CN104375484A - 基于CANopen协议的分布式控制系统 - Google Patents

基于CANopen协议的分布式控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CANopen协议的分布式控制系统，包括主站和从站，每一从站包括从站控制模块和接口拓展模块，且接口拓展模块通过SPI总线连接到多个分布式IO模块，每个分布式IO模块具有与现场设备连接的多个IO口；接口拓展模块用于将各个分布式IO模块采集的设备信息进行数据处理和地址解析，按照设定的时序依次发送至从站控制模块；从站控制模块用于将采集到的设备信息封装后发送到主站，以及接收主站发送的控制信息，并将控制信息进行处理后按照设定的时序依次发送至接口拓展模块；接口拓展模块还用于将控制信息重新编址后发送至对应的分布式IO模块，以控制对应的现场设备动作。本发明不仅可提升单个从站的IO口扩展能力，且拓展IO口的方式灵活。

Description

基于CANopen协议的分布式控制系统
技术领域
本发明涉及工业领域中现场设备控制以及数据采集技术，尤其涉及一种基于CANopen协议的分布式控制系统。
背景技术
目前,基于CANopen协议的分布式控制系统一般是利用CAN总线将各个从站串联起来，每个从站通过固定数量的IO端子连接现场设备。
CANopen为可编程系统、接口、各种设备定义了大量的应用子协议规范，很方便的实现了不同公司产品间的通信和互操作，已广泛应用于各现场通信领域。CANopen协议分布式控制系统的组网如图1所示,该系统的从站包括CAN收发器、MCU、光耦隔离模块。
CANopen协议最大支持127个从站，从站之间通过CAN总线周期性或非周期性的交换过程数据对象(PDO)，实现CANopen协议设备IO数据的输入和输出。CANopen协议从站设备集成固定数量的IO端子，例如图1中，每个从站的IO口固定为m个：IO1—IOm。这种设计方案存在以下缺陷：
不可灵活扩展与现场设备连接的IO口，单一从站PDO利用率低，当系统的规模较大，需要的远程IO口数量较大时，只能通过增加更多的从站设备才能实现远程IO的扩展应用，加大了通信距离，提高了系统组网成本，而通信距离的增加还有可能会导致通信波特率的下降，降低了通信实时性。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述单一从站PDO利用率低、IO口拓展方式不够灵活的缺陷，提供一种可灵活拓展IO口、提高PDO利用率的基于CANopen协议的分布式控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于CANopen协议的分布式控制系统，包括主站和从站，每一所述从站包括从站控制模块和接口拓展模块，且所述接口拓展模块通过SPI总线连接到多个分布式IO模块，每个分布式IO模块具有与现场设备连接的多个IO口；
所述接口拓展模块，用于将各个分布式IO模块采集的设备信息分别进行数据处理和地址解析，并根据各个设备信息的地址信息，将所有的设备信息按照设定的时序依次发送至从站控制模块；
所述从站控制模块，用于依次采集所述设备信息，并将采集到的所有设备信息封装后发送到所述主站，以及接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息进行处理后按照设定的时序依次发送至所述接口拓展模块；
所述接口拓展模块还用于将接收到的控制信息重新编址后分别发送至对应的分布式IO模块，以控制对应的现场设备动作。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述接口拓展模块包括：动态存储单元、核心处理单元、逻辑接口单元，所述动态存储单元具有多个存储子单元，所述多个存储子单元与所述多个分布式IO模块的多个IO口一一对应；
所述动态存储单元，用于将接收到的控制信息写入到对应的存储子单元中；
所述核心处理单元，用于将各存储子单元存储的控制信息分别进行数据处理和重新编址后发送至所述逻辑接口单元；
所述逻辑接口单元，用于将重新编址后的各个控制信息通过SPI总线发送至对应的分布式IO模块，以及接收来自SPI总线的设备信息并将该设备信息发送至核心处理单元；
所述核心处理单元还用于对接收的各个设备信息进行数据处理和地址解析后发送至动态存储单元；
所述动态存储单元还用于根据所述核心处理单元的地址解析结果将接收的各个设备信息写入对应的存储子单元中，并将各个存储子单元的设备信息按照设定的时序依次发送至从站控制模块。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述接口拓展模块采用集成有所述动态存储单元、核心处理单元、逻辑接口单元的可编程逻辑芯片。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述分布式IO模块包括：用于与多个现场设备连接的IO接口、用于防止信号干扰的光耦隔离模块、数据转换模块，每个IO接口具有所述多个IO口；
