基于現場總線的網絡技術的研究是自動化領域發展的一個熱點，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點進行開發，本文就是通過實現伺服電機控制模塊的CANopen為協議，說明一個基于CANopen協議的控制網絡的組態。

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

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通信對象的服務，不同CANopen設備間的通信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網絡系統中每個節點都有唯一的一個對象字典，而且每個節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

伺服電機模塊應用Microchip公司生產的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40M赫茲的PIC18F258單片機進行控制。根據并條機自調勻整系統對伺服電機的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及從總線上以1ms為周期發送來的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300K赫茲轉換速率，3種可選擇的輸出電壓，分別是0～＋10V、0～＋5V和－5～＋5V，采用串行端口通信。

圖2為硬件電路簡圖，根據系統需求，設置AD7243電壓輸出為±5V，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±10V，以控制電機正反方向和調節轉速，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采集時的隔離器，為實時了解伺服電機運行狀態，根據CANopen協議分別設計了用于指示系統當前狀態和錯誤的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上接有調節零輸出偏置電壓的可調電位器R3；用ADuM1100高速數字隔離器代替傳統的光電耦合器，以降低功耗，提供精確的信號，MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發器，具有差分發射和接收能力，可將許多節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網絡中作為從節點發揮作用，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，系統還定義了一個接收NMT報文，用于實現主節點對從結點的組態；一個 Heartbeat（心跳）報文，以5000ms為周期發送，使主節點實時監測從節點狀態并在發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協議的指示燈規范設計了狀態（綠色）和錯誤（紅色）指示燈，通過定時器周期性地檢查CAN總線狀態寄存器和CANopen通信狀態標志，設置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態，可使用戶直觀地判斷當前機器所處的狀態，從而提高工作效率，具體的CANopen協議和指示燈規范可以參考相關文檔。

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，大大提出了系統效率，節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協議從節點的性質，系統在進行完初始化參數配置后，發送Boot－up報文通知主節點已進入預操作（preoperational）狀態，并在主循環中等待各種類型中斷的到來，在預操作狀態中，可接收主節點的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中接收，用于改變節點狀態，進入伺服電機模塊實時傳輸PDO報文的操作（operational）狀態，開始系統的正常工作，一旦系統進入預操作狀態，就會以5000ms為周期發送Heartbeat報文使主節點實時監控伺服電機模塊的狀態，當從節點發生錯誤時主節點就可以立刻采取措施，實現實時在線監控的功能，圖3為中斷程序流程圖。

（3）基于PIC18F258微控制器的郵箱動態分配的實現

郵箱動態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，通過郵箱的動態分配，可以節約系統資源，提高軟件靈活性，便于今后系統擴展。

在系統初始化過程中，實現了郵箱的動態分配，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COB－ID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。

接收緩沖器1中斷時，則有：

_uCAN_ret＝*（_CANRxHndls＋（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，完成郵箱動態分配和相應報文處理。

4 、實驗驗證

為方便實現實驗室監測，直觀地觀察伺服電機模塊的工作狀態，判斷D/A轉化的線性特征，使用LabView軟件設計了PC監控面板，如圖4所示。

圖4中的amplitude和phase分別用于設置發送正弦波的幅度和相位，正弦波數據以占用兩字節的形式發送，結合繼電器1和2占用的一個字節組成3字節的TPDO報文，光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數據狀態，在此監控面板的基礎上，使系統的調試更加方便。

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1ms，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的其他控制節點采用相同的方法進行CANopen協議開發，實現了網絡化的控制系統。除了伺服電機外一個完整的控制系統還應有：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點進行開發。每個節點都有各自的節點ID，所接收和發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牽伸倍數，從而達到自調勻整的目的。

自動控制系統的網絡化，標準化是現代工業發展的一個必然趨勢，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中，使其具有了即插即用和在線監控特性，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的協議的開發和使用，對提高系統的工作效率，特別是對復雜系統的研制具有一定的指導意義。