CANopen现场总线应用层协议主站的开发与实现

CANopen现场总线应用层协议主站的开发与实现 工学硕士学位论文CANopen 现场总线应用层协议 主站的开发与实现宋 威 北京工业大学2008年 5月分类号: TP336 单位代码: 10005 学 号: S200502115 密 级: 公开北京工业大学硕士学位论文题 目CANOPEN现场总线应用层协议主站的开发与实现 英文并列 THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A MASTER题目 OF THE APPLICATION LAYER FOR CANOPEN 宋 威研究生姓名: 检测技术与自动化装置 现场总线技术与嵌入式系统应用专业: 研究方向: 方穗明 副教授导师姓名 : 职 称: 论文报告提交日期 2008年 5月 学位授予日期北京工业大学 北京市朝阳区平乐园 100 号授予单位名称和地址 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的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,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名: 日期:关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签名: 日期:摘 要 摘 要 汽车内部电子控制器件的不断增加使网络化的汽车整体控制成为当前汽车电子产业的主要发展方向之一。CAN(Controller Area Network)总线由于其低成本、高可靠性、高抗干扰能力和高实时性等特点,成为汽车内部控制网络的主要载体。作为 CAN 总线的应用层协议之一,CANopen 具有高度的灵活性和可配置性,成为电动汽车和混合动力汽车控制网络的首选协议。 根据汽车系统的高实时性要求、多样的控制环境和 CANopen 协议本身的特点,建立 CANopen 网络的首要任务是建立一个实时运行、并行处理、灵活配置和可移植的 CANopen主站。为了实现上述目标,本文提出了基于散列表的对象字典设计和基于标准 C语言非抢占式任务调度机的 CANopen主站协议栈设计。 基于散列表的对象字典有效地克服了传统数组型对象字典可配置性差的问题。同时通过对散列表的溢出表实施实时排序,大大加快了对象字典的读取速度。 基于标准 C 语言的非抢占式任务调度机为 CANopen 事件的并行处理提供了良好的平台,并天生具有良好的可移植性。在此之上建立的 CANopen 主站协议栈具有良好的实时性、高度的功能独立性和可移植性。 经过实际网络测试,该 CANopen主站设计实现了昀高 5kHz的数据更新率,协议的完整度大大超过了开源协议栈。严格的代码结构也保证了较高的移植能力。关键词 控制器局域网;CANopen 应用层协议;实时系统;调度算法;可移植 - I - 北京工业大学工学硕士学位论文 ABSTRACT The trend to replace the mechanical parts in vehicle by microcontrollers makes the networklized systematic controlling an important research field in current vehicle research domain. As one of the main network platforms, CAN Controller Area Network bus is cheap, highly reliable, nosie-tolerant and real-time. Among the existed high level protocols based on CAN, the CANopen application layer protocol possesses excellent flexibility and configuration capability. Thus it is the first choice of nowadays control networks in electric vehicles and hybrid vehiclesSince the internal network of vehicle is extremely a real-time and comprehensive control system, and CANopen protocol works in a extremely flexible way, the most important task to build a CANopen network is to design a real-time, parallel working, flexibaly configurable and transplantable CANopen master. To implement this master, an object dictionary architecture based on hash algorithm and a CANopen master protocol stack design based on a non-preemptive task scheduler are proposedIn the architecture of object dictionary, the hash algorithm provides dynamic configuration capability, while traditional array based algorithms are impossible for run time configuration. By keeping overflow table in order, reading speed of the hash table is not obviously slower than that of array based methodsNon-preemptive task scheduler provides a perfact platform to parallelly process multiple CANopen events, and it is inborn transplantable because the only requirement is the standard C library. Therefore, the CANopen master stack built on this possesses excellent real-timing, code independency and transplanting performanceProved by practical network, the CANopen master works at a imal 5kHz data updating rate, provides more protocol compatibility. The rigidly partitioned source code also guarantees the easy transplanting to other platforms Keywords controller area network; CANopen application layer protocol; real-time system; scheduling algorithm; transplantable capability - II - 目 录目 录 摘 要. I ABSTRACTII 第一章 绪 论.1 1.1 课题的研究背景.1 1.1.1 现场总线与汽车电子.1 1.1.2 CAN 总线与 CANopen应用层协议2 1.2 课题的任务、难点及意义.4 1.3 论文结构.5 第二章 CAN总线及 CANopen应用层协议.7 2.1 简介.7 2.2 CAN现场总线协议7 2.3 CANopen应用层协议10 2.4 CANopen主站13 2.5 本章小结14 第三章 对象字典的设计和分析.15 3.1 简介.15 3.2 对象字典的特点15 3.3 基于散列表的实现方法16 3.3.1 传统的实现方法.16 3.3.2 基于散列表的方法.17 3.3.3 性能分析及速度优化25 3.4 本章小结29 第四章 任务调度机的设计与分析.30 4.1 简介.30 4.2 任务调度方法的提出.30 4.2.1 任务调度的必要性.30 4.2.2 调度算法的选择.33 4.3 任务调度机的实现.34 4.3.1 任务的抽象.34 4.3.2 调度算法.36 4.4 性能分析41 4.5 本章小结43 - III - 北京工业大学工学硕士学位论文 第五章 基于调度机的 CANopen主站协议栈设计.44 5.1 简介.44 5.2 协议栈的整体结构.44 5.3 驱动与报文队列45 5.4 同步报文的生成47 5.5 紧急报文处理.49 5.6 PDO报文处理.50 5.6.1 PDO 报文的接收.50 5.6.2 同步 PDO报文的发送.50 5.6.3 异步 PDO报文的发送.51 5.7 SDO报文处理.52 5.8 节点状态的维护53 5.8.1 心跳报文机制53 5.8.2 节点保护机制53 5.9 网络启动过程.54 5.9.1 CANopen主站的启动55 5.9.2 通讯配置.55 5.9.3 从节点启动过程.56 5.10 本章小结.58 第六章 CANopen主站的实现及测试.59 6.1 简介.59 6.2 主站测试平台.59 6.2.1 基于 WindowsXP的 CANopen 主站设计.59 6.2.2 线程间的数据通讯.60 6.3 测试数据分析.63 6.3.1 实时性63 6.3.2 WindowsXP平台上 CANopen主站的速度.64 6.3.3 WindowsXP平台上 CANopen主站的内存占用65 6.3.4 节点启动检查66 6.3.5 协议支持的完整性.68 6.4 关于可移植性的考虑.69 6.5 本章小结71 结 论.72 参考文献.73 附 录.77 - IV - CATALOG 附录 1 初始对象字典.77 附录 2 新建从节点所需要的对象字典项.78 附录 3 对象字典散列算法搜索时间计算函数79 附录 4 动态内存分配的简单实现.80 攻读硕士学位期间所发表的学术论文.83 - V - 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 课题的