CN105743927A - 一种CANopen与DP协议数据转换器及转换方法 - Google Patents

一种CANopen与DP协议数据转换器及转换方法 Download PDF

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Abstract

一种CANopen与DP协议数据转换器，包括电源管理系统、CAN接口、Profibus?DP数据接口，还包括主控处理器、Profibus?DP协议接口芯片、DP物理层隔离芯片、晶振、CAN总线隔离模块；其中，所述主控处理器、DP物理层隔离芯片均与Profibus?DP协议接口芯片数据连接，CAN总线隔离模块与主控处理器数据连接，DP物理层隔离芯片与Profibus?DP数据接口数据连接，CAN总线隔离模块与CAN接口电路数据连接；所述晶振的信号输出端与Profibus?DP协议接口芯片控制连接。本发明还公开了一种CANopen与DP协议数据转换方法。本发明解决了CANopen设备与Profibus?DP设备之间的互联，实现了不同通信网络之间的数据交换。

Description

一种 CANopen 与 DP 协议数据转换器及转换方法
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种通信数据交换设备，具体涉及一种CANopen与DP 协议数据转换器及转换方法。
背景技术
CAN总线因其高实时性，被广泛用于汽车领域。CANopen是CAN总线的高层协议，是运行于CAN总线之上的应用层协议，因其实时性较高，被广泛应用于运动控制领域，采用CANopen协议的伺服驱动器具有响应快、延时低、精度高的特性。Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线，Profibus –DP（本发明中简称DP协议）协议用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用，
然而现主流的PLC控制器带CANopen接口的较少，大多数控制器无法接入CANopen网络，因此需要将常用Profibus-DP等协议与CANopen协议实现转换，从而实现CANopen设备与其他不同总线系统之间的互联。
发明内容
为实现将现有的CANopen设备与其他不同总线系统之间的互联，本发明公开了一种CANopen与DP 协议数据转换器及转换方法。
本发明所述一种CANopen与DP 协议数据转换器，包括电源管理系统、CAN 接口、Profibus-DP数据接口，其特征在于，还包括主控处理器、Profibus-DP协议接口芯片、DP物理层隔离芯片、晶振、CAN总线隔离模块；
其中，所述主控处理器、DP物理层隔离芯片均与Profibus-DP协议接口芯片数据连接，CAN总线隔离模块与主控处理器数据连接，DP物理层隔离芯片与Profibus-DP数据接口数据连接，CAN总线隔离模块与CAN接口电路数据连接；所述晶振的信号输出端与Profibus-DP协议接口芯片控制连接。
优选的，还包括与所述主控处理器控制连接的DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED。
优选的，所述主控处理器为嵌入式ARM处理器,所述DP物理层隔离芯片为ADM2486，所述CAN总线隔离模块为CTM1051，所述主控处理器为STM32F103RBT6，所述Profibus-DP协议接口芯片为VPC3+C，所述主控处理器与DP物理层隔离芯片通过12位地址总线和8位数据总线实现通信。
进一步的，所述嵌入式ARM处理器还连接有拨码开关、调试接口和指示模块。
优选的，所述电源管理系统还包括电源保护模块，所述电源保护模块包括过流保护电路、过压保护电路及反接保护电路。
本发明还公开了一种CANopen与DP 协议数据转换方法，包括从CANopen到Profibus-DP的第一数据转换过程及从Profibus-DP到CANopen的第二数据转换过程；
其特征在于，所述第一数据转换过程包括CANopen中断处理任务及DP数据输入任务，所述CANopen中断处理任务对CAN 接口输入的数据进行判断处理，并将数据发送至DP数据输入任务，所述DP数据输入任务将接收数据处理后通过Profibus-DP数据接口转发到DP网络中；
所述第二数据转换过程包括DP中断处理任务及CANopen数据输出任务，所述DP中断处理任务对Profibus-DP数据接口的输出数据进行判断处理，并将数据转发给CANopen数据输出任务，所述CANopen数据输出任务将DP中断处理任务中接收到的数据进行处理后通过CAN接口转发到CANopen网络中；
所述CANopen中断处理任务及DP中断处理任务均以中断信号的发出作为任务起始事件。
优选的，所述第一数据处理过程具体包括如下步骤：
S11.等待从CAN数据接口输入数据，判断 CAN数据接口输入数据是否为远程帧，是则进入步骤S14.否则进入步骤S12；
S12.判断CAN数据接口输入数据是否为节点保护帧，是则刷新CANopen从站状态列表后返回步骤S11，否则进入步骤S13；
