CANOpen
CANOpen
CAN现场总线只定义了OSI网络模型的第一层(物理层) 和第二层(数据链路层) ，而这两层一般已被CAN硬件完全实现了。由于没有规定应用层，本身并不完整。CANOpen属于应用层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符和8字节数据的使用。
CANopen协议的子协议——实时伺服驱动和运动控制协议(CiA DSP402)是专门针对驱动装置和运动控制装置等运动控制系统的协议规范，该协议定义了伺服驱动器、变频器和步进式电机控制器的功能特性，它还指定了多种操作模式和相应的组态参数。CANopen协议的特点尤其是 DSP402 子协议的针对性决定了其适用于分布式运动控制系统。CANopen协议目前还没有开放的协议源代码，用户使用该协议时可以选择购买或者根据自己的需求进行编程实现。
CAN 报文由7个不同的位域组成，而CANopen就是规定其中的仲裁域(11 位标识符) 和数据域(8 字节数据) 的使用情况
- 术语
COB —— Can Object通讯对象，在 CAN 网络上的一个传输单元。Communication object; a CAN message
COB-ID CAN Object identifier.
SDO —— Service data object服务数据对象，一种COB。主要用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的是用来配置CANopen网络上的设备。
PDO —— process data object进程数据对象，一种COB。用来传输实时数据，比如控制命令、给定值和实际值。
EDS —— 电子数据表。 EDS 文件包含关于节点及其对象字典的信息。
NMT —— network management网络管理。它负责CAN 网络上的初始化、配置和故障处理。
OD —— 对象字典。对象字典是所有数据结构的集合，这些数据涉及设备的应用程序、通信以及状态机，对象字典利用对象来描述CANopen设备的全部功能。对象字典位于通信层和用户层之间，它的作用主要是为用户提供服务接口。
2.CANopen设备结构
CANopen是一个基于CAN串行总线系统和CAL（CAN应用层）的高层协议。 CANopen的核心概念是设备对象字典（OD： ObjectDictionary），CANopen通讯通过对象字典（OD）能够访问驱动器的所有参数。CANopen设备结构如图 2‑1所示。
图2‑1 CANopen设备结构
2.1 CANopen对象字典
| 索引 |
对象 |
| 0000 |
Not used |
| 0001 - 001F |
静态数据类型（标准数据类型，如Boolean，Integer 16） |
| 0020 - 003F |
复杂数据类型（预定义由简单类型组合成的结构如PDOCommPar，SDOParameter） |
| 0040 - 005F |
制造商规定的复杂数据类型 |
| 0060 - 007F |
设备子协议规定的静态数据类型 |
| 0080 - 009F |
设备子协议规定的复杂数据类型 |
| 00A0 - 0FFF |
Reserved |
| 1000 - 1FFF |
通讯子协议区域(如设备类型，错误寄存器，支持的PDO数量) |
| 2000 - 5FFF |
制造商特定子协议区域 |
| 6000 - 9FFF |
标准的设备子协议区域(例如“DSP-401 I/O 模块设备子协议”：Read State 8 Input Lines等) |
| A000 - FFFF |
Reserved |
CANopen对象字典（Object Dictionary，OD）是CANopen协议最为核心的概念。所谓的“对象字典”，就是一个有序的对象组；每个对象采用一个16位的索引值来寻址。为了访问数据结构中的元素，同时定义了一个8位的子索引，对象字典的结构如表 2‑1所示。
表2‑1 对象字典结构
CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。
CANopen对象字典中的项由一系列子协议来描述。子协议描述对象字典中每个对象的功能、名字、索引、子索引、数据类型、读/写属性，以及这个对象是否必需等，从而保证不同厂商的同类型设备兼容。
CANopen协议的核心描述子协议是DS301，包括CANopen协议应用层及通信结构描述，其他子协议都是对DS301协议描述文本的补充与扩展。
CANopen协议包含许多子协议，其主要划分为以下3类：
1） 通信子协议
通信子协议(Communication Profile)描述对象字典的主要形式，以及对象字典中的通信对象和参数。这个子协议适用于所有的CANopen设备，其索引值范围为0x1000~0x1FFF。
2） 制造商自定义子协议
对于在设备子协议中未定义的特殊功能，制造商可以在制造商自定义子协议(Manufacturer-specific Profile)中根据需求定义对象字典项。因此，这个区域对不同厂商来说，相同的对象字典项的定义不一定相同，其索引值范围为0x2000~0x5FFF。
