专利名称：一种基于CANopen的移动机械智能控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及CAN总线应用层协议CANopen与移动机械控制技术领域，特别是一种基于CANopen的移动机械智能控制器。
背景技术：
CAN总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。从OSI网络模型的角度来看同，CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。CANopen是CAN网络的一种应用层协议，其通信的概念和ISO的开放式系统参考模型(0SI)相似。CANopen建立在CAN数据链路层之上，除了对应用层规范进行定义外，CANopen还专门定义了位定时并且对一些连接器推荐了管脚定义。目前CANopen已经被广泛其应用于汽车、轨道交通、航空电子、工程车辆、新能源测控、注塑机、印刷设备、电梯、电动汽车等领域。当前我国正处于经济飞速发展时期，作为社会发展的基础支撑，交通设施、工程建筑行业等发展迅猛，对非道路移动机械其需求量也在大幅度增长。控制器是移动机械的心脏，其性能的好坏直接决定了整车效率的高低。目前国内控制器厂家较少，且性能较国外厂家偏低，国内移动机械控制器市场基本被国外控制器所垄断。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种基于CANopen的移动机械智能控制器，拥有丰富的I/o资源，具有完善的安全保护机制，能够满足功能安全的要求，可以广泛应用于移动机械控制领域。实现本实用新型目的的技术方案为:一种基于CANopen的移动机械智能控制器，包括处理器模块、电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块；所述电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块均与处理器模块相连接，其中，电源模块为处理器模块提供电源，系统状态监控模块对系统状态进行监控，总线通信模块为控制器提供接口。所述电源模块包括电源保护模块、电源转换模块、传感器供电模块和点火线开关。所述存储器模块包括Flash存储器、RAM存储器和非易失性NVRAM存储器。所述系统状态监控模块包括系统安全监控模块、安全继电器、功率级使能电路、温度传感器和实时时钟。所述输入输出模块包括安全关键功率输出模块、普通功率输出模块和多功能输入模块。所述总线通信模块包括CAN总线模块、多协议串口模块和LIN总线模块。所述处理器模块为英飞凌公司具有32位性能的16/32位单芯片微控制器XC2287M。所述系统状态监控模块为Microchip公司的PIC16F818微处理器。所述CAN总线模块包括可编程的CAN总线终端电阻。本实用新型的基于CANopen的可编程智能控制器，能够通过软件配置为CANopenMaster (可以提供CANopen配置管理等服务的主控制器)或CANopen Slave/Device (智能I/O扩展模块)，多个所述控制器可以组成CANopen分布式控制网络，支持IEC 61131-3标准PLC编程语言，能够通过CoDeSys进行用户编程，硬件部分包括主处理模块以及与主处理模块相连的外围电路，外围电路包括电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块。所述的电源模块由电源保护、电源转换、传感器供电与点火线开关等组成。电源保护能够对电源反接、过压和过流进行相应的保护，防止电流异常造成控制器的损坏，保证了控制器的安全；电源转换子模块将电池电压转换为控制器内部所需的工作电压；传感器供电子模块用于对外部传感器进行供电；点火线开关允许在一直供电的系统中通过软件关闭控制器。所述的存储器模块包括Flash程序与数据存储器、RAM存储器和非易失性NVRAM存储器。NVRAM用于保存系统调试信息和CoDeSys的RETAIN与PERSISTENT类型的变量。所述的系统状态监控模块包括系统安全监控、安全继电器、功率级使能电路、温度传感器和实时时钟等子模块。系统安全监控模块负责监控主处理器模块的状态，所有的功率输出由安全监控模块和主处理模块共同控制使能，此外安全关键的功率输出还要受到安全继电器的控制。所述控制器具有完善的安全保护机制，除了硬件安全保护机制，还包括程序运行状态监控与保护，支持在CAN总线失效时切换到预定义的安全输出状态，能够满足功能安全的要求。所述的输入输出模块由安全关键功率输出、普通功率输出和多功能输入(DI/AI/PD等组成。所有的功率输出由安全监控模块和主处理模块共同控制使能，此外安全关键的功率输出还要受到安全继电器的控制。