基于CANopen协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计.pdf
《基于CANopen协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于CANopen协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 控制技术 收稿日期:;修回日期:.作者简介:卢绍庆(),男,云南昆明人,大学本科,高级工程师,主要从事水下航行器自动控制技术及仿真技术方向的研究.引用格式:卢绍庆基于C AN o p e n协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计J计算机测量与控制,():文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A基于C A N o p e n协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计卢绍庆(中国船舶集团有限公司 昆明船舶设备研究试验中心,
2、昆明 )摘要:针对某高速水下航行器控制系统数据交换实时性需求,结合当前采用的“自定义C AN高层协议”存在的问题,为了解决系统稳定性,降低人为干扰因素,提高可靠性及后续网络扩展,分析了C AN现场总线技术及特点,提出一种基于C AN o p e n标准高层协议的水下航行器控制系统网络架构,研究了控制系统网络结构及特点,描述了主要网络节点的功能及任务,建立了C AN o p e n通信模型,制订了C AN o p e n高层通讯协议,在项目研制中应用实践,开展了系统性对比测试,实施了全航行器、满负荷水下实航试验;结果表明C AN o p e n控制网络运行快捷、稳定可靠,数据交换流畅,网络负载率
3、仅为 ,明显优于国际现场总线网络协会要求,适合推广应用至UUV等多种水下航行器系统.关键词:水下航行器;现场总线;协议;C AN o p e nA p p l i c a t i o nD e s i g no fF i e l dB u s i nU n d e r w a t e rV e h i c l eC o n t r o lS y s t e mB a s e do nC A N o p e nP r o t o c o lL US h a o q i n g(C h i n aS h i p b u i l d i n gC o r p o r a t i o nE q u i
4、 p m e n tR e s e a r c ha n dT e s tC e n t e r,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h er e a l t i m ed a t ae x c h a n g er e q u i r e m e n t so fah i g h s p e e du n d e r w a t e rv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m,a n dc o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m s e x i
5、 s t i n g i n t h e c u r r e n t u s e r d e f i n e dC A Nh i g h l e v e l p r o t o c o l,i no r d e r t o s o l v e t h e s y s t e ms t a b i l i t y,r e d u c e h u m a n i n t e r f e r e n c e f a c t o r s,a n d i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t ya n ds u b s e q u e n tn e t w o r
6、ke x p a n s i o n,t h e t e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fC A Nf i e l db u sa r ea n a l y z e d,an e t w o r ka r c h i t e c t u r e o f u n d e r w a t e r v e h i c l e c o n t r o l s y s t e mb a s e do n t h eC A N o p e ns t a n d a r dh i g h l e v e l p r o t o c o
7、l i s p r o p o s e d,T h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h e c o n t r o l s y s t e ma r e s t u d i e d,t h e f u n c t i o na n d t a s ko f t h em a i nn e t w o r kn o d e s a r e d e s c r i b e d,t h eC A N o p e n c o m m u n i c a t i o nm o d e l i s
8、 e s t a b l i s h e d,t h eC A N o p e nh i g h l e v e l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i s f o r m u l a t e d,t h e a p p l i c a t i o np r a c t i c e i n t h ep r o j e c t d e v e l o p m e n t i sc a r r i e do u t,t h e s y s t e m a t i c c o m p a r i s o n t e s t i s d e v e
