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第 8期 2 0 1 1年 8月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M ac hi n e Too l Aut o m a t i c M an uf a c t ur i ng Te c hn i q ue NO . 8 Aug.2 0 11 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 0 8 0 0 6 00 4 基于 A R M的 P L C的 C A N 通信协议设计与实现 王珍珠 ,。 , 刘 伟 , 刘 占清 , 。 1 . 中国科学院 研究生院, 北京 1 0 0 0 3 9 ; 2 . 中国科学院 沈阳计算技术研究所, 沈阳 1 1 0 1 6 8 ; 3 . 沈 阳高精 数控技 术 有 限公 司 , 沈 阳 1 1 0 1 6 8 摘 要 在 分析 了 P L C 系统通 信模 块 的基础 上 , 提 出了一种基 于 A R M 实现 的 P L C 系统 的主 C P U和I / 0 板 之 间进行 数 据采 集和 输 出的 C A N通信 协议 。该 通信 协议 中 , 首先 , 主 C P U向输入 板 请 求数据 。其 次 , 输 入板 收到 请 求后 向主 C P U发 送 采 集 的数 据 。 然后 主 C P U收到 数 据 后 对 S I P R O M 编 码 进 行 解 释 执 行 , 并通过 C A N总线将 输 出结果发 给输 出板 。 最后 , 输 出板 对 收到 的数据 进 行 处理 后输 出到 外 部设 备 , 实现 P L C控制 功 能。 该协议 通 过 I / O测 试 台的 测试 已成 功运 用 于国 家高档数 控 工程研 究 中 心 的 P L C通信 模 块 中 关键 词 ARM;P L C;C AN;通信 协议 中 图分类 号 T P 3 1 6 . 2 文献 标识 码 A De s i g n an d De v e l o pm e nt o f t h e CAN Co m muni e a t i o n Pr o t oc o l i n Pr o g r a m ma bl e Con t r o l l e r Ba s e d ARM W ANG Z he n. z h u , , ,LI U W e i , ,LI U Zh a n q i n g 1 . Gr a d u a t e Un i v e r s i t y o f C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1 0 0 0 3 9,C h i n a; 2 . S h e n y a n g I n s t i t u t e o f Co mp u t i n g T e c h n o l o g y ,C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g 1 1 01 6 8,C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d t h e a n a l ys i s o f c o mmu n i c a t i o n mod ul e o f PLC s ys t e m, t hi s pa pe r pr o po s e s a CAN c o m- mu n i c a t i o n pr ot o c o l b e t we e n ma i n CPU a n d I / O bo a r d o f PLC s ys t e m t o pr o c e s s da t a c o l l e c t i o n a nd o u t pu t ba s e d o n ARM . I n t hi s pr o t o c o l ,fi r s t l y, ma i n CPU a c q uir e s d a t a f r o m i n pu t b o a r d.S e c o n d l y,t he i n - pu t b o a r d a c c e pt s t h e a c q u i r e me n t a nd s e nd s c ol l e t ing d a t a t o ma in CPU . Th e n a fte r a c c e pt i n g d a t a ,ma i n CPU wi l l c o mpi l e a n d r u n t he S / PROM c o de s a n d o ut pu t d a t a