基于STM32的CANopen运动控制主从站开发

华中科技大学硕士学位论文基于STM32的CANopen运动控制主从站开发姓名：赵飞申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：陈冰;陈幼平2011-01-18I华中科技大学硕士学位论文摘要运动控制技术的发展经历了近一个世纪的历史，现场总线运动控制系统是当前运动控制系统应用的主流，基于现场总线的网络化运动控制系统布线简单，系统柔性高，易于扩展与复用，便于维护与诊断，是运动控制系统的发展方向。CANopen是开放的总线技术，广泛应用于自动化生产各个领域，目前国内CANopen通讯与设备的开发相对滞后，不利于基于CANopen高性能运动控制系统的自主研发与推广。本文在对CANopen协议研究的基础上，总结了CANopen规范应用于运动控制网络的优势，提出并实现了基于CANopen协议的运动控制主从站。本文首先总结了运动控制系统发展的历程，分析了现场总线运动控制系统的规范以及应用现状；接着分析了CANopen协议通讯规范及其应用于运动控制的设备规范，着重分析了CANopen同步机制，并将CANopen同步机制与运动控制相结合，提出了基于STM32微控制器嵌入式运动控制主从站，并详细描述了嵌入式运动控制主从站硬件与软件的具体架构。昀后，基于上述的运动控制主从站软硬件架构，结合项目中实际应用，实现了对CANopen标准I/O总线端子进行管理控制的嵌入式主站,以及响应运动控制PLC管理控制的嵌入式从站。关键词：CANopen运动控制嵌入式主从站II华中科技大学硕士学位论文AbstractThemotioncontrolsystemhasbeendevelopedfornearlyacentury,amongvariousmotioncontrolsystems,fieldbus-basedmotioncontrolsystemisusedmostinrecentyears.Theadvantagesoffieldbus-basednetworkmotioncontrolsystemaresimplyofsystemwiring,highflexibilityofthesystem,easytobeexpanded,reused,maintenancedanddiagnosised,etc,Forthesereasons,fieldbus-basednetworkmotioncontrolsystemwouldbequicklydevelopedinfuture.CANopenisanopenfieldbustechnologyandprotocol,whichhasbeenwidelyusedinautomationfields.ButthedomesticR&DinbothCANopencommunicationanddevicefieldisbehindthatineurope,whichpreventsthehighperformancemotioncontrolsystemfromdesigningandimplementing.ByrearshingthedetailedCANopenprotocol,advantagesofusingCANopenprotocolinmotioncontrolnetworkshavebeensummarized.Afterthat,theCANopen-basedembeddedmotioncontrolmasterandslaveraregiven,andthenimplemented.Atfirst,thehistoryofmotioncontrolsystemhasbeenintroduced,theprofileanduseofmotioncontrolsystemthatbasedonfieldbustechnologyarealsosummrized.SecondlytheCANopenprotocolanditsapplicationinmotioncontrolfieldarediscussed,afterthatSTM32microcontroller-basedembededmotioncontrolmasterandslavearegiven,andthespecifichardwareandsoftwarestructureofboththemotioncontrolmasterandslavearedescribedindetail.Atlast,basedonwhatdiscussedaboveandcombinedwiththeapplicationofactulproject,theembededmasterwhichsupportsthemanagerandcontrolfunctiontotheI/OterminalmodulesthatbasedonCANopenprofileisimplemented,andalsotheslavewhichcanbemanageredandcontrolledbythemotioncontrolPLC.Keywords:motioncontrol;CANopen;embededmaster&slave独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。