基于CANopen協(xié)議的電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
胥布工，程俊，匡付華
華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與t程學(xué)院，廣東廣州510640
摘 要：針對常規(guī)型電動執(zhí)行機構(gòu)的現(xiàn)場接線方式存在著布線工作量大、操作維護困難、可靠性不高、網(wǎng)絡(luò)通信能力差等方面的問題，提出了一種基于CANopen協(xié)議的總線型電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計方案。在簡要介紹電動執(zhí)行機構(gòu)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先給出了電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的硬件設(shè)計方法，其中主要介紹了電動執(zhí)行機構(gòu)控制單元電路和CAN總線通訊接口電路的設(shè)計；接著給出了軟件設(shè)計的思路，重點介紹了對象字典的設(shè)計及CANopen通訊程序的設(shè)計，針對通訊程序設(shè)計中的難點，提出了一種基于隊列方式的報文處理模式。最后，在實際工程中成功地應(yīng)用了所提出的設(shè)計方案，應(yīng)用結(jié)果表明這種總線型電動執(zhí)行機構(gòu)具有智能化、信息化、數(shù)字化等特點，能夠滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求。
關(guān)鍵詞：CANopen協(xié)議；電動執(zhí)行機構(gòu)；對象字典
中圖分類號：TP 273 支獻標識碼：A
1引言
電動執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)過程控制系統(tǒng)不可缺少的部分，被廣泛用于石油化工、電廠等領(lǐng)域。近年來，伴隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電動執(zhí)行機構(gòu)也獲得了快速的發(fā)展，國外一些生產(chǎn)廠商在這幾年中相繼推出了常規(guī)的、帶現(xiàn)場總線通信協(xié)議的總線型電動執(zhí)行機構(gòu)。而國內(nèi)起步晚，目前生產(chǎn)的主要是常規(guī)的電動執(zhí)行機構(gòu)，它采取傳統(tǒng)的現(xiàn)場接線方式，如每臺電動執(zhí)行機構(gòu)至少需要通過7~14根控制線才能將其參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)的控制模板上。這種方式安裝、維護代價高，系統(tǒng)的可擴展性差，且易受現(xiàn)場操作人員的技術(shù)水平、精神狀態(tài)及工作情緒等人為因素的影響，誤操作較多。另外，對于一些有著特殊要求的環(huán)境，如易燃易爆、輻射、或人們不易到達的地方，這種傳統(tǒng)控制方式難以勝任；為解決上述問題就要求執(zhí)行機構(gòu)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。鑒于此，本文提出了一種基于CANopen協(xié)議的電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計方案。
2設(shè)計方案概述
CANopen協(xié)議是一種在歐洲非常流行的CAN高層協(xié)議，該協(xié)議清晰、透明、精煉，便于系統(tǒng)配置和功能重構(gòu)，在工業(yè)控制中有著良好的應(yīng)用前景。本文提出的設(shè)計方案是在常規(guī)電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計中加入CAN總線通訊模塊，使其成為一種具備總線通訊能力的智能電動執(zhí)行機構(gòu)。這種智能電動執(zhí)行機構(gòu)采取總線控制方式，只需通過2根信號線就能完成所有信息的傳輸，更重要的是由于其具備了總線通訊功能，操作人員只需在控制室就可對執(zhí)行機構(gòu)實行遠程控制。
3 電動執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計
電動執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計是建立在了解其基本架構(gòu)的基礎(chǔ)之上的，為此，在硬件設(shè)計前先簡要介紹一下電動執(zhí)行機構(gòu)的架構(gòu)。
