【導(dǎo)讀】穩(wěn)健的通信協(xié)議和接口在工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,當(dāng)需要多個(gè)處理器元件來持續(xù)通信以完成復(fù)雜任務(wù)時(shí),CANopen?因其易于集成、高度可配置,以及支持高效、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換等特性,受到了眾多工程師青睞。本文從低功耗電機(jī)控制應(yīng)用的角度深入探討CANopen。
摘要
穩(wěn)健的通信協(xié)議和接口在工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,當(dāng)需要多個(gè)處理器元件來持續(xù)通信以完成復(fù)雜任務(wù)時(shí),CANopen?因其易于集成、高度可配置,以及支持高效、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換等特性,受到了眾多工程師青睞。本文從低功耗電機(jī)控制應(yīng)用的角度深入探討CANopen。
控制器局域網(wǎng)的背景
控制器局域網(wǎng)(CAN)由Robert Bosch Gmbh于1983年研發(fā),是一種高度穩(wěn)健的通信協(xié)議和接口,創(chuàng)建之初是為了克服RS232等傳統(tǒng)串行通信網(wǎng)絡(luò)的局限性,這些網(wǎng)絡(luò)無法支持多個(gè)控制器之間的實(shí)時(shí)通信。汽車行業(yè)要求多個(gè)傳感器連續(xù)同步傳輸數(shù)據(jù),因而率先采用CAN。CAN允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用短小的消息相互通信,因此成為汽車應(yīng)用的理想選擇。
隨著時(shí)間推移,CAN憑借其經(jīng)過驗(yàn)證的穩(wěn)健性和諸多優(yōu)勢,在各行各業(yè)越來越受歡迎。然而,受限于專有編碼規(guī)則,利用CAN協(xié)議將來自不同供應(yīng)商的多個(gè)設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)中頗有挑戰(zhàn)性,有時(shí)甚至是天方夜譚。為了克服這一限制,自動(dòng)化領(lǐng)域CAN (CiA)的國際用戶和制造商協(xié)會(huì)開發(fā)了一種高層協(xié)議CANopen。
本文接下來將探討CANopen協(xié)議架構(gòu)及其在控制多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用。本文將深入探究這種高層通信協(xié)議的復(fù)雜之處及其對電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的影響。為了讓讀者了解CANopen協(xié)議,我們會(huì)分析ADI Trinamic? TMCM-6212多軸電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器模塊與QSH4218-35-10-027步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)通信日志。具體來說,我們將重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)狀態(tài)和基于客戶端-服務(wù)器的CANopen協(xié)議。此外,我們還將通過案例研究來展示如何解讀通信日志并確定驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。
CANopen架構(gòu)
本節(jié)講解CANopen協(xié)議的各種應(yīng)用原理,包括NMT和SDO(服務(wù)數(shù)據(jù)對象)。
網(wǎng)絡(luò)管理:NMT是CANopen中的關(guān)鍵通信原則,每個(gè)CANopen兼容設(shè)備都必須遵守。它作為狀態(tài)機(jī)運(yùn)行,在協(xié)調(diào)CANopen框架內(nèi)的應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用。
網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)架構(gòu):NMT狀態(tài)機(jī)如圖1所示,由三個(gè)不同的狀態(tài)組成,詳情如下:
?初始化狀態(tài)
?預(yù)運(yùn)行狀態(tài)
?運(yùn)行狀態(tài)
圖1.NMT狀態(tài)機(jī)
客戶端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著監(jiān)督不同運(yùn)行狀態(tài)下,相關(guān)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的關(guān)鍵角色。這是通過實(shí)施NMT機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的??赏ㄟ^心跳和節(jié)點(diǎn)守護(hù)兩種不同方法,使客戶端節(jié)點(diǎn)能夠評估服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的通信完整性。TMCM-6212采用心跳技術(shù)來驗(yàn)證通信是否正確。每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用對象1017h,以用戶可配置的循環(huán)時(shí)間間隔(以毫秒為單位)發(fā)出心跳信號。這種方式確保所有節(jié)點(diǎn)都處于活動(dòng)狀態(tài),可以進(jìn)行通信。
初始化 預(yù)運(yùn)行 運(yùn)行 停止
啟動(dòng) ?
SDO ? ?
緊急情況 ? ?
同步/時(shí)間 ? ?
心跳/節(jié)點(diǎn)守護(hù) ? ? ?
PDO(過程數(shù)據(jù)對象) ?
