摘要：

本文首先基于CANopen高層協(xié)議，分析CANopen設備模型和CANopen應用系統(tǒng)，并描述基于HMI的CANopen系統(tǒng)，最后，通過組態(tài)軟件CAN驅動，實現(xiàn)CANopen設備的人機界面接入。文章以人機界面為核心，描述HMI系統(tǒng)現(xiàn)場總線設備數(shù)據(jù)采集模型，分析HMI系統(tǒng)關注的CANopen協(xié)議的內容，闡述了符合CANopen通信協(xié)議的設備在現(xiàn)場總線上的應用，并給出了具體的應用模型。

1.系統(tǒng)概述

組態(tài)軟件建立工業(yè)自動化領域的各種標準之上的，詳細架構請見圖1.1。

HMI（HumanMachineInterface）系統(tǒng)已經成為工業(yè)現(xiàn)場的一類應用核心。軟硬一體，符合工業(yè)標準。

通過組態(tài)軟件驅動接口，組態(tài)軟件采集現(xiàn)場總線設備的數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉給組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫，并通過標準控件顯示數(shù)據(jù)信息，通過標準存盤接口完成歷史存儲，以及其他功能，比如報警、邏輯、用戶管理等，最后，通過實時數(shù)據(jù)庫和組態(tài)驅動接口，還可以實現(xiàn)總線系統(tǒng)中PLC、智能儀表和其他總線設備的控制。

在系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線設備是信息的源頭，連接采集傳感器信號，并參與控制執(zhí)行單元，比如通過輸入部分，采集溫濕度、高度信號等模擬量采集（AI）和開關量輸入（DI）信號；通過計算和控制部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換、報警判斷等計算和邏輯控制；最后，經由輸出部分，通過電壓和電流的模擬量輸出（AO）和開關量輸出（DO）執(zhí)行控制結果。

圖1.2形象的描述了現(xiàn)場總線設備內部構造。工業(yè)自動化領域設備內部結構有規(guī)律可循，并可以標準化，為現(xiàn)場總線高層協(xié)議設備模型的標準化提供了事實依據(jù)和保障。

2.CANopen設備

2.1.CANopen協(xié)議

圖2.1[1]CAN、CANopen標準在OSI網(wǎng)絡模型中的關系框圖

CANopen協(xié)議是CiA（CAN-in-Automation）組織定義的標準之一。CANopen協(xié)議已得到廣泛的認可，并成為CAN總線在工業(yè)自動化領域的主導標準。

基于OSI通訊模型，CAN總線協(xié)議僅僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準，而CANopen協(xié)議是在CAN2.0A協(xié)議基礎上的應用層協(xié)議。

通過圖2.1，我們可以清楚地看到CANopen協(xié)議和CAN協(xié)議的關系。也可以說，CAN協(xié)議是固化在CAN控制器芯片中的，比如我們選用飛利浦SJA1000CAN控制器，則CAN標準協(xié)議已經在控制器中實例化或固化；CANopen協(xié)議是應用層協(xié)議，也就是需要我們在軟件編程實現(xiàn)。

所以，CANopen協(xié)議也體現(xiàn)了總線設備在應用軟件中的映射關系或設備輪廓描述（DeviceProfile）。

2.2.CANopen設備模型

現(xiàn)場總線的作用就是將接近執(zhí)行層面總線設備的信息發(fā)送給總線系統(tǒng)的管理層面主站系統(tǒng)。CAN協(xié)議決定了CAN總線支持多主的通訊方式，使上層系統(tǒng)可以更多種的方式獲取總線設備的信息?；贑AN2.0A協(xié)議，CANopen協(xié)議定義了工業(yè)自動化領域的總線設備模型，明確了總線網(wǎng)絡的管理，定義了總線設備內的各種信息對象，而且規(guī)定了設備設置的具體方法。

根據(jù)自動化現(xiàn)場的要求，CANopen設備下面接入信號I/O，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，上部連接CAN總線，向高層傳送設備信息。CANopen協(xié)議為總線設備定義了應用程序軟件、對象字典和CAN-bus通訊，如圖2.2說明了三者間的關系。

圖2.2[1]CANopen設備模型中應用軟件、對象字典和通訊部分的關系圖

CommunicationInterface（通信接口）：

提供CAN總線上收發(fā)數(shù)據(jù)報文的服務。規(guī)定了四類CANopen數(shù)據(jù)報文：管理報文（Administrativemessage：包括LMT、NMT和DBT服務報文）、SDO（ServiceDataObject：設備配置相關，優(yōu)先級較低的報文）、PDO（ProcessDataObject：8字節(jié)數(shù)據(jù)快速傳送報文）和特殊報文（PredefinedmessagesorSpecialFunctionObjects：包括SYNC、TimeStamp等報文）。設備間的通信都是通過交換通信對象完成的。