1)電動執(zhí)行機構(gòu)的架構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)是根據(jù)調(diào)節(jié)器（或上位機）給出的控制信號產(chǎn)生推力或位移的一種裝置，主要由控制器、伺服電機、位置檢測裝置和減速器四部分組成，其構(gòu)成如圖l所示。
控制器采集閥位給定信號和位置反饋信號，閥位給定信號由上位調(diào)節(jié)裝置經(jīng)總線系統(tǒng)發(fā)送，由現(xiàn)場總線接收。減速輸出的信號經(jīng)位置檢測裝置后形成位置反饋信號送給控制器，控制器輸出經(jīng)過一個采用晶閘管作為開關(guān)元件的繼電器非線性環(huán)節(jié)去控制電機的運轉(zhuǎn)，電機帶動減速器來驅(qū)動輸出軸產(chǎn)生相應(yīng)的位移。
2)控制器的硬件設(shè)計控制器系統(tǒng)硬件由電動執(zhí)行機構(gòu)控制單元和CAN總線接口單元組成，如圖2所示。
整個電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，選用LPC2292作為這兩個單元模塊的中央處理器。LPC2292是Philip公司的內(nèi)嵌有CAN控制器的高性能單片機，工作頻率高達30 MHz，非常適合用于總線控制系統(tǒng)。電動執(zhí)行機構(gòu)控制單元含位置檢測電路、電機驅(qū)動電路、故障檢測／報警電路及液晶顯示電路。位置檢測電路用導(dǎo)電塑料精密旋轉(zhuǎn)電位器作為位置傳感器，電機驅(qū)動電路由固態(tài)繼電器和正反互鎖邏輯電路組成，完成電機的正反轉(zhuǎn)啟動、停止等控制。故障檢測／報警輸出電路經(jīng)光電隔離電路采集限位、過熱等報警信號，輸出報警信息；液晶顯示采用l28X128，4級灰度的點陣液晶屏，液晶界面為現(xiàn)場操作人員提供了良好的操作平臺。
CAN通訊接口單元是總線型智能電動執(zhí)行機構(gòu)硬件E所特有的，它提供了總線訪問的接口，其電路，如圖3所示。
電路中收發(fā)器模塊選用帶隔離功能的CTM1050芯片，通過它可以很好地實現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點電氣、電源之間的完全隔離和獨立，極大地提高了CAN節(jié)點的穩(wěn)定性和抗干擾性。
4 電動執(zhí)行機構(gòu)的軟件設(shè)計
電動執(zhí)行機構(gòu)較件設(shè)計主要包括兩方面：執(zhí)行機構(gòu)的控制程序和基于CANopen協(xié)議的CAN總線通訊程序。其中，控制程序主要實現(xiàn)閥門的位置控制功能，包含初始化、數(shù)據(jù)采集、處理及顯示等幾部分，且在常規(guī)型電動執(zhí)行機構(gòu)中都已實現(xiàn)，不再贅述。本部分將重點介紹基于CAWopen協(xié)議的CAN總線通訊程序設(shè)計，根據(jù)CANopen協(xié)議描述，把這部分程序設(shè)計分為對象字典的設(shè)計和CANopen通訊程序設(shè)計兩部分，而后者是難點。
1) CAl\open協(xié)議通信機理 CAN協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個底層協(xié)議，而CANopen協(xié)議在其基礎(chǔ)上規(guī)定了應(yīng)用層協(xié)議，其通信模型，如圖4所示。
在CANopen的應(yīng)用層，設(shè)備間通過相互交換通信對象進行通信�？紤]到工業(yè)自動化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流量的不同需要，CANopen定義了4類標準通信對象，分別為過程數(shù)據(jù)對象( PDO)、服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)、管理對象(NMT)和特殊功能對象；其中，PDO對象主要用于傳輸實時數(shù)據(jù)，SDO對象用于傳送配置信息，NMT對象用于實現(xiàn)CANopen網(wǎng)絡(luò)的管理，而特殊功能對彖提供一些特殊服務(wù)。對這些通信對象的訪問都是通過對象字典來實現(xiàn)。
2)對象字典的設(shè)計對象字典( Object Dictionan)是CANopen協(xié)議的核心，它是一個有序的對象集合，包含了CANopen網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的所有信息，每個設(shè)備的對象字典具有結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)容不同的特點。CANopen設(shè)備訪問對象字典時，是通過一個16位索引和一個8位子索引的方式來尋址。由于對象字典包含條目眾多，不可能一一列舉，下面以使用最頻繁的PDO對象為例，從其報文屬性和數(shù)據(jù)封裝兩方面來介紹PDO對象的建立。根據(jù)電動執(zhí)行機構(gòu)的控制需求，定義了PDO報文屬性，見表1。
