基于CANopen協(xié)議的力矩傳感放大器MP55應(yīng)用

1、基于CANopen協(xié)議的力矩傳感放大器MP55應(yīng)用 熊四昌 李保（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310032） 摘要: 在分析了CANopen協(xié)議后，介紹了基于CANopen協(xié)議的力矩傳感器配套使用的放大器MP55，MP55是基于光電磁效應(yīng)的全橋載波頻率放大器，對于壓力、扭矩和位移傳感器以及變化范圍比較大的各種力傳感器都可以使用。通過訪問MP55的對象字典可以對傳感器的各種參數(shù)以及采集數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置和約束，如傳感器采集數(shù)據(jù)峰峰值限制以及輸出控制模擬信號給執(zhí)行器件、傳感器放大靈敏度、通信波特率以及濾波頻率等。系統(tǒng)中測試數(shù)據(jù)超限后，利用MP55給PLC發(fā)的控制信號實(shí)現(xiàn)了對待測工

2、件的保護(hù)。關(guān)鍵詞: CANopen協(xié)議; MP55; CAN總線; 力矩傳感器中圖分類號：TP271+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B The Application of Torque Transducers MP55Based on CANopen Bus ProtocolXIONG SI-chang LI Bao（The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology, Hangzhou, 310032, China）Abstract: Analyzed th

3、e CANopen bus protocol, Then introduced especially the application of MP55 module based on CANopen bus protocol, The MP55 module from the PME product line was a carrier-frequency and full bridge amplifier, and was ideal for connecting the widest possible technological varieties of force, pressure, t

4、orque and displacement transducers as well as load cells. a series of Parameters and metrical datas are assigned and confined using Object Directory , for example peak-to-peak value and analogy control value transmitted to control equipment、sensitivity of transducers、baud rate and filter rate. In th

5、e event of exceeding a limit value level. Control signal which are tranmitted to PLC by MP55 will take effect.Keywords: CANopen bus protocol；MP55；CAN bus；Torque Transducers引言現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場在利用傳感器測量場合中多使用CAN總線傳輸測試數(shù)據(jù)，CAN總線實(shí)現(xiàn)比較簡單、成本低、可靠性高并且抗風(fēng)險能力強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用。上位工控機(jī)利用CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)，然而對傳感器的參數(shù)以及傳輸數(shù)據(jù)約束卻很難做到。必須要使用其它設(shè)備來

6、協(xié)助完成。例如當(dāng)傳感器測量數(shù)據(jù)超限無法及時觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出保護(hù)信號，對傳感器的靈敏度也不法進(jìn)行設(shè)置同時對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式及其類型也不能直接規(guī)定?；贑ANopen協(xié)議的傳感器配套使用的放大器MP55可以方便的實(shí)現(xiàn)對傳感器參數(shù)及其數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和限制。MP55是CANopen設(shè)備用戶可以通過訪問它的對象字典實(shí)現(xiàn)對傳感器的各項(xiàng)控制。同時當(dāng)MP55檢測到測試數(shù)據(jù)超限后可以向執(zhí)行器件例如PLC和伺服電機(jī)發(fā)出控制信號從而保護(hù)待測對象。而不需要經(jīng)過上位工控機(jī)檢測到數(shù)據(jù)超限后與PLC和伺服放大器通信?，F(xiàn)在國內(nèi)使用此類設(shè)備的場合還很少。通過介紹希望能給國內(nèi)測量工作者們一些借鑒。1 .CANopen協(xié)議的核心內(nèi)容C

7、ANopen模型中共定義了四種通信對象2（COB）：過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data Object)、服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO(Service Data Object)、網(wǎng)絡(luò)管理對象NMT(Network Management Object)和特殊功能對象。同時CANopen協(xié)議中為了對各對象進(jìn)行規(guī)范化管理，它定義了設(shè)備的對象字典，它是一個有序的對象組。每個對象字典通過16位的索引值和8位的子索引值來尋址。這兩部分內(nèi)容是CANopen協(xié)議的核心內(nèi)容。程呵飛2等在基于CANopen協(xié)議的車載平臺數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中對此都有詳細(xì)介紹。這里就不詳細(xì)介紹。測試系統(tǒng)中MP55在預(yù)操作階段中PC機(jī)只能對S