CANopenObjectDirectory（對象字典）：

對象字典描述設備的各項參數(shù)和其網(wǎng)絡性能，以特定的方式描述總線設備包含的報文對象（過程數(shù)據(jù)對象PDO或配置服務數(shù)據(jù)對象SDO），從而實現(xiàn)了設備的功能性描述。這些對象通過一個16位的索引和一個附加的8位子索引來訪問。對象字典位于CAN總線設備通信部分和應用部分之間，向應用程序提供接口，應用程序對對象字典進行操作就可以實現(xiàn)CANopen通信。

Application（應用程序）：

應用程序部分由用戶編寫或者配置，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(xiàn)CANopen通信，而功能部分由用戶根據(jù)應用要求實現(xiàn)。比如CAN控制器，應用程序部分則為過程控制或數(shù)據(jù)處理邏輯，需要用戶編寫。

各個廠家提供的CANopen設備都必須遵循協(xié)議的標準，我們查找設備廠家提供的資料或技術手冊的時候，都可以找到類似Beckhoff公司的總線設備描述（參見圖2.3）。

圖2.3[1]Beckhoff公司CANopen設備描述

2.3.CANopen系統(tǒng)應用

CANopen協(xié)議應用可以分為下面2個層面：

操作應用層面：現(xiàn)場操作人員、現(xiàn)場設備檢查人員等關注，關注可控性、易操作性和操作效率。

目標：監(jiān)測控制，生產操作。特點：關注CANopen協(xié)議的相關內容。

系統(tǒng)設置層面：系統(tǒng)集成技術人員、設備維護和改造人員等關注，通過最佳的方案，實現(xiàn)應用系統(tǒng)。

目標：工程實施、系統(tǒng)集成。特點：關注CANopen協(xié)議整體。

從操作應用層面看，技術操作人員主要是通過已經形成的生產線，依靠CANopen系統(tǒng)完成既定的生產工作，也就是通過采集的信號的內容展示和分析結果，關注的是通過設備完成的生產操作。也就是，操作人員關注通過正確的操作方法，順利完成生產任務。這個層面的用戶是人機界面系統(tǒng)的最終使用者。工業(yè)人機界面系統(tǒng)的設計必須考慮這個層面應用的需求。

如圖2.4所示，現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，人機界面部分往往是體現(xiàn)操作應用層面。

從系統(tǒng)設置層面看，技術人員要對現(xiàn)場設備進行裝配、設置，甚至編程。技術人員可以根據(jù)設備的說明文檔，依據(jù)現(xiàn)場工程的需求，進行裝配和設置。一般來說，每種設備都有測試或者配置軟件，尤其邏輯控制設備，都配置編程軟件，比如PLC，CANopen設備也是如此！首先，這些軟件都已經非常成熟，然后，編程通訊往往有很多不開放的技術，所以，我們必須借助于設備廠商提供的軟件。這個層面的技術人員工作，往往是針對確定的I/O部分，依照明確的工藝需求，進行設備組態(tài)、系統(tǒng)集成等工作，關注系統(tǒng)集成部分，也就是根據(jù)操作應用層面的具體需求進行系統(tǒng)集成。

如圖2.4所示，現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，編碼調試設備和軟件往往體現(xiàn)系統(tǒng)設置層面。

對于人機界面的組態(tài)，我們主要是考慮操作應用層面的需求，也就是關注I/O狀態(tài)、控制有關的參數(shù)設置、運行結果的記錄等。這些為基于HMI的現(xiàn)場總線控制平臺的協(xié)議通訊模式的實現(xiàn)提供了依據(jù)。

HMI組態(tài)關注的數(shù)據(jù)對象主要是過程數(shù)據(jù)對象（PDO）用于在CANopen節(jié)點間傳送過程數(shù)據(jù),如I/O模塊的I/O狀態(tài)的讀取和設定、模擬量采集和模擬量輸出等等。

Node節(jié)點-->HMI平臺（TxPDO：發(fā)送過程數(shù)據(jù)對象）

Node節(jié)點<--HMI平臺（RxPDO：接收過程數(shù)據(jù)對象）

系統(tǒng)配置關注的數(shù)據(jù)對象主要是服務數(shù)據(jù)對象（SDO：ServerDataObject）服務用于讀寫節(jié)點的對象字典（ObjectDictionary）用來在設備之間傳輸大的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息的下載/上傳、請求/應答、分段/加速傳送等操作，用來配置CANopen網(wǎng)絡上的設備。

其他的數(shù)據(jù)對象，比如管理報文、預定義報文、特殊報文，系統(tǒng)配置時，一般會使用。而根據(jù)控制工藝，在操作應用層面，較少使用這些數(shù)據(jù)對象。

2.4.CANopen標識符和數(shù)據(jù)對象

為了減少簡單網(wǎng)絡的組態(tài)工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符（CAN-ID）分配表。這些標志符在預操作狀態(tài)下可用，通過動態(tài)分配還可修改他們。CANopen設備必須向它所支持的通訊對象的提供相應的標識符。

