《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2010年第26卷第1-2期
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CANOpen 总线与软PLC 在MPS 中的应用
Application of CANopen and softPLC on MPS
(北京工业大学)
张云廷杨建武孙树文
ZHANG Yun-ting YANG Jian-wu SUN Shu-wen
摘要：针对MPS 系统I/O 多、分散广、实时性和可靠性要求高等特点，设计了一种基于C8051F040的现场总线分布式控制系
统。应用C8051F040单片机开发了基于CANopen 协议的I/O 从站，本文介绍了从站的硬件设计和软件设计。通过上位机CAN 卡构建了基于CoDeSys 软PLC 的分布式I/O 控制系统。给出了该系统在MPS 中的调试过程。经系统测试和模拟运行表明,I/O 从站与监控主机通讯可靠、准确，实时性满足了MPS 控制系统的要求，具有一定的参考价值和广阔的应用前景。关键词:CANopen;C8051F040；软PLC;MPS 中图分类号:TP273文献标识码:A
Abstract:Countering the problems existing in MPS,such as the excessive I/O redirection,many informations exchange,the reliabili -ty,veracity and real time feature of data communication,the distributed control system based on C8051F040is designed.This paper describes the development of CANopen compliant I/O slave based on C8051F040microprocessor ,the hardware circuit ,the software programming and its application in a distributed I/O control system based on CoDeSys Soft PLC through CAN card in PC.The test -ing experiment were discussed in detail.Practical using shows that this distributed control system has the better control effect,indi -cates it ’s brilliant and validity beyond traditional control methods and is suitable for similar practical engineering.Key words:CANopen;C8051F040;Soft PLC;MPS
文章编号:1008-0570(2010)01-2-0052-03
1引言
CANopen 是CAN 总线的一种有影响力的应用层协议，近年来得到了广泛的应用，保证了各种厂商设备的互用性、互换性，同时提高了信息传输的可靠性，实时性。软PLC 是一种基于PC 机的新兴自动控制技术，不仅能够实现硬PLC 的所有功能，而且遵循IEC61131-3编程标准，为用户提供了更多的开放性。MPS 是德国FESTO 公司结合现代工业企业特点开发研制的模拟自动化生产加工单元。它采用模块化结构，将气动技术、电气电子、传感器技术、装配技术、机械技术、现场总线技术综合于一体。选取不同的单元可以组成自己的模拟生产加工系统，最大可以构成具有9个单元的MPS 系统。包括：送料、检测、加工、提取、暂存、组装、冲孔、功能检测和分拣单元。
基于CANopen 协议的I/O 从站可以作为MPS 控制系统中的一部分，国内还没有现成的产品可供选用，国外的产品往往价格过高，增加了系统开发的成本。由此应用C8051F040单片机自行开发基于CANopen DS301、DSP401协议的I/O 从站，并且通过上位机CAN 卡构建了基于德国3S 公司的CoDeSys 软PLC 的分布式I/O 控制系统。最终，通过测试实验验证了系统信息传递的可靠性、准确性和实时性。本文采用的控制系统结构(如图1所示)具有很好的开放性，灵活性和可扩展性。
2控制系统概述
整个控制系统由监控计算机、CAN 总线主站适配卡、I/O 从
站节点、CAN 总线网络和现场设备构成。其系统结构如图1所示。分布在现场的I/O 从站节点连接MP
S 的传感器信号，并通过CAN 通讯接口与总线相连，监控计算机运行软PLC 软件并通过CAN 总线主站适配卡和连接在CAN 总线网络上的各个从节点进行实时通讯，从而实现MPS 控制系统的分散控制和集中监管。
图1MPS 控制系统总体结构
监控计算机可以选用普通计算机，软PLC 选用德国3S 公司的CoDeSys 。总线适配卡完成总线和监控计算机之间的协议转换。各个从站节点之间使用专用屏蔽电缆互联构成CAN 总线网络，总线两端使用终端电阻，用来提高系统稳定性、增强系统的抗干扰能力。
3基于CANopen 协议I/O 从站的开发
3.1I/O 从站的硬件设计
如图2所示，本文采用C8051F040单片机作为I/O 从站的主芯片，它具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，内部集
张云廷：硕士研究生
