CANopen从站协议的设计与实现

摘要：CANopcn作为一种开放性好、标准化、低成本的基于CAN总线的应用层协议，目前已经广泛地应用于工业自动化领域。文章根据CANop-en DS301应用层协议规范，在以C8051F500单片机为控制核心的开发平台上建立了CANopen从节点协议栈总框架，并实现了其中的各种功能模块，整合成完整的协议栈，在搭建的实验平台上进行了协议栈的测试，实验表明：该协议栈功能完整，实时性满足使用要求。
关键词：CANopen；C8051F500；从站协议

0 引言
随着现代工业的发展，控制系统的规模与复杂度成倍增长，数据传输的吞吐量和可靠性要求也随之提升，现场总线技术就是在这种情况下被提出并迅速发展起来的。CAN总线是现场总线国际标准之一，它具有可靠性好、实时性高、抗干扰能力较强等优点，广泛应用于汽车和工业控制领域。但由于其只定义了物理层和数据链路层，并非一个完整的协议，在高级应用中需要应用层的支持，于是CANopen标准应运而生。
CANopen是自动化CAN用户和制造商协会(CiA，CAN-in-Automation)定义的CAN总线应用层协议。它采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很高的适应性。CANopcn不仅定义了应用层和通信子协议，还为大多数重要的设备类型定义了大量的规范，不同厂商遵循这些规范开发出的设备之间能够轻易实现互操作。
CANopen作为基于CAN总线的高层协议标准，在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲，CANopcn协议被认为是在基于CAN的工业系统中占据领导地位的标准。

1 CANopen协议总体框架
CANopen协议栈主要包含了两部分，一部分是通信规范，另一部分是设备规范。通信规范(CiA：DS-3011定义了基本的数据通信方式和特性，设备规范(CiA DSP 401-DSP4XX)则针对不同的设备类型进行了报文ID的分配和设备特征数据的定义，规范了设备的行为规范。其中通信规范是通用的，本文设计与实现的就是这一部分。
在通信规范中，为了互操作性和兼容性，CANopcn设备都必须遵从标准的CANopen设备模型来进行软件设计，如图1所示。

CAN通信接口通过操作CAN控制器，在总线上收发各种通信对象，来实现与其他CANopen节点基于协议规范的数据交互；对象字典是CANop-cn设备的核心，存储节点所有的信息，并向应用程序和通信对象提供访问接口；通信部分通过对对象字典进行操作，与其他节点交换各种通信对象实现CANopen操作；应用程序由用户根据应用要求和设备的具体任务自己实现。

2 CANopen功能模块实现
2．1 CAN驱动程序实现
针对C8051F500单片机，实现了CAN驱动程序。CAN驱动程序负责完成CAN控制器的操作、报文收发、CAN错误处理等任务，由以下部分组成：1)CAN控制器的初始化，主要对CAN控制器的相关寄存器进行配置，包括波特率的设置，消息对象的配置，接收、发送屏蔽寄存器的设置；2)CAN发送程序，任务是将打包好的数据根据帧标识符，通过接口寄存器分发到相应的邮箱里，然后启动发送；3)CAN接收程序，由CAN中断处理程序来完成，负责将报文分配给各个通信模块处理。
2．2 对象字典实现
对象字典OD(Object Dictionary)是一个有序的对象组：每个对象采用一个16位的索引值来寻址，同时定义了一个8位的子索引用于访问数据结构中的单个元素。每个CANopen设备中都必须包含一个对象字典。对象字典分为了两部分，通用的通信子协议区域和特定的设备子协议区域，前者包含了描述这个设备通信行为的所有参数，后者包含了设备任务相关的所有数据。
本文设计的对象字典结构如图2所示。

针对单片机计算资源紧缺的特点，对象字典实体采用二维静态结构体来实现，它具有结构简单、访问效率高等优点。读写函数与对象字典实体配套使用，目的是将对象字典封闭起来，有效地杜绝非法访问的情况，保障对象字典的数据安全。
2．3 通信对象的实现
CANopcn协议规定了4类通讯对象：SDO(Service Data Objeet，服务数据对象)、过程数据对象)、NMT(NetworkManagement，网络管理对象)以及特殊功能对象。
2．3．1 PDO模块
PDO服务主要用来实现实时数据的传输，基于生产者和消费者模式，它的通信行为由通信参数决定，传送的数据由映射参数来决定。本文实现的PDO模块包含了三个子模块，如图3所示。

建立PDO报文模块被其他两个模块调用，他的任务是根据映射参数表把对象字典中对象的数据复制进PDO报文中，交由其他模块处理，建立过程中需注意PDO报文的剩余容量。接收PDO模块的任务是完成PDO数据的解析，将数据放入指定对象中；发送模块负责根据CANopen协议规范，依据PDO通信参数，实现各种PDO传输方式，包括同步周期、同步事件