缺省ID分配表是基于11位CAN－ID，包含一個4位的功能碼部分和一個7位的節(jié)點ID（Node-ID）部分。如圖4所示。

圖2.5[1]PDO數(shù)據(jù)對象11位ID的預定義格式

Node-ID：對應CANopen設備，由系統(tǒng)集成商定義，例如通過設備上的撥碼開關設置。Node-ID范圍是1~127（0不允許被使用）。

FunctionCode：確定CAN幀的類型，比如：PDO和SDO：對應CANopen設備的寄存器。在CANopen設備中，常用的PDO為0x180+Node-ID。其中0x180就是指FunctonCode。SDO是用來在設備之間傳輸大的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的服務數(shù)據(jù)對象，典型的功能是配置CANopen網(wǎng)絡上的設備。

比如，PDO用來傳輸8字節(jié)或更少數(shù)據(jù)，沒有其它協(xié)議預設定（意味著數(shù)據(jù)內容已預先定義）。比如：某傾角傳感器上傳的為7個字符，因此它有8個PDO數(shù)據(jù)需要傳到現(xiàn)場總線上。標識符的格式為TPDO=0X180+NODE_ID，因此發(fā)送的PDO可以表示為表3.1的描述。

表3.1CANopen設備的PDO

3.組態(tài)軟件通訊

3.1.PC-based的CAN總線接入

組態(tài)軟件與硬件設備組成的CAN總線系統(tǒng)，詳細組成請見圖3.1。

圖3.1CAN總線系統(tǒng)

3.2.基于HMI的CANopen系統(tǒng)描述

1）、簡單系統(tǒng)：HMI+CANopen模塊。

人機界面產品可以直接連接CAN從站模塊，如圖3.2所示。CAN從站模塊主要是I/O模塊，可以采集模擬量I/O數(shù)據(jù)或者控制數(shù)字量I/O，并通過總線方式擴展。比如，帶CAN接口的HMI設備HMITECHTPC-CAN，直接連接芬蘭Axiomatic單軸和雙軸傾角傳感器。

人機界面產品也可以直接連接CAN主站模塊，如圖3.3所示。CAN主站模塊可以是現(xiàn)場總線通訊的可編程控制器，可以擴展直接I/O模塊，也可以連接控制總線擴展模塊。比如，HMITECHTPC-CAN連接EPEC2020控制模塊。

2）、復雜系統(tǒng)：HMI系統(tǒng)+CANopen站模塊+診斷和配置節(jié)點。

HMI主要完成CANopen系統(tǒng)監(jiān)視和存儲、分析功能。人機界面的優(yōu)勢是友好的人機交互。所以，同人機交互相關的CAN系統(tǒng)信息界面顯示、總線數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)的初步分析等是CAN系統(tǒng)中人機界面所關注的重點。

CAN主站控制器注重實時性，HMI系統(tǒng)注重友好顯示和數(shù)據(jù)存儲。雖然，CAN主站控制器的邏輯也可以部分轉移到HMI系統(tǒng)，但是，我們還是建議客戶根據(jù)控制工藝的要求，慎重考慮，合理的配置系統(tǒng)。

4.組態(tài)軟件CAN驅動

4.1.組態(tài)軟件CAN驅動特定

圖4.1組態(tài)軟件CAN驅動

組態(tài)軟件的CAN驅動程序，如圖4.1所示，是人機界面和組態(tài)軟件的接口，其功能和特點是：

CAN總線數(shù)據(jù)傳遞給組態(tài)軟件的接口：

驅動要借助系統(tǒng)的設備驅動接口，讀取CAN總線數(shù)據(jù)，并通過組態(tài)軟件的標準形式，傳遞給組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫。

可以通過多種形式保證數(shù)據(jù)發(fā)送和接收成功：

1）、驅動內部，判斷CAN控制器發(fā)送錯誤信息；

2）、通過寫入設備寄存器，然后，讀取判斷寄存器寫是否成功。

關注CANopen協(xié)議操作應用層面：

驅動程序中，并不需要整合CANopen整個協(xié)議棧，支持CAN2.0協(xié)議就足夠。然后，CANopen協(xié)議部分通過組態(tài)邏輯解決。

可以通過多種形式保障數(shù)據(jù)的完整性和實時性：

實時性就是最新發(fā)送總線數(shù)據(jù)，能夠在規(guī)定的延時內，進入組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫。完整性就是能夠將所有的數(shù)據(jù)報文抓取到組態(tài)軟件，并進行完整的數(shù)據(jù)處理和存儲。根據(jù)控制工藝的要求，我們可以設置總線數(shù)據(jù)上發(fā)的頻率，通過HMI嵌入的CAN控制器設置屏蔽減少非目標數(shù)據(jù)，也可以通過組態(tài)軟件對CAN控制器和驅動緩沖區(qū)的處理數(shù)據(jù)收發(fā)性能。