李洋，李鴻強(qiáng)，陳弘，孟永強(qiáng)，劉芳舒

（1天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

CAN總線憑借其可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車車載總線的主流，但由于CAN只定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈路層，用戶必須要自定義應(yīng)用層的協(xié)議［1－3］，這不僅帶給用戶相當(dāng)多的困難，而且使不同廠商間的CAN設(shè)備彼此無法互通，不利于純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。因此，研究適用于純電動(dòng)汽車車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議具有重要意義。

CANopen協(xié)議是由Bosch領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的一種CAN應(yīng)用層協(xié)議［4－5］，可作為車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議。國(guó)內(nèi)外關(guān)于CANopen協(xié)議的研究主要集中于CANopen網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和CANopen協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)兩方面。孔峰等［6］提出采用CANopen作為汽車控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議；Gh.Livint等［7］提出將CANopen協(xié)議應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車分布式總線控制，實(shí)現(xiàn)了不同廠商的CAN設(shè)備采用CANopen協(xié)議互相通信；Xu等［8］將CANopen協(xié)議應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車車載網(wǎng)絡(luò)，提出了動(dòng)力總線單元CANopen從站的設(shè)計(jì)方案；劉怡［9］等以C8051F500單片機(jī)為控制核心的開發(fā)平臺(tái)上建立了CANopen協(xié)議棧；徐喆等［10］提出了一種利用開源代碼CAN－festival在MC9S12XDP512平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)CANopen網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)的新方法，并將CANfestival移植到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS－Ⅱ上。

目前關(guān)于純電動(dòng)汽車車門車窗控制系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議研究較少，因此，本文針對(duì)純電動(dòng)汽車車門車窗控制系統(tǒng)，制定了其CANopen應(yīng)用層協(xié)議并在WinCE5.0操作系統(tǒng)上開發(fā)了CANopen協(xié)議棧，采用CANoe軟件實(shí)現(xiàn)了CANopen協(xié)議測(cè)試。

1 車門車窗控制系統(tǒng)CANopen協(xié)議

CANopen協(xié)議定義的設(shè)備模型由通訊子層、對(duì)象字典、應(yīng)用子層組成。通訊子層接口定義了網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文對(duì)象（NMT）、過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）、特殊功能對(duì)象4種通訊對(duì)象函數(shù)，用來在底層傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)象字典由16位主索引和8位子索引構(gòu)成，包括所有影響通訊接口、應(yīng)用、狀態(tài)機(jī)行為的數(shù)據(jù)信息，是CANopen的核心內(nèi)容［11－12］。應(yīng)用子層由用戶編寫，包括功能和通信二部分，通信部分通過對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)CANopen通信，而功能部分由用戶根據(jù)應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)。

純電動(dòng)汽車車門車窗控制系統(tǒng)包括中央、左前門、右前門、左后門、右后門5個(gè)電子控制單元。每一電子控制單元的控制對(duì)象主要為車窗和門鎖，其中左前門和右前門電子控制單元的控制對(duì)象還分別有對(duì)左后視鏡和右后視鏡的控制。

中央電子控制單元是整個(gè)車門車窗控制系統(tǒng)的控制核心，為CANopen主站，管理整個(gè)車門車窗控制系統(tǒng)，其余電子控制單元為CANopen從站。中央電子控制單元通過NMT服務(wù)控制其他4個(gè)電子控制單元的狀態(tài)。NMT主節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典條目由索引1F80H到1F9FH來定義。

中央電子控制單元通過服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO報(bào)文對(duì)CANopen網(wǎng)絡(luò)上的其余電子控制單元進(jìn)行參數(shù)配置。SDO客戶端由對(duì)象字典中1280h－12FFh來定義，SDO服務(wù)器由對(duì)象字典中1200h－127Fh來定義。各電子控制單元SDO定義如表1所示。

中央電子控制單元和其余電子控制單元通過過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO報(bào)文用來傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個(gè)字節(jié)。PDO包括TPDO和RPDO 2種。TPDO用于發(fā)送報(bào)文，RPDO用于接收?qǐng)?bào)文，一個(gè)TPDO對(duì)應(yīng)一個(gè)RPDO。中央電子控制單元接收其余電子控制單元的狀態(tài)，并發(fā)送控制命令，其余電子控制單元發(fā)送本地命令和狀態(tài)。根據(jù)車門車窗控制需求，中央和左前電子控制單元PDO報(bào)文定義見表2、表3，其余電子控制單元和左前電子單元的類似。

