一种嵌入式CANopen协议栈开发模块的实现

 

　　1 引言

　　CANopen是一种架构在控制局域网路（Control Area Network, CAN）上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线。

　　CANopen 实作了OSI模型中的网络层以上（包括网络层）的协定。CANopen 标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。 CANopen 支援网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。一般而言资料链结层及实体层会用CAN来实作。除了 CANopen 外，也有其他的通讯协定（如EtherCAT）实作 CANopen 的设备子协定。基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation （CiA） draft standard 301. 中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402.

　　2 TinyARM简介

　　TinyARM模块内置了CANopen从站协议，为用户灵活快速设计CANopen从站，构建符合国际标准的工业现场总线及分布式网络提供了更多、更好的选择。TinyARM模块外观如图1所示。

　　TinyARM CANopen从站模块提供了网络管理（NMT）、实时数据发送（TPDO）、实时数据接收（RPDO）、服务数据对象、同步报文、紧急事件等支持，同时还能够根据需求支持不同的协议描述规范。使用Tiny-ARM CANopen从站模块可快速开发基于CANopen协议的控制设备、数据采集设备等，配合CANopen系列主站设备组建CANopen网络，迅速搭建工业现场总线分布式监控系统。

　　3 TinyARM CANopen协议栈配置

　　TinyARM是一款可二次开发的嵌入式模块，提供API函数库。CANopen协议栈也是以API函数库形式提供，使开发者在开发CANopen设备的时候使用起来非常方便。由于CANopen协议栈会使用到相应的硬件资源，因此开发者首先需要配置CANopen协议栈硬件资源，例如CANopen RUN和ERROR指示灯所对应的I/O端口等，正确的硬件配置可使协议栈稳定可靠地运行。

　　3.1 CANopen协议栈硬件资源配置

　　通讯单元 处理和网络上其他模组通讯所需要的通讯协定。 设备的启动及重置由状态机 （state machine）控制。状态机需包括以下的几个状态：Initialization, Pre-operational, Operational 及 Stopped.当接收到网络管理 （NMT） 通讯对象，状态机会转换到对应的状态。 对象字典 （Object Dictionary） 是一个有 16 位元索引 （Index） 的变量阵列。每个变量可以（但非必须）有 8 位元的子索引 （Subindex）。变量可用来调整设备的组态，也可以对应设备量测的资料或设备的输出。 当状态机设定为 operational 之后，设备的应用 （application） 部份就会实现设备预期的机能。此部份可以由对象字典中的变量调整其设定，而资料由通讯层传收或接收。

　　（1）指示灯端口配置

　　按照CANopen协议DS303-3的定义，CANopen从站需要使用两种颜色的LED指示灯来指示运行和错误状态，运行指示灯使用绿色，错误指示灯使用红色，根据实际硬件来设置LED控制端口。协议栈通过调用如表1所示的3个函数来实现，配置文件与协议栈结构如图2所示。

　　（2）参数存储函数

　　参数存储相对来说更复杂一些，需要根据实际硬件条件来修改相应的实现函数，其中的_TgtCavInit、_TgtCavOpen、_TgtCavClose、_TgtCavDelete、_TgtCavCreate、_TgtCavShutDown等函数执行对存储器进行初始化或关闭存储器等操作，在协议栈初始化或关闭时被调用。函数_TgtCavStore、_TgtCavRestore主要负责参数的存储与读取，CANopen协议栈的参数存储以对象字典为单位，每存储或恢复对象字典的参数都会调用存储或恢复参数函数，存储、恢复函数与协议栈的关系如图2所示。

　　3.2 设计对象字典

　　设计CANopen的对象字典主要分为以下两个步骤，其与协议栈结构关系如图2所示。

　　（1）生成对象字典

　　对象字典是CANopen的，不同的设备描述规范或不同的应用就有不同的对象字典，因此对于一款能支持二次开发的模块来说，根据具体需求生成相应的对象字典也是必不可少。TinyARM 中的CANopen对象字典可以通过ODBuilder软件来生成，生成的对象字典为3个标准C文件，文件名分别为：obdcfg.h,、objdict.c、objdict.h,把工程中的同名文件覆盖即可将CANopen的对象字典项目更改为新设定的对象字典项目，CANopen所支持的设备规范也可随之改变。

　　（2）对象字典的变量定义

　　对于对象字典索引在0x1000~0x1FFF范围内的对象字典，其变量存储地址已经在协议栈中预定义，不需要开发者再次定义。索引在0x2000~0x9FFF之间的索引，需要重新映射变量地址，否则对象字典无法正确存储数据。在TinyARM CANopen中，为了使开发者方便映射对象字典变量，在文件名为usrcoppardef.c的文件中定义了一个参数数组__VarTabg,将需要定义的对象字典变量地址添加到该表格中即可，其格式与使用示例如图3所示。

　　3.3 预定义连接设置

　　在CANopen运行时通常采用DS301所建议的预定义连接COB-ID（通信对象标识），其中预定义连接集包括PDO、SDO、NMT、SYNC以及EMCY等服务。协议栈在启动时已经将（除RPDO和TPDO以外）一些服务的COB-ID设定为预定义连接，开发者只需要重新设定RPDO和TPDO的预定义连接即可。同样开发者只需要在PDO预定义表格中添加项目即可，实现示例如图4所示。

　　4 TinyARM CANopen API函数编程

　　如图5所示为CANopen协议栈工作流程图，其中CopInit为初始化CANopen协议栈，CopBootUp发送CANopen启动信息并且进入预操作状态，CopThread 为CANopen协议栈线程函数，需要应用程序循环调用。开发者可以通过CopODRead和CopODWrite对对象字典进行读写操作。

      实现实例：图6展示了如何启动CANopen协议栈并使之处于运行状态。

　　开发者利用TinyARM CANopen可完全自主进行二次开发，方便地实现各种标准CANopen从站设备。例如，数字量输入输出设备、电机控制设备、数字传感器设备、织布机设备、充电设备等各种设备。使开发者在短的时间内开发出CANopen从站设备，抢占市场先机。