S13.判断CAN数据接口输入数据是否为DP输入数据，是则进入步骤S15,否则返回步骤S11；
S14.先后进行远程帧数据解析、设置响应数据报文，并将响应报文发送到CANopen网络中；
S15.先后判断输入数据是否为过程数据、配置数据或状态数据，如为过程数据，则提取并处理过程数据后将过程数据写入Profibus-DP协议接口芯片；如为配置数据，则根据配置数据修改CANopen从站参数，如为状态数据，则将状态数据发送至状态处理任务,所述状态数据包括表征Profibus-DP网络运行状态的DP控制字节、表征CANopen网络正常运行的CAN-RUN字节及表征CANopen网络运行故障的CAN-ERR字节；各类型数据处理完成后返回本步骤初始状态。
进一步的，所述状态处理任务为以LED工作状态为对象的LED控制任务，所述LED控制任务为：依次扫描DP控制字节、CAN-RUN字节及CAN-ERR字节，分别调整DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED的开关状态。
优选的，所述第二数据处理过程具体包括如下步骤：
S21.等待从Profibus-DP数据接口输入数据，判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为参数化报文，是则进入步骤S25.否则进入步骤S22；
S22.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为组态报文，是则检测组态报文和参数化报文匹配状况后返回步骤S21，否则进入步骤S23；
S23.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为诊断报文，是则将诊断报文写入Profibus-DP协议接口芯片后返回步骤S21,否则进入步骤S24；
S24. 判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为数据交换报文，是则进入步骤S26,否则返回步骤S21；
S25.提取参数化报文数据，根据参数化报文数据配置CANopen网络参数，初始化CANopen网络设备；完成后返回步骤S21；
S26.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为TPDO数据，是则进入步骤S28,否则进入步骤S27；
S27.先后判断输入数据是否为SDO数据、NMT数据、HEARTBEAT数据；如为SDO数据则处理后返回步骤S26,如为NMT数据则处理后返回步骤S26,如为HEARTBEAT数据则将数据包发送后返回步骤S26；
S28.提取并处理TPDO数据，处理后通过CAN数据接口发送至主控处理器。
优选的，所述DP中断处理任务中的中断信号由Profibus-DP协议接口芯片发出。
采用本发明所述CANopen与DP 协议数据转换器及转换方法，解决了CANopen设备与Profibus-DP设备之间的互联，实现了不同通信网络之间的数据交换，无需独立的通信模块，降低了成本；本发明进一步减少了数据转换中转环节和数据转换成本，拓展了CANopen设备及Profibus-DP设备各自的应用领域，为通信数据的不同网络间传输提供了新的解决方案。
附图说明
图1为本发明所述CANopen与DP 协议数据转换器的一种具体实施方式示意图；
图2为本发明所述DP数据输入任务的一种具体实施方式流程示意图；
图3为本发明所述CANopen数据输出任务的一种具体实施方式流程示意图；
图4为本发明所述DP中断处理任务的一种具体实施方式流程示意图；
图5为本发明所述CANopen中断处理任务的一种具体实施方式流程示意图；
图6为本发明所述LED控制任务的一种具体实施方式流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述CANopen与DP 协议数据转换器，包括电源管理系统、CAN 接口、Profibus-DP数据接口，还包括主控处理器、Profibus-DP协议接口芯片、DP物理层隔离芯片、晶振、CAN总线隔离模块。
其中，所述主控处理器、DP物理层隔离芯片均与Profibus-DP协议接口芯片数据连接，CAN总线隔离模块与主控处理器数据连接，DP物理层隔离芯片与Profibus-DP数据接口数据连接，CAN总线隔离模块与CAN接口电路数据连接；所述晶振的信号输出端与Profibus-DP协议接口芯片控制连接。
CAN 接口与Profibus-DP数据接口分别作为CANopen和Profibus-DP协议的数据接口，Profibus-DP协议接口芯片与CAN总线隔离模块的作用为隔离外界干扰信号，只选择符合Profibus-DP协议或CANopen协议格式的通信信号进出，由于Profibus-DP协议需要与主控芯片不同的时钟信号，因此设置晶振为Profibus-DP协议提供独立的时钟信号。
