CANopen协议解读

一、协议标准

  以官方的CiA 301-4.2.0基础协议为解读学习标准，同时找到了基于CiA 301标准的通用I/O设备标准的CiA 402，是中文翻译版，还有ZLG多年前发布的CANopen轻松入门作为参考学习，话不多说，接下来就开始进行学习记录吧。
  CiA 301中使用的是仲裁域ID为11Bit的标准帧格式，并且发送与接收都是以从机视角来说的，对于多字节数据都是小端模式，即低字节先发送，以下的学习都以此为基础。

二、CANopen报文说明

  对CANopen协议内容理解前需要大概了解CANopen都有哪些类型的报文，可以对CANopen有一个大概的了解，以下列举了CANopen的常用报文：

报文类型	报文说明
NMT CMD(网络管理命令)	由网络主机发出，控制各从机设备工作模式
NMT 心跳报文	由网络从机发出，包括上线通知与定时上报从机工作状态
PDO	过程数据对象，单向传输，无需接收节点回应
SDO	服务数据对象，主要用于参数配置，每一条信息都有回应
Sync	特殊报文的一种，由主机发出，主要用于整个网络的同步传输
Time-Stamp	特殊报文的一种，由主机发出，主要用于整个网络的时间同步
Emergency	特殊报文的一种，当从机发生内部错误，用于通知主机

三、CANopen协议内容

1. ID的理解

  在CANopen中有下面这几种ID，COB-ID、Node-ID，那么这两个ID又是什么呢？和CAN BUS的仲裁域的ID(以下用CAN-ID代替)又有什么关系呢？
  首先，我们知道CAN-ID是CAN BUS控制器做仲裁、优先级判断使用的，CAN-ID越小优先级越高；而COB-ID(Communication Object Identifier)通信对象报文帧ID，我们可以认为COB-ID就是实际使用的CAN-ID。

  Node-ID就是从机节点的编号，在对指定从节点控制时需要使用到，其中PDO与SDO比较特殊(下面会说PDO和SDO，这里知道有这个东西就好)，CiA301标准也直接进行了定义，将COB-ID的高4Bit定义为功能码，低7Bit为Node-ID，所以Node-ID的最大数量就是128个各节点，但是由于0不推荐使用，实际节点数量也就127个(1-127)。

  在CANopen协议中，定了一部分重要的COB-ID，下面我就列举比较常用的一些COB-ID，以便日后我查找。

通讯对象	COB-ID
NMT CMD(网络管理命令)	000h
NMT心跳报文	700h + Node-ID(701h - 77Fh)
Sync(同步报文)	080h
Emergency(紧急报文)	080h + Node-ID(081h - 0FFh)
Time stamp(时间戳报文)	100h
TPDO1(发送过程数据对象 1)	180h + Node-ID(181h - 1FFh)
RPDO1(接收过程数据对象 1)	200h + Node-ID(201h - 27Fh)
TPDO2(发送过程数据对象 2)	280h + Node-ID(281h - 2FFh)
RPDO2(接收过程数据对象 2)	300h + Node-ID(301h - 37Fh)
TPDO3(发送过程数据对象 3)	380h + Node-ID(381h - 3FFh)
RPDO3(接收过程数据对象 3)	400h + Node-ID(401h - 47Fh)
TPDO4(发送过程数据对象 4)	480h + Node-ID(481h - 4FFh)
RPDO4(接收过程数据对象 4)	500h + Node-ID(501h - 57Fh)
TPDO4(发送过程数据对象 4)	480h + Node-ID(481h - 4FFh)
SDO server->client(服务数据对象-答)	580h + Node-ID(581h - 5FFh)
SDO client->server(服务数据对象-问)	600h + Node-ID(601h - 67Fh)

2. NMT

  NMT(Network Management)网络管理，为了保证CANopen网络中的可靠、可控，设计了NMT，整个CANopen网络中有且只有一个NMT主机，一个或多个NMT从机，与NMT相关的报文，比较重要的有节点状态控制(仅NMT主机)、节点错误控制、节点守护、节点上线、节点心跳报文，由于节点守护使用的是轮询方式，开销较大，已经不建议使用，所以下面也就不进行介绍了。

(1) 节点状态

  CANopen中的NMT节点的节点状态有6种状态，分别是：

1. 初始化：在节点上电后，对CAN控制器的初始化操作；
2. 应用层复位：节点的应用层程序复位；
3. 通讯复位：节点的CANopen通讯复位；
4. 预操作状态：节点的预操作状态，表示节点已经完成了初始化、CANopen通讯相关配置可以进行SDO与NMT网络管理操作了，但是处于这个状态的节点不可以进行PDO操作；
5. 操作状态：此状态可以由节点自主进入或由NMT主机切换进入，在此状态下，可以进行SDO、PDO等数据传输；
6. 停止状态：此状态由NMT主机切换进入，仅可以进行SDO与NMT网络管理操作。

报文类型	预操作	操作	停止
PDO		√
SDO	√	√
SYNC	√	√
TIME	√	√
EMCY	√	√
Node Ctrl	√	√	√
Err Ctrl	√	√	√

  节点状态切换以及切换回路如下所示：

过程编号	切换触发条件
(1)	设备上电或者复位后自动进入
(2)	初始化完成，自动进入NMT预操作状态
(3)	通过配置自动进入或由NMT服务主机设置操作状态进入
(4),(7)	通过NMT服务主机设置预操作状态进入
(5),(8)	通过NMT服务主机设置停止远程节点进入
(6)	通过NMT服务主机设置启动远程节点进入
(9),(10),(11)	通过NMT服务主机设置复位远程节点进入
(12),(13),(14)	通过NMT服务主机设置远程节点通讯复位进入

  节点状态初始化切换回路如下所示：

过程编号	切换触发条件
(1)	设备上电或者复位后自动进入
(2)	初始化完成，自动进入NMT预操作状态
(12),(13),(14)	通过NMT服务主机设置远程节点通讯复位进入
(9),(10),(11)	通过NMT服务主机设置复位远程节点进入
(15)	初始化完成后自动进入复位应用程序
(16)	复位应用程序完成后自动进入通信复位重置

(2) 节点状态控制

  NMT CMD网络管理命令只能由NMT主机发出，NMT主机可以对NMT从机节点进行初始化状态以外的5种状态配置，NMT节点控制协议如下表：

COB-ID	DATA0	DATA1
000h	CS	Node-ID

  CS就是配置对应节点的状态参数，有以下5种：

CS	说明
00h	启动远程节点，即将远程节点状态设置为操作状态
02h	停止远程节点，即将远程节点状态设置为停止状态
80h	远程节点进入预操作，即将远程节点状态设置为预操作状态
81h	远程节点复位，即将远程节点状态设置为应用层复位状态
82h	远程节点通讯复位，即将远程节点状态设置为通讯复位状态

(3) 节点心跳报文

  节点心跳报文包括两类，一类是节点上线报文与周期上报从节点状态的心跳报文，报文协议如下：

COB-ID	DATA0
700h+NodeId	STATE

  STATE就是对应节点的状态参数，有以下4种：

STATE	说明
00h	从节点上线
04h	从节点处于停止工作状态
05h	从节点处于操作工作状态
7Fh	从节点处于预操作状态

未完待续…