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(fā),使應用水平難于提高的問題,結合工業(yè)控制中的伺服電機控制模塊,開發(fā)基于PIC18F258微控制器的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(fā)的基于Labview軟件的PC監(jiān)控面板實現模塊的運行校驗。
關鍵詞 CANopen協議 CAN總線 伺服電機控制
基于現場總線的網絡技術的研究是自動化領域發(fā)展的一個熱點。CANopen協議是目前流行于歐洲的基于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制節(jié)點進行開發(fā)。本文就是通過實現伺服電機控制模塊的CANopen協議,說明一個基于CANopen協議的控制網絡的組態(tài)。
伺服電機控制器在自動控制領域里有著廣泛的應用,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(tài)檢測功能。為此,利用CAN總線高層通信協議CANopen,結合陜西省教育廳“并條機自調勻整” 項目對伺服電機控制模塊參數的要求,開發(fā)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制模塊。
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于提供在總線上收發(fā)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,這一部分直接面向CAN 控制器進行操作。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;對象字典位于通信程序和應用程序之間,用于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網絡系統(tǒng)中每個節(jié)點都有唯一的一個對象字典,而且每個節(jié)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),用于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單片機進行控制[3]。根據并條機自調勻整系統(tǒng)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(fā)送來的D/A轉速控制數據,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。根據系統(tǒng)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,用于調整輸出電壓到±10 V, 以控制電機正反方向和調節(jié)轉速。圖中繼電器FDLL4148用于控制電機的啟動和停止;光耦TL521用于對伺服電機狀態(tài)采集時的隔離器;為實時了解伺服電機運行狀態(tài),根據CANopen協議分別設計了用于指示系統(tǒng)當前狀態(tài)和錯誤的LED(綠色和紅色)指示燈;J1為與伺服控制器的接口插件。
圖2中,在OP07上接有調節(jié)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(tǒng)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(fā)器,具有差分發(fā)射和接收能力,可將許多節(jié)點與同一網絡相連接并采用非屏蔽線部署網絡,從而降低系統(tǒng)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(jié)點發(fā)揮作用,完成屬于自己范圍內的特定任務,進行實時數據傳輸,并對其負責的底層設備進行數據采集和控制。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總線接收控制伺服電機的數據（包括轉速控制、啟動和停止）;采樣伺服Ready信號和電機當前狀態(tài)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,通過映射的關系實現對各種報文數據的處理。根據伺服電機模塊的功能并結合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報文分別用于讀/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(jié)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,即控制電機轉速數據。此外,系統(tǒng)還定義了一個接收NMT報文,用于實現主節(jié)點對從節(jié)點的組態(tài);一個Heartbeat(心跳)報文,以5 000 ms為周期發(fā)送,使主節(jié)點實時監(jiān)測從節(jié)點狀態(tài)并在發(fā)生錯誤時及時進行處理。
除了上述用于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(guī)范設計了狀態(tài)(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(tài)寄存器和CANopen通信狀態(tài)標志,設置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態(tài),可使用戶直觀地判斷當前機器所處的狀態(tài),從而提高工作效率。具體的CANopen協議和指示燈規(guī)范可以參考相關文檔[4]。
伺服電機控制模塊的設計是基于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,只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。與以往的基于CAN數據傳送協議相比,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后,根據CANopen協議從節(jié)點的性質,系統(tǒng)在進行完初始化參數配置后,發(fā)送Bootup報文通知主節(jié)點已進入預操作(preoperational)狀態(tài),并在主循環(huán)中等待各種類型中斷的到來。在預操作狀態(tài)中,可接收主節(jié)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(tài)中接收,用于改變節(jié)點狀態(tài),進入伺服電機模塊實時傳輸PDO報文的操作(operational)狀態(tài),開始系統(tǒng)的正常工作。一旦系統(tǒng)進入預操作狀態(tài),就會以5 000 ms為周期發(fā)送Heartbeat報文使主節(jié)點實時監(jiān)控伺服電機模塊的狀態(tài);當從節(jié)點發(fā)生錯誤時主節(jié)點就可以立刻采取措施,實現實時在線監(jiān)控的功能。圖3為中斷程序流程圖。
(3) 基于PIC18F258微控制器的郵箱動態(tài)分配的實現
郵箱動態(tài)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(tài)分配,可以節(jié)約系統(tǒng)資源,提高軟件靈活性,便于今后系統(tǒng)擴展。
在系統(tǒng)初始化過程中,實現了郵箱的動態(tài)分配,具體方法是：PIC18F258微控制器具有2個接收緩沖器和6個接收濾波器,其中：接收緩沖器0對應于接收濾波器0和1;接收緩沖器1對應于接收濾波器2、3、4和5。通過定義常數標志數組_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,根據中斷標志寄存器PIR3的Bit0(RXB0IF,接收緩沖器0中斷標志位)和Bit1(RXB1IF,接收緩沖器1中斷標志位)來判斷產生中斷的接收緩沖器。
當接收緩沖器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志;接收緩沖器0控制寄存器(RXB0CON)的Bit0為接收濾波器0、1的選擇位。
當接收緩沖器1中斷時,則有：
_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB1CON & 0x07))(2)
其中：接收緩沖器1控制寄存器(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志,實現對接收報文類型的判斷,完成郵箱動態(tài)分配和相應報文處理。
4 實驗驗證
為方便實驗室監(jiān)測,直觀地觀察伺服電機模塊的工作狀態(tài),判斷D/A轉化的線性特征,使用LabView軟件設計了PC監(jiān)控面板[5],如圖4所示。
圖4中的amplitude和phase分別用于設置發(fā)送正弦波的幅度和相位,正弦波數據以占用兩字節(jié)的形式發(fā)送,結合繼電器1和2占用的一個字節(jié)組成3字節(jié)的TPDO報文。光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數據狀態(tài),在此監(jiān)控面板的基礎上,使系統(tǒng)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只有一部分。此外,由于LabView軟件的限制,最高輸出數據周期只能達到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輸出至伺服控制器即可實現對伺服電機的控制,這一點已在現場試驗中得到驗證。
5 結論
通過對并條機自調勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點采用相同的方法進行CANopen協議開發(fā),實現了網絡化的控制系統(tǒng)。除了伺服電機外一個完整的控制系統(tǒng)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,可將每個控制模塊都作為一個節(jié)點進行開發(fā)。每個節(jié)點都有各自的節(jié)點ID,所接收和發(fā)射的數據在總線上進行交流,通過改變伺服電機控制的低速羅拉轉速來調節(jié)牽伸倍數,從而達到自調勻整的目的。
自動控制系統(tǒng)的網絡化、標準化是現代工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢,將CAN總線應用層協議CANopen應用于該領域有著廣闊的應用前景。本文通過將伺服電機控制模塊做成符合CANopen協議的標準化裝置,并應用于并條機自調勻整系統(tǒng)中,使其具有了即插即用和在線監(jiān)控特性,增強了設備的可擴展性,提高了數據傳輸的可靠性。這種基于現場總線應用層標準協議的開發(fā)和使用,對提高系統(tǒng)的工作效率,特別是對復雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導意義。
參考文獻
[1] Boterenbrood H. CANopen:highlevel protocol for CANbus. 2000.
