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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。 [/table] 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。
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。 [table] 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。 |