t o o u t pu t b o a r d b y CAN b u s . La s t l y, o ut pu t bo a r d d e a l s wi t h t h e d a t a f o r m ma i n CPU a n d o ut pu t t o t he e x t e r na l e q u i pme nt t o a c h i e v e t h e f u nc - t i o n o f PLC.Thi s pr o t o c ol ha s b e e n t e s t e d b y I /0 t e s t ing pl a t f o rm a n d s u c c e s s f u l l y a p pl i e d i n c o mmu ni - c a t i o n mo d u l e o f PLC o f Na t i o na l En g ine e r ing Re s e a r c h Ce n t e r . Ke y wo r dsARM ;PLC; CAN ;c o mmu ni c a t i o n p r o t o c o l O 引言 目前 , A R M A d v a n c e d R I S C M a c h i n e 凭借其 开 放性、 高可靠性 、 低功耗 、 低成本 和操作 系统的易移 植普 遍 应 用 于 汽 车 、 消 费 电子 、 工业 控 制 等各 领 域 1 2。C A N C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k 总线是一种有 效支持分布式控制和实时控制 的串行通信 网络 , 它 凭借高可 靠性 和灵活性 等优势 广泛 应用 于多种 领 域 。文献[ 3 ] 采用 S J A 1 0 0 0作 为 C A N控制 器使 P c 机成为 C A N总线 上 的一 个节 点从而 实现 P C机 和 P L C之 间 的通 信 。文 献 [ 4 ] 实 现 了一 种 在 C A N o p e n 协议上实现主从模块进行通信的协议 。J u n g K i C h o i 等 提 出了一 种在 C A N 网络 中进 行 重新组 织 数据来 提 高传输效率 的算法 。D . I . O r e k h o v等设计 了一 种 基 于 C A N总 线 的请 求 和 分 析 数 据 系 统 。高 档 数 控 工 程 研 究 中 心 研 发 的 P L C 的 主C P U 采 用 L P C 2 3 6 8 , 而 I / 0板采用 L P C 2 l 1 9 , 都 内置 2个 C A N 控 制器 。本 文 设 计 了 L P C 2 3 6 8和 L P C 2 1 1 9之 间 的 C A N通信协议 , 正确有效了实现了数据 的采集与输 出。并通过 I / 0测试 台有效 地验证 了通 信 的正确 收稿 日期 2 0 1 1 一 O 11 8 ; 修回 日期 2 0 1 1 一O 22 2 基金项 目 国家重点基础研究发展计划资助 9 7 3项 目, 2 0 1 1 C B 3 0 2 4 0 0 作者简介 王珍珠 1 9 8 3 一 , 女 , 山东人 , 中科院研究生院硕士 , 研究方向为计算 机软件 与理论 , Ema i l s u r g i n g f a i r y h o t m a i l c o rn。 2 0 1 1年 8月 王 珍珠 , 等 基 于 A R M 的 P L C 的 C A N通信 协议 设计 与 实现 6 1 性 。 1 CA N通信模型 C A N总线 支持 多 主机通 信 方式 。多 主机 是 指 总 线空闲时, 任何单元都可 以开 始传送报文。具有较 高 优先权 报 文 的 单 元 可 以 获 得 总 线 访 问 权 。 主 C P U向 I / O板请求位置信息, I / 0板收到请求后 同时 发送信息到 C A N总线上采用的多主机方式。 2 帧 I D设计 C A N 已 成 为 国 际 标 准 I S O 1 1 8 9 8和 I S O 1 1 5 1 9 。 C A N技 术 规 范 包 括 A 和 B两 部 分 。2 . 0 A 给 出 了 C A N技术 规 范 版 本 定 义 的 C A N 报 文 格 式 , 而 2 . 0 B 给出了标 准帧和扩展帧两种报文格式 。标准帧 的 I D占 1 1位 , 扩展帧的 I D占 2 9位, 我们这里采用 的是 1 1 位 的标 准帧 。标准 帧 1 1位 I D的每一 位 的含 义如 图 l所 示 。 3 C AN驱动层设计 C A N控制器相对于微控制器来说是基 于事件触 发 的 。C A N控 制 器 在 状 态 发 生 变 化 时 , 将 变 化 结 果 通 知微控 制器 。