如图1所示给出数据转换器的一种具体实施方式，包括作为主控芯片的嵌入式ARM处理器，为32位处理器，该处理器采用STM32F103RBT6作为主控芯片，CAN总线隔离模块为内置通信模块的CTM1051，Profibus-DP协议接口芯片为VPC3+C，DP物理层隔离芯片为ADM2486，STM32F103RBT6与DP物理层隔离芯片通过12位地址总线和8位数据总线实现通信，Profibus-DP数据接口选择常用的DBP9接口，DP物理层隔离芯片从DBP9接口接收到数据后，采用中断的方式通知STM32F103RBT6处理，STM32F103RBT6将数据处理过后转发到CTM1051中的通信模块。当STM32F103RBT6接收到CTM1051传输的数据后，经过内置软件处理后转发到DP物理层隔离芯片中，从而实现CANopen网络和Profibus-DP网络之间的数据交换。
在本实施例中，还包括用于驱动该转换器的电源模块，所述电源模块包括通信模块隔离电源，网络芯片线性电源，主控芯片线性电源，高压隔离电源模块。其中，所述通信模块隔离电源与DP物理层隔离芯片电性连接，所述网络芯片线性电源与Profibus-DP协议接口芯片电性连接，所述主控芯片线性电源与嵌入式ARM处理器电性连接。
在本实施例中，所述电源模块选用的是5V和3.3V电源作为的主电源。其中，嵌入式ARM处理器、Profibus-DP协议接口芯片采用3.3V电源供电，DP物理层隔离芯片、CAN总线隔离模块采用5V电源供电，隔离电压高达3000V，可使电源输入和其他电路始终处于电压隔离状态。
在本实施例中，还包括电源保护模块，所述电源模块还连接有电源保护模块，所述电源保护模块包括过流保护电路、过压保护电路、反接保护电路。
在本实施例中，所述嵌入式ARM处理器还连接有拨码开关、调试接口和指示模块，其中拨码开关用于设置本地DP数据站的地址，调试接口用于初始的软件参数调试，指示模块的作用为以可直观显示的方式指示系统工作状态，可以为显示器或LED灯阵列。
可以优选设置LED灯阵列作为数据转换器的工作状态指示模块，例如可以设置DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED，这些LED分别对应状态数据中表征Profibus-DP网络运行状态的DP控制字节、表征CANopen网络正常运行的CAN-RUN字节及表征CANopen网络运行故障的CAN-ERR字节。将以上各个LED与主控处理器控制连接，通过LED的亮灭状态显示不同的工作状态，方便用户直观判断。图6
本发明所述CANopen与DP 协议数据转换器的有益效果在于：
1、解决了CANopen设备与Profibus-DP设备之间的互联，实现不同网络之间的数据交换，无需独立的通信模块，降低了成本；
2、采用通信模块隔离电源为DP物理层隔离驱动芯片提供5V电压，保证了DP总线工作的独立性，减少了设备电源对总线的干扰；
3、Profibus-DP协议接口芯片采用采用独立的48M有源晶振，使系统更加稳定可靠；
4、由过流保护、过压保护、反接保护组成的电源保护模块，可以为电源模块提供保护保障，确保系统运行稳定，异常情况下不会造成损害；
5、嵌入式ARM处理器和Profibus-DP协议接口芯片之间通过12位地址总线和8位数据总线实现通信，数据传输速度快。
利用上述硬件系统经过嵌入式设计后，通过软件程序可以对CANopen与DP 协议数据进行双向交换，可以有多种软件架构实现数据功能，本发明公开了一种利用以上硬件设备实现的CANopen与DP 协议数据转换方法。
本发明所述数据转换方法包括从CANopen到Profibus-DP的第一数据转换过程及从Profibus-DP到CANopen的第二数据转换过程；
其中，所述第一数据转换过程包括CANopen中断处理任务及DP数据输入任务，所述CANopen中断处理任务对CAN 接口输入的数据进行判断处理，并将数据发送至DP数据输入任务，所述DP数据输入任务将接收数据处理后通过Profibus-DP数据接口转发到DP网络中；
所述第二数据转换过程包括DP中断处理任务及CANopen数据输出任务，所述DP中断处理任务对Profibus-DP数据接口的输出数据进行判断处理，并将数据转发给CANopen数据输出任务，所述CANopen数据输出任务将DP中断处理任务中接收到的数据进行处理后通过CAN接口转发到CANopen网络中。
将每一数据转换过程分割为两个任务实现，便于软件编程及后期维护升级，可以对数据包进行中期检测，更加利于对软件运行过程进行监测和管理。
所述CANopen中断处理任务及DP中断处理任务均以中断信号的发出作为任务起始事件。
采用中断信号作为任务起始事件可以有效杜绝误操作，抗干扰能力强，提高系统运行效率。DP中断处理任务中的中断信号由Profibus-DP协议接口芯片发出，以提高DP中断处理任务的即时性和有效性，减少错误信号几率及简化延时设计。
本发明给出所述第一数据处理过程的一种具体实施方式，包括如下步骤：
S11.等待从CAN数据接口输入数据，判断 CAN数据接口输入数据是否为远程帧，是则进入步骤S14.否则进入步骤S12；
S12.判断CAN数据接口输入数据是否为节点保护帧，是则刷新CANopen从站状态列表后返回步骤S11，否则进入步骤S13；
S13.判断CAN数据接口输入数据是否为DP输入数据，是则进入步骤S15,否则返回步骤S11；
