CANopen协议在智嵌物联ZQWL采集控制终端产品中的应用
描述
一、CAN和CANopen介绍
CAN(Controller Area Network)通讯以其高效率高稳定的特性，被广泛应用在汽车电子、工业自动化以及物联网通讯系统中。CANopen是基于CAN的通讯子协议，是一种为用于产品部件内部网络通讯而开发的系统。其子协议CiA401，规范了数字量输入、数字量输出和模拟量采集相关的使用方法。智嵌物联ZQWL研发的带有CAN通讯接口的采集控制终端模块均实现了CANopen CiA401协议，可以非常方便的接入现有的CAN控制网络系统，缩短了开发周期，节省了开发费用。本文以智嵌物联ZQWL所研发的产品ZQWL-IO-1DARA8A为例，介绍CANopen如何在智嵌物联CAN产品中应用的。
先准备好产品1DARA8和USB-CAN调试器（ZQWL-UCAN-5C111）:
该模块支持标准的CANopen（CiA401）协议，用户通过简单配置后可以直接将其接入CANopen通讯网络或替代原有的CANopen设备。模块主要功能包括：
●1个TPDO，用于传送开关量输入状态（DI）。
●1个RPDO，用于接收开关量输出状态（DO）。
●NMT服务器功能，处理NMT主机发来的命令。
●SDO功能，配置和读取CANopen字典。
●DI极性控制、全局中断控制、单个DI中断控制以及DI的电平触发方式控制（任意变化触发、Low to High触发或者High to Low触发）。
●DO极性控制；设备故障或收到stop命令后的DO状态可配置。
●CAN波特率可配置。
●保存整部对象字典到flash和恢复整部对象字典到出厂值。
CANopen的CiA401设备子协议详细描述了对象字典的定义以及功能，该模块实现了DI/DO部分，模块的对象字典如下表：
索引 Index | 子索引 Subindex | 名称 name | 类型 Type | 属性 Attr. | 默认值 default | 说明 description |
| 1000 | 0 | 设备类型 | u32 | RO | 0x00030191 | 支持CiA401的DI和DO |
| 1003 | 0 | Errors Register | u8 | RO | 0 | 错误寄存器 |
| 1005 | 0 | Sync COB-ID | u32 | RW | 0 | 同步报文COB-ID |
| 1006 | 0 | Sync Period | u32 | RW | 0 | 同步周期 |
| 1008 | 0 | Manufacturer | string | RO | ZQWL | 制造商 |
| 1009 | 0 | Hard Version | string | RO | V3.0 | 硬件版本 |
| 100A | 0 | Soft Version | string | RO | V3.0 | 软件版本 |
| 1010 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | 子索引数目 |
| 1 | Save all OD | u32 | W | 0x65766173 | 保存整部对象字典；读时，返回0x00000001 | |
| 1011 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | 子索引数目 |
| 1 | Default all OD | u32 | W | 0x64616F6C | 恢复整部对象字典；读时，返回0x00000001 | |
| 1014 | 0 | Emnc COB-ID | u32 | RW | 0x80 | 紧急报文COB-ID |
| 1017 | 0 | Heart beat timer | u16 | RW | 0x0BB8 | 心跳包周期，单位ms |
1018 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 4 | 制造商信息 |
| 1 | Manufacturer id | u32 | RO | - | 制造商ID | |
| 2 | Product Code | u32 | RO | - | 产品代码 | |
| 3 | Revision Number | u32 | RO | - | 修订号 | |
| 4 | Serial Number | u32 | RO | - | 序列号 | |
1200 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 2 | SDO服务器信息 |
| 1 | SDO Rx COB-ID | u32 | RO | 0x0600+Node ID | SDO接收COB-ID | |
| 2 | SDO Tx COB-ID | u32 | RO | 0x0580+Node ID | SDO发送COB-ID | |
1400 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 6 | RPDO1通讯参数 |
| 1 | RPDO1 COB-ID | u32 | RO | RPDO1 COB-ID | ||
| 2 | Transmission Type | u8 | RW | 0xFF | 通讯类型 | |
| 3 | Inhibit Time | u16 | RW | 0 | 抑制时间 | |
| 4 | -- | -- | -- | -- | 保留 | |
| 5 | Event Timer | u16 | RW | 0 | 时间定时器 | |
| 6 | SYNC start value | u8 | RW | 0 | 同步初始值 | |
1401- 15FF | 0 |
RPDOx禁用 | ||||