3） 设备子协议
设备子协议（Device Profile）为各种不同类型设备定义对象字典中的对象，其索引值范围为0x6000~0x9FFF。
2.2 CANopen通信
在CANopen协议中主要定义网络管理对象（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）、预定义报文或特殊功能对象4种对象。
2.2.1 网络管理对象
网络管理对象负责层管理、网络管理和ID分配服务，例如，初始化、配置和网络管理。网络管理中，同一个网络中只允许有一个主节点、一个或多个从节点，并遵循主/从模式。
2.2.2 服务数据对象
服务数据对象主要用于主节点对从节点的参数配置。服务确认是SDO最大的特点，为每个消息都生成一个应答，以确保数据传输的准确性。在一个CANopen系统中，通常CANopen从节点作为SDO服务器，CANopen主节点作为客户端。客户端通过索引和子索引能够访问数据服务器上的对象字典，所以CANopen主节点可以访问从节点的任意对象字典项的参数，并且SDO可以传输任何长度的数据（当数据长度超过4字节时，拆分成多个报文来传输）。
2.2.3 过程数据对象
过程数据对象用来传输实时数据，其传输模型为生产者-消费者模型，数据长度被限制为1~8字节。
PDO通信对象具有如下特点：
1. PDO通信没有协议规定，PDO数据内容由它的COB-ID定义。
2. 每个PDO在对象字典中用2个对象描述，分别是PDO通信参数和映射参数。
1） PDO通信参数：定义该设备所使用的COB-ID、传输类型、定时周期。
2） PDO映射参数：包含一个对象字典中的对象列表，这些对象映射到相应的PDO，其中包括数据的长度。对于生产者和消费者，只有知道这个映射参数，才能够正确地解释PDO的内容。PDO内容是预定义的，如果PDO支持可变PDO映射，那么可以通过SDO进行配置。
3. PDO具有2种传输方式：同步传输和异步传输。
1） 同步传输：通过接收同步对象实现同步，按触发方式又可分为非周期传输和周期传输。非周期传输由远程帧预触发，或者由设备子协议中规定的对象特定事件预触发。周期传输则通过接收同步对象来实现，可以设置1~240个同步对象触发。
2） 异步传输：由特定事件触发。按触发方式又可分为2种：一种通过发送与PDO的COB-ID相同的远程帧来触发；另一种由设备子协议中规定的对象特定事件来触发（如定时传输、数据变化传输等）。
2.2.4 预定义报文或特殊功能对象
预定义报文或特殊功能对象为CANopen设备提供特定的功能，以方便CANopen主站对从站的管理。在CANopen协议中，已经为特殊的功能预定义了COB-ID。主要有以下几种特殊报文：
1. 同步报文（Sync）
主要实现整个网络的同步传输，每个节点都以该同步报文作为PDO触发参数，因此该同步报文的COB-ID具有比较高的优先级以及最短的传输时间。
2. 时间标识报文（Time Stamp）
为每个节点提供公共的时间参考。
3. 紧急事件报文（Emergency）
当设备内部发生错误时触发该对象，即发送设备内部错误码。
4. 节点/寿命保护报文（Node/Life Guarding）
主节点可通过节点保护方式获取从节点的状态，从节点可通过寿命保护方式获取主节点的状态。
5. 启动报文（Boot up）
从节点初始化完成后向网络中发送该对象，并进入预操作状态。
2.3 CANopen预定义连接集
为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的缺省标识符（CAN-ID）分配表。这些标识符在预操作状态下可用，通过动态分配可以修改它们。CANopen设备必须向它所支持的通讯对象提供相应的标识符。
CAN-ID分配表是基于11位CAN-ID的标准帧格式，划分为4位功能码和7位节点号，如图 2‑2所示。
图2‑2 预定义连接集ID
Node-ID由系统集成商定义，每个CANopen设备都需要分配一个节点号，节点号的范围是1~127（0不允许被使用）。
预定义连接集定义了4个接收PDO，4个发送PDO，1个SDO（占用2个CAN-ID），1个紧急对象和1个节点错误控制。支持无需确认的NMT模块控制服务、同步和时间标识对象报文。缺省ID分配表如表 2‑2所示。
表2‑2 CANopen预定义主/从连接集CAN标识符分配表
举个例子：
8. SDO
这个很简单，就是类似串口的一发一回模式，主站发送请求帧，从站回复应答帧。
大家看几个例子就明白了。
To write the 1 byte data : 0xFD in the object dictionary of node 5, at index 0x1400, subindex 2, sends :
605 2F 00 14 02 FD 00 00 00
If success, the node 5 responds :
585 60 00 14 02 00 00 00 00
To write the 4 bytes data : 0x60120208 in the object dictionary of node 5, at index 0x1603, subindex 1, sends :