表1.NMT通信中的狀態(tài)配置
表1列出了不同通信狀態(tài)下使用的所有通信對象的組合。設(shè)備上電或復(fù)位后進(jìn)入初始化狀態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)消息。然后,設(shè)備轉(zhuǎn)換到預(yù)運(yùn)行狀態(tài),準(zhǔn)備好執(zhí)行期望的操作。在預(yù)運(yùn)行狀態(tài)下,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)可以傳輸與SDO、心跳/節(jié)點(diǎn)守護(hù)、緊急情況和時(shí)間/同步相關(guān)的所有對象。在運(yùn)行狀態(tài)下,除了預(yù)運(yùn)行狀態(tài)下可用的所有對象之外,還可以映射PDO對象。最后,在停止?fàn)顟B(tài)下,設(shè)備會(huì)禁用所有SDO和PDO對象的通信,僅允許執(zhí)行NMT命令。
服務(wù)數(shù)據(jù)對象:SDO通信協(xié)議主要用于NMT狀態(tài)機(jī)的預(yù)運(yùn)行狀態(tài)。它以客戶端-服務(wù)器配置運(yùn)行,其中客戶端可以訪問所有連接的服務(wù)器(節(jié)點(diǎn))的對象字典中可用的所有對象。在該協(xié)議中,客戶端總是發(fā)起服務(wù)器的讀/寫事務(wù),并由服務(wù)器確認(rèn)任務(wù)完成。此過程可確保SDO中的每個(gè)事務(wù)都得到確認(rèn)。
圖2顯示了多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中SDO協(xié)議的基于客戶端-服務(wù)器的配置。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)通道,通過該通道可以與客戶端進(jìn)行通信。在這種情況下,Trinamic TMCM-6212六步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器/控制器充當(dāng)服務(wù)器,而連接的PC充當(dāng)客戶端,發(fā)起與特定節(jié)點(diǎn)(本例中為NODE-1)的讀/寫事務(wù)。雖然所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到SDO客戶端消息,但只有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)響應(yīng),而其他服務(wù)器會(huì)忽略客戶端請求。
圖2.多節(jié)點(diǎn)SDO配置
服務(wù)數(shù)據(jù)對象數(shù)據(jù)報(bào)
圖2顯示了SDO數(shù)據(jù)報(bào)的完整結(jié)構(gòu)。SDO報(bào)頭由COB-ID(連接對象ID)組成,該ID是分配給特定任務(wù)(例如讀寫功能)的唯一編號。因此,SDO通信需要兩個(gè)COB-ID。第一個(gè)COB-ID代表客戶端上載/下載請求的NODE-ID+功能代碼,即600h + NODE-ID。第二個(gè)COB-ID(580h + NODE-ID)用于服務(wù)器的響應(yīng)。
圖3.SDO數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)
SDO消息中的第一個(gè)字節(jié)為說明符,對于確定消息的性質(zhì)至關(guān)重要,可表明客戶端是打算寫入(下載)還是讀?。ㄉ蟼鳎?shù)據(jù),而且還通過中止消息表示事務(wù)中的任何錯(cuò)誤。說明符字節(jié)分為8位,如圖3所示。位7-5為客戶端命令說明符(CCS),提供有關(guān)消息性質(zhì)的關(guān)鍵信息。客戶端命令說明符根據(jù)客戶端的操作(例如讀取、寫入、分段/快速傳輸或事務(wù)中的錯(cuò)誤)而有不同的配置。在服務(wù)器的響應(yīng)中,說明符(SCS,服務(wù)器命令說明符)的三位用于確定事務(wù)是否成功。表2列出了不同操作中CCS和SCS位的各種組合。說明符數(shù)據(jù)報(bào)中的位4是超過四字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸中使用的切換位。位3-2不包含任何數(shù)據(jù),并且僅當(dāng)設(shè)置了位0-1時(shí)才有效。位1決定通過SDO通道傳輸?shù)南㈩愋?,指示它是分段傳輸還是快速傳輸。在SDO數(shù)據(jù)報(bào)中,如圖3所示,最后四個(gè)字節(jié)專門用于存放需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)超過四個(gè)字節(jié),則會(huì)以分段方式發(fā)送。另一方面,如果SDO數(shù)據(jù)報(bào)包含完整數(shù)據(jù),則其被視為快速傳輸。因此,位1為高電平表示快速傳輸,位1為低電平表示分段傳輸。在分段傳輸中,數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸。為了響應(yīng)客戶端的初始讀/寫請求,服務(wù)器在數(shù)據(jù)字段中提供數(shù)據(jù)大小。然后,隨著每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)娇蛻舳?,第四位(切換位)開始切換。最后,如果說明符數(shù)據(jù)報(bào)中的位0已設(shè)置,則位3-2會(huì)指示數(shù)據(jù)大小,如前所述。
