基于CANopen协议的工程车辆网络系统的设计与实现

论文摘要

当前,总线控制是工程车辆控制领域中最新和发展最快的技术之一。总线网络为车辆内部控制器之间以及车辆之间提供数据通信平台,使得车内传动控制机构得到简化,车内线束减少,控制精度和灵活性也得到了提高。可以说,总线控制技术将会给工程车辆带来一场革命性的变化。CAN是一种在世界范围内得到广泛使用的总线协议,它具有成本低、速度快、实时性和可靠性高等特点。CANopen是CAN的一种应用层协议,近年来在全世界的工程车辆中得到了广泛应用。研究CANopen协议并开发出各种支持CANopen协议的设备对于我国工程车辆控制技术的发展具有非常重要的意义。本论文对CANopen通信网络平台的搭建和工程车辆控制需要的CANopen协议栈的设计与实现等方面的内容进行了研究。首先设计了一套以C8051F040型微控制器为核心的硬件平台,在此基础上设计出了一款支持CANopen协议的通信节点—旋挖钻机倾角深度控制器和一款基于嵌入式USB主机的CAN网络数据记录模块。数据记录模块在CAN网络上是一个可以自主设定过滤内容的超级节点,能够接收网络上传输的所有的数据并将需要的数据存储在外挂FLASH芯片上。该数据记录模块内部嵌入了USB主机以及主机系统驱动程序,可以不依托任何操作系统将外挂FLASH芯片上的数据存储在标准U盘上;此外还设计并实现了一个针对工程车辆控制需要的CANopen协议栈,并将此协议栈在旋挖钻机倾角深度控制器和CAN网络数据记录模块中分别进行了实现;另外还利用CANopen协议的CMS服务功能对控制器的在线编程通信模式和通信协议进行了设计,然后在旋挖钻机倾角深度控制器上实现了该协议。最后,组成了一个执行CANopen协议栈的CAN网络。网络里包括了若干CAN总线通信节点、一个旋挖钻机倾角深度控制器模块、一个CAN总线数据记录模块。各个模块与通信协议都在该网络中进行了测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.1.1 现代工程车辆发展现状
• 1.1.2 总线技术
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外CAN 总线在工程车辆控制网络中的研究现状
• 1.2.2 国内CAN 总线在工程车辆控制网络中的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本章小节
• 第2章 CAN 及CANopen 协议分析
• 2.1 CAN 总线
• 2.1.1 CAN 通信协议
• 2.1.2 CAN 总线组成
• 2.2 CANopen 协议
• 2.2.1 CANopen 协议通信模型
• 2.2.2 CANopen 对象字典
• 2.3 硬件平台简介
• 2.3.1 微控制器C8051F040
• 2.3.2 CAN 总线平台
• 2.4 本章小节
• 第3章 基于CANopen 协议的旋挖钻机倾角深度控制器的设计与实现
• 3.1 旋挖钻机倾角深度控制器方案设计
• 3.1.1 系统功能设计
• 3.1.2 控制系统程序设计
• 3.2 旋挖钻机倾角控制模块功能实现
• 3.2.1 倾角传感器原理简介
• 3.2.2 倾角传感器与微控制器接口电路设计
• 3.2.3 倾角模拟显示电路
• 3.2.4 控制系统倾角控制模块程序设计
• 3.2.5 倾角控制子程序流程图
• 3.3 旋挖钻机深度控制模块功能实现
• 3.3.1 光电编码器原理简介
• 3.3.2 光电编码器与微处理器接口电路设计
• 3.3.3 控制系统深度控制模块程序设计
• 3.3.4 深度控制子程序流程图
• 3.4 本章小结
• 第4章 针对CAN 协议的工程车辆实时数据记录仪
• 4.1 工程车辆实时数据记录仪的方案设计
• 4.1.1 数据记录仪设计的关键问题
• 4.1.2 系统功能
• 4.1.3 主要器件的选则
• 4.2 数据记录模功能实现
• 4.2.1 基本操作流程
• 4.2.2 数据缓冲区数据填充流程
• 4.2.3 单片机读写FLASH 页的编程规则
• 4.3 实时时钟模块功能实现
• 4.4 USB-HOST 模块功能实现
• 4.4.1 本地端的单片机软件
• 4.4.2 单片机读写U 盘文件
• 4.4.3 单片机读写U 盘文件的编程规则
• 4.5 本章小结
• 第5章 CANopen 协议栈的实现
• 5.1 CANopen 通信主节点
• 5.2 CANopen 通信从节点
• 5.2.1 旋挖钻机倾角深度控制器部分实现的CANopen 协议
• 5.2.2 数据记录仪器实现的CANopen 协议
• 5.3 利用CANopen 协议CMS 服务功能实现对控制器进行在线重编程
• 5.3.1 控制器在线重编程的原理
• 5.3.2 控制器在线重编程的实例
• 5.3.3 控制器更新程序的通信协议
• 5.4 本章小结
• 第6章 测试与性能分析
• 6.1 测试目的和内容
• 6.2 旋挖钻机倾角深度控制器的测试
• 6.2.1 旋挖钻机倾角深度控制器倍频鉴相功能测试用例及测试目标
• 6.2.2 测试结果与改进
• 6.3 利用CANopen 协议实现对控制器代码刷新的测试
• 6.4 CANopen 通信平台的测试
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简况及联系方式