基于虛擬儀器的CANopen協(xié)議監控面板設計

摘要：針對工業(yè)現場(chǎng)分布式總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的在線(xiàn)監控問(wèn)題，提出將具有可視化編程環(huán)境的虛擬儀器軟件與現場(chǎng)總線(xiàn)高層通信協(xié)議CANopen相結合，開(kāi)發(fā)出具有智能化、高效化的同步實(shí)時(shí)監控界面。在分析CANopen協(xié)議標識符的基礎上，使用虛擬儀器對CANopen數據報文進(jìn)行打包與解析，并使用VISA接口通過(guò)自行設計的RS 232-CAN協(xié)議轉換器完成數據收發(fā)，最終完成監控面板的開(kāi)發(fā)，為現場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀器技術(shù)相融合的發(fā)展趨勢起到了一定推動(dòng)作用。
關(guān)鍵詞：CANopen協(xié)議；虛擬儀器；現場(chǎng)總線(xiàn)；VISA接口

虛擬儀器是電子測量技術(shù)與計算機技術(shù)深層次結合的產(chǎn)物，通過(guò)軟、硬件的結合來(lái)實(shí)現傳統儀器的各種功能，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、存儲等方面的限制，使用戶(hù)可以方便地對儀器進(jìn)行維護、擴展和升級。用戶(hù)通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣方便。CAN協(xié)議只定義了物理層和數據鏈路層，本身并不完整，有些復雜的應用問(wèn)題需要一個(gè)更高層次的協(xié)議——應用層協(xié)議來(lái)實(shí)現。CANopen協(xié)議就是將CAN網(wǎng)絡(luò )中通信數據的組建和傳輸進(jìn)行標準化，并給用戶(hù)很大的自由度，允許用戶(hù)隨時(shí)添加自己所需要的新功能。
本文將虛擬儀器技術(shù)應用于CANopen協(xié)議開(kāi)發(fā)，有利于實(shí)現分布式工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監控、數據采集，改善現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統的運行效率，提高實(shí)時(shí)性和信息處理能力。

1 CANopen協(xié)議概述
CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會(huì )針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出來(lái)的一個(gè)更高層次的協(xié)議——應用層協(xié)議。不同CANopen設備間的通信都是通過(guò)交換通信對象完成的。
1．1 通信對象
通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò )傳輸的CANopen通信對象可以通過(guò)服務(wù)和協(xié)議來(lái)描述。分類(lèi)為：實(shí)時(shí)數據通過(guò)過(guò)程數據對象(PDO)協(xié)議傳輸；服務(wù)數據對象(SDO)協(xié)議用來(lái)對對象字典進(jìn)行讀寫(xiě)操作；特殊功能對象協(xié)議提供了特定應用，網(wǎng)絡(luò )同步，時(shí)間戳和緊急報文傳輸；網(wǎng)絡(luò )管理(NMT)協(xié)議提供了網(wǎng)絡(luò )初始化，錯誤控制和設備狀態(tài)控制服務(wù)；層設置服務(wù)(LSS)協(xié)議用來(lái)配置CAN總線(xiàn)通信參數和設備參數。
1．2 CANopen預定義連接集
為了減少簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符(CAN-ID)分配表。這些標識符在預操作狀態(tài)下可用，通過(guò)動(dòng)態(tài)分配還可修改他們。CANopen設備必須向它所支持的通信對象提供相應的標識符。缺省ID分配表是基于11位的CAN-ID，包含一個(gè)4位的功能碼(Function Code)部分和一個(gè)7位的節點(diǎn)ID(Node-ID)部分。
Node-ID由系統集成商定義，范圍是1～127(0不允許使用)。預定義的連接集定義了4個(gè)接收PDO(Receive-PDO)，4個(gè)發(fā)送PDO(Transmit-PDO)，1個(gè)SDO(占用2個(gè)CAN-ID)，1個(gè)緊急對象和1個(gè)節點(diǎn)錯誤控制ID。也支持不需確認的NMT-Module-Control服務(wù)，SYNC和Time Stamp對象的廣播。標識符的默認值如表1，表2所示。

2 CANopen監控面板工控現場(chǎng)應用框架
采用虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行CANopen協(xié)議監控面板的開(kāi)發(fā)，完成CANopen數據的接收與發(fā)送，實(shí)現分布式工控現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據監測。LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器應用程序編程環(huán)境，是一種圖形化編程語(yǔ)言，特別適合開(kāi)發(fā)測控應用軟件，其具有所有通用編程環(huán)境的標準，如數據結構、循環(huán)結構和事件處理。其內置各種專(zhuān)業(yè)工具軟件包可滿(mǎn)足工程應用開(kāi)發(fā)。應用示意見(jiàn)圖1，通過(guò)RS 232-CAN協(xié)議轉換器實(shí)時(shí)監測現場(chǎng)總線(xiàn)上各節點(diǎn)的數據，完成控制任務(wù)。