表1 各電子控制單元SDO定義Tab.1 Every electronic control unit SDO definition

表2 中央電子控制單元PDO定義Tab.2 The central electronic control unit PDO

表3 左前門電子控制單元PDO定義Tab.3 Left front door electronic control unit PDO

2 CANopen協(xié)議棧設(shè)計(jì)

采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的EPC－8900I－W嵌入式硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)CANopen協(xié)議棧，EPC－8900I－W采用XScale系列PXA270，其操作系統(tǒng)為WinCE5.0，采用VS2005開發(fā)控制臺(tái)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)CANopen通訊功能。

CANopen通訊主程序流程為：系統(tǒng)啟動(dòng)后首先初始化CAN通訊參數(shù)，然后從站發(fā)送啟動(dòng)報(bào)文，進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)并運(yùn)行狀態(tài)機(jī)，然后開啟接收數(shù)據(jù)線程，收到報(bào)文后通過canDispatch（）報(bào)文分發(fā)函數(shù)來處理報(bào)文。根據(jù)CANopen通信協(xié)議，分析從緩沖區(qū)取出的報(bào)文屬于哪一種報(bào)文，之后進(jìn)入相應(yīng)的報(bào)文處理程序。下面詳細(xì)介紹CANopen協(xié)議棧中讀寫對(duì)象字典、NMT狀態(tài)控制、SDO快速傳送和PDO報(bào)文的處理過程。

2.1 對(duì)象字典的讀寫流程

對(duì)象字典是CANopen協(xié)議中最重要的部分，它包含了設(shè)備描述及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的所有參數(shù)。此外，在編輯對(duì)象字典時(shí)，采用CANfestival提供的對(duì)象字典編輯器來簡(jiǎn)便而高效地進(jìn)行操作。

對(duì)象字典的讀寫流程圖如圖1所示。

2.2 NMT、SDO、PDO報(bào)文處理流程

NMT報(bào)文由主站發(fā)出，從節(jié)點(diǎn)通過接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的NMT命令報(bào)文進(jìn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。從節(jié)點(diǎn)接收到NMT報(bào)文的處理流程圖如圖2所示。NMT命令包括啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)指示、進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)指示、停止節(jié)點(diǎn)指示、復(fù)位通信指示和復(fù)位節(jié)點(diǎn)指示。從節(jié)點(diǎn)判斷NMT命令并進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖1 讀寫對(duì)象字典流程Fig.1 Processes of reading and writing object dictionary

圖2 NMT報(bào)文的處理流程圖Fig.2 Processing flow chart of NMT packet

SDO報(bào)文用于對(duì)CANopen網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置。SDO通過使用主索引和子索引，訪問設(shè)備對(duì)象字典中的對(duì)象。

SDO有快速傳送和分段傳送2種傳送機(jī)制?？焖賯魉妥疃鄠鬏?字節(jié)數(shù)據(jù)，分段傳送傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于4字節(jié)。本文主要實(shí)現(xiàn)SDO快速傳送功能?？焖賯魉桶焖偕蟼骱涂焖傧螺d。首先SDO客戶端判斷報(bào)文ID是否與本地對(duì)象字典存儲(chǔ)的ID相同，然后讀取SDO報(bào)文命令字，開始進(jìn)行下載或上傳。在下載或上傳過程中通過讀取報(bào)文第1到第3字節(jié)數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)主索引和字索引，并且對(duì)象字典和發(fā)送報(bào)文之間通過數(shù)據(jù)緩存區(qū)來傳遞數(shù)據(jù)。

SDO快速傳送流程圖如圖3所示。

圖3 SDO快速傳送流程圖Fig.3 Flow chart of SDO transmission

PDO報(bào)文的處理就是根據(jù)接收到PDO報(bào)文的通訊參數(shù)和映射參數(shù)解析報(bào)文，將報(bào)文中的數(shù)據(jù)保存至對(duì)象字典的對(duì)應(yīng)位置。