對于在CANopen網(wǎng)絡(luò)中作為從節(jié)點的電動執(zhí)行機構(gòu)來說，TPDO是其發(fā)送給主節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，而RPDO則是接收來自于主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令信息。由表1可知，每個TPDO和RPDO都包含2個對象字典條目：通信參數(shù)和映射參數(shù)。下面以TPD01為例說明通信參數(shù)和映射參數(shù)的索引、子索引之間的關(guān)系，以及PDO對象的數(shù)據(jù)封裝過程，詳細流程，如圖5所示。第1個發(fā)送PDO通訊參數(shù)（支持的子索引的****數(shù)目）TPD01使用的CAN_ID(OxiSl)振文觸發(fā)類型(OxFF)禁止時間默認值為0）索引6000，子索引1實際傳送的過程數(shù)據(jù)。
由圖5知，通信參數(shù)索引1800h下有5個子索引，分別規(guī)定了該PDO使用的COB—ID、傳輸類型、禁止時間及定時器周期等參數(shù)；而映射參數(shù)索引lAOOh下有2個子索引，它們表示映射到該PDO中的2個對象，例如子索引1中的存放的是60000108h，表示把索引6000h，子索引Oh，長度為8位的數(shù)據(jù)映射到TPD01的第1個字節(jié)，而60000108h里存放的是用戶規(guī)定的實際閥位值，當(dāng)滿足通訊參數(shù)中規(guī)定的傳輸類型時，實際閥位值就能通過TPD01發(fā)送給CAIVopen網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點，從而實現(xiàn)主從節(jié)點之間的信息交互。
3) CANopen通訊程序設(shè)計 電動執(zhí)行機構(gòu)的CANopen通訊程序流程，如圖6所示。
首先，執(zhí)行機構(gòu)上電初始化，待初始化完成
后，它發(fā)送Boot-up報文，同時其通信狀態(tài)由初始化狀態(tài)切換到預(yù)操作狀態(tài)，該狀態(tài)下僅能進行SDO通信；在收到NMT主節(jié)點的啟動報文后，節(jié)點通信狀態(tài)由預(yù)操作切換到操作狀態(tài)，它是系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，在該狀態(tài)下執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用程序循環(huán)調(diào)用CANopenstack函數(shù)實現(xiàn)CANopen基本通訊。
CANopen基本通訊主要包含以下三方面：實現(xiàn)CAINopen狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制、調(diào)用CAN報文收發(fā)函數(shù)處理NMT，PDO，SDO等報文，根據(jù)報文處理結(jié)果刷新實際輸入和輸出。其中，第二個方面是難點，因為CANopen規(guī)定的通訊報文種類較多，如何快速有效地對這些報文進行分類，并調(diào)用相應(yīng)函數(shù)處理是保證系統(tǒng)實時的關(guān)鍵。為此，在程序設(shè)計時采取了一種基于隊列的分塊存取報文處理模式，其基本思想，如圖7所示。
程序中為在CANopen協(xié)議里規(guī)定的每種報文分配一個專用緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)是應(yīng)用程序與隊列之間的公用接口；當(dāng)需要發(fā)送報文時，應(yīng)用程序先把待發(fā)送的報文按CANopen協(xié)議規(guī)定封裝好，再寫入相應(yīng)緩沖區(qū)，然后依次八隊，最后啟動發(fā)送命令，報文出隊并發(fā)送到總線上。接收報文時采用中斷接收方式，為了減輕總線負載，設(shè)置了一個軟件濾波環(huán)節(jié)，若收到的CAN報文滿足軟件濾波條件時才放入接收隊列中。同時程序在不斷掃描接收隊列，若其中有報文則執(zhí)行出列，出列后的報文根據(jù)其COB-ID，寫入到對應(yīng)的專用緩沖區(qū)中，應(yīng)用程序從緩沖區(qū)中取出報文并進行后續(xù)處理。程序中定義了2個隊列：接收隊列和發(fā)送隊列，隊列采用順序存儲結(jié)構(gòu)的循環(huán)隊列。
具體代碼如下：