9、l o p e d,a n d t h e f u l l l o a du n d e r w a t e r n a v i g a t i o n t e s t i s i m p l e m e n t e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eC A N o p e nc o n t r o l n e t w o r kr u n s f a s t,s t a b l ea n dr e l i a b l e,s m o o t hd a t a e x c h a n g e,a n d t h en e t w o r k l
10、 o a d r a t e i s o n l y ,I t i s o b v i o u s l y s u p e r i o r t o t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e I n t e r n a t i o n a lF i e l d b u sN e t w o r kA s s o c i a t i o n,a n d i t i s s u i t a b l e f o r p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n t ou n m a n n e du n d e r w a
11、 t e rv e h i c l e(UU V)a n do t h e ru n d e r w a t e rv e h i c l e s y s t e m s K e y w o r d s:u n d e r w a t e rv e h i c l e;f i e l db u s;p r o t o c o l;C AN o p e n引言无人水下潜航器(UUV)是一种无人操控的自主潜航器,可以在无人控制的状态下全天候、多航时地自主完成水下任务,成为在民用领域和军用领域中重要的海洋开发和安全保障的工具,在军事、水下探测、深海打捞救生和海洋科学调查等多学科均获得了广泛的应用.某
12、高速水下航行器主要由控制系统、载荷系统、动力推进系统、能源管理系统和相关地面保障调试设备组成,各系统之间有大量信息数据需要进行实时交换,在以往的技术方案中,一般使用多种规格的线缆将各系统、组件、部件、传感器、执行机构等联接起来,由控制系统进行集中统一控制,分系统间通过扩展串行通讯接口进行数据交换.由于各系统间缆线很多,给开发、调试、故障排查、产品生产、装配、工艺控制等多方面带来了较大麻烦,而且普通串行通讯普遍存在抗干扰能力弱、数据容量小、实时性差、网络故障后容易瘫痪等问题.为了提高整个系统的可靠性,降低大量线缆在生产调试时带来的工艺复杂性,减小信号间的串扰,提高系统间信息交换的实时性,在系统设
13、计中采用了C AN现场总线技术,构建一个数据交换控制网络,将各系统、组部件、地面保障调试设备作为总线网络中的通讯节点,使各节点均能实时获得其他网络节点的信息数据,并对信息做出快速响应,从而可以较好地解决上述问题.网络化航行器控制系统设计过程中,涉及到如何高效投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期卢绍庆:基于C AN o p e n协议的水下航行器控制系统现场总线应用设计 率、无差错地自动管理、调度、分配C AN网络数据,需要进行系统性地研究设计.根据I E C 中国际电工委员会的相关定义,现场总线是一种串行方式传输、多点通信的数字式数据总线,工作于制造过程及现场区域
14、的设备装置与控制室内的自动化系统之间的通信总线;德国B o s c h公司推荐了C AN现场总线,按照国际O S I标准规范要求,由应用层、数据链路层和物理层组成,是一种支持实时控制网络的分布式串行数据总线,采用短报文帧进行传输,具有强抗干扰能力、高可靠性等特点,尤其适合工业化应用场景的开关量控制等多种环境.C A N现场总线技术 C A N总线技术及高层协议C AN总 线 信 号 传 输 为 双 绞 线,通 讯 速 率 最 高 为M b i t/s时,通讯距离可达 m,最多可挂设备为 个.C AN信息帧传输可采用标准帧、扩展帧及远程帧结构,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收和发送数据.
15、C AN的物理层及数据链路层采用独特的设计技术,每帧数据都包含有C R C循环冗余校验及其它校验措施,数据出错率低,总线节点在严重错误的情况下,可自动切断与总线的通讯联系,以使总线上的其它操作不受影响.相对于传统通信普遍采用的站地址编码模式,C AN总线协议对通讯数据块使用了报文标识符进行编码.这是C AN总线的一个最大特点及优点,能够使网络内的通信节点数量在理论上不受到限制,在C AN A版本中,使用了 位报文标识符,编码数量可以达到 种,而C AN B版本中定义的 位报文标识符可以使编码数量几乎不会受到限制.C AN报文中使用长度为个字节的数据段,可以定义数据段长度为个字节,在工业领域中的
16、工作状态、测试数据及控制命令一般都可以满足使用;而且,传输最大长度为个字节的数据段,不会占用总线过长时间,能够保证通信的时效性;在各C AN总线节点中还设计有自动标定、自检测、错误诊断等检错和纠错措施,保证了数据通信的可靠性指标.C AN允许多个主站同时运行,采用了多主竞争式总线结构,具有分散式仲裁及广播式通信的特点,在任意时刻,C AN总线上任意节点可以不用区分主次关系,主动地向网络上其他节点发送信息.因此,可在各通信节点之间实现对等化自由通信,C AN网络上节点的信息能分成不同的优先等级,可以满足不同级别的实时通信要求.到目前为止,C AN总线凭借着可靠的性能与优异的设计,得到了十分广泛的
17、应用.但是它只定义了数据链路层和物理层,按照O S I标准规范,C AN总线定义了C AN A版及C AN B升级版,只提供了最底层的基本协议,没有明确规定如何具体使用应用层的细节,这就需要用户自己定义高层应用协议,才能满足实际系统的需要.在实际的工程应用中,C AN总线需要一个应用层的标准化协议来定义C AN报文的各种标识符,分配、定义数据段中的个字节数据的实际内容,支持C AN设备的所有互换和互用,用来实现C AN网络系统管理、设备功能、通信模式的标准化设计,以便支持对传输时间要求极严的过程数据控制和对设备参数的直接访问.在水下航行器多个项目研制过程中,目前均采取“自定义协议”方式设计控制
