談談CANopen協議的機制

CANopen是基于CAN協議的高級通信協議和設備組態檔規范，該協議是為嵌入式網路應用（如車載網路）開發的，CANopen涵蓋了網路編程框架，設備描述，介面定義和應用程式組態檔，CANopen使來自不同制造商的設備和應用程式之間實作通信標準化，它已被廣泛用于各個行業，并在自動化和運動應用中具有突出的表現，

就OSI通信系統模型而言，CAN覆寫前兩個級別：物理層和資料鏈路層，物理層定義了所使用的線路，電壓，高速特性等，標準的CAN協議實作資料鏈路層，它是基于幀的（訊息）協議，CANopen涵蓋了上面五層：網路（尋址，路由），傳輸（端到端可靠性），會話（同步），表示（以標準方式編碼的資料，資料表示）和應用，應用層描述了如何配置，傳輸和同步CANopen設備，

許多處理器都實作了CAN 總線介面和驅動程式，我們假設讀者已經了解CANBUS 總線的基本知識，重點介紹應用程CANopen 協議，

CANopen 的基本概念

每個新技術的出現，都會伴隨著一大堆的技術術語和英文縮寫，使初學者難以理解，一位日本人稱為是“術語的洪流“，使用簡單的語言將一個復雜的事情的基本框架講明白，要比開頭就劈頭蓋腦地拋術語，講細節好的多，我寫這篇博文也就是這種嘗試，

• CANBUS 是一種總線型通信網路，所有的節點都并聯在兩根通信線上，

• CANBUS 和以太網類似，是基于幀傳輸方式，只是以太網一個幀可以是1500個位元組，而CANBUS 的幀最多只能傳輸8個位元組

以太網的幀結構

CANopen 的幀結構

不要以為資料幀短不好，短有短的優點，它將更可靠，實時性好，

• 11 位 進一步分成位 4個功能碼和7位 ID，7位大小限制CANopen網路上的設備數量限制為127個節點，
• 在一個控制系統中，設備的ID 和 資料的格式都是由系統廠商規定的，例如筆者曾經開發過一個汽車上的方向盤角度傳感器，就是由汽車廠提供的幀資料格式和ID 資料表，來設計的，與博世的同類產品不相同，

我們一直在講，底層通信協議只是解決語法的問題，沒有解決語法的問題-資料代表上面含義？

CANOpen 是建立在CANBUS鏈路層基礎上的應用協議，解決語意的問題（8個位元組什么代表意思？），讓不同廠商的產品能夠真正的互聯互通，

基于物件的通信

每個設備都有各種資料要和外界交換，例如方向傳感器的角度，速度和加速度，這些引數具有名稱，型別，長度等特征，訪問這些引數的方式最簡單的方式就是定義地址和長度，然后讀取，PLC 中modbus 協議就是這么簡單粗暴的方法，這種低級的方式顯然比較容易出錯，設定復雜，

控制協議越來越多地采納了面向物件程式設計的思想，將每個引數定義成為一個資料物件，并且可以采樣人類可讀方式撰寫，例如采樣XML 語言來描述，

CANopen 采用了類似的思想，它將引數定義為物件，每個設備中都有一個物件字典，物件字典可以一個檔案描述，它叫做EDS（Electronic data sheet），它采用了INI 檔案格式，

為了簡化協議中的資料交換，CANopen 協議中只是自定物件的索引（index）和子索引（sub index）并不傳遞物件的所有資訊，這就好比只交換字典中的的頁碼和行，列，通信雙方各自去查字典，了解具體的含義，

于是，CANBUS 可憐的8個位元組又分成了三個部分，一個位元組用于說明符，三個位元組用于節點索引和子索引，四個位元組用于傳輸中的實際資料，真正的資料只有4個位元組了，

當所有需要傳輸的資料都不能放入一條訊息中時，將選擇分段傳輸，因此必須使用多個訊息或“段”來傳輸資料，說明符的第7 為1 表示有后續資料，

物件字典

CANopen的中心主題之一是物件字典（OD），它實質上是一個存盤配置和程序資料的表格，所有CANopen設備都必須實作物件字典，

CANopen標準定義了16位的位索引和8位的子索引，也就是說，允許每個索引最多包含65536個索引和256個子條目，

該標準定義某些索引和索引范圍必須包含特定引數，例如，標準定義索引1008h（子索引00h）必須包含設備名稱，這樣，任何CANopen主站都可以從CANopen從站網路讀取此索引，

有些物件字典索引（例如設備型別（1000h））是強制性的，而另一些則是可選的，例如制造商軟體版本（100Ah），強制性索引的集合表示最小物件字典，這是標記符合CANopen的設備所必需的，

訪問物件字典的兩種通信機制是服務資料物件（SDO）和程序資料物件（PDO），

物件字典中包含的基本資料型別為：布林值，void（占位符），無符號整數，有符號整數，浮點數和字符，可以從基本資料型別構造更復雜的資料型別，例如字串，日期和時間，

EDS 檔案

前面提過，每個CANopen 兼容的設備，都需要提供一個EDS 檔案，以便讓其它訪問該節點的設備形成物件字典，主站程式需要匯入EDS檔案，EDS 是采用了INI 檔案格式，它最早是windows 組態檔的格式，也有廠家開發了EDS 的編輯工具，

