基于CANopen的多协议转换与传输机制研究

论文摘要

随着计算机和系统集成电路技术的不断发展,分布式控制系统正逐步普遍应用于船舶工业当中。但是由于分布式控制系统设备种类繁多,协议不尽相同,所以给数据的传输和集中管理带来了不小的困难。现场总线作为底层的一种拓扑性网络,可以创建一个双向通信、全数字化的控制系统。它可以使现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机进行连接,实现数据传输和信息交换。所以我们需要一个规范化的系统,它可以将底层设备的数据采集系统融合在一起,具有良好的传输性能,并可以实现实时监测和事务调度功能。本文在探讨总线技术的基础上,应用CAN总线技术对船舶中的多协议转换及传输机制进行了研究。第一部分介绍了论文的研究目的和意义以及本文的内容和结构框架。第二部分在CAN总线的基础上分析了其应用层CANopen协议的技术规范,对CANopen协议各通信对象的实现进行了初步的探讨,为以后的实现奠定了基础。第三部分首先利用双冗余网络结构设计对CAN总线的实时性、可靠性以及经济性做了优化,然后是RS232/485到CAN总线的协议转换。第四部分对CANopen主站进行了设计,包括CANopen协议的传输机制与接收处理,事务调度算法和定时复合机制策略在总线中的实现。第五部分是结论与展望。在研究过程中,首先解决了底层设备的协议转换,然后在CANopen高级协议的基础上,对网络拓扑及传输机制进行分析,最后是CANopen主站中的各种通信对象（NMT、PDO、SOD、SYNC）的传输实现。在系统的研究设计中,软硬件设计都采用了模块化的思想,在保证系统可靠性和稳定性的前提下,尽可能地减少硬件的设计成本。系统软件设计均采用的是C++语言编写,通信模块以C++通用类的方式提供给应用类去调用,应用中只需要在包含通信类文件的基础上简单地创建实例即可实现基本的CANopen通信功能。利用面向对象设计的方法大大提高了系统软件的可扩展性和可移植性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 分布式系统概述
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文内容及章节
• 第2章 CANopen协议技术规范
• 2.1 现场总线
• 2.2 CANopen协议概述
• 2.3 CANopen协议的通讯模型
• 2.3.1 主/从关系模型
• 2.3.2 客户端/服务器模型
• 2.3.3 生产者/消费者模型
• 2.4 CANopen协议的通信对象
• 2.4.1 网络管理对象
• 2.4.2 服务数据对象
• 2.4.3 过程数据对象
• 2.4.4 特殊功能对象
• 2.4.5 两种通讯模式的比较
• 2.4.6 对象字典
• 2.5 CAN报文帧格式
• 2.6 信息帧的优先级
• 2.7 本章小结
• 第3章 总线网络设计及协议转换
• 3.1 CAN总线的通信参考模型
• 3.1.1 数据链路层
• 3.1.2 物理层
• 3.2 双冗余网络设计
• 3.3 CAN总线的实时性设计
• 3.3.1 实时性分析
• 3.3.2 延时分析
• 3.3.3 事务调度算法
• 3.4 RS232/RS485/RS422概述
• 3.4.1 RS232
• 3.4.2 RS485
• 3.5 协议转换硬件设计
• 3.5.1 CAN协议控制器SJA1000
• 3.5.2 CAN协议收发器PCA82C250
• 3.5.3 RS232接口电路设计
• 3.5.4 RS485接口电路设计
• 3.5.5 总系统结构设计
• 3.6 协议转换软件设计
• 3.6.1 RS232-CAN协议转换流程
• 3.6.2 RS485-CAN协议转换流程
• 3.7 本章小结
• 第4章 CANopen主站的设计与实现
• 4.1 硬件选型设计
• 4.2 软件平台选择
• 4.3 软件流程设计规范
• 4.4 软件实现关键技术
• 4.4.1 定时机制和调度策略
• 4.4.2 WINCE内的多线程
• 4.4.3 内存映射文件
• 4.5 CANopen在嵌入式模块中的软件设计
• 4.5.1 软件接口设计
• 4.5.2 数据帧的接收
• 4.5.3 数据帧的发送
• 4.6 CANopen主站的设计实现
• 4.6.1 对象字典文件接口实现
• 4.6.2 网络管理模块
• 4.6.3 SDO模块设计
• 4.6.4 PDO模块设计
• 4.6.5 SYNC对象的处理
• 4.6.6 事务调度算法的实现
• 4.7 CANopen主站功能测试
• 4.7.1 软件设计流程
• 4.7.2 报文分析
• 4.7.3 实时性分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文