【摘 要】
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随着物联网的发展,现场总线技术被逐渐应用于自动控制领域。其中,CAN总线凭借其优良的性能和低廉的成本被广泛应用于各个行业。但由于CAN总线仅对物理层和数据链路层做出了定义,无法满足工业自动化应用中设备的互联互通需求,需要一个高层协议来定义报文中标识符和数据字段的使用。CANopen协议由CIA制定,一经推出便在欧洲受到广泛认可,如今已经是世界上最流行的基于CAN总线的应用层协议,具有广泛的适用领域
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随着物联网的发展,现场总线技术被逐渐应用于自动控制领域。其中,CAN总线凭借其优良的性能和低廉的成本被广泛应用于各个行业。但由于CAN总线仅对物理层和数据链路层做出了定义,无法满足工业自动化应用中设备的互联互通需求,需要一个高层协议来定义报文中标识符和数据字段的使用。CANopen协议由CIA制定,一经推出便在欧洲受到广泛认可,如今已经是世界上最流行的基于CAN总线的应用层协议,具有广泛的适用领域。iCAN协议是由广州致远电子公司研发的基于CAN总线的应用层协议,具有我国自主知识产权。它实时可靠,协议简单,开发难度较小,为中小型CAN总线应用网络的搭建提供了一种低成本的解决方案。由于我国现场总线技术起步较晚,且iCAN设备无法与应用其他CAN高层协议的设备通信,导致其应用受限。本文设计的网关模块能够实现CANopen协议与iCAN协议间的数据转换,使iCAN设备兼容于应用广泛的CANopen网络,极大增强其开放性,有助于推动国产总线技术iCAN的进一步应用和我国自主知识产权产品的开发。论文首先阐述了CANopen协议与iCAN协议的特点和应用现状,对网关模块的研究意义进行了详细说明。然后对网关设计过程中应用到的技术进行了简要说明,重点分析了两种协议的通信机制和本文应用的FreeRTOS操作系统的工作原理,通过需求分析提出了网关模块的通信方案和总体软硬件设计方案。接着根据总体硬件设计方案,提出了网关模块的硬件架构,并选择STM32F107VCT6作为主控芯片进行硬件平台的搭建,对CAN通信接口电路、电源电路、USB转串口电路进行了设计。之后以网关模块硬件平台为依托,移植FreeRTOS操作系统作为软件平台来进行程序的设计,利用其任务管理功能和队列与信号量机制来进行网关模块功能的开发。通过移植CANfestival协议栈,实现iCAN协议通信函数,开发驱动程序,配置对象字典,设计数据转发流程来实现网关模块的通信功能与协议转换功能。最后搭建硬件实验平台,将网关模块同时接入CANopen网络和iCAN网络,通过CAN分析仪抓取CANopen设备与iCAN设备通信的报文,分析报文并对网关模块的协议转换功能进行验证。经实验证明,本文设计的网关能较好地实现CANopen协议与iCAN协议间的数据转换,支持CANopen设备与iCAN设备间的双向通信,对拥有我国自主知识产权的iCAN协议的应用推广有良好的促进作用。
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