8、DO和NMT和特殊功能對象訪問。即主要是對傳感器的參數(shù)及數(shù)據(jù)格式和類型等進(jìn)行設(shè)置。不能傳輸實(shí)時測試數(shù)據(jù)。只有當(dāng)進(jìn)入操作階段時CANopen協(xié)議的四種通信對象都可以問。從預(yù)操作階段進(jìn)入操作階段是靠PC機(jī)對MP55發(fā)送啟動遠(yuǎn)程楨（0X01）來實(shí)現(xiàn)的。停止數(shù)據(jù)傳輸需要發(fā)送（0X80）從而使MP55進(jìn)入預(yù)操作階段。2 力矩傳感放大器MP55應(yīng)用應(yīng)某航天研究所要求設(shè)計(jì)一套能測量阻尼穩(wěn)速展開機(jī)構(gòu)在不同環(huán)境下，在不同展開速度過程中的各種性能指標(biāo)的儀器，系統(tǒng)選用德國HBM公司的旋轉(zhuǎn)力矩傳感器、反作用力矩傳感器和配套放大器MP55來測量輸出力矩。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：待測 部件旋轉(zhuǎn)力矩傳感器反作用力矩傳感器

9、USBCAN智能轉(zhuǎn)換卡工業(yè)控制計(jì)算機(jī)MP55組件MP55組件PLC交流伺服電動機(jī)圖2-1 MP55系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖21 MP55的對象字典CANopen協(xié)議中制造商特定子協(xié)議區(qū)（2000-5FFF）中提供了很多與測試傳感器有關(guān)的參數(shù)，其中有些是只讀的。有些是即可以讀取又可以寫入的。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)并不是每一個都要設(shè)置。要根據(jù)系統(tǒng)對傳感器的要求來選擇某些項(xiàng)設(shè)置，它通過上位機(jī)訪問SDO對象來實(shí)現(xiàn)。SDO請求和應(yīng)答報(bào)文總是包括8個字節(jié)，其中數(shù)據(jù)字節(jié)不夠的就在后面補(bǔ)0。例如要設(shè)置與旋轉(zhuǎn)力矩傳感器相連的MP55的濾波頻率為200HZ，請求報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文的格式和內(nèi)容如表2-1和2-2所示CAN-ID第一字

10、節(jié)第二字節(jié)第三字節(jié)第四字 節(jié)第五字節(jié)第六字節(jié)第七字節(jié)第八字節(jié)600+32B902101BB03××表2-1 SDO發(fā)送報(bào)文格式CAN-ID第一字節(jié)第二字節(jié)第三字節(jié)第四字節(jié)第五字節(jié)第六字節(jié)第七字節(jié)第八字節(jié)580+360902101××××表2-2 SDO應(yīng)答報(bào)文格式對于發(fā)送報(bào)文而言，CAN-ID中603H，即110 0000 0011，前4位1100為CAN的功能碼，它決定通信對象的優(yōu)先級別，后7位0000011為節(jié)點(diǎn)號，它區(qū)分不同的CAN節(jié)點(diǎn)。CAN節(jié)點(diǎn)號由用戶自己定義，這里設(shè)定為3。第一個字節(jié)2B代表的是要寫入兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，第二、三

