基于CANopen协议的分布式控制系统的研究

论文摘要

基于现场总线的网络技术研究是自动控制领域发展的一个热点。在各种工业现场总线中,CAN总线以其成本低、速度快、实时性和可靠性较高等特点被广泛应用于各领域。CIA(CAN in Automation)协会发布了完整的CANopen协议,定义了应用层和通讯子协议,为基于现场总线的分布式控制系统的广泛应用提供了解决之道。本文研究国内外现场总线发展现状后,以改善现场总线网络通讯系统的运行效率,提高实时性和信息处理能力为前提,浅析CAN总线高层通讯协议CANopen,分析了主、从节点的各个功能,说明了功能的设计和实现方案。然后,本文将CANopen协议应用于分布式控制系统,详细论述了基于PIC18控制器的从节点和基于DSP控制器的主节点的实现过程。主、从节点具有基于CANopen协议的总线通信功能。从节点具有数字量和模拟量输入输出功能。主节点可以通过键盘对各节点运行状态和各节点参数进行调整,还可以通过液晶屏显示实时控制量和各节点运行状态。PC机能在线监测CAN报文数据流。本文对两种类型节点的设计思想、硬件组成和软件设计均做了详尽的阐述,并给出了部分关键硬件原理图和软件流程图。最后,把已开发的从节点和主节点组成一个温度测控系统和一个电机控制系统。经过实验室测试,证明系统具有良好的实时性,通讯稳定可靠,解决了传统CAN总线节点通讯可控性差,无法灵活设置的问题。对目前国内CAN总线应用中大多把精力放在硬件之上的底层软件开发,少有使用上层软件协议的习惯,起到了一定的推动意义,提高了应用水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场总线技术
• 1.1.1 现场总线技术概述
• 1.1.2 现场总线技术的特点
• 1.1.3 现场总线技术的发展现状
• 1.2 CAN总线
• 1.2.1 CAN总线概述
• 1.2.2 CAN总线的优点
• 1.2.3 CAN总线存在的不足
• 1.2.4 CAN总线的应用
• 1.3 CANopen协议
• 1.4 课题的提出及意义
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题的意义
• 1.5 课题的任务
• 第二章 CANopen应用协议剖析
• 2.1 概述
• 2.2 CAN总线
• 2.2.1 CAN总线概述
• 2.2.2 CAN总线的分层结构
• 2.2.3 CAN总线报文传输
• 2.3 CANopen应用协议剖析
• 2.3.1 CANopen协议概述
• 2.3.2 主节点和从节点的概念
• 2.3.3 过程数据对象（PDO）
• 2.3.4 服务数据对象（SDO）
• 2.3.5 特殊功能对象
• 2.3.6 网络管理对象（NMT）
• 2.3.5 对象字典的介绍
• 2.3.6 CANopen预定义连接组
• 第三章 CANopen网络中从节点的开发
• 3.1 从节点的硬件设计
• 3.1.1 从节点的硬件结构
• 3.1.2 主控制器单元
• 3.1.3 CAN通信单元
• 3.1.4 输入和输出单元
• 3.2 从节点的软件设计
• 3.2.1 从节点的软件模型
• 3.2.2 CAN通信程序设计
• 3.2.3 应用层协议程序设计
• 3.2.4 对象字典部分的程序设计
• 3.2.5 应用程序设计
• 3.2.6 系统主程序
• 3.3 从节点的实例开发
• 3.3.1 温度检测节点
• 3.3.2 温度调节节点
• 第四章 CANopen网络中主节点的开发
• 4.1 主节点的硬件设计
• 4.1.1 主节点的硬件结构
• 4.1.2 微处理器的介绍
• 4.1.3 人机界面介绍
• 4.1.4 通信部分
• 4.2 主节点的软件设计
• 4.2.1 主节点的软件模型
• 4.2.2 硬件驱动层部分的程序设计
• 4.2.3 主节点报文处理的程序设计
• 4.2.4 应用程序设计
• 4.2.5 系统主程序
• 4.3 主节点的实例开发
• 第五章 基于CANopen协议的分布式控制系统实验结果
• 5.1 温度测控系统实例的设计
• 5.2 温度测控系统实例的调试与结果
• 5.2.1 不同设定温度下系统的状况
• 5.2.2 不同控制命令下系统的状况
• 5.2.3 PC机监控系统的报文数据流
• 5.3 直流电机控制系统实例的设计
• 5.3.1 直流电机控制系统中控制节点的设计
• 5.3.2 直流电机控制系统中主节点的设计
• 5.3.3 直流电机控制系统中上位机的设计
• 5.4 直流电机控制系统实例的调试与结果
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文与研究成果