引言

在現代戰爭中，隨著武器裝備系統的機動化、自動化和信息化程度的不斷提高，軍用車輛上的車載設備也不斷增多，其中很多設備如車載雷達、車載光學瞄準設備、車載武器設備等，都需要一個穩定的水平平臺作為基座，以保證武器系統的瞄準、跟蹤和精確打擊。同時，隨著網絡技術的不斷發展，車輛系統中的網絡化程度也越來越高，這就要求一個車載裝置能和其它的設備進行互連，從而有利于形成整車監控系統。目前，在車輛中大多數設備都通過CAN總線進行連接，但是其應用層協議的不統一給不同廠商之間的設備互連帶來了困難。

CANopen 是基于CAN（Controller Area Network）總線的應用層協議，它最初由從事工業控制的CiA （CAN in Automation）會員開發。由于CANopen是一種公共、開放、通用的協議，而且精練透明、容易開發，因此在發布后不久就獲得了廣泛的承認。如今已經被接受為CAN高層協議的標準之一。尤其在歐洲，CANopen協議被認為是在基于CAN的工業系統中占領導地位的標準，已經應用于多種領域，如越野車、海上電子設備、醫療設備甚至于還可應用于公共汽車和鐵路，且針對行業應用，實現比較簡潔。

一方面，將CANopen應用于車載平臺裝置，可使它很方便地掛接到總線上，這樣不僅解決了設備間的互連問題，同時也提高了信息傳輸的可靠性、實時性及裝置的標準化、開放化程度。另一方面，在國外CANopen的應用已經非常廣泛，而在國內有關CANopen的文章還很少，希望借此文章給從事CAN總線技術開發的人員提供一些有用的信息，使我國的CAN總線應用早日與國際接軌。

1、 CANopen協議設計的實質和核心內容

CAN 處于OSI網絡模型中物理層和數據鏈路層，而CANopen是基于CAN的應用層，因為現場總線通常只包括一個網段，因此不需要第3層（傳輸層）和第4層 （網絡層），也不需要第5層（會話層）、第6層（描述層）的作用。正是因為有了CANopen這樣應用層協議的存在，從而使CAN總線成為了一個更加完善的網絡系統。

1.1 CANopen協議設計的實質——面向對象

CANopen 協議在設計的時候，對總線上傳輸的數據進行了分類，即每一個傳輸數據都是某一特定類的對象，從而實現了面向對象的程序設計。在CANopen中每一類傳輸對象都有其規范化的格式，從而實現了應用層結構上的統一。這樣無論從規范化角度，還是從模塊化程序設計角度講，CANopen協議都是一個設計比較完善的協議。

在CANopen 協議的數據傳輸中共定義了4類對象（通訊模式），分別為管理對象（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）和特殊功能對象。其中NMT 用來傳遞主節點對整個網絡系統的管理信息，SDO用來傳遞網絡系統中的配置信息，PDO用來傳遞過程數據信息（例如電壓的變化值），特殊功能對象包括同步對象（SYNC）、緊急對象（Emergency）、時間基準（Time-Stamp）等。各類對象傳輸時的幀格式在參考文獻中有詳細的規定，在這里就不詳細介紹了。在實際的工程中用戶只要根據需要，按照類的規定把要傳輸的數據映射到相應的對象中就可以了。

1.2 CANopen協議中的核心內容——對象字典（Object Dictionary）

為了對各類對象進行規范化和方便的管理，在CANopen協議中定義了對象字典的概念。它是一個有序的對象組，其中定義了一個設備的所有信息，在 CANopen網絡系統中每一個設備都要有一個唯一的對象字典，每個設備的對象字典具有結構相同、內容不同的特點。通過對對象字典中的對象定義一個唯一的 16位主索引和8位子索引，就可以方便地訪問對象字典中的對象。CANopen協議中定義了通用的對象字典結構，其中規定了各種數據在對象字典中的位置區域。在我們建立設備對象字典的時候，主要工作應集中在定義通訊子協議區域（1000～1FFF）和制造商特定子協議區域（2000～5FFF）部分。

在整個CANopen協議中對象字典起到了連接DLL模塊（通訊接口）和應用程序的作用。我們要想把一個應用程序中的數據（如I/O的輸入值）送到CAN總線上，我們首先要確定這個數據屬于對象字典中的哪一類對象（例如I/O口的輸入值應為過程數據對象），然后用DLL模塊訪問對象字典中相應的對象并把其按照相應的幀格式發送到CAN總線上去，從而完成了數據的傳輸。

2 、車載平臺數據通訊系統的實現

2.1 數據通訊系統的組成

在我們的調平系統中，平臺采用4點支撐，由4個1KW、24V的直流電機和減速器、T型絲杠相連接，以控制平臺中4個支點的上升或下降。主控制器、4個電機控制器和USB-to-CAN通過CAN總線相連，水平傳感器和手操器通過RS232接口和主控制器相連，其結構如圖1所示。其中主控制、電機控制器和手操器為我們自行開發的嵌入式設備，電機控制器可以實現準確的電機位置控制，手操器可以提供手動調平功能。水平傳感器為Crossbow Technology公司生產的CXTD02型，它可以由RS232口送出精確的平臺X、Y軸角度密位信息;USB-to-CAN設備為德國IXXAT公司生產的USB-to-CAN compact，其中包含了SJA1000 CAN控制器可完成消息的收發，并可以將CAN信號轉換成USB信號傳遞給上位機，上位機通過運行IXXAT公司的監視軟件（miniMON）可以在線觀察總線上傳輸的數據。