1华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题来源本课题得到了以下项目的支持：（1）武汉市科技攻关计划项目：数字化高速并条机自调匀整控制和质量监控设备，项目编号：200951999565（2）十一五国家科技支撑计划重点项目：新一代纺织设备数字化单眼自调匀整高速并条机，项目编号：2007baf24b01（3）华中科技大学机械学院智能制造控制及软件工程研究室与天门纺织机械有限公司合作研发项目：全伺服高速并条机自调匀整控制器1.2课题研究的目的及意义运动控制技术的发展受益于微电子技术、计算机技术、高速数字信号处理（DSP）技术、自动控制理论以及网络通讯技术的发展[1]。近年来，运动控制系统在新兴的数控装备、机器人、电动汽车，过程工业，集成电路制造工业等领域发挥着日趋重要的作用。为了适应瞬息多变的市场需求并且保持良好的市场竞争力，提出了装备研发制造定制化、标准化、模块化以及可重配置的要求，这意味着运动控制系统必须具有开放性，柔性与可重配置的特点。基于总线通讯的网络化运动控制系统的提出满足了这种需求，所谓网络化运动控制系统是指构建于控制器与多轴电机伺服驱动器之间，能够实时同步地传输运动控制指令和接收系统运动状态的网络系统[2]，它的特点是通过串行通讯的现场总线形成一个或多个闭环运动控制系统，串行总线网络用于在分布的系统之间交换信息与控制信号[3]。在网络化运动控制系统中，运动控制器与数字智能驱动器之间通过串行网络来交换控制信息及传感器信号，将控制网络集成到运动控制系统中，取代传统的点对点连线控制。因此有很大的优势：布线成本低、便于安装、节省维护开销、传输带宽增加、有很高的可靠性[4]，并有利于网络与设备的标准化。在应用中提高了系统的柔性，也便于实现系统的诊断与维护。2华中科技大学硕士学位论文文献[5-7]介绍了多点RS-485网络控制结构、菊花链RS-232网络控制结构以及各种应用成熟的工业现场总线，甚至于以太网及其无线扩展标准[8],详细的运动控制网络协议已经发展并成熟应用起来了。包括应用于汽车与工业自动化领域的CAN总线，用于建筑自动化的BACNet[9]，以及用于过程控制的现场总线[10-12]。鉴于网络化运动控制系统的上述优势，我们在武汉市科技攻关计划项目—数字化高速并条机自调匀整控制和质量监控设备以及后续的项目中，采用CANopen运动控制网络实现并条机字条匀整系统的多轴同步运动控制，并取得一些进展。本文的研究与实验基于并受益于这些项目。1.3国内外研究现状1.3.1运动控制系统的发展历程控制系统的发展经历了组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统（DDC）、分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）及到现在刚刚开始的网络化控制的几个阶段[2]。早期模拟仪表控制系统基于电动单元组合式，采用了4-20mA模拟电流信号标准；上世纪50年代开始出现的直接数字控制系统（DDC）如图1-1所示，计算机取代了过程控制的模拟仪表，成为控制回路的一部分，并且与带模拟量输入输出的被控对象直接相连，控制过程信号的传递，计算与执行[13]。图1-1直接数字控制系统由于控制系统规模日益增大，所实现的控制算法也越来越复杂，控制系统计算能力3华中科技大学硕士学位论文的分布化显得愈来愈重要，并且随着微电子技术与计算机技术的迅速发展，控制系统计算能力的分布化逐渐成为可能。1975年霍尼韦尔公司开发出世界上第一个分布式控制系统TDC-2000[13]，赢得美国工业控制界高度评价，TDC-2000体现了分散控制、集中操作的思想，分散式控制系统结构见图1-2。图1-2分散式控制系统结构在分布式控制系统中，控制计算机与传感器和执行器直接相连，用来实现对工业过程的控制，操作员站用来监视与优化控制过程并保存过程数据，具体的控制功能由控制计算机执行，分布式控制系统网络上只传输开关信号、监视与报警信息等[13]。现场总线|（FieldBus）技术的发展是上世纪80年代末在电子技术与通信技术的基础上发展起来的，将数字通信取代传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，解决了工业化智能仪器仪表，控制器，执行机构等现场设备间的数字通信、现场控制设备和控制系统之间的信息传递问题，以现场总线为基础发展起来控制系统称为现场总线控制系统（FCS）[14]，现场总线控制系统为全数字系统。由于总线通信技术的发展、专用集成电路技术的进步及硅片成本的下降等因素，在现场总线控制基础上中，传感器和执行器可以带有独立的网络通讯接口，并成为实时网络中的控制节点，从而在上世纪90年代初期出现了网络化控制系统（NCS），网络化控制相对于现场总线控制系统的进步在于，网络化控制系统中所有执行器与传感器可以与控制计算机共享同一控制总线网络[13]。网络化运动控制系统结构如图1-3所示。4华中科技大学硕士学位论文图1-3网络化控制系统1.3.2运动控制总线发展历程与现状网络化运动控制系统的关键环节是实现由现场总线或工业以太网组成的控制网络，早在1983年，霍尼韦尔公司开发出在4-20mA的直流输出信号上叠加数字信号的新型差分信号驱动器，这就意味着现场装置与控制装置之间的数据交换开始由模拟信号向数字信号过渡；紧接着美国Rosemount在此基础上使用了自己的数字通信协议HART[13]。20世纪80年代初期以后，现场总线技术迅速发展，1984年美国仪表协会（ISA）下属组织与国际电工委员会（IEC）组织在开始致力于制定现场总线标准，SIEMENS的PROFIBUS与法国FIP总线成为当时现场总线标准的两大主流；1992年，西门子、ABB等自动化公司联合成立的ISP组织与1993年霍尼韦尔为首成立的WorldFIP组织，分别试图以PROFIBUS与FIP标准为基础制定新的现场总线标准；1994年，由ISP组织与WorldFIP部分组织合并成立的现场总线基金会