CANopen協議介紹

1.CANopen協議簡介

        從OSI 網絡模型的角度來看，CAN總線只定義了OSI網絡模型的第一層（物理層） 和第二層（數據鏈路層），而在實際設計中，這兩層徹底由硬件實現，設計人員無需再爲此開發相關軟件或固件。

        同時，CAN只定義物理層和數據鏈路層，沒有規定應用層，自己並不完整，所以須要一個高層協議來定義CAN報文中的11/29位標識符和8字節數據的使用。並且，基於CAN總線的工業自動化應用中，愈來愈須要一個開放的、標準化的高層協議：這個協議支持各類CAN廠商設備的互用性、互換性，可以實如今CAN網絡中提供標準的、統一的系統通信模式，提供設備功能描述方式，執行網絡管理功能。

        CANopen協議是CAN-in-Automation(CiA) 定義的標準之一，而且在發佈後不久就得到了普遍的認可。尤爲是在歐洲， CANopen 協議被認爲是在基於CAN 的工業系統中佔領導地位的標準。大多數重要的設備類型，例如數字和模擬的輸入輸出模塊、驅動設備、操做設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱爲「設備描述」的協議中進行描述；「設備描述」定義了不一樣類型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協議的支持，能夠對不一樣廠商的設備經過總線進行配置。

        在OSI 模型中， CAN標準、CANopen協議之間的關係如圖 1‑1所示。

                          

圖1‑1  CAN標準、CANopen協議在OSI網絡模型中的位置框圖

        CANopen和CAN報文的關係如圖 1‑2所示。

                             

圖1‑2  CANopen和CAN報文的關係如所示。

        CAN 報文由7個不一樣的位域組成，而CANopen就是規定其中的仲裁域(11 位標識符) 和數據域(8 字節數據) 的使用狀況。

2.CANopen設備結構

        CANopen是一個基於CAN串行總線系統和CAL（CAN應用層）的高層協議。 CANopen的核心概念是設備對象字典（OD： ObjectDictionary），CANopen通信經過對象字典（OD）可以訪問驅動器的全部參數。CANopen設備結構如圖 2‑1所示。

                             

圖2‑1  CANopen設備結構

2.1  CANopen對象字典

        CANopen對象字典（Object Dictionary，OD）是CANopen協議最爲核心的概念。所謂的「對象字典」，就是一個有序的對象組；每一個對象採用一個16位的索引值來尋址。爲了訪問數據結構中的元素，同時定義了一個8位的子索引，對象字典的結構如表 2‑1所示。

表2‑1  對象字典結構

                   

        CANopen網絡中每一個節點都有一個對象字典。對象字典包含了描述這個設備和它的網絡行爲的全部參數。

        CANopen對象字典中的項由一系列子協議來描述。子協議描述對象字典中每一個對象的功能、名字、索引、子索引、數據類型、讀/寫屬性，以及這個對象是否必需等，從而保證不一樣廠商的同類型設備兼容。

        CANopen協議的核心描述子協議是DS301，包括CANopen協議應用層及通訊結構描述，其餘子協議都是對DS301協議描述文本的補充與擴展。

        CANopen協議包含許多子協議，其主要劃分爲如下3類：

        1.  通訊子協議

        通訊子協議(Communication Profile)描述對象字典的主要形式，以及對象字典中的通訊對象和參數。這個子協議適用於全部的CANopen設備，其索引值範圍爲0x1000~0x1FFF。

        2.  製造商自定義子協議

        對於在設備子協議中未定義的特殊功能，製造商能夠在製造商自定義子協議(Manufacturer-specific Profile)中根據需求定義對象字典項。所以，這個區域對不一樣廠商來講，相同的對象字典項的定義不必定相同，其索引值範圍爲0x2000~0x5FFF。

        3.  設備子協議

        設備子協議（Device Profile）爲各類不一樣類型設備定義對象字典中的對象，其索引值範圍爲0x6000~0x9FFF。

2.2  CANopen通訊

        在CANopen協議中主要定義網絡管理對象（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）、預約義報文或特殊功能對象4種對象。