服務資料物件（SDO）

在CANopen協議的網路上，每個節點必須實作一個服務器，該服務器處理對其物件字典的讀/寫請求，CANopen主站充當該服務器的客戶端，直接訪問（讀/寫）服務器物件字典的機制是服務資料物件（SDO），訪問了物件字典的節點稱為SDO服務器，獲取資料的節點稱為SDO客戶端，傳輸始終由SDO客戶端啟動，

通常，主CANopen節點將向網路發送請求，感興趣的節點將以請求的資料進行回應，當SDO客戶端要從服務器請求資訊時，它將使用600h +節點ID的CAN-ID發送SDO請求， 然后，服務器將使用580h的CAN-ID +節點ID進行回應，節點ID指定訊息來自哪個從節點，下面所示的示例，主節點（SDO客戶端）將訊息發送到網路的CAN-ID為603h，盡管所有節點都可以看到此訊息，但目標節點以外的所有節點都將忽略該訊息，目標節點知道ID為603h的訊息意味著該訊息是針對該節點的，這是SDO請求，訊息的資料欄位將指定主節點要訪問資料的物件的索引和子索引，然后，目標節點以訊息ID 583h進行回應，

程序資料物件（PDO）

程序資料表示可以隨時間變化的資料，例如節點控制器的輸入（即傳感器）和輸出（即電動機驅動器），程序資料也存盤在物件字典中，但是，由于SDO通信一次僅允許訪問一個物件字典索引，因此訪問不斷變化的資料可能會有很多開銷，此外，CANopen協議要求節點必須能夠發送自己的資料，而無需由CANopen主站輪詢，因此，使用一種稱為“程序資料物件”（PDO）的通信方法來傳輸程序資料的方法也有所不同，

PDO有兩種型別：傳輸PDO（TPDO）和接收PDO（RPDO），TPDO是來自節點（產生的）的資料，而RPDO是到達節點（消耗的）的資料，另外，PDO有兩種型別的引數：配置引數和映射引數，物件詞典中保留給PDO配置和映射資訊的部分是索引1400h-1BFFh，

配置引數指定COB-ID，傳輸型別，禁止時間（僅TPDO）和事件計時器，這將在本節中進行說明，有多種方法可以啟動PDO傳輸，這些方法包括事件驅動，時間驅動，單獨輪詢和同步輪詢，傳輸型別在PDO的配置引數中指定，在事件驅動的傳輸中，當其中的程序資料發生更改時，將啟動PDO傳輸，在時間驅動的傳輸中，PDO傳輸以固定的時間間隔發生，在單獨的輪詢中，PDO傳輸是使用不常用的稱為遠程請求的機制啟動的，在同步輪詢中，使用SYNC信號啟動PDO傳輸，同步信號經常用作全域計時器，例如，如果CANopen主站發出SYNC訊息，則可以配置多個節點以查看并回應該SYNC，通過這種方式，主站可以同時獲取多個程序物件的“快照”，

網路管理（NMT）概述

網路管理服務包括在初始化，運行前，運行和停止之間更改從站狀態的能力，NMT協議允許CANopen網路控制各個節點的通信狀態，操作前狀態主要用于配置CANopen設備，因此，在預操作狀態下不允許進行PDO通信，在操作狀態下可以進行PDO通信，在停止狀態下，節點只能執行節點保護或心跳，而不能接識訓傳輸訊息，某些型別的CANopen通信允許處于不同狀態，例如，在操作前狀態下允許SDO，但不允許PDO，這是因為SDO通常用于初始化物件字典引數，

守護與心跳

CANopen規范要求節點必須使用某種方法來檢查節點是否“活動”，可用的兩種方法是：節點保護和心跳，后者是首選方法，

在心跳協議中，CANopen節點定期發送心跳訊息，該訊息使CANopen主設備或心跳使用者知道該節點仍處于活動狀態，如果心跳訊息在一定時間內未到達，則主機可以采取特定措施，此類操作可能是重置節點或向操作員報告錯誤，心跳訊息由CAN-ID 0x700 +節點ID標識，其中第一個資料位元組等于1110，

在節點保護協議中，CANopen主站輪詢從站節點的當前狀態資訊，如果節點在特定時間段內未回應，則主服務器將認為該節點已死，并將采取措施，

心跳協議是首選方法，因為它的開銷比節點保護少，

緊急訊息

CANopen網路中的??每個節點都分配有一條緊急訊息（EMCY），用于傳達節點狀態，請注意，心跳和節點保護協議旨在用于傳達通信故障，而緊急訊息則用于傳達節點內的錯誤（即傳感器故障），EMCY訊息由80h的COB-ID +節點ID標識，EMCY訊息的資料部分包含有關發生的錯誤的資訊，

下面我會來談談 CANopen 與IEC61499 相結合，