CANOpen 스택 구조 분석

CANOpen 펌웨어 개발 (STM32F429)

CANOpen은 산업 자동화 및 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 프로토콜로, STM32F429 마이크로컨트롤러를 활용하여 효율적으로 구현할 수 있습니다. 본 장에서는 STM32CubeIDE와 HAL 라이브러리를 이용하여 CANOpen 펌웨어를 개발하는 방법을 다룹니다.

STM32F429는 강력한 성능과 다양한 주변 장치를 제공하는 마이크로컨트롤러로, 내장된 CAN(Controller Area Network) 인터페이스를 활용하여 CANOpen 노드를 구현할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 산업 환경에서 CANOpen 기반의 통신을 효율적으로 수행할 수 있습니다.

이 장에서는 먼저 STM32F429의 CAN 인터페이스 설정 방법을 설명한 후, CANOpen 프로토콜을 적용한 펌웨어 개발 과정을 단계별로 안내합니다. 또한, CANOpenNode 및 CANFestival과 같은 오픈소스 라이브러리를 활용하여 보다 쉽게 개발할 수 있는 방법도 다룰 예정입니다.

CANOpen 펌웨어 개발을 위한 기본적인 개념과 실습을 진행하면서, 실제 산업용 장치에 적용 가능한 CANOpen 기반 펌웨어를 작성하는 방법을 익힐 수 있을 것입니다.

CANOpen 스택 구조 분석

CANOpen 스택은 CAN 프로토콜을 기반으로 동작하며, 표준화된 통신 규약을 통해 다양한 장치 간의 원활한 데이터 교환을 가능하게 합니다. 본 장에서는 CANOpen 스택의 계층 구조와 주요 구성 요소를 분석하고, STM32F429에서 CANOpen 스택을 구현하기 위한 기본 개념을 설명합니다.

CANOpen 스택의 계층 구조

CANOpen 스택은 일반적으로 다음과 같은 계층으로 구성됩니다:

1. 응용 계층 (Application Layer)

   • 사용자 애플리케이션이 실행되는 부분으로, CANOpen 서비스를 호출하여 데이터 송수신을 수행합니다.
   • 객체 사전(Object Dictionary)을 통해 노드의 상태 및 데이터를 관리합니다.

2. CANOpen 서비스 계층 (Service Layer)

   • 네트워크 관리 (NMT), 동기화(SYNC), 시간 스탬프(TIME), PDO(프로세스 데이터 객체), SDO(서비스 데이터 객체) 등을 처리합니다.
   • 주어진 요청을 처리하고 응답을 생성하는 역할을 합니다.

3. CANOpen 프로토콜 계층 (Protocol Layer)

   • CAN 프레임 포맷을 정의하고, 노드 간의 데이터 전송을 조정합니다.
   • COB-ID(통신 객체 식별자) 할당 및 데이터 우선순위를 관리합니다.

4. 데이터 링크 계층 및 물리 계층 (Data Link & Physical Layer)

   • CAN 프로토콜 (ISO 11898) 기반으로 동작하며, 데이터의 전송 및 수신을 담당합니다.
   • 물리적인 배선, 신호 전송 방식, 오류 검출 등을 처리합니다.

CANOpen 스택의 주요 구성 요소

1. 객체 사전 (Object Dictionary)

• 각 노드의 데이터 및 파라미터를 저장하는 테이블 형태의 데이터 구조입니다.
• 16비트 인덱스와 8비트 서브인덱스를 통해 접근하며, 노드의 설정 및 상태를 관리합니다.
• 주요 데이터 유형: 정수, 부동소수점, 문자열, 배열 등.

2. 네트워크 관리 (NMT: Network Management)

• CANOpen 네트워크의 노드 상태를 관리하는 서비스입니다.
• 각 노드는 초기화(Initialization), 정지(Stopped), 미운영(Pre-Operational), 운영(Operational) 상태를 가집니다.
• NMT 명령을 통해 네트워크의 활성화 및 제어가 가능합니다.

3. 프로세스 데이터 객체 (PDO: Process Data Object)

• 실시간 데이터 전송을 위한 구조이며, 주기적으로 혹은 이벤트 기반으로 데이터가 전송됩니다.
• 4바이트에서 8바이트 크기의 데이터가 전송되며, 빠른 응답이 요구되는 시스템에서 사용됩니다.
• TPDO(Transmit PDO)와 RPDO(Receive PDO)로 구분됩니다.

4. 서비스 데이터 객체 (SDO: Service Data Object)

• 비주기적인 데이터 전송을 처리하며, 큰 데이터의 읽기 및 쓰기에 사용됩니다.
• 요청(Request)과 응답(Response) 방식으로 동작하며, 객체 사전의 항목을 직접 조작할 수 있습니다.

5. 동기화 및 시간 관리

• SYNC 메시지: 모든 노드의 데이터를 동기화하는 역할을 수행하며, 주기적으로 전송됩니다.
• TIME 메시지: CANOpen 네트워크 내에서 시간 동기화를 유지하기 위한 메시지입니다.

6. 비상 메시지 (Emergency Message)

• 노드에서 오류가 발생했을 때 이를 보고하는 메시지입니다.
• 빠른 오류 감지 및 복구를 위해 사용됩니다.

STM32F429에서의 CANOpen 스택 구현 개요

STM32F429에서 CANOpen 스택을 구현하기 위해서는 다음 요소들이 필요합니다:

1. CAN 드라이버 설정

   • STM32CubeIDE 및 HAL 라이브러리를 사용하여 CAN 통신을 초기화합니다.
   • 필터 설정 및 인터럽트 핸들링을 구성합니다.

2. CANOpen 스택 라이브러리 활용

   • CANopenNode 또는 CANFestival과 같은 오픈소스 CANOpen 스택을 활용할 수 있습니다.
   • 스택을 포팅하여 STM32 환경에서 동작하도록 조정합니다.

3. 객체 사전 구성

   • STM32의 EEPROM 또는 플래시 메모리를 이용하여 객체 사전을 저장하고 관리합니다.
   • 각 노드의 파라미터를 동적으로 설정할 수 있도록 합니다.

4. NMT 및 SDO/PDO 구현

   • NMT 상태 변경을 처리하고, SDO를 통한 데이터 읽기/쓰기 기능을 구현합니다.
   • 주기적인 PDO 전송을 위한 타이머 설정을 수행합니다.

5. 디버깅 및 테스트

   • CAN 분석기 및 디버깅 툴을 이용하여 CAN 메시지를 모니터링하고, 정상 동작 여부를 확인합니다.
   • 오류 발생 시 비상 메시지를 통한 로그를 남깁니다.

결론

본 장에서는 CANOpen 스택의 계층 구조 및 주요 구성 요소를 분석하고, STM32F429에서의 CANOpen 스택 구현을 위한 핵심 개념을 설명하였습니다.