【基于CANOpen协议的汽车电子通信系统】通信系统相关的业务和协议
时间：2020-07-14 07:29:57 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：CANopen是基于CAN(Controller Area Network)总线的应用层协议，本文通过对CANopen协议设计的实质和核心内容的分析，给出了基于该协议的汽车电子通信系统的设计和实现方案。 通过CAN硬件接口的设计和DLL模块实现了利用CANopen通信模型构造汽车电子通信系统的基本框架模型，总结了CANopen协议的在本方案中的优缺点和适用性。
关键词：CAN；CANopen；LIN；OD
中图分类号：TP393.04 文献标识码：A
1 概述
CANopen［1］协议集定义基于CAN的分布式工业自动化系统的应用标准以及CAN应用层通信标准。CANopen是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲，CANopen被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准。CANopen协议集基于所谓的“通信子集”，该子集规定了基本的通信机制及其特性，如图1。
应用层（Application layer）：为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。
通讯描述（Communication profile）：提供配置设备、通讯数据的含义，定义数据通讯方式。
设备描述（Device proflile）：为设备（类）增加符合规范的行为。
CANopen主要应用在汽车、工业控制、自动化仪表等领域，目前由CIA负责管理和维护。
2CANopen协议设计的实质
CAN处于OSI网络模型中物理层和数据链路层，而CANopen是基于CAN的应用层，因为现场总线通常只包括一个网段，因此不需要第3层(传输层)和第4层(网络层)，也不需要第5层(会话层)、第6层(描述层)的作用。正是因为有了CANopen这样应用层协议的存在，从而使CAN总线成为了一个更加完善的网络系统。
CANopen协议在设计的时候，对总线上传输的数据进行了分类，即每一个传输数据都是某一特定类的对象，从而实现了面向对象的程序设计。在CANopen中每一类传输对象都有其规范化的格式，从而实现了应用层结构上的统一。这样无论从规范化角度，还是从模块化程序设计角度讲，CANopen协议都是一个设计比较完善的协议，图2是CANopen 内核［2］。图2CANopen master kernel在CANopen协议的数据传输中共定义了4类对象(通讯模式)［3］，分别为管理对象(NMT)、服务数据对象(SDO)、过程数据对象(PDO)和特殊功能对象。其中NMT用来传递主节点对整个网络系统的管理信息，SDO用来传递网络系统中的配置信息，PDO用来传递过程数据信息(例如电压的变化值)，特殊功能对象包括同步对象(SYNC)、紧急对象(Emergency)、时间基准(Time-Stamp)等。各类对象传输时的帧格式在参考文献中有详细的规定，在这里就不详细介绍。在实际的工程中用户只要根据需要，按照类的规定把要传输的数据映射到相应的对象中就可以了。
3CANopen协议中的核心内容
为了对各类对象进行规范化和方便的管理，在CANopen协议中定义了对象字典的概念。它是一个有序的对象组，其中定义了一个设备的所有信息，在CANopen网络系统中每一个设备都要有一个唯一的对象字典，每个设备的对象字典具有结构相同、内容不同的特点。通过对对象字典中的对象定义一个唯一的16位主索引和8位子索引，就可以方便地访问对象字典中的对象。CANopen协议中定义了通用的对象字典结构，其中规定了各种数据在对象字典中的位置区域。在我们建立设备对象字典的时候，主要工作应集中在定义通讯子协议区域(1000~1FFF)和制造商特定子协议区域(2000~5FFF)部分［4］。
在整个CANopen协议中，对象字典起到了连接DLL模块(通讯接口)和应用程序的作用。我们要想把一个应用程序中的数据(如I/O的输入值)送到CAN总线上，我们首先要确定这个数据属于对象字典中的哪一类对象(例如I/O口的输入值应为过程数据对象)，然后用DLL模块访问对象字典中相应的对象，并把其按照相应的帧格式发送到CAN总线上去，从而完成了数据的传输。
4汽车电子通信系统设计与实现
4.1汽车网络方案
对于CAN在汽车上的应用，具有很多行业标准或者是国际标准，比如国际标准化组织（International Organization for Standardization）的ISO11992、ISO11783以及汽车工程协会（Society of Automotive Engineers ）的SAE J1939。CAN总线已经作为汽车的一种标准设备列入汽车的整体设计中［5］。
通过图3［6］可以看到，蓝色较粗线代表CAN总线，它连接了传动装置控制单元、灯控单元、门控单元、座椅控制单元以及仪表盘控制单元等等。红色较细线代表LIN总线，由LIN总线构成的LIN网络作为CAN网络的辅助网络，连接了车窗控制单元、雨刷控制单元、天窗控制单元等低速设备。
LIN网络［7］（Local Interconnect Network），由汽车厂商为汽车开发，作为CAN网络的辅助网络，目标应用在低端系统，不需要CAN的性能、带宽以及复杂性。LIN的工作方式是一主多从，单线双向低速传送数据（最高20K位/），与CAN相比具有更低的成本，且基于UART接口，无需硬件协议控制器，使系统成本更低。
4.2系统中CAN硬件接口设计
在汽车中ECU的设计，应该首先从安全的角度来考虑，对于关键控制部分如：汽车引擎、刹车装置、安全气囊等单元应该采用分散式控制；而对于那些与安全无关的单元如：灯控单元、门控单元、座椅控制单元等出于成本的考虑可以采用CAN与LIN混合的集中控制方式。图4给出ECU结构图。
4.3DLL模块的实现
MB90F543具有两个CAN控制器分别为CAN0和CAN1，我们只用CAN0，这样CAN1可以在系统扩展时使用。CAN控制器具有如下的特点［8］：
（1）符合规范CAN2.0A和CAN2.0B；
（2）支持通过接收远程帧发送数据；
（3）16个收、发缓冲区，每个缓冲区都具有29比特ID和8字节数据，多级缓冲配置；
（4）每个缓冲区支持标准帧和扩展帧的多种过滤方式；
（5）波特率可从10Kbit/s到1Mbit/s。
在我们系统中使用规范CAN2.0A，波特率为125k/s，并且为每类消息分配了一个独立的缓冲区，这样做可以减少中断程序的处理时间，从而提高系统的实时性。
5结束语
汽车电子设备的网络化、标准化是组成车载监控系统的一个重要条件，同时也是车载设备发展的一个重要方向。CANopen协议作为CAN总线的应用层协议，在车辆领域有着广阔的应用前景。本文通过把车载平台做成符合CANopen协议的标准化装置，从而增强了设备的可扩展性，同时也提高了数据传输的可靠性，可以满足现代化应用环境中的实际需求。
参考文献
［1］www.can-cia.de.
［2］ www.省略.
［3］CiA DS-301,Version 4.0,June 16 1999.
［4］CiA Draft Standard Proposal DSP 402, Version 1.0 Device Profiles Drives and Motion Control.
［5］ CANopen application profile for lift control systems CiA DSP 417.
［6］ M. Cheng, et al. Design and implementation of a braincomputer interface with high transfer rates IEEE Trans. Biomed. Eng., 2002，49：pp.1181-1186.
［7］CiA DSP-401,Version 1.4,Dec 1996.
［8］CANopen high-level protocol for CAN-bus H.Boterenbrood NIKHEF,March 20,2000.
（本文审稿陈少敏）
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