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，這兩層完全由硬件實現，設計人員無需再為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，本身并不完整，因此需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。而且，基于CAN總線的工業自動化應用中，越來越需要一個開放的、標準化的高層協議：這個協議支持各種CAN廠商設備的互用性、互換性，能夠實現在CAN網絡中提供標準的、統一的系統通訊模式，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，并且在發布后不久就獲得了廣泛的承認。尤其是在歐洲， CANopen 協議被認為是在基于CAN 的工業系統中占領導地位的標準。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、操作設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為“設備描述”的協議中進行描述；“設備描述”定義了不同類型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協議的支持，可以對不同廠商的設備通過總線進行配置。

    在OSI 模型中， CAN標準、CANopen協議之間的關系如圖 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報文的關系如圖 1-2所示。

圖1-2  CANopen和CAN報文的關系如所示。

    CAN 報文由7個不同的位域組成，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) 的使用情況。

2.CANopen設備結構

    CANopen是一個基于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通訊通過對象字典（OD）能夠訪問驅動器的所有參數。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協議最為核心的概念。所謂的“對象字典”，就是一個有序的對象組；每個對象采用一個16位的索引值來尋址。為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為的所有參數。

    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，從而保證不同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協議應用層及通信結構描述，其他子協議都是對DS301協議描述文本的補充與擴展。

    CANopen協議包含許多子協議，其主要劃分為以下3類：

    1.  通信子協議

    通信子協議(Communication Profile)描述對象字典的主要形式，以及對象字典中的通信對象和參數。這個子協議適用于所有的CANopen設備，其索引值范圍為0x1000~0x1FFF。

    2.  制造商自定義子協議

    對于在設備子協議中未定義的特殊功能，制造商可以在制造商自定義子協議(Manufacturer-specific Profile)中根據需求定義對象字典項。因此，這個區域對不同廠商來說，相同的對象字典項的定義不一定相同，其索引值范圍為0x2000~0x5FFF。

    3.  設備子協議

    設備子協議（Device Profile）為各種不同類型設備定義對象字典中的對象，其索引值范圍為0x6000~0x9FFF。

2.2  CANopen通信

    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）、預定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，同一個網絡中只允許有一個主節點、一個或多個從節點，并遵循主/從模式。

2.2.2  服務數據對象

    服務數據對象主要用于主節點對從節點的參數配置。服務確認是SDO最大的特點，為每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，通常CANopen從節點作為SDO服務器，CANopen主節點作為客戶端。客戶端通過索引和子索引能夠訪問數據服務器上的對象字典，所以CANopen主節點可以訪問從節點的任意對象字典項的參數，并且SDO可以傳輸任何長度的數據（當數據長度超過4字節時，拆分成多個報文來傳輸）。

2.2.3  過程數據對象

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

    PDO通信對象具有如下特點：

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

    2.     每個PDO在對象字典中用2個對象描述，分別是PDO通信參數和映射參數。

        1）  PDO通信參數：定義該設備所使用的COB-ID、傳輸類型、定時周期。

        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。對于生產者和消費者，只有知道這個映射參數，才能夠正確地解釋PDO的內容。PDO內容是預定義的，如果PDO支持可變PDO映射，那么可以通過SDO進行配置。

    3.     PDO具有2種傳輸方式：同步傳輸和異步傳輸。

        1）  同步傳輸：通過接收同步對象實現同步，按觸發方式又可分為非周期傳輸和周期傳輸。非周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。周期傳輸則通過接收同步對象來實現，可以設置1~240個同步對象觸發。

        2）  異步傳輸：由特定事件觸發。按觸發方式又可分為2種：一種通過發送與PDO的COB-ID相同的遠程幀來觸發；另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    預定義報文或特殊功能對象

    預定義報文或特殊功能對象為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，已經為特殊的功能預定義了COB-ID。主要有以下幾種特殊報文：

    1.  同步報文（Sync）

        主要實現整個網絡的同步傳輸，每個節點都以該同步報文作為PDO觸發參數，因此該同步報文的COB-ID具有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）

        為每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）

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

    5.  啟動報文（Boot up）

        從節點初始化完成后向網絡中發送該對象，并進入預操作狀態。

2.3  CANopen預定義連接集

    為了減小簡單網絡的組態工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符（CAN-ID）分配表。這些標識符在預操作狀態下可用，通過動態分配可以修改它們。CANopen設備必須向它所支持的通訊對象提供相應的標識符。

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

圖2-2  預定義連接集ID

    Node-ID由系統集成商定義，每個CANopen設備都需要分配一個節點號，節點號的范圍是1~127（0不允許被使用）。

    預定義連接集定義了4個接收PDO，4個發送PDO，1個SDO（占用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預定義主/從連接集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》