S14.先后进行远程帧数据解析、设置响应数据报文，并将响应报文发送到CANopen网络中；
S15.先后判断输入数据是否为过程数据、配置数据或状态数据，如为过程数据，则提取并处理过程数据后将过程数据写入Profibus-DP协议接口芯片；如为配置数据，则根据配置数据修改CANopen从站参数，如为状态数据，则将状态数据发送至状态处理任务,所述状态数据包括表征Profibus-DP网络运行状态的DP控制字节、表征CANopen网络正常运行的CAN-RUN字节及表征CANopen网络运行故障的CAN-ERR字节；各类型数据处理完成后返回本步骤初始状态。
以上步骤中，步骤S11-S14为CANopen中断处理任务，如图5所示。步骤S15为DP数据输入任务，如图2所示。
以上第一数据处理过程中，步骤S15中的所述状态处理任务为描述系统工作状态的工作任务，可以优选设计为以LED工作状态为对象的LED控制任务，所述LED控制任务为：依次扫描数据中的DP控制字节、CAN-RUN字节及CAN-ERR字节，分别调整DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED的开关状态。从而方便使用者快捷直观的判断系统重要的工作状态。在图6所示的具体实施方式中，在LED控制任务的初始，以内置的定时器设置每个时钟周期加1作为一个扫描周期，以方便时序控制及任务管理。
本发明给出所述第二数据处理过程的一种具体实施方式，包括如下步骤：
S21.等待从Profibus-DP数据接口输入数据，判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为参数化报文，是则进入步骤S25.否则进入步骤S22；
S22.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为组态报文，是则检测组态报文和参数化报文匹配状况后返回步骤S21，否则进入步骤S23；
S23.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为诊断报文，是则将诊断报文写入Profibus-DP协议接口芯片后返回步骤S21,否则进入步骤S24；
S24. 判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为数据交换报文，是则进入步骤S26,否则返回步骤S21；
S25.提取参数化报文数据，根据参数化报文数据配置CANopen网络参数，初始化CANopen网络设备；完成后返回步骤S21；
S26.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为TPDO数据，是则进入步骤S28,否则进入步骤S27；
S27.先后判断输入数据是否为SDO数据、NMT数据、HEARTBEAT数据；如为SDO数据则处理后返回步骤S26,如为NMT数据则处理后返回步骤S26,如为HEARTBEAT数据则将数据包发送后返回步骤S26；
S28.提取并处理TPDO数据，处理后通过CAN数据接口发送至CAN控制器。
CAN控制器为通过软件设置在主控处理器中的一个专用控制器。在数据处理流程中，主控处理器先把CAN数据发送到其内部的CAN控制器，CAN控制器再把数据发送到CAN总线隔离模块，CAN总线隔离模块再将数据发送到CANopen网络中；以上过程实际上等价于主控处理器直接将数据通过CAN总线隔离模块发送到CANopen网络中。
以上步骤中，步骤S11-S14为DP中断处理任务，如图4所示。步骤S15为CANopen数据输出任务，如图3所示。
采用本发明所述CANopen与DP 协议数据转换器及转换方法，解决了CANopen设备与Profibus-DP设备之间的互联，实现了不同通信网络之间的数据交换，无需独立的通信模块，降低了成本；本发明进一步减少了数据转换中转环节和数据转换成本，拓展了CANopen设备及Profibus-DP设备各自的应用领域，为通信数据的不同网络间传输提供了新的解决方案。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种CANopen与DP 协议数据转换器，包括电源管理系统、CAN 接口、Profibus-DP数据接口，其特征在于，还包括主控处理器、Profibus-DP协议接口芯片、DP物理层隔离芯片、晶振、CAN总线隔离模块；
其中，所述主控处理器、DP物理层隔离芯片均与Profibus-DP协议接口芯片数据连接，CAN总线隔离模块与主控处理器数据连接，DP物理层隔离芯片与Profibus-DP数据接口数据连接，CAN总线隔离模块与CAN接口电路数据连接；所述晶振的信号输出端与Profibus-DP协议接口芯片控制连接。
2.如权利要求1所述的CANopen与DP 协议数据转换器，其特征在于，还包括与所述主控处理器控制连接的DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED。