基金项目：基金申请人：杨建武；项目名称：数字化智能化印刷机械关键技术与装备；基金颁发部门：国家科技部
(2006BAF03B01)
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嵌入式系统应用
《PLC 技术应用200例》
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成的CAN 控制器为Bosch CAN 控制器。CAN 收发器我们采用
SN65HVD232，它具有高速稳定的差动发送和接收能力；为了提高抗干扰能力，系统中采用双路电源模块供电，在控制器和传输介质之间加接光电隔离器件ADuM1201高速数字隔离器替代传统的光电耦合器(如6N137)，简化了电路，极大的降低了功耗。此外，从站I/O 端口电路还采用了光耦TLP521隔离器进行光电隔离。为了使继电器输出得到足够的电流供应，光耦输出后加达林顿管以加大驱动电流。
最后接自恢复式保险丝，然后输出。在图2中只给出一路输入输出,16路类同。在工业现场，需要共阴极的继电器输出，设计的数字IO 从站需要16路输入,16路输出。基于此，选择两片UDN2982达林顿管。单片机在复位时，端口为高电平，为了避免复位期间继电器动作，所以设计低电平光耦连通，继电器吸合。由此，输出光耦使用下拉电阻。输入输出都有LED 显示。
图2I/O 从站硬件简图
3.2I/O 从站的软件设计
I/O 从站的软件设计采用模块化设计，使用C51Windows 编程语言进行软件编程。程序框图如图3所示，程序模块分为主程序模块、CANopen 协议模块、
微计算机信息对象字典与节点配置模块、系统I/O 模块、
单片机与CAN 控制器硬件驱动模块。图3I/O 从站主程序流程图
CANopen 协议的软件实现遵循CANopen 协议预定义主/从连接集，从站节点支持4个接收PDO,4个发送PDO,1个SDO,1个紧急对象和1个节点错误控制对象。结合通讯协议的特点，软件设计中采用结构体的方式来定义诸如CAN 报文、发送和接收PDO 配置对象、CANopen 协议配置对象等，通过定义结构体型指针变量完成对对象中相关数据的读写，给程序的编制带来了方便。此外，利用定义数组的方法
实现了对象字典和过程数据映像的操作。在SDO 报文处理子函数中，通过被访问对象的主索引和子索引，以数组查询的方式实现了对对象字典的读写访问。CANopen I/O 从站的状态机转换通过判断接收NMT 报文命令字，对心跳报文标志字节代码进行读写，产生程序散转的方式得以实现。对于PDO 、SDO 通讯对象的处理则根据心跳报文标志字节代码指明的当前状态分别进行处理。
3.3控制系统的连接与配置
对于从站模块CANopen 协议的开发与调试，采用了德国PEAK 公司的CANopen 开发系统，硬件包括PCI 和USB 接口的CAN 卡，上位机软件是PCANopen Magic Pro3.0专业开发版，很好的实现了对CANopen 网络节点的配置、分析和实时监控。
调试时，采用的通讯结构如图1所示，在PC 机中安装USB-CAN 卡和PCANopen Magic Pro3.0软件，构成监控调试节点，与从站进行通讯。应用I/O 从站通过上位机PCAN-PCI 卡构建了基于CoDeSys 软PLC 的分布式I/O 控制系统。总线上挂接9个从节点，分别于MPS 系统的模块单元连接。I/O 从站的输出与MPS 系统的输出相连，使MPS 系统接受控制指令;I/O 从站的输入与MPS 系统的输入相连，接受MPS 系统的传感器信号。
系统通过总线连接后，还需要对CoDeSys 软PLC 进行配置。配置工作包括安装系统支持的PCAN-PCI 卡的驱动(由3S 提供)，加载从站设备的EDS 文件，设置CAN 相关通讯参数(如波特率，本系统设置为
250kbps)，设置CANopen 协议的相关参数
(如从站ID 号、
启动方式、心跳报文时间等)。4软PLC 编程及对MPS 控制
以上完成了总线连接和软PLC 的配置工作，下面编写软
PLC 的程序来控制MPS 系统的模块单元。在MPS 系统的9个模块中，加工单元IO 分配最多，控制起来最复杂，由于篇幅的关系，这里只介绍加工单元这一模块的控制方法，其他单元类同。
根据MPS 控制系统提供的资料，整理出IO 分配表，如表1所示。为了方便PLC 编程，首先要写出PLC 控制程序流程图，如图4所示。
表1加工单元IO 分配表
在CoDeSys 软PLC 上，主程序使用SFC 顺序功能图语言，在
勒纳指数每一步里的具体程序以及转换条件使用ST 指令表语言。这样使得程序很容易编写，也很容易看懂。
由此编写控制程序。程序开始进入初始化状态，钻头停转，钻台在上行位，使工件放松。在程序上分
别使得O3_04=1,O3_05=1,O3_01=0,O3_02=0,O3_03=0,O3_06=0。进入下一步的条件是钻台在最上，工件已放松。即I3_04=1,I3_02=1。然后进入下一步，这一步要是转盘旋转，工件放松,O3_02=1,O3_05=1,O3_04=0，然后进入下一步，转换条件是转盘转至正位90度，即I3_01=1。第三步转盘停转，放松工件,O3_02=0,O3_05=1，检测条件有新工件放入I3_00=1。第四步转盘旋转，放松工件,O3_02=1,O3_05=1，检测条件延时1秒已到，转至正位90度I3_01=1。然后，同时进入第五步和第九步。第五步转盘停转，加紧工件,
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嵌入式系统应用
O3_02=0,O3_05=0，检测条件工件已加紧,I3_03=1。进入第六步，钻头旋转，转台下行，加紧工件,O
