谈谈CANopen协议的机制

CANopen是基于CAN协议的高级通信协议和设备配置文件规范。该协议是为嵌入式网络应用（如车载网络）开发的。CANopen涵盖了网络编程框架，设备描述，接口定义和应用程序配置文件。CANopen使来自不同制造商的设备和应用程序之间实现通信标准化。它已被广泛用于各个行业，并在自动化和运动应用中具有突出的表现。

        就OSI通信系统模型而言，CAN覆盖前两个级别：物理层和数据链路层。物理层定义了所使用的线路，电压，高速特性等。标准的CAN协议实现数据链路层，它是基于帧的（消息）协议。CANopen涵盖了上面五层：网络（寻址，路由），传输（端到端可靠性），会话（同步），表示（以标准方式编码的数据，数据表示）和应用。应用层描述了如何配置，传输和同步CANopen设备。

 许多处理器都实现了CAN 总线接口和驱动程序。我们假设读者已经了解CANBUS 总线的基本知识，重点介绍应用程CANopen 协议。

CANopen 的基本概念

每个新技术的出现，都会伴随着一大堆的技术术语和英文缩写，使初学者难以理解。一位日本人称为是“术语的洪流“。使用简单的语言将一个复杂的事情的基本框架讲明白，要比开头就劈头盖脑地抛术语，讲细节好的多。我写这篇博文也就是这种尝试。

• CANBUS 是一种总线型通信网络。所有的节点都并联在两根通信线上。

 

• CANBUS 和以太网类似，是基于帧传输方式，只是以太网一个帧可以是1500个字节，而CANBUS 的帧最多只能传输8个字节

以太网的帧结构

CANopen 的帧结构 

不要以为数据帧短不好，短有短的优点，它将更可靠，实时性好。

• 11 位 进一步分成位 4个功能码和7位 ID。7位大小限制CANopen网络上的设备数量限制为127个节点。
• 在一个控制系统中，设备的ID 和 数据的格式都是由系统厂商规定的。例如笔者曾经开发过一个汽车上的方向盘角度传感器。就是由汽车厂提供的帧数据格式和ID 数据表，来设计的。与博世的同类产品不相同。

我们一直在讲，底层通信协议只是解决语法的问题，没有解决语法的问题-数据代表上面含义？

CANOpen 是建立在CANBUS链路层基础上的应用协议，解决语义的问题（8个字节什么代表意思？）。让不同厂商的产品能够真正的互联互通。

 

基于对象的通信

每个设备都有各种数据要和外界交换，例如方向传感器的角度，速度和加速度。这些参数具有名称，类型，长度等特征。访问这些参数的方式最简单的方式就是定义地址和长度。然后读取。PLC 中modbus 协议就是这么简单粗暴的方法。这种低级的方式显然比较容易出错。设置复杂。

控制协议越来越多地采纳了面向对象程序设计的思想。将每个参数定义成为一个数据对象。并且可以采样人类可读方式编写，例如采样XML 语言来描述。

CANopen 采用了类似的思想，它将参数定义为对象，每个设备中都有一个对象字典，对象字典可以一个文件描述，它叫做EDS（Electronic data sheet），它采用了INI 文件格式。

为了简化协议中的数据交换，CANopen 协议中只是自定对象的索引（index）和子索引（sub index）并不传递对象的所有信息。这就好比只交换字典中的的页码和行，列。通信双方各自去查字典。了解具体的含义。

于是，CANBUS 可怜的8个字节又分成了三个部分。一个字节用于说明符，三个字节用于节点索引和子索引，四个字节用于传输中的实际数据，真正的数据只有4个字节了。

当所有需要传输的数据都不能放入一条消息中时，将选择分段传输，因此必须使用多个消息或“段”来传输数据，说明符的第7 为1 表示有后续数据。

对象字典

CANopen的中心主题之一是对象字典（OD），它实质上是一个存储配置和过程数据的表格。所有CANopen设备都必须实现对象字典。

CANopen标准定义了16位的位索引和8位的子索引。也就是说，允许每个索引最多包含65536个索引和256个子条目。

该标准定义某些索引和索引范围必须包含特定参数。例如，标准定义索引1008h（子索引00h）必须包含设备名称。这样，任何CANopen主站都可以从CANopen从站网络读取此索引，

有些对象字典索引（例如设备类型（1000h））是强制性的，而另一些则是可选的，例如制造商软件版本（100Ah）。强制性索引的集合表示最小对象字典，这是标记符合CANopen的设备所必需的。

访问对象字典的两种通信机制是服务数据对象（SDO）和过程数据对象（PDO）。

对象字典中包含的基本数据类型为：布尔值，void（占位符），无符号整数，有符号整数，浮点数和字符。可以从基本数据类型构造更复杂的数据类型，例如字符串，日期和时间。