3.如权利要求1所述的CANopen与DP 协议数据转换器，其特征在于，所述主控处理器为嵌入式ARM处理器,所述DP物理层隔离芯片为ADM2486，所述CAN总线隔离模块为CTM1051，所述主控处理器为STM32F103RBT6，所述Profibus-DP协议接口芯片为VPC3+C，所述主控处理器与DP物理层隔离芯片通过12位地址总线和8位数据总线实现通信。
4.如权利要求3所述的CANopen与DP 协议数据转换器，其特征在于，所述嵌入式ARM处理器还连接有拨码开关、调试接口和指示模块。
5.如权利要求1所述的CANopen与DP 协议数据转换器，其特征在于，所述电源管理系统还包括电源保护模块，所述电源保护模块包括过流保护电路、过压保护电路及反接保护电路。
6.一种CANopen与DP 协议数据转换方法，包括从CANopen到Profibus-DP的第一数据转换过程及从Profibus-DP到CANopen的第二数据转换过程；
其特征在于，所述第一数据转换过程包括CANopen中断处理任务及DP数据输入任务，所述CANopen中断处理任务对CAN 接口输入的数据进行判断处理，并将数据发送至DP数据输入任务，所述DP数据输入任务将接收数据处理后通过Profibus-DP数据接口转发到DP网络中；
所述第二数据转换过程包括DP中断处理任务及CANopen数据输出任务，所述DP中断处理任务对Profibus-DP数据接口的输出数据进行判断处理，并将数据转发给CANopen数据输出任务，所述CANopen数据输出任务将DP中断处理任务中接收到的数据进行处理后通过CAN接口转发到CANopen网络中；
所述CANopen中断处理任务及DP中断处理任务均以中断信号的发出作为任务起始事件。
7.如权利要求6所述的CANopen与DP 协议数据转换方法，其特征在于所述第一数据处理过程具体包括如下步骤：
S11.等待从CAN数据接口输入数据，判断 CAN数据接口输入数据是否为远程帧，是则进入步骤S14.否则进入步骤S12；
S12.判断CAN数据接口输入数据是否为节点保护帧，是则刷新CANopen从站状态列表后返回步骤S11，否则进入步骤S13；
S13.判断CAN数据接口输入数据是否为DP输入数据，是则进入步骤S15,否则返回步骤S11；
S14.先后进行远程帧数据解析、设置响应数据报文，并将响应报文发送到CANopen网络中；
S15.先后判断输入数据是否为过程数据、配置数据或状态数据，如为过程数据，则提取并处理过程数据后将过程数据写入Profibus-DP协议接口芯片；如为配置数据，则根据配置数据修改CANopen从站参数，如为状态数据，则将状态数据发送至状态处理任务,所述状态数据包括表征Profibus-DP网络运行状态的DP控制字节、表征CANopen网络正常运行的CAN-RUN字节及表征CANopen网络运行故障的CAN-ERR字节；各类型数据处理完成后返回本步骤初始状态。
8.如权利要求7所述的CANopen与DP 协议数据转换方法，其特征在于，所述状态处理任务为以LED工作状态为对象的LED控制任务，所述LED控制任务为：依次扫描DP控制字节、CAN-RUN字节及CAN-ERR字节，分别调整DP状态LED、CAN-RUN状态LED及CAN-ERR状态LED的开关状态。
9.如权利要求6所述的CANopen与DP 协议数据转换方法，其特征在于所述第二数据处理过程具体包括如下步骤：
S21.等待从Profibus-DP数据接口输入数据，判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为参数化报文，是则进入步骤S25.否则进入步骤S22；
S22.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为组态报文，是则检测组态报文和参数化报文匹配状况后返回步骤S21，否则进入步骤S23；
S23.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为诊断报文，是则将诊断报文写入Profibus-DP协议接口芯片后返回步骤S21,否则进入步骤S24；
S24. 判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为数据交换报文，是则进入步骤S26,否则返回步骤S21；
S25.提取参数化报文数据，根据参数化报文数据配置CANopen网络参数，初始化CANopen网络设备；完成后返回步骤S21；
S26.判断Profibus-DP数据接口输入数据是否为TPDO数据，是则进入步骤S28,否则进入步骤S27；
S27.先后判断输入数据是否为SDO数据、NMT数据、HEARTBEAT数据；如为SDO数据则处理后返回步骤S26,如为NMT数据则处理后返回步骤S26,如为HEARTBEAT数据则将数据包发送后返回步骤S26；
S28.提取并处理TPDO数据，处理后通过CAN数据接口发送至主控处理器。
10.如权利要求6所述的CANopen与DP 协议数据转换方法，其特征在于，所述DP中断处理任务中的中断信号由Profibus-DP协议接口芯片发出。
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