3_01=1,O3_03=1。如果下行到位I3_05=1，进入到第七步，钻头停转，转台上行，加紧工件,O3_04=1,O3_01=0,O3_03=0。如果检测到上行到位I3_04=1，进入到第八步，放松工件，停止转台上行O3_05=1,O3_04=0。与第五步同时进行的第九步检测缸伸出,O3_06=1。如果伸出到位I3_07=1，进入到第十步检测缸缩回O3_06=0，检测条件是缩回到位I3_06=1(检测合格)；计时3秒已到Q0.0=1(检测不合格)，延时一段时间。最终两条同时进行的线路，检测条件I3_04=0，然后返回第四步。至此完成软PLC 对加工单元的控制。
图4PLC 控制程序流程图
5结束语
胀锚螺栓
应用C8051F040单片机自行开发了基于CANopen 协议的I/O 从站，实现了与CoDeSys 软PLC 的组网通讯，最终通过软
PLC 控制了MPS 系统。同时验证了信息传递的可靠性、
准确性和实时性。
本文作者创新点是：首先,CAN 总线I/O 从站中应用C8051F040单片机；其次，用软PLC 与CANopen 协议的I/O 从站控制MPS 系统。参考文献
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[4]C8051F040混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册，潘琢金译,Rev 1.42004.12
[5]朱品伟，乔学亮，陈建国.一种基于单片机的心肺复苏系统.微
计算机信息,2005(21),11-2.
作者简介：张云廷(1983-)，男，北京，硕士研究生，研究方向：工厂自动化；杨建武(1952-)，男，北京，教授，研究方向：机电一体化；孙树文(1974-)，男，北京，高级工程师，研究方向：主要从事机电一体化技术与自动控制技术的研究、现场总线控制技术的研究。Biography:ZHANG Yun-ting is a master studying in Beijing U -niversity of Technology in Beijing of China,majoring in mec`ha -tronics.Research area is Factory Automation.
(100124北京北京工业大学机电学院机电控制学科部)张云廷
杨建武孙树文
(Mechatronics Control Laboratory,College of Mechanical Engineering &Applied Electronics Technology,Beijing Uni -versity of Technology,beijing,100124,China)
ZHANG Yun-ting YANG Jian-wu SUN Shu-wen
通讯地址:(100124北京北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学机电学院机电控制学科部)张云廷
(收稿日期:2009.03.04)(修稿日期:2009.06.04)
(上接第88页)
5结束语
当前，基于ZigBee 技术的无线传感器网络受到越来越多的关注，应用也愈加广泛。本文针对远程监控无线网络的需求，综合考虑实际应用中的成本和要求，研究并实现了基于Zigbee 网络与嵌入式Internet 进行信息交换的网关系统。
本文作者的创新点：采用双MCU 结构设计了一个ZigBee 网关，设计思路新颖，提高了效率；将其成功应用到远程监护系统中，成本低，易维护，具有较强的实用性；对ZigBee 技术的应用发展具有重要的实际意义。
本设计的经济效益大约为10万元左右。参考文献
[1]Haowei Bai,Mohammed Atiquzzaman,David Lilja.Wireless Sensor Network for Aircraft Health Monitoring.Computer Society.2004,8.
[2]李文仲，段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007
[3]乔大雷，夏士雄.基于ARM9的的嵌入式ZigBee 网关设计与实现[J].微计算机信息,2007Vol.23No.35P.156-158
作者简介：杜律(1986-)，男(汉族)，湖北人，中山大学信息科学与技术学院硕士研究生，研究方向为ZigBee 技术及应用；洽，男(汉族)，广东人，中山大学信息科学与技术学院副教授，研究方向包括计算机控制与应用、电力网参数的监测与控制、电子设计自动化技术与应用等。
Biography:DU Lv(1986-),Male,Han,Hubei province,master of School of Information Science and Technology of Sun Yat -sen University,Research area:ZigBee and application.
cd14(510275广州中山大学信息科学与技术学院)杜律陈裕隆
轻纺城
许学添洽
(School of Information Science and Technology ,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)DU Lv CHEN Yu-long XU Xue-tian CHEN Yun-qia
通讯地址:(510275中山大学信息科学与技术学院电子系409室)杜律
(收稿日期:2009.03.05)(修稿日期:2009.06.05)
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