié)議方面的程序設(shè)計(jì)，使得研發(fā)周期大大縮短。

4 結(jié)束語

　　CANopen是一個應(yīng)用層的規(guī)范協(xié)議，與具體總線的物理實(shí)現(xiàn)無關(guān)。CANopen已經(jīng)發(fā)展成具有高度靈活性的標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)，基于它提出和實(shí)現(xiàn)的對象字典、設(shè)備規(guī)范等概念對現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。本文主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的五軸機(jī)械手控制系統(tǒng)，為CANopen協(xié)議在多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種方案，對工業(yè)控制領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

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