CANopen通信系统基础知识分享

在阅读有关CAN总线的文章时，你肯定会遇到“CANopen”这个词，它其实是一个基于CAN 的通信系统。CANopen 在基本术语中可以定义为在CAN 总线传输数据时使用的通信语言。发送者和接收者对数据信息的定义需要遵循共同的标准。

与CAN 总线底层协议包含物理层和数据链路层相比，CANopen 则是包含网络层、传输层、会话层、表示层、应用层这五个层次的高层协议。

在CAN总线上这些协议层之间都是独立的。

在CAN总线上这些协议的功能描述如下：

尽管CAN 总线已经成功的应用在很多行业，但是为了让它能够应用在更多的领域，CANopen 被设计出来。最初CANopen 是为面向运动的机器控制系统设计的，如今它在各个领域都得到了应用，例如：

● Robotics（机器人）

● Medical equipment（医疗设备）

● Stepper and servo motors（步进电机和伺服电机）

● Food processing（食品加工）

● Automation（自动化）

● Off-road vehicles（非公路车辆）

● Marine electronics（船用电子设备）

● Railway application（铁路应用）

● Building automation（建筑自动化）

● Mechanical manufacturing（机械制造）

● Industrial machinery（工业机械）

● Security monitoring（安防）

CANopen 使设计人员能够执行各种功能，使CAN 总线更适合于嵌入式网络应用，如车内网络。它提供了高度灵活的配置功能。使用CAN-open，能够做到：

● 实现设备网络行为

● 影响和控制网络行为

● 沟通和处理数据

● 设备内部故障提示

● 设备能够点对点通信

● 定义内部设备结构

● 允许数据速率在10kbps-1000kbps 间调整

CANopen 的内部设备结构有三个主要的逻辑部分：

CANopen 消息帧格式: CANopen 的消息帧格式和CAN总线的相似。它包含了的COB-ID 和控制位，为了避免和CAN 总线的COB-ID 冲突，所有

的COB-ID 均不相同。

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CANopen 协议：

一个CANopen协议栈实现几个CANopen COB与对应速率的CANopen 通信。CANopen 协议由以下部分组成：

▶ 数据对象服务协议（SDO）

● SDO服务使CANopen节点能够通过CAN网络读取、编辑、更改或访问另一节点对象字典的值

● 这是一种确认的通信服务，由两个具有不同CAN标识符的CAN数据帧组成

● 在以CAN为传播媒介上建立两个CANopen设备之间的对等“客户端-服务器”的通信

Server（服务端）: 访问对象字典的所有者

Client（客户端）: 访问对象字典并启动与专用SDO“服务器”通信的设备

尽管SDO 非常灵活，但OVERHEAD 的存在使其不太适合实时数据操作。为了解决这个问题，使用了进程数据对象协议。

▶ 进程数据对象协议（PDO）

● PDO 通常被视为一个重要的CANopen 协议，因为它承载了大量的信息

● CANopen 使用进程数据对象（PDO）跨CANopen 节点在实时操作数据中传播高优先级控制和状态信息

● PDO 由单个CAN 帧组成，可在单个帧内仅传送多达8字节的应用程序数据，其中包含多个对象参数值

Producer（生产者）: 它产生要传输到主机的数据

Consumer（消费者）：这里的主机就是消费者。它从生产者那里接收数据

▶ 网络管理协议（NMT）

NMT 服务定义CANopen 设备的通信方式。在接收到NMT 协议时，CANopen 设备被迫转换到命令的NMT 状态。NMT 状态机包括：

● 初始化状态（设备在通电或复位后进入初始化状态）

● 预运行状态

● 运行状态

● 停止状态

NMT 协议发送单个CAN 帧，数据长度为2字节，CAN ID为0。它包含命令标识符/功能代码（第一位），它代表请求状态，对于NMT，如果将其设置为显性状态0，则所有节点都必须执行该命令。节点ID——作为指定的名字，包含需要遵守状态转换命令的模块ID。

在NMT中，模块需要使用SDO协议操作，因为PDO仅在操作状态下才可运作。

▶ 特殊功能协议

为了产生特定的网络行为，CANopen提供了三种特定的协议：

● Synchronisation Protocol（同步协议）：该协议允许同步多个设备。同步生成器或应用程序主机定期传输同步协议。根据预定义的连接设置，同步消息映射到单个CAN 帧，COB ID 为80h。（它不携带数据（DLC=0））

● Emergency Protocol（应急协议）：

任何内部设备错误都会触发应急协议。在这种情况下，紧急消息由故障设备发送。每个错误事件只传输一次。故障设备使用将CAN标识符COB ID 80h+（节点ID）分配给紧急消息的功能。

如果CAN总线上的设备没有新的错误，则不会继续传输此类消息

● Time-stamp protocol（时间戳协议）：允许CANopen系统的用户调整特定的网络时间，该时间戳映射到一个CAN帧，该帧具有6字节的数据。这6个字节中最初的4个字节代表“一天之中的时间”信息，4个字节存储的都为毫秒信息，接下来的2个字节则为1984年1月1日0点这个数据信息。默认情况下，关联的CAN帧预设值为CAN标识符100h。

▶ 错误控制协议：监听CANopen 网络

● Heartbeat Protocol（防断连协议）：防断连协议验证其可用性及NMT 有限状态自动化（FSA）。对于CANopen 中的所有网络。防断连信号循环传输，以确认防断连发生器的可用性。

● Boot up protocol（启动协议）：这表示一种独特类型的错误控制协议。在进入NMT FSA 预运行状态之前，它将作为NMT FSA 状态初始化中的最终操作进行传输。接收到此消息表示

○ 新设备已注册到CANopen 网络

○ 更改网络设置（当有新设备添加到CANopen 时）

○ 它可以被认为是CANopen 网络中出现错误情况的标志