所述控制器具有可高度复用的输入输出模块，可以通过软件选择复用为输入或输出，包括PWM、DO、D1、Al和PI等丰富的I/O资源；输入输出接口具有EMI滤波器，输入具有短路和过压保护，输出具有短路保护、开路检测和电流监测，保证了异常条件下控制器及外围设备的安全。所述的总线通信模块包括CAN总线模块、多协议串口模块、LIN总线模块等子模块。CAN总线模块具有可编程的CAN总线终端电阻，节点ID可以通过软件或硬件配置，支持自动波特率检测；多协议串口模块可通过软件配置为RS232、RS485或RS422等多种串行通信协议，支持外接GPS/GPRS ;包括一路LIN总线电路，可实现对驾驶室灯，窗户等的控制，能够满足不同应用情况下的通信需求。所述的基于CANopen的移动机械智能控制器基于CAN总线应用层协议CANopen,既可以通过软件配置为具有CANopen配置管理等服务的主控制器，用于连接CAN总线上支持CANopen的传感器、执行器和I/O扩展模块；也可以配置为I/O扩展模块，用于扩展主控制器的I/O资源。配置为CANopen Master时，支持SDO管理器、动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS主机、NMT主机/从机、SYNC主机和紧急消息等，同时支持SDO Server/Client ;配置为CANopen Slave/Device时,支持动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS从机、NMT从机、SYNC从机和紧急消息等，支持自启动。本实用新型与现有技术相比，其显著优点为:1)本实用新型的装置支持CAN总线应用层协议CANopen,能够通过软件配置为CANopen Master或CANopen Slave/Device,多个所述控制器可以组成CANopen分布式控制网络，支持IEC 61131-3标准PLC编程语言，能够通过CoDeSys进行用户编程，拥有丰富的I/O资源，具有完善的安全保护机制，能够满足功能安全的要求，可以广泛应用于移动机械控制领域；2)本实用新型的基于CANopen的移动机械智能控制器拥有高度复用的输入输出模块，可以通过软件选择复用为输入或输出，包括PWM、DO、D1、AI和PI等丰富的I/O资源，具有完善的安全保护机制，输入具有短路和过压保护，输出具有短路保护、开路检测和电流监测，包括系统安全监控模块、安全继电器、安全关键的功率输出等硬件安全保护机制，此外还能进行程序运行状态监控与保护，支持在CAN总线失效时切换到预定义的安全输出状态，能够满足功能安全的要求，保证异常条件下控制器及外围设备的安全，可以广泛应用于移动机械控制领域。
图1是本实用新型的基于CANopen的移动机械智能控制器原理框图。图2是基于本实用新型的CANopen分布式控制网络原理框图。图3是本实用新型配置为CANopen Master时的软件框图。图4是本实用新型配置为CANopen Slave/Device时的软件框图。图5是本实用新型的120 Ω可编程终端电阻的一种连接方法。图6是本实用新型的120 Ω可编程终端电阻的另一种连接方法。
具体实施方式
本实用新型的基于CANopen的可编程智能控制器，可以通过软件配置为CANopenMaster (可以提供CANopen配置管理等服务的主控制器)或CANopen Slave/Device (智能I/O扩展模块)，多个所述控制器可以组成CANopen分布式控制网络，支持IEC 61131_3标准PLC编程语言，能够通过CoDeSys进行用户编程，本实用新型提供完善的CANopen功能和服务，配置为CANopen Master时，支持SDO管理器、动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS主机、NMT主机/从机、SYNC主机和紧急消息等，同时支持SDO Server/Client ;配置为CANopen Slave/Device时,支持动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS从机、NMT从机、SYNC从机和紧急消息等，支持自启动；可以通过CANopen “下载程序数据”对象对所述控制器的固件程序进行更新。本实用新型的装置具有可高度复用的输入输出模块，可以通过软件选择复用为输入或输出，包括PWM、DO、D1、Al和PI等丰富的I/O资源；输入输出接口具有EMI滤波器，输入具有短路和过压保护，输出具有短路保护、开路检测和电流监测，保证了异常条件下控制器及外围设备的安全。本实用新型的装置包括系统安全监控模块、安全继电器、安全关键的功率输出等硬件安全保护机制，此外还包括程序运行状态监控与保护，支持在CAN总线失效时切换到预定义的安全输出状态，能够满足功能安全的要求。系统安全监控模块负责监控主处理器模块的状态，所有的功率输出由安全监控模块和主处理模块共同控制使能，此外安全关键的功率输出还要受到安全继电器的控制。多协议串口模块可通过软件配置为RS232、RS485或RS422等多种串行通信协议，支持外接GPS/GPRS ;包括一路LIN总线电路，可实现对驾驶室灯，窗户等的控制，能够满足不同应用情况下的通信需求。具有可编程的CAN总线终端电阻，节点ID可以通过软件或硬件配置，支持自动波特率检测。