為了增強程序的健壯性，在定義循環(huán)隊列時，增加了隊列讀、寫的允許標志位。隊列的初始狀態(tài)為±ront= rear=O，表示隊列為空，當(dāng)有新報文人隊時，rear加1；同時若有報文出隊，則front加1：初始時刻RLock= WLock=O，表示隊列處于可讀可寫狀態(tài)，報文在人隊過程中保持WLock=1，入隊完成后重置WLock=O，這樣就避免了2條報文同時人隊。RLock用于出隊操作中，使用方法與WLock類似。
報文的發(fā)送和接收都有人隊和出隊操作，下面以接收報文的人隊和出隊為例，說明應(yīng)用程序是如何對隊列進行操作的。當(dāng)通過中斷方式接收到的報文滿足濾波條件時，將調(diào)用函數(shù)gCB_ CanBuffer-M8g執(zhí)行人隊操作，其部分代碼如下：
接收報文八隊的詳細操作流程，如圖8所示。
相對于接收報文八隊流程，其出隊過程要簡單一些。接收報文出隊的詳細操作流程如圖9所示。
程序中通過函數(shù)檢測接收隊列，若其中有報文則隊頭元素出列，其部分代碼如下：
采用這種基于隊列分塊存儲報文處理模式有以下兩方面優(yōu)點：首先，通過隊列緩沖，避免了由于節(jié)點收發(fā)報文過于頻繁，應(yīng)用程序來不及處理而產(chǎn)生的丟包現(xiàn)象；其次，存儲區(qū)按報文種類來分類，可以讓應(yīng)用程序快速存取，保證了系統(tǒng)的實時性。
5應(yīng)用實例
根據(jù)以上設(shè)計方案，構(gòu)建了一個基于CANopen協(xié)議的電動執(zhí)行機構(gòu)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實物，如圖10所示。
該系統(tǒng)主要由電動執(zhí)行機構(gòu)、上位機、PCI_CAN智能通訊接口卡等幾部分組成。其中，上位機和PCI_ CAN通訊卡組合在一起作為CANopen網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，執(zhí)行機構(gòu)作為從節(jié)點，主從節(jié)點之間通過PDO來交換實時數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)人機對話，利用vc+ +6.0設(shè)計了人機交互界面，如圖11所示。
通過該人機界面不僅可以對每臺電動執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，而且還能對執(zhí)行機構(gòu)進行遠程控制、參數(shù)標定、功能組態(tài)和故障診斷。
在系統(tǒng)運行過程中，對遠程控制精度進行測試。初始時刻，把3臺執(zhí)衍機構(gòu)的零點和行程分別調(diào)整為0和5 115，其對應(yīng)閥門的0 0~90度 。上位機通過PDO給3臺執(zhí)行機構(gòu)分別發(fā)送控制閥位百分之0，百分之25，百分之50，百分之75和********，其預(yù)期的角度值分別為0度，22.5度，45度，67.5度，90度，而測試結(jié)果，見表2。
測試結(jié)果表明，3臺執(zhí)行機構(gòu)的閥位給定值和實際值之間雖有一點小偏差，但經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)它們的相對誤差都在百分之1以下，可見遠程控制精度還是很高的，能夠滿足實際控制精度需求。同時，在上述測試過程中，通過測試軟件ZLCCANTest測得發(fā)送每條PDO報文的平均時間為2 283 ms，表明系統(tǒng)實時眭較好。另外，經(jīng)初步成本核算，采用這種控制方式時，硬件成本節(jié)約了百分之3. 57。通過這些數(shù)據(jù)表明本文提出的設(shè)計方案是合理可行的。
6、結(jié)語
本文針對常規(guī)型電動執(zhí)行機構(gòu)傳統(tǒng)點對點連接方式存在的弊端，提出了基于CANopen協(xié)議的總線型電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計方案。該方案通過把CANo—pen協(xié)議應(yīng)用到執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)升當(dāng)中，使其具備總線通訊功能，合理有效地解決執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、遠程網(wǎng)絡(luò)通訊和操作維護困難等方面的問題。通過實際工程應(yīng)用表明，這種總線型電動執(zhí)行機構(gòu)具有智能化、信息化、數(shù)字化等特點，實現(xiàn)了高可靠性、低成本的目標，其應(yīng)用前景一片光明。
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