基于Beckhoff的在Linux系统的CAN通信方法.pdf
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1、2023 年第 10 期76计算机应用信息技术与信息化12 ZHANG Y,HE J,GUO S,et alEnergy efficiency max-imisation in wireless powered networks with cooperative non-orthogonal multiple accessJ.IET communications,2018,12(18):2374-238313 赵亚楠,季薇,宋云超,等.协作 NOMA 系统中的一种新型节能功率分配方案 J.信号处理,2021,37(7):1324-1331.14 周宇超,杨洁,曹雪虹.自适应遗传算法下的 NOM
2、A 用户动态分簇 J.信号处理,2021,37(5):835-84215 郝少伟,李勇军,赵尚弘,等.基于改进粒子群算法的多载波 NOMA 功率分配策略 J.电子学报,2020,48(10):2009-2016.16 刘俊芳,张雪英,宁爱平 PSO和ABC的混合优化算法J.计算机工程与应用,2011,47(35):32-34+44.【作者简介】孙晨(1995),女,河南商丘人,硕士研究生,研究方向:无线通信。(收稿日期:2023-05-12 修回日期:2023-05-30)基于 B e c k h o f f 的在 L i n u x系统的 C A N通信方法李 幸1LI Xing 摘要 针对
3、汽车在环仿真系统中的 CAN 通信部分,提出了在 Linux 系统的基于 Beckhoff的 CANOpen 板卡自动读取 DBC 配置信息并收发 CAN message 的程序。首先介绍了基于 EtherCAT 的应用层协议:CANOpen,这是 CAN 板卡使用的协议。其次介绍了 EtherCAT 的主从站工作模式,这与 SOEM 库作为主从站程序的原理是相同的。最后提出了如何使用 SOEM 库去实现完整的 CAN 收发和解读数据后曲线显示功能。所提出的方法可以在工业界作为廉价实现 CAN 功能的参考。关键词 Beckhoff;CANOpen;CAN 通信;SOEM doi:10.3969
4、/j.issn.1672-9528.2023.10.0161.同济大学 上海 2000820 引言在现代汽车工业中,hardware-in-the-loop(HIL)台架技术已成为汽车电子控制系统开发和测试中不可或缺的一环。HIL 台架可以模拟各种复杂的汽车驾驶场景和环境,以便测试和验证车辆控制系统的功能、性能和稳定性。为了实现更加精确、高效和可靠的测试,近年来越来越多的研究关注于如何优化 HIL 台架中的硬件设备和软件平台1。本文的研究就着眼于如何利用 Beckhoff的 CANOpen 板卡作为汽车仿真的廉价可靠的 CAN 通信设备。CANOpen通信协议已经被广泛应用于各种控制系统中。然
5、而,在实际应用中,如何快速和可靠地实现 CANOpen 通信仍然是一个具有挑战性的问题。为了解决这一问题,开源社区开发了一种名为 simple open EtherCAT master(SOEM)的软件库,用于实现 EtherCAT 和 CANOpen 通信。SOEM 支持多种平台和操作系统,并且具有高度可移植性和灵活性。本文的上位机软件就是在 simulink 中完成车辆仿真,并使用 Beckhoff的公司的 EtherCAT 的 CAN 卡 EL6751 代替CANoe 的一部分功能,如 CAN message 收发、信号波形显示等。所有程序在 Linux 系统实现,从而保证更好的实时性能
6、,保证测试的可靠性和稳定性。本文的研究成果对于汽车电子控制系统的开发和测试具有一定的参考价值。1 相关技术介绍1.1 CANOpen 通信配置 CANOpen 协议通常分为用户应用层、对象字典以及通信三个部分。核心部分是对象字典,描述了应用对象和CANOpen 报文之间的关系。CANOpen 通信定义了协议通信规则以及与 CAN 控制器驱动之间对应关系,用来描述通信 2023 年第 10 期77计算机应用信息技术与信息化设备和它的网络行为的所有参数2。每个对象都有一个与之对应的对象组,对象组中包含了索引值、子索引、数据类型、是否支持 PDO 映射、取值范围等数据。通信对象主要包含四部分:网络管
7、理报文(network management,NMT)、服务数据对象 SDO、过程数据对象PDO、预定义报文或者特殊功能对象3。其中,特殊功能对象包括同步对象(synchronized,SYNC)和紧急事件(emer-gency,EMCY)。服务数据对象SDO主要用于向从站中写参数。过程数据对象 PDO 主要用于向从站中发送过程数据。1.2 EtherCAT 帧结构EtherCAT 将数据内容嵌入到以太网的标准帧格式中,形成 EtherCAT 数据帧。如图 1 所示。由于 EtherCAT 被优化为适用于短周期性的过程数据,因此不需要庞大的协议栈(例如 TCP/IP 或 UDP/IP)4,只需
8、要通过 RJ45 网线连接主机和EtherCAT 板卡即可。图 1 EtherCAT 的帧结构EtherCAT 帧的数据包头中命令字段决定寻址模式(包括设备寻址和逻辑寻址),数据包以读或者写方式工作,地址区字段决定哪一个从站接收、处理相应的数据包。1.3 EtherCAT 主从站工作模式(1)主站扫描从站。主站发送广播帧到总线上,扫描所有从站是否响应。从站接收到广播帧后,将自身的信息返回给主站。(2)主站配置从站。主站在扫描到从站后,将根据需要配置从站的参数,如通信速率、数据传输方式等。(3)主站周期性发送数据。主站通过周期性发送数据帧的方式,向从站发送控制命令或者获取传感器数据等信息。数据帧
9、的传输采用 master-to-slave 方式,以保证实时性。(4)从站响应主站的数据帧。从站接收到主站发送的数据帧后,根据控制命令或者传感器数据的请求做出相应的响应。(5)从站周期性地发送数据。从站也可以周期性向主站发送数据,如传感器测量值等信息。数据帧的传输采用master-to-slave 方式。(6)诊断和监测:EtherCAT 协议提供了丰富的诊断和监测机制,主站可以随时监测从站的状态,以便快速定位和解决故障。总的来说,EtherCAT 主从站的工作模式是基于实时以太网协议,通过主站和从站之间的数据交互,实现控制和数据采集等功能。整个 SOEM 库的思想和实现方式和以上 6 个步骤
10、类似,因为 CANOpen 板卡是建立在 EtherCAT 主从站工作模式下完成的。1.4 SOEM 库引入SOEM 在 Linux 平台有现成的软件库,集成了上述EtherCAT 的工作模式,本文将直接介绍和使用 SOEM 配置EtherCAT 板卡相关的函数。表 1 SOEM 重要 APIAPI说明ec_init初始设置 EtherCAT 接口ec_config_init完成时,所有从站进入 PRE_OP 状态,所有数据都存储在一个全局数组中ec_config_map所有 PDO 映射到 IOmap,包括输入和输出ec_configdc配置 DC 从站,测量传输延迟ec_statechec
11、k检查从站的从属状态,这是一个阻断功能ec_SDOwriteCoE SDO 服务数据写入给从站ec_send_processdata发送 pdo 过程数据给从站ec_receive_processdata接收各从站的 pdo 过程数据ec_writestate将预设的状态写入从站中1.5 DBC 文件的简单解读DBC(database CAN)表示 CAN 的数据库文件中的一种文件格式5,DBC 文件详细定义了 CAN 通信矩阵的信息,包含网络节点、数据类型、精度、偏移以及数据枚举量等6。CANOpen 板卡可依照此文件配置输入输出。DBC 文件内容主要可分为 8 部分信息,包括版本与符号、波
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