CANopen协议介绍

1.CANopen协议简介

    从OSI 网络模型的角度来看，CAN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），而在实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件或固件。

    同时，CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，本身并不完整，因此需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符和8字节数据的使用。而且，基于CAN总线的工业自动化应用中，越来越需要一个开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。

    CANopen协议是CAN-in-Automation(CiA) 定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲， CANopen 协议被认为是在基于CAN 的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为“设备描述”的协议中进行描述；“设备描述”定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠CANopen协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。

    在OSI 模型中， CAN标准、CANopen协议之间的关系如图 1-1所示。

图1-1  CAN标准、CANopen协议在OSI网络模型中的位置框图

    CANopen和CAN报文的关系如图 1-2所示。

图1-2  CANopen和CAN报文的关系如所示。

    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。

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

    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

    注意：

        1）  PDO/SDO 发送/接收是由（slave）CAN节点方观察的。

        2）  NMT 错误控制包括节点保护（NodeGuarding），心跳报文（Heartbeat）和Boot-up协议。

3.参考资料

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

    《项目驱动—CAN-bus现场总线基础教程》