所述数据转换模块用于将IO接口发送的各个现场设备的设备信息进行数据转换和编址后发送至SPI总线，以及从所述SPI总线获取与自身的地址信息对应的控制信息，将该控制信息进行数据转换和地址解析后通过所述IO接口发送至对应的现场设备，以控制对应的现场设备动作。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述数据转换模块采用可编程逻辑芯片。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述从站控制模块包括：从站接口单元、协议转换单元、现场设备控制单元；
从站接口单元，用于接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息发送到所述协议转换单元；协议转换单元，用于接收所述从站接口单元发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出；现场设备控制单元，用于接收协议转换后的控制信息，并对该控制信息进行识别和分类后按照设定的时序依次输出至所述接口拓展模块，以及依次接收所述接口拓展模块按照设定的时序发送的各个设备信息，并将各个设备信息进行处理后发送到所述协议转换单元；所述协议转换单元还用于对多个设备信息进行封装以及协议转换后输出到所述从站接口单元；所述从站接口单元还用于接收封装后的多个设备信息，并将封装后的多个设备信息发送到所述主站。
本发明所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其中，所述从站控制模块包括集成有所述协议转换单元和现场设备控制单元的微处理器。
实施本发明的基于CANopen协议的分布式控制系统，具有以下有益效果：本发明中每个从站包括接口拓展模块，因为接口拓展模块可以对设备信息进行地址解析以及对控制信息重新编址，因此可以通过一根SPI总线连接多个分布式IO模块，因为每个分布式IO模块的IO口是固定的，与现有技术中一个从站只能连接一个分布式IO模块相比，本发明可以根据需要在SPI总线上增加分布式IO模块的数量以实现IO口的按需拓展，本发明不仅仅可以大大提升单个从站的IO口扩展能力，减小了系统的整体规模结构，降低了系统的成本，而且拓展IO口的方式相当灵活，可以根据需要进行灵活拓展。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为常规的基于CANopen协议的控制系统；
图2是本发明基于CANopen协议的分布式控制系统的较佳实施例中从站的结构示意图；
图3是图2中从站控制模块的电路图；
图4是图2中接口拓展模块的电路图；
图5是图2中数据转换模块的电路图；
图6是图2中光耦隔离模块的局部电路图；
图7是图2中IO接口的电路图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图2，是本发明基于CANopen协议的分布式控制系统的较佳实施例中从站的结构示意图；
本发明的基于CANopen协议的分布式控制系统，包括主站和从站。每一所述从站包括从站控制模块1和接口拓展模块2，且所述接口拓展模块2通过一根SPI总线连接到多个分布式IO模块3，每个分布式IO模块3具有多个与现场设备连接的IO口，各从站的从站控制模块1通过CAN总线串联且串联后的整体通过该CAN总线与所述主站连接。
所述接口拓展模块2，用于对各个分布式IO模块3采集的设备信息分别进行数据处理和地址解析，根据各个设备信息的地址信息，将所有的设备信息按照设定的时序(例如按照IO口的顺序依次发送)依次发送至从站控制模块1；所述从站控制模块1，用于依次采集所述设备信息，并将采集到的所有设备信息封装后发送到所述主站，以及接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息进行处理后按照设定的时序依次发送至所述接口拓展模块2；所述接口拓展模块2还用于将接收到的控制信息重新编址后分别发送至对应的分布式IO模块3，以控制对应的现场设备动作。
其中，所述从站控制模块1包括：从站接口单元11、协议转换单元12、现场设备控制单元13；
从站接口单元11，用于接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息发送到所述协议转换单元12；协议转换单元12，用于接收所述从站接口单元11发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出；现场设备控制单元13，用于接收协议转换后的控制信息，并对该控制信息进行识别和分类后按照设定的时序依次输出至所述接口拓展模块2，以及依次接收所述接口拓展模块2按照设定的时序发送的各个设备信息，并将各个设备信息进行处理后发送到所述协议转换单元12；所述协议转换单元12还用于对多个设备信息进行封装以及协议转换后输出到所述从站接口单元11；所述从站接口单元11还用于接收封装后的多个设备信息，并将其发送到所述主站。