11、字節(jié)是對象字典的索引，它是低位在前高位在后，第四字節(jié)代表的是對象字典的子索引。從二、三、四字節(jié)可知此SDO是針對索引為2190子索引是01的對象字典操作的。第五-八字節(jié)是數(shù)據(jù)字節(jié)，代表的是要寫入的數(shù)值，它也是低位在前高位在后，從設(shè)備參考書可知MP55中濾波頻率200HZ對應(yīng)的數(shù)值是962B，即3BBH，第七和八字節(jié)不關(guān)心，可全填為0，因此此發(fā)送報(bào)文SDO即為：06032B902101BB030000。對于應(yīng)答報(bào)文而言，它的結(jié)構(gòu)和發(fā)送報(bào)文基本類似，583H是CAN-ID，第一字節(jié)中60表示成功設(shè)置碼，如果發(fā)送報(bào)文錯誤。則此字節(jié)為80H，實(shí)際應(yīng)用中。上位機(jī)可通過檢測第一字節(jié)來確認(rèn)發(fā)送報(bào)文是否正確，

12、。如果第一字節(jié)是80的話，那么此時的第五-八字節(jié)記錄的是錯誤信息。用戶在使用中可以根據(jù)這四個字節(jié)的內(nèi)容查詢得到錯誤信息。這里有些細(xì)節(jié)要注意：（1）發(fā)送報(bào)文的第一個字節(jié)由該對象字典事先定義好，寫時要查看清楚，2F表示寫一個字節(jié)、2B表示寫兩個字節(jié)、23表示寫三個字節(jié)。具體是讀寫幾個字節(jié)要查看協(xié)議中此對象字典的使用說明（2）第五-八字節(jié)的數(shù)據(jù)部分的小數(shù)位數(shù)要注意。要以整數(shù)形式寫入。這里再舉幾個例子說明，例如要設(shè)置傳感器的平衡零重為23.250Kg，那么發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)格式應(yīng)該為：060323802101D25A0000，第五、六字節(jié)的數(shù)據(jù)部分要注意小數(shù)點(diǎn)問題，數(shù)據(jù)應(yīng)該是23250，即5AD2（H）；要

13、設(shè)置傳感器的靈敏度為3mv/v。那么發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)格式應(yīng)該是：060323322101BC020000；設(shè)置傳感器的單位為Nm，那么發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)格式應(yīng)該為：06032B22210158060000；設(shè)置MP55中顯示測量數(shù)值的小數(shù)點(diǎn)為數(shù)為3位，發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)格式為：06032B20210103000000，對應(yīng)每個發(fā)送報(bào)文上位機(jī)都會收到一個應(yīng)答報(bào)文，它的格式如表2-2所示，對其它對象字典的訪問數(shù)據(jù)格式與此類似。22 MP55的過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data Object) 在利用傳感器的測試系統(tǒng)中最重要的不是對傳感器參數(shù)設(shè)置，而是如何滿足系統(tǒng)性能要求的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在CANo

14、pen設(shè)備中SDO和PDO都可以傳輸數(shù)據(jù)。但兩者的工作原理和方式是不同的。SDO是應(yīng)答型因此當(dāng)上位機(jī)要求數(shù)據(jù)時需要給相應(yīng)的對象字典發(fā)生報(bào)文，然后等待接收報(bào)文，對于本系統(tǒng)中與旋轉(zhuǎn)力矩傳感器相連的MP55而言，如果要讀取旋轉(zhuǎn)力矩傳感器測的凈力矩值，查詢協(xié)議可知此對象字典的索引為2001，子索引為01，因此它的發(fā)送報(bào)文是6034001200100000000，上位機(jī)接收到的應(yīng)答報(bào)文為：58342012001，后四個字節(jié)是傳感器測得的數(shù)據(jù)部分。由此可知，利用SDO做到等時間間隔采樣，例如采樣時間0.5ms，上位工控機(jī)Windows系統(tǒng)是無法響應(yīng)的。因此對于系統(tǒng)大量的實(shí)時數(shù)據(jù)應(yīng)該使用PDO來實(shí)現(xiàn)。由CA