2.2.1  網絡管理對象

        網絡管理對象負責層管理、網絡管理和ID分配服務，例如，初始化、配置和網絡管理。網絡管理中，同一個網絡中只容許有一個主節點、一個或多個從節點，並遵循主/從模式。

2.2.2  服務數據對象

        服務數據對象主要用於主節點對從節點的參數配置。服務確認是SDO最大的特色，爲每一個消息都生成一個應答，以確保數據傳輸的準確性。在一個CANopen系統中，一般CANopen從節點做爲SDO服務器，CANopen主節點做爲客戶端。客戶端經過索引和子索引可以訪問數據服務器上的對象字典，因此CANopen主節點能夠訪問從節點的任意對象字典項的參數，而且SDO能夠傳輸任何長度的數據（當數據長度超過4字節時，拆分紅多個報文來傳輸）。

2.2.3  過程數據對象

        過程數據對象用來傳輸實時數據，其傳輸模型爲生產者-消費者模型，數據長度被限制爲1~8字節。

        PDO通訊對象具備以下特色：

        1.     PDO通訊沒有協議規定，PDO數據內容由它的COB-ID定義。

        2.     每一個PDO在對象字典中用2個對象描述，分別是PDO通訊參數和映射參數。

            1）  PDO通訊參數：定義該設備所使用的COB-ID、傳輸類型、定時週期。

            2）  PDO映射參數：包含一個對象字典中的對象列表，這些對象映射到相應的PDO，其中包括數據的長度。對於生產者和消費者，只有知道這個映射參數，纔可以正確地解釋PDO的內容。PDO內容是預約義的，若是PDO支持可變PDO映射，那麼能夠經過SDO進行配置。

        3.     PDO具備2種傳輸方式：同步傳輸和異步傳輸。

            1）  同步傳輸：經過接收同步對象實現同步，按觸發方式又可分爲非週期傳輸和週期傳輸。非週期傳輸由遠程幀預觸發，或者由設備子協議中規定的對象特定事件預觸發。週期傳輸則經過接收同步對象來實現，能夠設置1~240個同步對象觸發。

            2）  異步傳輸：由特定事件觸發。按觸發方式又可分爲2種：一種經過發送與PDO的COB-ID相同的遠程幀來觸發；另外一種由設備子協議中規定的對象特定事件來觸發（如定時傳輸、數據變化傳輸等）。

2.2.4    預約義報文或特殊功能對象

        預約義報文或特殊功能對象爲CANopen設備提供特定的功能，以方便CANopen主站對從站的管理。在CANopen協議中，已經爲特殊的功能預約義了COB-ID。主要有如下幾種特殊報文：

        1.     同步報文（Sync）

            主要實現整個網絡的同步傳輸，每一個節點都以該同步報文做爲PDO觸發參數，所以該同步報文的COB-ID具備比較高的優先級以及最短的傳輸時間。

        2.     時間標識報文（Time Stamp）

            爲每一個節點提供公共的時間參考。

        3.     緊急事件報文（Emergency）

            當設備內部發生錯誤時觸發該對象，即發送設備內部錯誤碼。

        4.     節點/壽命保護報文（Node/Life Guarding）

            主節點可經過節點保護方式獲取從節點的狀態，從節點可經過壽命保護方式獲取主節點的狀態。

        5.     啓動報文（Boot up）

            從節點初始化完成後向網絡中發送該對象，並進入預操做狀態。

2.3  CANopen預約義鏈接集

        爲了減少簡單網絡的組態工做量，CANopen定義了強制性的缺省標識符（CAN-ID）分配表。這些標識符在預操做狀態下可用，經過動態分配能夠修改它們。CANopen設備必須向它所支持的通信對象提供相應的標識符。

        CAN-ID分配表是基於11位CAN-ID的標準幀格式，劃分爲4位功能碼和7位節點號，如圖 2‑2所示。

                             

圖2‑2  預約義鏈接集ID

        Node-ID由系統集成商定義，每一個CANopen設備都須要分配一個節點號，節點號的範圍是1~127（0不容許被使用）。

        預約義鏈接集定義了4個接收PDO，4個發送PDO，1個SDO（佔用2個CAN-ID），1個緊急對象和1個節點錯誤控制。支持無需確認的NMT模塊控制服務、同步和時間標識對象報文。缺省ID分配表如表 2‑2所示。

表2‑2 CANopen預約義主/從鏈接集CAN標識符分配表

                 

        注意：

            1）  PDO/SDO 發送/接收是由（slave）CAN節點方觀察的。

            2）  NMT 錯誤控制包括節點保護（NodeGuarding），心跳報文（Heartbeat）和Boot-up協議。

3.參考資料

        《CANopen：high-level protocol for CAN-bus》

        《項目驅動—CAN-bus現場總線基礎教程》