其中，所述接口拓展模块2包括：动态存储单元21、核心处理单元22、逻辑接口单元23，所述动态存储单元21具有多个存储子单元，所述多个存储子单元与所述多个分布式IO模块3的多个IO口一一对应；
所述动态存储单元21，用于将接收到的控制信息写入到对应的存储子单元中；所述核心处理单元22，用于将各存储子单元存储的控制信息分别进行数据处理和重新编址后发送至所述逻辑接口单元23；所述逻辑接口单元23，用于将重新编址后的各个控制信息通过SPI总线发送至对应的分布式IO模块3，以及接收来自SPI总线的设备信息并将该设备信息发送至核心处理单元22；所述核心处理单元22还用于对接收的各个设备信息进行数据处理和地址解析后发送至动态存储单元21；所述动态存储单元21还用于根据所述核心处理单元22的地址解析结果将接收的各个设备信息写入对应的存储子单元中，并将各个存储子单元的设备信息按照设定的时序依次发送至从站控制模块1。
其中，所述分布式IO模块3包括：用于与至少一个现场设备连接的IO接口31、用于防止信号干扰的光耦隔离模块32、以及数据转换模块33，每个IO接口31具有所述多个IO口；
所述数据转换模块33用于将IO接口31发送的各个现场设备的设备信息进行数据转换和编址后发送至SPI总线，以及从所述SPI总线获取与自身的地址信息对应的控制信息，将该控制信息进行数据转换和地址解析后通过所述IO接口31发送至对应的现场设备，以控制对应的现场设备动作。
假如每个分布式IO模块3中IO接口31所具备的该多个IO口的数量具体为m个(m为大于1的整数)，现有技术中是直接将一个分布式IO模块3连接到从站控制模块1，因此可以与现场设备连接的IO口的数量固定为m个，本申请中，可以将分布式IO模块3的数量拓展为n个(n为大于1的整数)，则每个从站可以与现场设备连接的IO口的数量为m*n个，与现有技术中每个从站只能提供m个IO口相比，本发明大大提升单个从站的IO扩展能力，减小了系统的整体规模结构，降低了系统的成本，关键是，这种IO口的拓展方式可够按照需要增加拓展分布式IO模块3的数量，拓展相当灵活。
需要明确的是，本发明中所指的设备信息为各个IO口所采集的信息，一个现场设备的完整的设备信息是多个IO口的设备信息的总和，因为每个设备的IO口数量不定，每个现场设备所对应的具体IO口在现场设备控制单元13处被解析，因此，现场设备控制单元13在进行控制信息的处理分析时，会将一个现场设备的完整的控制信息分成多个以分别发送至对应的IO口，同样的，在对来自各个IO口的设备信息进行处理分析时，会将多个IO口的设备信息进行整合，得到某个现场设备的完整的设备信息。
下面结合部分具体的电路，详细阐述本发明的工作原理。
为便于理解，图中对各个模块的电路进行了简化，仅显示与具体的地址以及数据相关的引脚连接。
首先，结合图3和图4，阐述从站控制模块1与接口拓展模块2的信息交互过程。
较佳实施例中，所述从站控制模块1采用了集成有所述协议转换单元12和现场设备控制单元13的微处理器U1，微处理器U1的型号为STM32F103VC，所述接口拓展模块2采用集成有所述动态存储单元21、核心处理单元22、逻辑接口单元23的可编程逻辑芯片U2，例如本实施例中采用的型号为EP4CE10F1717N的CPLD，当然也可以用FPGA替代。
微处理器U1作为从站的核心处理器，一方面将总线接收到的主站CANopen协议栈数据转换后发给CPLD/FPGA，另一方面将CPLD/FPGA接收到的分布式IO模块3的数据转换为CANopen协议帧由CAN发送给主站，这样便实现主站与从站之间的IO数据刷新，关于微处理器U1与主站之间的数据交互为现有技术，此处不再赘述，下面主要阐述微处理器U1与可编程逻辑芯片U2之间的数据交互。
因为可编程逻辑芯片可将内部RAM资源配置成DPRAM(此即为图2中提到的动态存储单元21)，用于数据交互，交互方式为FSMC，FSMC的交互方式方便进行不同类型大容量静态存储器的扩展，例如本发明中，DPRAM包括多个存储子单元，可以根据分布式IO模块3的数量控制多个存储子单元的动态拓展，以适应本发明中IO接口31的拓展，每增加一个分布式IO模块3，则存储子单元相应的增加m个，m表示分布式IO模块3的IO口的数量，且为大于1的整数。
可编程逻辑芯片U2的软核即为所述核心处理单元22，DPRAM作为软核与微处理器U1之间命令和数据交互通道，硬件电路如图3和图4，微处理器U1和可编程逻辑芯片U2之间由数据地址复用线AD0-AD15和地址线FSMC_A16、FSMC_A17、FSMC_A18进行连接。