操作 客戶端請求(CCS) 服務(wù)器響應(yīng)(SCS)
表2.CCS和SCS配置
SDO數(shù)據(jù)報(bào)中的字節(jié)2-3和4分別對應(yīng)索引和子索引字節(jié),如圖3所示。這些字節(jié)用于訪問設(shè)備對象字典中可用的所有對象。對象字典包含所有設(shè)備參數(shù),用戶可根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用需求配置設(shè)備的功能。通過設(shè)備剖析,無論是像驅(qū)動(dòng)器這樣的控制設(shè)備,還是簡單的I/O器件,我們都可以實(shí)現(xiàn)行為標(biāo)準(zhǔn)化。如前所述,SDO數(shù)據(jù)報(bào)中的最后四個(gè)字節(jié)專門用于存放需要通過SDO層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
一旦發(fā)生錯(cuò)誤,SDO傳輸就會(huì)中止,傳輸停止的原因可以參考目標(biāo)設(shè)備手冊中提供的錯(cuò)誤代碼解釋來確定。在這種情況下,CCS位的值為4,索引和子索引指定傳輸期間設(shè)備中受影響的參數(shù),最后四個(gè)字節(jié)表示錯(cuò)誤代碼。
實(shí)時(shí)通信分析
本節(jié)使用機(jī)器處于預(yù)運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)通信日志窗口來解釋SDO數(shù)據(jù)報(bào)。ADI Trinamic TMCM-6212六軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器/控制器4與QSH4218-35-10-027 [5]步進(jìn)電機(jī)配合使用。對于此設(shè)置,電機(jī)的最大電流(對象2003h)設(shè)置為200。利用目標(biāo)設(shè)置的軟件界面日志窗口中突出顯示的消息,客戶端和服務(wù)器之間的上傳和下載事務(wù)得到進(jìn)一步解釋,如圖4所示。
圖4.CANopen IDE
情形1:客戶端與服務(wù)器之間的下載操作
由客戶端發(fā)起:0x601:2f 03 20 c8 00 00 00(圖5)。
圖5.客戶端發(fā)起下載請求
服務(wù)器響應(yīng):0x581:60 03 20 00 00 00 00(圖6)。
圖6.服務(wù)器的下載響應(yīng)
在圖6所示的操作中,CCS和SCS位的組合顯示了客戶端的成功寫入操作和服務(wù)器的響應(yīng),這在表2中也有體現(xiàn)。
情形2:客戶端與服務(wù)器之間的上傳操作
由客戶端發(fā)起:0x601:40 03 20 00 00 00 00(圖7)。
圖7.客戶端發(fā)起上傳請求
服務(wù)器響應(yīng):0x581:4f 03 20 00 c8 00 00 00(圖8)
圖8.服務(wù)器的上傳響應(yīng)
結(jié)論
CCS和SCS位的組合指示在客戶端和服務(wù)器之間成功執(zhí)行上傳操作。本文提到的示例可以推廣到設(shè)備對象字典中的其他對象,幫助我們深入了解機(jī)器的狀態(tài)。本次演示的主要目的是幫助用戶解讀通信日志并監(jiān)視驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。用戶可以實(shí)時(shí)排除錯(cuò)誤,更高效地探索ADI Trinamic CANopen的高級特性。ADI產(chǎn)品中集成CANopen協(xié)議為客戶帶來了靈活性??蛻艨梢詫⒆约旱腜LC與ADI Trinamic模塊集成,從而實(shí)現(xiàn)多供應(yīng)商系統(tǒng)的開發(fā)。此界面對于從事實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、機(jī)器人、液體處理、半導(dǎo)體處理等復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域的客戶特別有價(jià)值。本CANopen系列的下一篇文章將深入分析過程數(shù)據(jù)對象(PDO) CANopen協(xié)議,同時(shí)探索TMCM-6212針對電機(jī)控制應(yīng)用的更高級特性。
參考文獻(xiàn)
1 Olaf Pfeiffer、Andrew Ayre和Christian Keydel,“采用CAN和CANopen的嵌入式網(wǎng)絡(luò)”,Copperhill Technologies Corporation,2008年。
2 “TMCM-6212 CANopen固件手冊”,Trinamic Motion Control,2018年。
(來源:ADI公司,作者:Atul Kumar,應(yīng)用工程師)
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