605 23 03 16 01 08 02 12 60
If success, the node 5 responds :
585 60 03 16 01 00 00 00 00
9. PDO
分为TX-PDO，RX-PDO。
上图，这就是PDO的配置过程，0x1402（接收PDO通讯参数），PDO使用的cob-id，传输类型，Inhibit time，EventTimer。
0x1602（映射对象），上例中映射为Controlword，Target position。
这里着重讲一下Transmission Type，上述是codesys中支持的集中方式：
acyclic sync（数值为0）：同步PDO，同步方式由具体设备协议定义
Cyclic sync（数值为1-240）：同步PDO，每个N个SYNC周期后，发送PDO
Sync rtr（数值253）：同步PDO，收到远程帧请求后发送PDO
Async（数值253）：异步PDO，收到远程帧后发送PDO
最后两个Async（254,255），都是设备厂家定义的，也是大家最常用的，当事件发生时发送。各个厂家在这里基本都是使用数据变化时发送方式，FD，JD伺服两种方法是一样的，都是数据变化发送。要注意设置“禁止时间”，降低CANOPEN通讯带宽。
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- COB-ID
CANopen 是一个基于 CAN （控制局域网）串行总线系统和 CAL（ CAN 应用层）的高层协议。 CANopen 的核心概念是设备对象字典（ OD： Object Dictionary），CANopen 通讯通过对象字典（ OD）能够访问驱动器的所有参数。
COB-ID（通讯对象标识符）分配：
The type of COB transmitted is indicated in the arbitration field of the message, and thereby determines its priority. 注意：PDO/SDO 的发送/接受是由（ slave）CAN节点方观察的。即要发送SDO数据帧给设备（如驱动器），COB应为SDO-Receive类型。
- SDO
SDO 用来访问一个设备的对象字典。访问者被称作客户 (client)，对象字典被访问且提供所请求服务的 CANopen 设备别称作服务器(server)。客户端的 CAN 报文和服务器的应答CAN 报文长度为8个字节（注意不是所有的数据字节都包含有效信息，不够8字节的要补0）。SDO主要用于CANopen主站对从节点的参数配置。服务确认是SDO的最大的特点，为每个消息都生成一个应答，确保数据传输的准确性。When using SDOs, it is important to remember that: An SDO has a lower priority than a PDO；An SDO session is not complete until it is confirmed.
SDO的通讯原则很简单，发送方（客户端）发送CAN-ID为600h+Node-ID的报文，其中Node-ID为接收方（服务器）的节点地址，数据长度均为8字节；接收方（服务器）成功接收后，回应CAN-ID为580h+Node-ID的报文。这里的Node-ID依然是接收方（服务器）的节点地址，数据长度均为8字节。如下图所示。
SDO 有 2 种传送机制：
1. 快速传送（Expedited transfer） ： 最多传输 4 字节数据
2. 分段传送（Segmented transfer）： 传输数据长度大于 4 字节
最常用最常见的SDO协议是快速SDO，所谓快速，就是1次来回就搞定。前提是读取和写入的值不能大于32位。通过快速SDO，可以直接对CANopen节点的对象字典中的值进行读取和修改，所以在做参数配置之外，也经常作为关键性数据传输之用。比如CANopen控制机器人的电机转动角度时，就使用SDO来传输，保证可靠到达。当需要传输的值超过32位时，就不能使用快速SDO传输。必须使用普通SDO进行分帧传输。在应用中较少用到，一般用于CANopen节点的程序固件升级，或者做网关转换MVB总线之类数据最大可达256位的应用。
读指令的详细信息参考DS-301协议中的Chapter4.3 Initiate SDO Upload Protocol；写指令参考Initiate SDO Download Protocol.
比如读取设备对象字典0x1000处的内容（假设为32位数据0x00020192），发送的数据格式如下：
返回数据格式如下：
下面是写指令的例子（假设设备节点地址为1，COB-ID = 功能码 + 节点地址），在对象字典0x607F处写入数据0x50000。0x22为SDO命令，具体代表的意思要参考DS301手册
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注意：CANopen使用的是小端模式，即低位字节在前，高位字节在后！
错误报文代码参考Abort SDO Transfer Protocol章节