微处理器U1与可编程逻辑芯片U2在进行数据交互时，将每个IO口的控制信息依次按照时序发送，例如，对于第一个分布式IO模块3的第1个IO口的控制信息，其下发过程为：首先由数据地址复用线AD0-AD15和地址线FSMC_A16、FSMC_A17、FSMC_A18共同发送地址信号，指定对应于该IO口的存储子单元，然后将该控制信息经过数据地址复用线AD0-AD15发送至该指定的存储子单元，发送完后，再依照该方式将下一个IO口的控制信息的发送至对应的地址信号确定的存储子单元，以此类推。同理，存储到对应的存储子单元的各个IO口的设备信息的也是按照该方式进行上传。
控制信息发送到存储子单元后，可编程逻辑芯片U2的软核通过内部总线获取各个存储子单元的控制信息，分别对其进行数据处理和重新编址，然后经逻辑接口单元23、SPI总线发送至对应的分布式IO模块3。
下面结合图4和图5，阐述接口拓展模块2与数据转换模块33之间的信息交互过程。
图5中，数据转换模块33采用可编程逻辑芯片U3，例如本实施例中采用的型号为LCMX02-640HC的CPLD，当然也可以用FPGA替代。需要注意的是，图中省略了SPI总线作为中间连接件的示意图，仅仅示意出了可编程逻辑芯片U2与可编程逻辑芯片U3的连接示意图。
每个分布式IO模块3中都包括一个可编程逻辑芯片U3，所有的可编程逻辑芯片U3的对应引脚并联连接至可编程逻辑芯片U2的同一个引脚，例如每个如图5所示的可编程逻辑芯片U3与图4中的可编程逻辑芯片U2之间的连接引脚包括：数据总线DATA_B，时钟总线CLK_B，诊断总线ALARM_B，应答总线ACK_B，图中4和5中均省略了数据使能总线、状态总线、命令使能总线部分的连接。控制信息和设备信息的主要数据都是经过数据总线DATA_B发送的，在数据协议上，基于上述各总线，定义内部自定义的扩展协议，实现对外部扩展的分布式IO模块3的数据解析处理。
因为每个分布式IO模块3中的可编程逻辑芯片U3的地址是不同的，从可编程逻辑芯片U2通过SPI总线下发的各个控制信息都是重新编址的，所以每个可编程逻辑芯片U3只需要从SPI总线获取与自身地址信息相同的控制信息即可。同样的，每个来自可编程逻辑芯片U3的设备信息经SPI总线上传至可编程逻辑芯片U2的逻辑接口单元23后发送至可编程逻辑芯片U2的软核，软核完成自定义的SPI数据地址总线协议的解析处理，将各个设备信息进行数据处理和地址解析，然后通过内部总线发送至对应的存储子单元，各个存储子单元再通过上述的FSMC方式发送为微处理器U1。
由于各个可编程逻辑芯片U3是并列后连接至可编程逻辑芯片U2的同一个端口，因此如果需要继续拓展IO口数量，可以直接增加可编程逻辑芯片U3的并联数量，该并联方式不会占用可编程逻辑芯片U2的端口，不仅可以大幅增加IO口数量，而且灵活性高，可以根据情况自由拓展。
可编程逻辑芯片U3将接收的控制信息进行处理分析后需要发送至对应的IO口，可编程逻辑芯片U3还需要收集其所在的分布式IO模块3的各个IO口的设备信息，下面结合图5-图7，阐述数据转换模块33与现场设备之间的信息交互过程。
参考图5-图7，图7中的接口J1即为图2中的IO接口31，接口J1包括多个IO口X0-X14，参考图7，X0-X14分别连接现场设备的不同的IO口，参考图6，光耦隔离模块32包括与该接口J1连接的若干个光耦隔离器U4，光耦隔离器U4的数量与接口J1中的IO口X0-X14的数量对应,本实施例中光耦隔离器U4的型号为HCPL-354-00AE。
图7中X0-X14中的每一路设备信息分别经过一个如图6所示的光耦隔离器构成的隔离电路后连接至图5的可编程逻辑芯片U3的对应的数据引脚CPLD_IN0-CPLD_IN14，图6中仅仅示出了X0路所对应的设备信息的隔离实现，其他各路设备信息与此相同。可编程逻辑芯片U3将引脚CPLD_IN0-CPLD_IN14接收的14路设备信息分别进行数据转换和编址后发送至SPI总线。同样的，SPI总线中的控制信息在可编程逻辑芯片U3进行数据转换和地址解析后通过接口J1发送至现场设备，以控制对应的现场设备动作。
需要明确的是，上述所涉及到的所有的元器件的型号及其引脚连接只是一个范例，也可以用可以实现类似功能的产品或引脚代替，此处并不做限制。
综上所述，本发明的基于CANopen协议的分布式控制系统，每个从站包括接口拓展模块，因为接口拓展模块可以对设备信息进行地址解析以及对控制信息重新编址，因此可以通过一根SPI总线连接多个分布式IO模块，因为每个分布式IO模块的IO口是固定的，与现有技术中一个从站只能连接一个分布式IO模块相比，本发明可以根据需要在SPI总线上增加分布式IO模块的数量以实现IO口的按需拓展，本发明不仅仅可以大大提升单个从站的IO口扩展能力，减小了系统的整体规模结构，降低了系统的成本，而且拓展IO口的方式相当灵活，可以根据需要进行灵活拓展。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于CANopen协议的分布式控制系统，包括主站和从站，其特征在于，每一所述从站包括从站控制模块(1)和接口拓展模块(2)，且所述接口拓展模块(2)通过SPI总线连接到多个分布式IO模块(3)，每个分布式IO模块(3)具有与现场设备连接的多个IO口；