微 控 制 器 可 以采 用 中断 或 者 查 询 的 方式 对 C A N控制 器 作 相 应 处 理 。鉴 于 功 能 的需 要 , 我们设计 的 C A N通信程序 , 在发送 帧信息时采用查 询方式 , 接收帧信 息时采用中断方式 。C A N驱动层 的设计是通过对 C A N控制器进行配置和操作 、 实现 收发程序等工作来实现的。主要有以下三部分 。 3 . 1 C A N 控 制器初 始化 C A N通信 工 作需 要 C A N控 制 器 和 验 收 滤 波 器 协调工作 。C A N控制器初始化包括使能 C A N外设 , C A N管脚初 始 化 , C A N 中断 接 收 初始 化 和波 特 率 初 始化设 置 等 。 图 1 帧 I D 格 式 图 B i t l 0位 表示发送该帧的芯片类型 , 0代表该帧 是 L P C 2 3 6 8发送的, 1代表该帧是 L P C 2 1 1 9发送 的。 B i t 9 8位 表示底板编号 , 我们现在做 的第一版 的 P L C只 有 两块 底板 , 一块 底 板 上 有 6个 插 槽 。分 别是底板 0和底板 1 。0 1代表底板 0 , 1 0代表底板 1 , 0 0代 表底 板 0和底 板 1 。 底板的 左 端有 4个 开关 1 、 2 、 3 、 4 , 分 别 对应 L P C 2 3 6 8中 的 管 脚 P 1 . 2 2 , P 1 . 2 3 , P 1 . 2 4, P 1 . 2 5 和 L P C 2 1 1 9中的 P 1 . 2 3 , P 1 . 2 2 , P 1 . 2 1 , P 1 . 2 0 , 可 以控制 调 节底板 的编号 。 B i t 7 6位 表 示板 子类 型 。1 0代 表输 入 板 ; 0 1代 表输 出板 。 B i t 5~ 0位 表 示底 板上 的六 个插 座编 号 , 一个底 板上 有 6个插 槽 。 因为 多 主 机 发 送 必 须 为 节 点 分 配 不 同 的 优 先 级 , 而 C A N总线上的节点的优先级是按照 I D的大小 来判 断 的 , I D越 小优 先 级 越 大 ; I D越 大优 先 级 越 小 。 我们 这样 设计 I D, 不 仅可 以 为 I / O板 设 置 不 同 的优 先级 , 而且也为输 出板有选择地接受来 自主 C P U的 数据奠定了基础。输出板 的截取数据算法将在第 四 章讲述 。 3 . 2验 收滤 波器 的初 始化 当 C A N控 制 器 的接 收 端 接 收 到一 个完 整 的标 识 符 时 , 它 将 插座 编号 通 知 验 收 滤 波 器 。验 收 滤 波 器 o 1 1 1 l 1 1 1 1 l ⋯ ---前 - 座 响应这个信号 , 并读 出控制器编 二 ; 号 、 标 识 符 格 式 标 准 帧 格 式 或 1 1 1 1 0 1 一插 座4 扩展 帧格 式 , 然 后 验 收 滤 波 器 n n 。 一插 座 搜 索 A F R A M 中 的 表 格 进 行 匹 配 , 根据是否匹配来决定是接受 还是丢弃 这一 帧信 息 [ 1 0] 。通 过设 置 验收 滤波 器 寄存 器 可 以进 行 有 选 择 的接 收 发 送 到 C A N总线 上 帧 。将 需 要 接 收 到 的 I D写 入 验 收 滤 波器 的相 应地 址 即 可 。此 通信 协 议 中使 用 的是 明 确 的标 准帧 格式 标识 符 。验 收滤 波 器 的 工作 模 式 随 着通信的时序不 同而不 同。系统初始上 电时 , 验 收 滤波器处于旁路模式。 3 . 3 C AN报 文发 送和 接收 3 . 3 . 1 C AN发 送 C A N控制 器 的 发送 缓 冲 区包 括 三 部 分 , 一 是存 放发 送 帧 信 息 的 寄 存 器 C A N T F 。 二 是 存 放 发 送 帧 的 I D的发送标识符寄存器 C A N T I D。三是存放发送 数据信息 的发送数据寄存器 A C A N T D A 和发送寄 存器 B C A N T D B 。C A N T D A用来存放将要发送报 文 的前 1 4个 数 据 字 节 , C A N T D B用 于 存 放将 要 发 送报文的第 5 8个字节 。 C A N发送报文 时, 首先要将发送相关 的寄存器 值清零 , 然后将相应寄存器中填写帧信息 , 帧信息填 写好之后 , 选择 发送缓 冲区启动发送命令 。通过查 看状态寄存器 C A N S R或者全局状态寄存器 C A N G . S R能 够得 知发 送报 文是 否成 功 。 6 2 组 合机床 与 自动化 加 工技 术 第 8期 3 . 3 . 2 C A N接 收 C A N控 制 器具 有双 重缓 冲 区 。C A N报 文接 收 到 的帧信息也包括三部分 , 分别是接 收到的帧状 态、 接 收 标 识符 和接 收 到的数 据 。 