以下结合附图对本实用新型的优先实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优先实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。结合图1，本实用新型公布的基于CANopen的移动机械智能控制器硬件部分包括主处理模块以及与主处理模块相连的外围电路，外围电路包括电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块:电源模块由电源保护、电源转换、传感器供电与点火线开关等组成；存储器模块包括Flash程序与数据存储器、RAM存储器和非易失性NVRAM存储器；系统状态监控模块包括系统安全监控、安全继电器、功率级使能电路、温度传感器和实时时钟等子模块；输入输出模块由安全关键功率输出、普通功率输出和多功能输入(DI/AI/PI)等组成；总线通信模块包括CAN总线模块、多协议串口模块、LIN总线模块等子1吴块。所述的基于CANopen的移动机械智能控制器硬件部的主处理模块选用了英飞凌公司具有32位性能的16/32位单芯片微控制器XC2287M，外围电路基于XC2287M的外设资源进行扩展。XC2287M最高工作频率80MHz，拥有16位外部数据总线，具有两个可同步ADC、一个16通道捕获/比较单元CC2、多达四个用于产生灵活PWM信号的捕获/比较单元(CXU6)、两个多功能通用定时器单元GPT、多达8个串行通道USIC、多达6个CAN节点的MultiCAN和多达119个GPIO等丰富的外设资源，能够满足所述控制器的硬件需求。CAN总线模块使用MultiCAN外接CAN收发器构成，多协议串行模块基于USIC外接多协议接口芯片实现，LIN总线模块由USIC外接LIN总线收发器组成。系统监控模块使用Microchip公司的 PIC16F818 微处理器，XC2287M 通过 USIC 与 PIC16F818 相连，PIC16F818 工作在 SPISlave模式，用于监控系统的工作状态，控制安全继电器，并与XC2287M共同控制所有功率级的使能。图2是本实用新型公布的基于CANopen的移动机械智能控制器组成的CANopen分布式控制网络的原理框图。一个所述控制器通过软件配置为CANopen Master，用作系统的主控制器，负责提供配置管理等服务，并管理连接到CAN总线上的基于CANopen的传感器、执行器以及被配置为CANopen Slave的其它所述控制器。除了本地1/0，主控制器还可以通过RPD0/TPD0访问其它从控制器上的远程1/0，在应用中可以根据实用需要使用多个所述控制器用于扩展1/0，极大的增加了系统的灵活性和可扩展性。图3是本实用新型公布的基于CANopen的移动机械智能控制器配置为CANopenMaster时的软件框图。系统启动后，首先运行CANopen Bootloader,上位机可以通过CANopen “下载程序数据”对象对所述控制器的固件程序进行更新；板级支持包(BSP)和系统监控程序提供了最基本的硬件访问功能；CoDeSys Runtime用于支撑通过CoDeSys开发的IEC用户程序的运行；IEC用户程序通过系统服务和CANopen Master协议栈访问所述控制器提供的各种功能和服务。配置为CANopen Master时，支持SDO管理器、动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS主机、NMT主机/从机、SYNC主机和紧急消息等，同时支持SDO Server/Client。图4是本实用新型配置为CANopen Slave/Device时的软件框图。系统启动后，首先运行CANopen Bootloader,上位机可以通过CANopen “下载程序数据”对象对所述控制器的固件程序进行更新；板级支持包(BSP)和系统监控程序提供了最基本的硬件访问功能；CoDeSys Runtime用于支撑通过CoDeSys开发的IEC用户程序的运行；IEC用户程序通过系统服务和CANopen Slave协议栈访问所述控制器提供的各种功能和服务。