摘要
随着工业控制系统的不断发展，形成了以3C技术（Computer，Control，Communication）融合为特征的综合应用领域。CAN总线作为这一技术的杰出代表，广泛的应用于包括工业、汽车、楼宇等各种自动化控制领域。CAN总线协议仅仅定义了物理层和数据链路层规范，形成了一个简单、高效、全开放式的互联模型。由CIA负责定制和维护的CANopen是一个基于CAN总线的高层协议，协议不仅提供了丰富的标识符定义，具有良好的通用性和可扩展性，并且为设备标准化提供了通用的设备模型。 目前的CANopen设备局限于微处理器与CAN控制器架构，采用软件运行的方式，结构单一，应用环境的可扩展性较差。随着算法硬件化思想的提出以及集成电路技术的成熟，通过将软件集成为芯片，形成独立于上位机和处理器的全功能设备，结构更加简单，同时具有更加高效和稳定的工作能力。与此相反，硬件虚拟化技术要求采用软件模拟实体设备的结构和功能，形成以软件处理为核心的虚拟设备，便于设备的设计，测试以及系统的构建。因此，摆脱设备结构的单一性，设计具有差异CANopen设备，提高设备的专用性以适应不同应用领域，成为继设备标准化之后，CANopen发展的又一个重要趋势。 与此同时，随着应用领域规模的不断扩大和系统结构的日益复杂，基于局域网的CAN总线在节点组态和系统互联方面遇到了瓶颈，需要能够支持不同结构设备互联，多个CAN网络互联甚至异构系统互联的策略，以适应应用需求。 针对现场总线发展的局限性，本文在系统的分析CAN总线标准以及CANopen协议规范的基础上，以协议栈设计为核心，提出了一个从设备设计到网络互联的整体设计方案。方案支持多种异构设备互联，提高了设备和系统的灵活性，可以满足不同应用领域的需求，同时，采用硬件抽象层技术，提供了标准化的设计模式，降低了系统开发和使用的复杂度，为CAN总线未来的发展提供了一个的灵活的，标准化的思路。 本文首先设计CANopen协议的FPGA芯片，并集成为CANopen芯片设备，同时采用面向对象思路和多线程技术，设计高度模块化和并行化的软件CANopen协议，在此基础上抽象出虚拟设备的模型。其次，为异构设备建立软件模型并借鉴硬件抽象层思想，设计基于设备的抽象层，建立标准的设备模型，提供统一的接口。最后，采用软件模拟技术设计虚拟CAN总线，提供了基于软件模型的系统互联策略，并提出了一个基于虚拟总线的CAN扩展协议。
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