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基于CANopen协议的摊铺机控制系统研究

作　者: 吴金红
导　师: 曹建
学　校: 中南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 现场总线 CAN CANopen C8051F040 摊铺机
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 113次
引　用: 1次
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内容摘要

基于CAN(Controller Area Network)总线的控制系统已经广泛应用在现代工程机械中,是当工业控制领域的研究热点。CAN总线通信为通信网络提供了物理层和数据链路层的规范,但是由于摊铺机控制系统对网络管理,应用协议,安全管理的要求,应用于不同控制设备的CAN总线网络之间的流畅通信就成为难点。CANopen是基于CAN串行通讯的应用层协议,CANopen协议假定硬件设备的收发器和控制器完全遵循ISO1198标准,规范覆盖了应用层和通讯协议子集、程序设备的构造、推荐的电缆和接头形式、SI单位和前缀解释等,保证了不同厂家CAN控制器在通讯联接和具体控制开发软件的一致性,给系统的使用和维护带来极大方便。本文设计的摊铺机控制系统的通讯采用CAN总线,由CANopen协议来实现CAN总线应用层通信,这种设计能大大提高系统的通用性。论文介绍了根据控制系统的要求,以F040微处理器为核心,采用模块化的设计思路,设计主控板以及外围电路。为了实现真正的面向对象的开放式结构,应用可编程逻辑器件的电路完成各种逻辑控制和实现其相关的组合电路,使主控单元可以根据控制对象或者应用对象的不同,对系统进行在线设置和重构。在分析CAN通信的基础上,对CAN总线的网络参考模型、物理层、数据链路层,报文的帧类型等问题进行了详细分析。论述了对象字典、服务数据对象协议、过程数据对象协议、网络管理对象协议等CANopen协议的关键部分,这些协议是在F040上实现CANopen协议的基础。通过分析,认为基于F040的CAN通信程序涉及众多寄存器的使用,要正确设置命令掩码寄存器、消息控制寄存器、仲裁寄存器。在设计中,系统中开启了串口接收的中断及CAN总线接口的中断,让通讯作为前台行为,以便及时响应上位机的指令,其它数据处理过程等均工作在后台,进行循环执行。考虑到摊铺机工作现场环境条件的复杂程度,系统在设计中就全面考虑了电磁兼容性和采取了可靠的保护措施。系统电源电路部分增加了抗干扰保护,PCB布线严格遵循电磁兼容性能优化的设计原则,软件上对干扰进行多种抗于扰处理。按照国家标准对控制器进行的电磁兼容性试验的检测结果表明,系统能通过最严酷的脉冲群和雷击浪涌测试。本文设计的CANopen协议作应用层的摊铺机控制系统,简化了线路连接,大大减少了继电器等可靠性不高的电气元件的数量,保持了控制系统的数字化、模块化,实现了控制系统对不同厂家摊铺机的兼容性,为提高摊铺机的智能化水平进行了有益的探索。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-14
  1.1 课题的研究背景  8-10
  1.2 国内外发展现状  10-12
  1.3 本文研究的主要内容  12-14
第二章摊铺机控制系统总体硬件设计  14-26
  2.1 系统整体结构  14
  2.2 控制电路硬件设计  14-22
    2.2.1 C8051F040主芯片介绍  15-17
    2.2.2 C8051F040外围电路设计  17-22
  2.3 FPGA部分硬件设计  22-25
    2.3.1 FPGA和CPLD介绍  22-24
    2.3.2 电路设计  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 CAN总线和CANopen协议剖析  26-40
  3.1 CAN总线  26-31
    3.1.1 CAN总线协议简介  26
    3.1.2 CAN网络参考模型  26-27
    3.1.3 CAN物理层分析  27-28
    3.1.4 CAN应用层分析  28
    3.1.5 CAN数据链路层分析  28
    3.1.6 CAN报文的帧类型  28-31
  3.2 CANopen协议分析  31-38
    3.2.1 对象字典  32-33
    3.2.2 服务数据对象协议  33-34
    3.2.3 过程数据对象协议  34-36
    3.2.4 网络管理对象协议  36
    3.2.5 CANopen Boot-up机制  36-37
    3.2.6 CANopen ID分配机制  37-38
  3.3 本章小结  38-40
第四章摊铺机控制系统软件设计  40-55
  4.1 软件整体设计  40
  4.2 C8051F040的CAN通信设计  40-45
    4.2.1 Silicon Labs CAN控制器  41
    4.2.2 CAN相关寄存器  41-42
    4.2.3 底层驱动程序设计  42-45
  4.3 摊铺机CANopen通信协议实现  45-54
    4.3.1 摊铺机控制系统数据  45-46
    4.3.2 系统整体软件设计  46-49
    4.3.3 AD模块设计  49-52
    4.3.4 行走速度控制模块软件设计  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章系统可靠性设计  55-62
  5.1 电快速脉冲群实验  55-57
    5.1.1 干扰原理  55-56
    5.1.2 实验设备  56-57
    5.1.3 试验等级  57
  5.2 脉冲群抑制措施  57-60
  5.3 脉冲群测试  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章结论与展望  62-64
  6.1 结论  62
  6.2 展望  62-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
攻读学位期间主要研究成果  68

基于CANopen协议的摊铺机控制系统研究

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