18、系统,但在多数情况下,仅能实现基本C AN总线的通讯,完成应用层面自定义简单报文和传输协议.“自定义协议”不兼容标准型高层协议,难以做到各种C AN设备之间的兼容、互用、互通.“自定义协议”在可靠性、完备性、拓展性等多方面完全依赖于协议制订人员的技术水平、项目研发经验等不可控的因素,不能保证整个控制系统的稳定性,尤其是控制网络存在故障或干扰情况下的容错、纠错和诊断能力得不到保证.标准化C A N o p e n高层协议为满足某高速航行器项目中高速、强外部干扰、高可靠性等技术要求,控制系统采用C AN总线构建分布式网络,C AN总线波特率为 k b p s,选择了标准化C AN o p e n协
19、议作为航行器控制系统网络化高层通信协议.C AN o p e n协议是国际自动化标准C AN用户和制造商协会C i A(C AN i n a u t o m a t i o n)定义的C AN总线应用层协议(即国际标准).C AN o p e n可以给C AN总线控制系统提供丰富的功能,该协议完全公开,使不同的C AN设备之间能够互相兼容,具备如下技术特点:)协议透明、公开,可免费下载源代码,无需专门授权,便于用户二次开发使用;)经过恶劣的实际工业现场环境充分验证,全世界装机用户数量大;)可以在任意一种硬件平台上构建C AN总线网络,完全兼容标准型底层C AN硬件;)网络规模较大,支持多种拓扑
20、结构构建网络,允许多达 个节点同时通信;)可以根据需要进行网络管理和网络组态配置;)实时性强、可靠性高,可通过软件实现所有协议功能,低成本组网,不受硬件平台制约.C AN o p e n协议应用层提供了种应用服务:网络管理(NMT)、基于C AN总线的报文规范(CM S)、参数修改(LMT)和动态标识符分配(D B T).C AN o p e n协议分集管理及定义,主要由若干个协议文本组成,其中最基本的通信子协议和最重要的D S 应用层,已经定义了C AN o p e n的通信机制和通信基本概念,规定了所有设备都要遵循的C AN o p e n规范.此外,协议集还为电机和马达驱动、I/O模块、
21、闭环控制器、传感器和可编程设备、火车控制、电梯控制等应用领域,专门定义了很多设备协议子集.只要遵循这些协议的定义,开发出来的设备就可以很容易组建C AN o p e n网络,实现设备之间的互联互通.由于各种历史的原因,国内各行业较晚开展对C AN o p e n协议的研究,而且对C AN现场总线在国内的应用及发投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 展更加落后,尤其限制了对C AN总线技术进一步深入化推广和应用.据研究,国际上的少数开源软件协议栈以C a nF e s t i v a l为代表,但是存在灵活性较差,不支持二次配置等问题而难以开发应用
22、,因此急需加强国内C AN o p e n软件协议栈的自主研发能力.C AN o p e n协议在恶劣的工业化环境下能够稳定运行,装机用户数量庞大,经过了十几年实际工程化验证,加入采取应用世界标准协议,进行二次集成、再次开发的技术路线,则能够解决前述“自定义协议”带来的一系列问题.C A N o p e n技术架构 C A N o p e n通信模型如图所示,按照C AN o p e n协议规范,支持该协议的网络设备(主站或从站),都可以用一个抽象的通信模型来描述,模型可以抽象为双端口模型,其一端连接C AN总线,另一端连接具体的I/O端口数据,而端口数据与实际的物理应用对象直接关联.图C A
23、N o p e n网络设备模型C AN o p e n协议一般使用O D对象字典(O b j e c tD i c t i o n a r y)来描述应用程序和设备之间的接口,每一个通信设备都包含特定的O D对象字典,该对象是配置和数据的集合体,C AN o p e n软件协议栈支持网络设备对其O D对象字典的修改和访问.C A N o p e n对象字典(O D)对象字典O D由一般由很多对象的成员组成,每个成员可以通过其 位索引值(I n d e x)和位子索引值(S u b I n d e x)来进行访问和寻址.为了简化对象的实际操作,每个通信节点的具体对象字典O D并不需要提供完备的所
24、有对象内容,只需提供描述该设备所必需要的主要对象成员即可.在C AN o p e n世界标准协议(标准号为D S )中,已经包含了通信节点对象字典O D的规划及分布的详细定义,在一般应用系统设计中,用户主要对通讯描述部分和设备描述部分的成员对象进行配置和定义.C A N o p e n通讯对象C AN o p e n网络通讯模型一共定义了种常用通讯对象:)网络管理对象(NMT);)预定义报文或特殊功能对象;)服务数据对象(S D O);)过程数据对象(P D O).其中,网络管理对象(NMT)主要用于对网络上指定的节点进行状态设定和参数配置,C AN o p e n主站向从站发送指定用途的NM
25、T报文,报文中包含了状态设置具体命令,可以将从站节点强制进入指定状态当中,实现网络管理功能.预定义报文或特殊功能对象主要包括一系列特殊的报文,例如时间戳(T I ME)报文、同步对象(S YN C)报文和紧急事件(EMC)报文,时间戳T I ME报文用于设置各从站时钟,同步对象S YN C用于对各从站进行同步控制和操作,紧急事件EMC报文用于传输紧急事件.服务数据对象(S D O)是一种特殊的对象,C AN o p e n主站通过向其它节点发送S D O报文的方式,可以读出或者写入/改写该节点的对象字典O D,功能类似于读写从站设备的参数,两者之间的S D O采用明确的“请求应答”模式进行通信
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 CANopen 协议 水下 航行 控制系统 现场总线 应用 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。