所述接口拓展模块(2)，用于将各个分布式IO模块(3)采集的设备信息分别进行数据处理和地址解析，并根据各个设备信息的地址信息，将所有的设备信息按照设定的时序依次发送至从站控制模块(1)；
所述从站控制模块(1)，用于依次采集所述设备信息，并将采集到的所有设备信息封装后发送到所述主站，以及接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息进行处理后按照设定的时序依次发送至所述接口拓展模块(2)；
所述接口拓展模块(2)还用于将接收到的控制信息重新编址后分别发送至对应的分布式IO模块(3)，以控制对应的现场设备动作。
2.根据权利要求1所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述接口拓展模块(2)包括：动态存储单元(21)、核心处理单元(22)、逻辑接口单元(23)，所述动态存储单元(21)具有多个存储子单元，所述多个存储子单元与所述多个分布式IO模块(3)的多个IO口一一对应；
所述动态存储单元(21)，用于将接收到的控制信息写入到对应的存储子单元中；
所述核心处理单元(22)，用于将各存储子单元存储的控制信息分别进行数据处理和重新编址后发送至所述逻辑接口单元(23)；
所述逻辑接口单元(23)，用于将重新编址后的各个控制信息通过SPI总线发送至对应的分布式IO模块(3)，以及接收来自SPI总线的设备信息并将该设备信息发送至核心处理单元(22)；
所述核心处理单元(22)还用于对接收的各个设备信息进行数据处理和地址解析后发送至动态存储单元(21)；
所述动态存储单元(21)还用于根据所述核心处理单元(22)的地址解析结果将接收的各个设备信息写入对应的存储子单元中，并将各个存储子单元的设备信息按照设定的时序依次发送至从站控制模块(1)。
3.根据权利要求2所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述接口拓展模块(2)采用集成有所述动态存储单元(21)、核心处理单元(22)、逻辑接口单元(23)的可编程逻辑芯片。
4.根据权利要求1所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述分布式IO模块(3)包括：用于与多个现场设备连接的IO接口(31)、用于防止信号干扰的光耦隔离模块(32)、数据转换模块(33)，每个IO接口(31)具有所述多个IO口；
所述数据转换模块(33)用于将IO接口(31)发送的各个现场设备的设备信息进行数据转换和编址后发送至SPI总线，以及从所述SPI总线获取与自身的地址信息对应的控制信息，将该控制信息进行数据转换和地址解析后通过所述IO接口(31)发送至对应的现场设备，以控制对应的现场设备动作。
5.根据权利要求4所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述数据转换模块(33)采用可编程逻辑芯片。
6.根据权利要求1所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述从站控制模块(1)包括：从站接口单元(11)、协议转换单元(12)、现场设备控制单元(13)；
从站接口单元(11)，用于接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息发送到所述协议转换单元(12)；
协议转换单元(12)，用于接收所述从站接口单元(11)发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出；
现场设备控制单元(13)，用于接收协议转换后的控制信息，并对该控制信息进行识别和分类后按照设定的时序依次输出至所述接口拓展模块(2)，以及依次接收所述接口拓展模块(2)按照设定的时序发送的各个设备信息，并将各个设备信息进行处理后发送到所述协议转换单元(12)；
所述协议转换单元(12)还用于对多个设备信息进行封装以及协议转换后输出到所述从站接口单元(11)；
所述从站接口单元(11)还用于接收封装后的多个设备信息，并将封装后的多个设备信息发送到所述主站。
7.根据权利要求6所述的基于CANopen协议的分布式控制系统，其特征在于，所述从站控制模块(1)包括集成有所述协议转换单元(12)和现场设备控制单元(13)的微处理器。
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