| 1600 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | RPDO1映射参数 |
| 1 | RPDO1 mapping | u8 | RO | 0x62000108 | 映射地址 | |
1800 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 6 | TPDO1通讯参数 |
| 1 | TPDO1 COB-ID | u32 | RO | TPDO1 COB-ID | ||
| 2 | Transmission Type | u8 | RW | 0xFF | 通讯类型 | |
| 3 | Inhibit Time | u16 | RW | 0 | 抑制时间 | |
| 4 | -- | -- | -- | -- | 保留 | |
| 5 | Event Timer | u16 | RW | 0 | 时间定时器 | |
| 6 | SYNC start value | u8 | RW | 0 | 同步初始值 | |
1801- 19FF | 0 |
TPDOx 禁用 | ||||
| 1A00 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | TPDO1映射参数 |
| 1 | TPDO1 mapping | u8 | RO | 0x60000108 | 映射地址 | |
2000 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 3 | 设备唯一序列号 |
| 1 | Serial id1 | u32 | RO | - | 序列号1 | |
| 2 | Serial id2 | u32 | RO | - | 序列号2 | |
| 3 | Serial id3 | u32 | RO | - | 序列号3 | |
| 2001 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | CAN波特率寄存器 |
| 1 | CAN baud | u8 | RW | 0 | 见CAN波特率对应表 | |
| 6000 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI状态信息 |
| 1 | DI status | u8 | RW | 0x00 | DI状态寄存器 | |
| 6002 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI极性信息 |
| 1 | DI polarity | u8 | RW | 0x00 | DI极性寄存器 | |
| 6005 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI全局中断使能 |
| 1 | DI global Interrupt | bool | RW | TRUE(1) | DI全局中断使能 | |
| 6006 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI 任意变化中断使能 |
| 1 | DI any change Interrupt | u8 | RW | 0xFF | DI 任意变化中断使能 | |
| 6007 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI 由低到高中断使能 |
| 1 | DI Low to High Interrupt | u8 | RW | 0x00 | DI 由低到高中断使能 | |
| 6007 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DI 由高到低中断使能 |
| 1 | DI High to Low Interrupt | u8 | RW | 0x00 | DI 由高到低中断使能 | |
| 6200 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DO状态信息 |
| 1 | DO status | u8 | RW | 0x00 | DO状态寄存器 | |
| 6202 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DO极性控制 |
| 1 | DO polarity | u8 | RW | 0x00 | DO极性控制 | |
| 6206 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DO错误模式使能 |
| 1 | DO error mode | u8 | RW | 0xFF | DO错误模式使能 | |
| 6207 | 0 | Num of Subindex | u8 | RO | 1 | DO错误模式状态值 |
| 1 | DO error value | u8 | RW | 0x00 | DO错误模式状态值 | |
注意下文所有的测试条件为：Node ID为1；CAN波特率以及对象字典均为默认值。
二、Boot up和心跳包测试
模块上电会发出一个Boot up报文：id为701 数据为 00。
该模块默认心跳时间为0X0BB8(3000ms)。模块上电后发送心跳报文如下（采用我司生产的usb-can调试器）：
注意，上述修改后参数，参数并未保存到flash中，模块掉电或复位后心跳包时间仍然是原来的数值。如果用户想保存到flash中，可以利用索引1010，具体操作方法参见下文。
三、NMT命令测试
模块内置NMT服务器功能，可以根据NMT指令切换工作状态，模块上电初始化成功后自动进入到预操作模式（PreOperational），这时模块会发送数据为7f、CAN id为701的心跳报文，如上节所述。
按照NMT命令规范，演示如下：