PDO報(bào)文的處理流程圖如圖4所示。

圖4 PDO報(bào)文處理流程圖Fig.4 Processing flow chart of PDO packet

其主要流程如下：

首先遍歷本地對(duì)象字典PDO通訊參數(shù)字索引01h內(nèi)容，判斷是否為本地RPDO報(bào)文ID，如果為本地RPDO，讀取相應(yīng)映射參數(shù)0x00子索引獲得映射的個(gè)數(shù)mappcount，然后依次讀取mappcount個(gè)子索引的值定位到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)區(qū)，根據(jù)將報(bào)文數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)。

3 CANopen通信功能驗(yàn)證

CANoe是一個(gè)德國(guó)Vector公司開發(fā)的CAN總線仿真軟件，具有網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)測(cè)和分析的功能，其組件CANoe和CANopen為開發(fā)、規(guī)劃及測(cè)試CANopen設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面提供了有效的幫助。CANoe軟件可以支持全仿真、半實(shí)物仿真和全實(shí)物仿真［13］。本文利用CANoe進(jìn)行半實(shí)物仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的CANopen協(xié)議棧。

設(shè)計(jì)的CANopen主站控制界面如圖5所示。

圖5 CANopen主站控制界面Fig.5 CANopen master station control interface

根據(jù)CANopen協(xié)議定義，主站實(shí)現(xiàn)NMT啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)、停止節(jié)點(diǎn)、進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)、復(fù)位節(jié)點(diǎn)和復(fù)位通信，發(fā)送心跳檢測(cè)報(bào)文、發(fā)送同步報(bào)文、SDO上傳和下載、發(fā)送PDO報(bào)文。

CANoe的CANcaseXL卡提供了CAN接口，必須注意的是，配置的CANoe接口的波特率須與EPC－8900I－W嵌入式硬件平臺(tái)CAN的波特率相同，否則CANoe和EPC－8900I－W不能通訊。本研究CAN通訊速率為250kb／s。

整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，PC為CANopen主站，EPC－8900I－W嵌入式硬件平臺(tái)為左前門電子控制單元實(shí)現(xiàn)CANopen從站功能。

如圖7所示，通過CANoe的Trace窗口可以查看到報(bào)文。

圖6 主從站實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Master－slave experimental test platform

圖7 通過Trace窗口查看報(bào)文Fig.7 View the message through the Trace window

首先，從站啟動(dòng)發(fā)送啟動(dòng)報(bào)文，其報(bào)文ID為0X710；接著主站發(fā)送SDO上傳報(bào)文讀取從站主索引1400子索引01的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即從站RPDO1的報(bào)文ID；從站收到SDO報(bào)文后，發(fā)送響應(yīng)報(bào)文，上傳數(shù)據(jù)；主站發(fā)送SDO下載報(bào)文設(shè)置從站RPDO1的報(bào)文ID為0X181；從站收到命令，發(fā)送下載成功響應(yīng)報(bào)文；然后主站發(fā)送啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)報(bào)文，這時(shí)從站可以接收并發(fā)送所有通訊報(bào)文；主站發(fā)送TPDO1報(bào)文；主站讀取從站RPO1報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，可以驗(yàn)證PDO通訊。觀測(cè)結(jié)果顯示實(shí)現(xiàn)了NMT、SDO、PDO報(bào)文通訊。

4 結(jié)語

1）設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車車門車窗控制系統(tǒng)CANopen協(xié)議，定義了各電子控制單元NMT、SDO、PDO報(bào)文ID和報(bào)文內(nèi)容等參數(shù)。

2）基于WinCE5.0嵌入式硬件平臺(tái)上開發(fā)了CANopen協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了NMT、SDO、PDO報(bào)文通訊。

3）通過CANoe軟件設(shè)計(jì)了CANopen主站管理界面，實(shí)現(xiàn)了CANopen主從通訊，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的CANopen協(xié)議棧具有很好的實(shí)時(shí)性，能較好的滿足純電動(dòng)汽車車門車窗控制系統(tǒng)實(shí)際控制需求。

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