15、Nopen協(xié)議可知通信對象PDO中的內(nèi)容是預(yù)定義好的不需要其它協(xié)議設(shè)定。本系統(tǒng)中，對PDO內(nèi)容的預(yù)定義是要對對象字典中索引2410（子索引01）、2411（子索引01）和2412（子索引01）按系統(tǒng)要求寫入數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)要求測試數(shù)據(jù)為凈力矩值、數(shù)據(jù)傳輸速率為0.5ms、數(shù)據(jù)格式為32位的整型數(shù)。那么參照表2-1可得發(fā)送報(bào)文分別為：6032B102401D7000000，60323112401F4010000，6032B122401E5040000.PDO既可以使用廣播式報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)還可以由某個單獨(dú)的CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送。PDO的發(fā)送由測量節(jié)點(diǎn)接收到初始化時工控機(jī)發(fā)送的遠(yuǎn)程幀來觸發(fā)。此后測量節(jié)點(diǎn)一直以設(shè)

16、置的時間定時發(fā)送數(shù)據(jù)。需要停止PDO發(fā)送數(shù)據(jù)，只要發(fā)送終止報(bào)文即可。遠(yuǎn)程幀終止報(bào)文CAN-ID00第一字節(jié)01（01H）128（80H）第二字節(jié)節(jié)點(diǎn)地址（00=全部節(jié)電）節(jié)點(diǎn)地址（00=全部節(jié)電）表2-3 PDO的格式 從表2-3可知，要啟動PDO的發(fā)送，則上位機(jī)的遠(yuǎn)程楨為：0001（是某個MP55的節(jié)點(diǎn)號，00表示全部MP55），當(dāng)需要停止接收數(shù)據(jù)時，發(fā)送的終止報(bào)文為：0080（是某個MP55的節(jié)點(diǎn)號，00表示全部MP55），這一點(diǎn)在前面的CANopen設(shè)備啟動過程介紹中也可以看出。由MP55的制造商子協(xié)議可知，上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)格式如表2-4所示：CAN-ID第14字節(jié)第5字節(jié)180（H）+

17、節(jié)點(diǎn)地址數(shù)據(jù)（低位在前高位在后）數(shù)據(jù)狀態(tài)信息表2-4 接收數(shù)據(jù)格式如果接收到的數(shù)據(jù)有錯誤。那么可根據(jù)第5字節(jié)的狀態(tài)信息到已定義好的對象字典中查找出錯信息，此對象字典索引為2010，子索引為01。3 系統(tǒng)中MP55使用CANopen協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) CANopen 協(xié)議是CAN-bus的高層協(xié)議，它是一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。這個協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性。它能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)的通信模式，利用對象的字典可以提供設(shè)備功能描述和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。在本測試系統(tǒng)中。應(yīng)用基于CANopen協(xié)議的傳感器放大器MP55有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 利用MP55和所連接的傳感器可以方便的組成C

18、AN網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)?？稍O(shè)置其中一個是主節(jié)點(diǎn)，將其同步信號傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)當(dāng)中從而實(shí)現(xiàn)同步采集傳輸數(shù)據(jù)。（2） 借助CANopen設(shè)備的對象字典還可以實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能。比如可以通過對某些對象字典的設(shè)置從而實(shí)現(xiàn)對傳感器輸出值的峰峰值限制以及輸出數(shù)據(jù)格式的限制等。（3） 利用CANopen 設(shè)備對傳感器直接操作可使系統(tǒng)傳感器測試精度和靈敏度達(dá)到很高，例如本系統(tǒng)中傳感器測試精度可達(dá)到0.1%或者0.03%。（4） 利用CANopen設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較高速的等時間間隔采樣。這只需要對CANopen設(shè)備對象字典中PDO數(shù)據(jù)傳輸間隔進(jìn)行設(shè)置即可。4 系統(tǒng)測試曲線在對航天衛(wèi)星太陽翼組件阻尼穩(wěn)速展開機(jī)構(gòu)測試系統(tǒng)中，兩套CANopen設(shè)備MP55中使用反作用力矩傳感器放大器MP55的同步信號做為系統(tǒng)的同步采集信號，兩MP55中PDO傳輸間隔設(shè)置為0.5ms，上位機(jī)通過USBCAN智能轉(zhuǎn)化卡批次的接收經(jīng)CAN總線傳輸來的數(shù)據(jù)在測試軟件界面上