2.2 系統中CAN硬件接口設計

在主控制器和電機控制器中微處理器采用FUJITSU公司的MB90F543芯片，其本身帶有內嵌CAN控制器，因此只需加一個CAN總線驅動器，就可方便地實現主控制器和4個電機控制器之間的通信。本系統中選用了PCA82C250收發控制器，該芯片提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力，PCA82C250是標準的CAN收發器，實驗顯示，只要總線的每米電容小于120pf條件下，就滿足CAN總線傳送距離的標準。CAN總線驅動電路圖略。為了加強總線的抗干擾能力，總線的通信介質采用帶屏蔽線的雙絞線。

2.3 對象字典的建立

在網絡系統中每一個設備都要有一個唯一的對象字典，其中定義了各種對象的屬性（如ID、發送方式等）。在我們的系統中共有5個節點，它們以主從方式工作（1 個主節點和4個從節點），主控制器對應主節點，4個電機控制器對應4個從節點。為了系統擴展的方便，我們設4個從節點的節點號分別為10、11、12、 13，在各個節點對象字典中的對象ID都采用預定義連接集中規定的11位ID，它由4位功能代碼和7位節點號組成。

下面以主節點對象字典的建立為例說明對象字典的建立方法。首先要分析主節點在網絡中的作用，從而確定對象字典中要包含哪一類對象及其個數，然后定義對象的屬性。在我們的系統中主節點要支持從節點的訪問，因此需要一個SDO;主節點要向4個從節點發送位置信息，因此要有4個Tx-PDO和4個Rx-PDO，其中每個PDO又由Tx（Rx）PDO Parameter和Tx（Rx）-PDO mapping兩部分組成;當系統中發生緊急情況的時候主節點要發送緊急信息，因此要有1個應急指示緊急對象（Emergency Object）;向從節點發送的位置信息保存在制造商特定子協議區域（2000～5FFF）中;另外主節點要完成各個從節點的管理工作，因此還要有NMT 管理模塊。SDO、PDO的屬性設置如表1、2所示，由于4對PDO的屬性除了映射值不用以外，其他屬性基本相同，因此只給出了向（從）節點號為10的從節點發送（接收）PDO的設置。

在表2中傳輸類型255表示異步、事件觸發傳輸，映射參數0x20000110按照從左至右的順序分別表示將對象字典中主索引為2000H，子索引為01H的16位數值（10）映射到PDO中去。也就是說將保存在2000H處的位置信息映射到PDO中發送。

在對象字典建立完成之后要生成EDS（Electronic Data Sheet）來描述這個設備的對象字典，主節點的EDS如圖2所示。

2.3 DLL模塊的實現

MB90F543具有兩個CAN控制器分別為CAN0和CAN1，我們只用CAN0，這樣CAN1可以在系統擴展時使用。CAN控制器具有如下的特點：

符合規范CAN2.0A和CAN2.0B;

支持通過接收遠程幀發送數據;

16個收、發緩沖區，每個緩沖區都具有29比特ID和8字節數據，多級緩沖配置;

每個緩沖區支持標準幀和擴展幀的多種過濾方式;

波特率可從10Kbit/s到1Mbit/s。

在我們系統中使用規范CAN2.0A，波特率為125k/s，并且為每類消息分配了一個獨立的緩沖區，這樣做可以減少中斷程序的處理時間，從而提高了系統的實時性。

DLL模塊是對象字典和CAN控制器之間的通訊接口，它要完成的主要工作是：

對CAN控制器進行初始化，其中包括波特率設置和CAN寄存器初始化等;

對CAN引發的中斷處理，其中包括：

1）在發送時通過訪問對象字典將各種對象按照規定的幀格式發送到總線上;

2）在接收的時候把接收到的對象信息寫到對象字典的相應位置中去。

我們用兩個函數-DLL_InitCAN （）和DLL_Interrupt（）來實現CAN控制器的初始化和中斷處理功能。

2.4 主控制器的應用程序流程

在系統中各個從節點被配置成節點監測狀態，主節點通過檢測4個從節點發送的周期性心跳報文（Heartbeat）來判斷各個從節點的工作狀態。

主控制器的應用程序流程為：在系統上電后主控制器首先判斷各個從控制器是否發出Boot-Up消息，如果有Boot-up消息則讓各個從節點進 Operational狀態并接著判斷是否有心跳報文（Heartbeat）產生以判斷各節點是否成功進Operational狀態，否則通過指示燈報錯，然后采集水平傳感器輸出的X、Y軸密位信息并判斷是否在誤差帶內，接著通過調平策略解算出3個電機應該上移或下移的位置（3點即可解決一個平面），并且通過CAN總線將位置信息傳送給電機控制器，電機控制器在運動了相應的位置后向主控制器發出確認消息，主控制器在接到確認消息后，再次采集水平傳感器輸出的位置信號，如果位置誤差在誤差帶內則數據傳輸停止，否則循環上述過程。其流程圖如圖3所示。

3、 實驗結果

整個平臺在調平過程中達到了滿意的效果，調平的時間在2min之內，調平精度能達到3‘，這從一方面驗證了通訊系統的可靠性。為了更直觀地觀察數據傳輸過程，我們通過運行監視程序（miniMON）可以在上位機上實時地顯示數據傳輸的全過程，這無論從系統調試方面還是從系統檢驗方面來講都是很有意義的。系統運行時的數據通訊如圖4所示。通過監視數據的傳輸，我們可以更加確認數據傳輸的可靠性。

4、 結束語

車載設備的網絡化、標準化是組成車載監控系統的一個重要條件，同時也是車載設備發展的一個重要方向。CANopen協議作為CAN總線的應用層協議，在車輛領域有著廣闊的應用前景。本文通過把車載平臺做成符合CANopen協議的標準化裝置，從而增強了設備的可擴展性同時也提高了數據傳輸的可靠性，可以滿足現代化戰爭中軍用車載設備的要求。

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