C A N报 文 的接 收我 们 采 用 的 是 中断 接 收 方 式 。 当 C A N总线的节点使 能中断接收后 , 验收滤波器或 者处于旁路模式 , 或者接收到的帧 I D在验收滤波器 的 R A M 中存放 , 就 会触 发接 收 中断 。C AN控制 器 可 以从接收帧状态寄存器 、 接收标识符寄存器 和接收 数据寄存器中读取接收到的报文 。接收成功 以后释 放 缓 冲 区 , 用 于存放 下 次接 收到 的报 文 。 4 C A N 通信协议设计 主 C P U和 I / O板 之 间的 C A N通信 流程 如 下 。 1 主 C P U 向全 部 I / O板发 送 标 准 远程 帧 。为 了通信方便 , 当验收滤波器处 于旁路模式时 主 C P U 发 送 的 I D 是 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 。初 始 上 电 之 后 ,主 C P U 向所有 I / O板 发 送 一 个 远 程 帧 , 要 求 所 有 的 I / 0 板 回送一个字节的数据 , 标识 自己的位置信息及 所接 物 理量 的线 数 。位 置 信 息 包 括 芯 片类 型 、 所 在 底 板 号 、 板子类型 、 所在插槽号。物理量线数代表 I / O板 所 接 的物理 量 的个 数 。 2 I / O板在验收滤波器处于旁路模式 时, 都能 接收到主 C P U发来 的请求 I / O板位置信息的远程帧 该 远程 帧 的 I D 为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 , 并 触 发 接 收 中 断 。 当 I / O板 收 到 I D为 O X 0 0 0 0 0 0 0 0的远 程 帧 后 , 就 立 即将 自己的位 置信 息 发送 给主 C P U。 3 当主 C P U接 收 所有 I / O 板 发来 的一 个 字 节 的数据 帧后 , 将 进行 一 系列 的处 理 。 ①建立一个输出板位置码表和一个输入板位置 码 表 , 分别 保存 各输 出板 发 来 的 I D 和各 输 入 板 发 来 的 I D, 并 且将 所 有 的 I D按 照从 小 到大 的顺序 排 列 。 ② 发送 I D为 O x 1 3 F的数 据 帧 , 此 帧 的 发 送 数 据 寄 存 器里 存 放 着底 板 0上所 有 输 出板 的位 置 码 相 与 后 的配 置 码 0和底 板 1上所 有输 出板 位 置码 相 与后 的配置码 1 如果有底板 1的话 。此帧有同步信号 的作用 。 ③将 I D按从小 到大的顺序存放 到验收滤波器 的 R A M 中, 并设置验收滤波器 的模式为工作模式。 4 输出板在接到 I D为 0 X 1 3 F的数据帻之后 , 设置滤波码并将滤波的旁路模式改为工作模式 。输 出板建立滤波码 的方法是 ①建立接受主 C P U发到 同一底板 的所有输 出板 的滤波码. 根据接到 I D为 0 X 1 3 F的数据帧的数据字 节数来首先建立 1 项或者 2项滤波码 , 如果接到的是 1 个 字 节 ,则 首 先 建 立 1项 I D, 该 I D 高 5位 为 O 0 l O I , 低 六位 为上 面生 成 的 底 板 0的输 出板 配 置 码 0 。如果 接 到 的是 2个 字 节 ,则 首 先 建 立 2项 , 第 1 项 与上 述相 同 , 第 2项 I D的高 5位 0 1 0 0 1 , 低 6位 为 上 面生 成 的底板 1的 输 出板 配置码 1 。 ②建立接收主 C P U发到该输出板的数据帧的滤 波码 , 该 I D高 5位 0 0 1 0 , 低 6位为本板在底板上的 位 置编 码 。 ③建立某输出板发到该输 出板的数据帧 的滤波 码 1 0 1 0 1 , 低 六位 为本 板在 底板 上 的位置 编码 。 ④将这三种滤波器进行排序 , 并按照从小 到大 的顺序存放到输出板的验收滤波器的 R A M 中。 输 入板 在接 到 I D为 0 X 1 3 F的数 据 帧之 后 , 设 置 滤 波码 并将 验 收 滤 波 器 的 旁 路 模 式 改 为 工 作 模 式 。 输 入板 建立 滤波 码标 的方 法是 ①接收主 C P U发送到所有输入板的标准帧的滤 波 码 , 该 帧 的 I D为 0 X 8 0 。 ②接收主 C P U发送到本输入板 的标准帧 的滤波 码 , 此 I D的高 5为 0 0 1 1 0或 0 1 0 1 0 , 低 6位为本板在 底 板上 的位 置码 。 ③输入板对两个滤波码按照从小到大 的顺序存 放 到输 入板 验收 滤波 器 的 R A M 中。 5 主 C P U向全部输入板发送标准远程帧要求 回送 2个 字 节 的数 据 , 该发 送帧 的 I D为 O X 8 0 。