①进入操作模式（Operational）
发送can id为00，数据为01 01 的报文：
模块进入到stop模式，心跳包数据变为04，如上图。进入stop模式时，继电器输出状态可以通过索引6206和6207共同确定，具体可参考下文。
③复位命令
发送can id为00，数据为81 01 的报文：
模块复位，发一条Boot up报文；心跳包数据变为7f，模块自动进入预操作模式（PreOperational），如上图。
其他模式的切换参考标准CANopen通讯协议。
四、DO输出命令测试
模块通过RPDO1接收数据，来控制DO的输出，根据RPDO1的通讯参数可知，对端的COB-ID为0x0200+Node ID，即0x0201。可以通过发can id为0x0201、数据长度为1字节的标准帧来控制DO的状态，注意模块只有在操作模式下时该指令有效。其中1字节的数据和继电器对应关系为：
DO继电器输出和数据bit对应关系 | ||||||||
| bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| DO | DO-8 | DO-7 | DO-6 | DO-5 | DO-4 | DO-3 | DO-2 | DO-1 |
例如打开第一个继电器DO，可以发送如下数据：
CAN帧ID:0x0201;
CAN数据：0x01;
Bit位值的含义：0为正逻辑；0为反逻辑。
索引6202（子索引01）默认值为0x00，全部为正逻辑。用户可以通过SDO命令修改DO输出极性对象6202的值，来改变输出极性，如改成0xff，那么，模块收到上述数据后，将第一路继电器关闭，其余路打开。
当然也可以用SDO命令读取对象索引6200，子索引01来获取DO的状态。
五、DI默认参数测试
模块通过TPDO1发送DI开关量输入的状态。是否触发TPDO1的发送，由以下条件决定：
①TPDO1的通讯参数配置（索引1800）；
②DI全局中断配置（索引6005，子索引01）；
③DI中断触发方式（索引6006/6007/6008）；
④模块当前的工作模式；
先看第一个条件，根据对象字典的默认配置可知，RPDO1的默认通讯参数为：
TPDO1的COB-ID为0x0180+Node ID（索引1800，子索引01），即0x0181；
TPDO1的通讯类型为0xFF（索引1800，子索引02），即为事件触发模式；
TPDO1的抑制时间为0x00（索引1800，子索引03），即不抑制；
TPDO1的事件定时器为0x00（索引1800，子索引05），即不启用；
所以第一个条件即为开关量事件触发。
再看第二个条件，根据对象字典的默认配置可知，DI全局中断为TURE，即打开状态。
再看第三个条件，根据对象字典的默认配置可知，DI中断触发方式中，DI_any_change（索引6006，子索引01）的值为0xFF；Low_to_High（索引6007，子索引01）的值为0x00；How_to_Ligh（索引6008，子索引01）的值为0x00；
再看第四个条件，只有模块在操作模式下时才能触发TPDO1。
由以上配置可知，在操作模式下，DI有任意变化时，就会触发中断。
DI的状态值在索引6000的对象中保存，DI输入的极性在索引6002的对象中保存，下图为TPDO1的触发逻辑关系：
其中索引6003对象为禁止状态，即不对DI做滤波处理，因为读取硬件输入状态时已经做了延时消抖动处理。
TPDO1的数据(索引6000，子索引01)为1个字节，其和DI对应关系为
DI开关量输入和数据bit对应关系 | ||||||||
| bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| DI | DI-8 | DI-7 | DI-6 | DI-5 | DI-4 | DI-3 | DI-2 | DI-1 |
DI极性控制（索引6002子索引01）与DI的关系：
DO开关量输入极性和对象索引6002数据bit对应关系 | ||||||||
| bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| DI | DI-8 | DI-7 | DI-6 | DI-5 | DI-4 | DI-3 | DI-2 | DI-1 |
在默认参数条件下，DI有变化时，模块输出如下：
上图，序号000001为第一路DI有触发（有低电平变成了高电平）；
序号000004为第一路DI有触发（有高电平变成了低电平）。
当然也可以用SDO命令读取对象索引6000，子索引01来获取DI的状态。
六、DI定时上传设置测试
可以通过SDO命令写通讯参数对象中的事件定时器（索引1800，子索引05）来实现DI状态的定时上传，例如将该对象写0x00c8（200）ms：
发送CAN帧ID为0x0601，数据为：2b 00 18 05 c8 00 00 00
模块收到后，将按照200ms上传一次（触发TPDO1）。
也可以用同样的方式设置TPDO1的抑制时间。
七、DI同步上传设置测试
可以通过SDO命令写通讯参数对象中的通讯类型（索引1800，子索引02）和对象子索引1005（同步COB-ID）来实现DI状态的同步上传，注意通讯类型的值value必须为1~240（十进制），其含义是模块收到value个同步帧时就触发一次TPDO1，例如value设为0x01：
发送CAN帧ID为0x0601，数据为：2f 00 18 02 01 00 00 00
八、对象字典的恢复出厂测试
模块可以用过SDO命令操作索引1011对象来实现对整部对象字典的恢复出厂。
目前仅支持恢复整部对象字典功能。
发送：CAN帧ID为0x0601,数据为：23 11 10 01 64 61 6f 6c；模块收到后，将整部对象字典恢复到出厂默认参数：
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