EDS 文件

前面提过，每个CANopen 兼容的设备，都需要提供一个EDS 文件，以便让其它访问该节点的设备形成对象字典。主站程序需要导入EDS文件。EDS 是采用了INI 文件格式。它最早是windows 配置文件的格式。也有厂家开发了EDS 的编辑工具。

服务数据对象（SDO）

在CANopen协议的网络上，每个节点必须实现一个服务器，该服务器处理对其对象字典的读/写请求。CANopen主站充当该服务器的客户端。直接访问（读/写）服务器对象字典的机制是服务数据对象（SDO）。访问了对象字典的节点称为SDO服务器，获取数据的节点称为SDO客户端。传输始终由SDO客户端启动。

通常，主CANopen节点将向网络发送请求，感兴趣的节点将以请求的数据进行响应。当SDO客户端要从服务器请求信息时，它将使用600h +节点ID的CAN-ID发送SDO请求。   然后，服务器将使用580h的CAN-ID +节点ID进行响应。节点ID指定消息来自哪个从节点。下面所示的示例，主节点（SDO客户端）将消息发送到网络的CAN-ID为603h。尽管所有节点都可以看到此消息，但目标节点以外的所有节点都将忽略该消息。目标节点知道ID为603h的消息意味着该消息是针对该节点的，这是SDO请求。消息的数据字段将指定主节点要访问数据的对象的索引和子索引。然后，目标节点以消息ID 583h进行响应。

过程数据对象（PDO）

过程数据表示可以随时间变化的数据，例如节点控制器的输入（即传感器）和输出（即电动机驱动器）。过程数据也存储在对象字典中。但是，由于SDO通信一次仅允许访问一个对象字典索引，因此访问不断变化的数据可能会有很多开销。此外，CANopen协议要求节点必须能够发送自己的数据，而无需由CANopen主站轮询。因此，使用一种称为“过程数据对象”（PDO）的通信方法来传输过程数据的方法也有所不同。 

PDO有两种类型：传输PDO（TPDO）和接收PDO（RPDO）。TPDO是来自节点（产生的）的数据，而RPDO是到达节点（消耗的）的数据。另外，PDO有两种类型的参数：配置参数和映射参数。对象词典中保留给PDO配置和映射信息的部分是索引1400h-1BFFh。

配置参数指定COB-ID，传输类型，禁止时间（仅TPDO）和事件计时器，这将在本节中进行说明。有多种方法可以启动PDO传输。这些方法包括事件驱动，时间驱动，单独轮询和同步轮询。传输类型在PDO的配置参数中指定。在事件驱动的传输中，当其中的过程数据发生更改时，将启动PDO传输。在时间驱动的传输中，PDO传输以固定的时间间隔发生。在单独的轮询中，PDO传输是使用不常用的称为远程请求的机制启动的。在同步轮询中，使用SYNC信号启动PDO传输。同步信号经常用作全局计时器。例如，如果CANopen主站发出SYNC消息，则可以配置多个节点以查看并响应该SYNC。通过这种方式，主站可以同时获取多个过程对象的“快照”。

网络管理（NMT）概述

网络管理服务包括在初始化，运行前，运行和停止之间更改从站状态的能力。NMT协议允许CANopen网络控制各个节点的通信状态。操作前状态主要用于配置CANopen设备。因此，在预操作状态下不允许进行PDO通信。在操作状态下可以进行PDO通信。在停止状态下，节点只能执行节点保护或心跳，而不能接收或传输消息。某些类型的CANopen通信允许处于不同状态。例如，在操作前状态下允许SDO，但不允许PDO。这是因为SDO通常用于初始化对象字典参数，

守护与心跳

CANopen规范要求节点必须使用某种方法来检查节点是否“活动”。可用的两种方法是：节点保护和心跳，后者是首选方法。

在心跳协议中，CANopen节点定期发送心跳消息，该消息使CANopen主设备或心跳使用者知道该节点仍处于活动状态。如果心跳消息在一定时间内未到达，则主机可以采取特定措施。此类操作可能是重置节点或向操作员报告错误。心跳消息由CAN-ID 0x700 +节点ID标识，其中第一个数据字节等于1110。

在节点保护协议中，CANopen主站轮询从站节点的当前状态信息。如果节点在特定时间段内未响应，则主服务器将认为该节点已死，并将采取措施。

心跳协议是首选方法，因为它的开销比节点保护少。

紧急消息

CANopen网络中的​​每个节点都分配有一条紧急消息（EMCY），用于传达节点状态。请注意，心跳和节点保护协议旨在用于传达通信故障，而紧急消息则用于传达节点内的错误（即传感器故障）。EMCY消息由80h的COB-ID +节点ID标识。EMCY消息的数据部分包含有关发生的错误的信息。

 

下面我会来谈谈 CANopen 与IEC61499 相结合。