用 于 P L C梯 形 图 的解释 执行 。 6 输 入 板 收 到 来 自 主 C P U 板 发 来 的 I D 为 0 X 8 0的请求数据 的帧后 , 填写发送帧状态寄存器 、 发 送帧标识符 寄存器 , 发送 数据 寄存 器, 然后 启 动发 送 。 7 主 C P U 收 到 输 人 板 的采 集 的 数 据 后 , 用 于 S I P R O M 编码 的解 释执 行 , 刷 新 输 出结 果 , 并 向 输 出 板 发送数 据 帧 , 该 数 据 帧 的数 据 寄 存 器 中存 放 着 刷 新 的输 出结 果 。 8 输 出板收 到来 自主 C P U发送 的数 据 进 行 截 取数据 , 来选择 自己对应 的 2个 数据字节。并行 截 取数据的算法如下 m e 8 该输 出板 所在的底板上的所有输出板的配置码 。 m e s N O 输 出板在底板上插槽编号 。 h 表示移动 的位数 , 初始化为 5 。 me s C o p y是 / iq e 8 的拷贝 , N O C p y 是 me s N O的拷贝 。 NOCp yme s NO; w h i l e m e s C o p y h 0 & N O C p y t - h 0 { i f me s C o p y z - h 0 & & N O C p y , h 1 j ; m e s Co p y me g ; 2 0 1 1年 8月 王珍珠, 等基于 A R M 的 P L C的 C A N通信协议设计与实现 6 3 NOCp y me s NO ; h一一; } 根 据 J 值 来确 定 截取 哪些字 节 。 如 果 j 0截 取 第 2和第 1字节 如 果 J 1截 取 第 4和第 3字节 如 果 j 2截 取 第 6和第 5字节 如果 J 3截取 第 8和第 7字节 通信协议流程图如图 2所示。 c A N 控制器初始化验收滤 『 波器设为旁路模式 t 句所有Ⅳ 啦泼 送Ⅲ为0 x O 0 I l } g 请求Ⅳ 0 板信息的远程帧 『 ● ● I , 0 板收到远程帧后将各自 『 的信息发给主c P u ● 主C P U 收到Ⅳ 板发来的信 息后将收到的m进行升序 排序 t 主C P U I D 为0 x l 3 F 的效 据帻 输 出 板 收 到 m 为 j 输 入 板 收 到 I I 为 O X 1 3 F 的 帧 后 ,填写 0 X 1 3 F 的帧后。填 A F 【 表格,并 ● ● 一 ● A F 【 表格 。并j 设 置 A F 为 工 作 模 式 J 置 A F 为 工 作 模 式 庄C P U 发 送m为O x 1 3 F 的帧成 l功后 ,将m按升序存放到A F I M中设置A F 为工作模式 L 一 主C P U向输入板发送请 输入板收到I d O x S O 求采集数据m为0 x 8 0 帧 的 帧后, 能 够匹 配A F I 输出 板收到 I d 为 RA M表格,触发接收 ● 一 ● 0 O x 8 0 的帧后,不能 中断将采集的数据发 够匹配A F RA M表 给主C P U 格 ,将丢弃该帧 主C P U 收到输入板发来的 数据并用于梯形图的解释 执行,将执行后的结果发 送到C A N 总线上 输 入 板 收 到 主 C P U 』 输 出 板 收 到 主 C P U 的数据帧后 ,不能 的数据帧后 ,能够 匹配A F I L A M表格 。 够匹配A F m 表 ● } 一 1 ■ 将触发接收中断并 格 。将丢弃该帧 截取该输出板需要 的数据 输出板将截取蓟数据进行 处理并输出到外部实现 P L C 的控制功能 图 2通 信 协 议 流 程 图 5 实验验证 利用串口调试助手和 I / O测试台对该 P L C通信 模块进行 测试 。当主 C P U接收 到一帧 时 , 就将 该 帧 的 I D发到串口调试助手 , 用 I / 0测试台可以模拟数据的 采集 和输 出。观 察 串 口调试 助手 , 可 以清 晰地 看 到主 C P U收到了所有输入板和输出板的信息 , 有效地验证 主 C P U和 I / O板之间的通信的正确性和可靠性。 6 结束语 本 文针 对 P L C系统 的 主 C P U和 I / O板之 间数 据 传输 的需 要 , 设 计 并 实 现 了进 行 数 据 采 集 和输 出 的 C A N通信协议 。该通信协议在充分考虑 P L C系统需 要的基础上进 行 了 I D设计 和通信机制的设计。通 过验证 , 该通信机制可 以准确可靠地运用到 P L C通 信模 块 中 。 【 参考文献 】 [ 1 ]唐 明军.基于 A R M 的可 编程控制 器的研 制 [ D] .南京 南京信息工程大学 , 2 0 0 7 . 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