配置为CANopenSlave/Device时，支持动态SDO连接、CANopen网络变量、RPDO/THX)、可选节点保护/寿命保护或心跳协议、LSS从机、NMT从机、SYNC从机和紧急消息等，支持自启动。图5和图6是本实用新型的120 Ω可编程终端电阻的两种连接方法。图5中120 O终端电阻直接连接到CANJ^P CAN_L，通过软件控制电子开关K决定是否使能终端电阻；图6是可编程终端电阻的另一种连接方法，120 D电阻采用分裂端接方式，虽然此方式需要两个电子开关K，但在通信速度较高时可以减少电磁干扰，改善EMI特性。本实用新型的装置支持CAN总线应用层协议CANopen，能够通过软件配置为CANopen Master或CANopen Slave/Device,多个所述控制器可以组成CANopen分布式控制网络，支持IEC 61131-3标准PLC编程语言，能够通过CoDeSys进行用户编程，拥有丰富的I/O资源，具有完善的安全保护机制，能够满足功能安全的要求，可以广泛应用于移动机械控制领域；本实用新型的基于CANopen的移动机械智能控制器拥有高度复用的输入输出模块，可以通过软件选择复用为输入或输出，包括PWM、DO、D1、Al和PI等丰富的I/O资源，具有完善的安全保护机制，输入具有短路和过压保护，输出具有短路保护、开路检测和电流监测，包括系统安全监控模块、安全继电器、安全关键的功率输出等硬件安全保护机制，此外还能进行程序运行状态监控与保护，支持在CAN总线失效时切换到预定义的安全输出状态，能够满足功能安全的要求，保证异常条件下控制器及外围设备的安全，可以广泛应用于移动机 械控制领域。
权利要求1.一种基于CANopen的移动机械智能控制器,其特征在于,包括处理器模块、电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块；所述电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块均与处理器模块相连接，其中，电源模块为处理器模块提供电源，系统状态监控模块对系统状态进行监控，总线通信模块为控制器提供接口。
2.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述电源模块包括电源保护模块、电源转换模块、传感器供电模块和点火线开关。
3.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述存储器模块包括Flash存储器、RAM存储器和非易失性NVRAM存储器。
4.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述系统状态监控模块包括系统安全监控模块、安全继电器、功率级使能电路、温度传感器和实时时钟。
5.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述输入输出模块包括安全关键功率输出模块、普通功率输出模块和多功能输入模块。
6.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述总线通信模块包括CAN总线模块、多协议串口模块和LIN总线模块。
7.根据权利要求1所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述处理器模块为英飞凌公司具有32位性能的16/32位单芯片微控制器XC2287M。
8.根据权利要求4所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述系统状态监控模块为Microchip公司的PIC16F818微处理器。
9.根据权利要求6所述的基于CANopen的移动机械智能控制器，其特征在于，所述CAN总线模块包括可编程的CAN总线终端电阻。
专利摘要本实用新型公开了一种基于CANopen的移动机械智能控制器，能够通过软件配置为CANopenMaster或CANopenSlave/Device，多个所述控制器可以组成CANopen分布式控制网络，支持IEC61131-3标准PLC编程语言，能够通过CoDeSys进行用户编程。硬件部分包括主处理模块以及与主处理模块相连的外围电路，外围电路包括电源模块、存储器模块、系统状态监控模块、输入输出模块和总线通信模块。本实用新型可以广泛应用于移动机械控制领域。
文档编号G05B19/418GK202975764SQ201220689660
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者何海波, 孙波, 王羽, 杨卫超, 邓烨峰, 刘荣华, 闫文奇 申请人:中国船舶重工集团公司第七一六研究所