3 RS 232-CAN協(xié)議轉換器
虛擬儀器LabVIEW軟件及PC機內部沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的CAN接口只有RS 232串行接口，因此使用單片機等微控制器設計RS 232-CAN轉換器，實(shí)現PC機接入現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，完成數據監聽(tīng)。在PC機上可用LabVIEW環(huán)境下的NI-VISA實(shí)現串口通信。圖2為RS 232-CAN協(xié)議轉換器硬件原理圖，選用內嵌CAN總線(xiàn)控制器的Microchip公司PIC18F258單片機為核心處理芯片。

ADuM1100高速數字隔離器支持100 Mb／s數據傳輸速率并且可以采用3．0～5．5 V單電源供電，以一種新的更有效的傳輸數據的方法替代傳統的光耦合器，從而保護了高電壓和低電壓電氣環(huán)境之間的接口。MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發(fā)器，可作為CAN協(xié)議控制器和系統物理總線(xiàn)的接口。MAX232用于完成RS 232與TLL／CMOS的電平轉換。RS 232接口用于連接PC機。當單片機內部CAN總線(xiàn)控制器收到CAN總線(xiàn)上的信號后通過(guò)USART接口傳給PC機的RS 232接口，同樣PC機把數據通過(guò)RS 232接口發(fā)給單片機，再發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。單片機負責實(shí)現通信協(xié)議的轉換，轉換RS 232串口通信數據與CAN通信數據。

4 虛擬儀器上位機監控面板開(kāi)發(fā)
LabVIEW程序開(kāi)發(fā)主要包括三方面內容：CANopen監控面板主程序、數據發(fā)送模塊和數據接收模塊。其中，數據接收和發(fā)送模塊作為子VI供監控面板主程序調用。
4．1 CANopen主控面板程序設計
主控面板的設計主要包括：CANopen報文的組建及打包發(fā)送，以及CANopen報文的接收顯示。
4．1．1 CANopen報文打包
根據CANopen協(xié)議標識符分配表及主從節點(diǎn)設置定義了各報文的ID號，如圖3所示，通過(guò)LabVIEW分支結構實(shí)現報文類(lèi)型的選擇，并按照CANopen協(xié)議數據幀格式要求定義了發(fā)送的數據內容，包括高低8位ID、數據長(cháng)度、遠程幀標志以及8 B數據，通過(guò)捆綁送入CANWrite．vi子模塊發(fā)送到VISA接口。

4．1．2 CANopen報文解析
CANopen報文的解析是實(shí)現CANopen協(xié)議監控面板的重點(diǎn)，實(shí)現過(guò)程為：將從VISA接口接收的數據按照CANopen報文格式進(jìn)行組建；判斷接收的報文是遠程幀還是數據幀；將接收的數據幀累積；對累積的數據幀依次進(jìn)行格式轉換，完成數據顯示(見(jiàn)圖4)。

4．2 數據發(fā)送／接收模塊程序設計
數據發(fā)送模塊CANwrite．vi使用VISA Write節點(diǎn)予以實(shí)現，并將該發(fā)送模塊作為子VI調用。在LabVIEW平臺控制的串行通信過(guò)程中，數據格式是以字符串的格式組成的，字符串中的每個(gè)字符實(shí)際上對應大家熟悉的ASCII字符，即計算機能夠識別的數據代碼是ASCII代碼，所以在傳送到串口發(fā)送數據之前要經(jīng)過(guò)代碼轉換，這就意味著(zhù)以十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制表示的數據必須轉化為ASCII字符串才能進(jìn)行傳送和接
收。數據發(fā)送模塊如圖5所示，其中，以0xAA作為握手信號

數據接收模塊CANRead．vi使用VISA Read節點(diǎn)讀取數據，如圖6所示，從緩沖器接收到的數據是ASCII字符串，經(jīng)過(guò)ASCII字符串轉換為十六進(jìn)制字節數組的模塊處理后，最終得到正確的數據。
4．3 監控面板
使用虛擬儀器LabVIEW開(kāi)發(fā)的監控面板如圖7所示?？梢钥吹?，左側為數據發(fā)送部分，首先設置NodeID，選擇主從節點(diǎn)類(lèi)型，根據用戶(hù)需要選擇待發(fā)送的報文類(lèi)型，并設置幀類(lèi)型(數據幀／遠程幀)以及具體的發(fā)送數據。右側為數據接收部分，顯示從CAN總線(xiàn)上監聽(tīng)到的CANopen報文。

5 結語(yǔ)
本文將虛擬儀器技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)高層通信協(xié)議CANopen相結合，實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)上位機監控面板的開(kāi)發(fā)，為分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統提供了高效、全面的監控環(huán)境，不僅解決了工業(yè)現場(chǎng)不同設備同步監控的問(wèn)題，而且提供了較強的在線(xiàn)可控性。同時(shí)，利用LabVIEW提供的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)工具軟件包，可以進(jìn)一步對工業(yè)數據進(jìn)行處理，完成波形顯示、信號濾波和頻譜分析等功能。