從CANopen到CANopen FD的技術升級

2019年11月21日，在SPS 2019慶祝30周年展會上，CiA組織通過兩個網(wǎng)橋連接的網(wǎng)絡展示了從經(jīng)典CANopen到CANopen FD的移植。那么CANopen FD的出現(xiàn)帶來哪些變化？這里重點介紹一下CANopen FD的特性。

自1991年頒布了CAN 2.0技術規(guī)范起，CiA便一直致力于CAN協(xié)議的推廣，其中包括CAN底層（CAN數(shù)據(jù)鏈路層、CAN物理層）設計及CAN的應用層（CANopen）。CANopen協(xié)議在CiA 301中明確規(guī)定其PDO、SDO、NMT網(wǎng)絡管理等協(xié)議的規(guī)范，并使用經(jīng)典CAN數(shù)據(jù)鏈路層，而在SPS展會中CiA展示了CiA 1301中指定的CANopen FD協(xié)議。相比CANopen使用經(jīng)典CAN數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)段提供8字節(jié)有效負載，CANopen FD是基于CAN FD，數(shù)據(jù)段有效負載提升到64字節(jié)，解決了某些應用中出現(xiàn)數(shù)據(jù)段不夠用的問題。

一、CANopen協(xié)議升級到CANopen FD的相同之處

1.   NMT網(wǎng)絡管理協(xié)議

網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMT）負責啟動網(wǎng)絡和監(jiān)控設備。工程師將CANopen FD網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計成一種主/從系統(tǒng)。在CANopen FD網(wǎng)絡中只允許存在一個活動的NMT主機，所有CANopen FD設備都具有NMT從機功能，并且由NMT主機來啟動、監(jiān)控、重啟，同時分配給唯一的節(jié)點ID。

為了方便管理設備，所有設備都內置一個內部狀態(tài)機，狀態(tài)之間的轉變由內部事件或者主機外部觸發(fā)。

NMT從站狀態(tài)機由初始化狀態(tài)，預操作狀態(tài)，操作狀態(tài)和停止狀態(tài)組成，其狀態(tài)轉換方式如圖1所示 。

圖  1  NMT網(wǎng)絡管理示意圖

控制設備狀態(tài)的NMT指令，通過具有最高優(yōu)先級的CAN標識符來發(fā)送。CANopen FD設備一旦接收到控制設備狀態(tài)的NMT指令，則必須進行轉換。如圖2所示，NMT協(xié)議映射到具有兩個字節(jié)數(shù)據(jù)長度的單個CAN FD數(shù)據(jù)幀。第一個字節(jié)確定要發(fā)出去的指令，即指令說明符；第二個字節(jié)指定CANopen FD設備的節(jié)點ID。

圖 2  NMT協(xié)議示意圖

2.   錯誤控制協(xié)議

在CANopen FD網(wǎng)絡中通過錯誤控制協(xié)議（如圖3啟動協(xié)議、如圖4心跳協(xié)議）可以監(jiān)視CANopen FD設備是否仍在網(wǎng)絡中，并且處于預期的NMT FSA狀態(tài)，同時也可以檢測到新加入網(wǎng)絡的CANopen FD設備。所有的CANopen FD設備都是基于相同的CAN FD信息，并具有CANopen FD設備的CAN-ID700H+節(jié)點ID。

注意：CANopen FD不支持CAN遠程框架，因此不支持CANopen節(jié)點/生命防護。

圖  3  啟動協(xié)議示意圖

圖  4  心跳協(xié)議示意圖

3.   緊急通訊對象協(xié)議（EMCY）

當CANopen FD設備內部發(fā)生錯誤時，會由緊急錯誤生產者發(fā)送EMCY，從而觸發(fā)中斷報警。每次發(fā)生錯誤事件只會發(fā)送一次EMCY，并且以廣播的方式發(fā)送給所有支持EMCY功能的設備上，進而針對錯誤進行調整。沒有新錯誤發(fā)生時，將不再發(fā)送EMCY報文如圖5所示。

圖  5  緊急通訊對象協(xié)議EMCY示意圖

4.   SYNC同步協(xié)議

與CANopen相同，CANopen FD設備中，SYNC同步協(xié)議是由生產者定期發(fā)送，用于網(wǎng)絡同步。所有CANopenFD設備都可以作為SYNC的生產者。通常情況下，SYNC協(xié)議用作總線負載管理。SYNC報文提供1字節(jié)的SYNC計數(shù)器值。每次發(fā)送SYNC，對應計數(shù)器就會加1。同時，SYNC的傳輸周期是可以配置的，計數(shù)器初值為1，最大值可在數(shù)據(jù)對象同步計數(shù)器溢出寄存器（1019H）進行配置，如圖6所示。

圖  6  SYNC同步協(xié)議示意圖

5.   時間戳協(xié)議

時間戳協(xié)議可以使CANopen FD系統(tǒng)調整到唯一的網(wǎng)絡時間。由CANopen FD主站設備發(fā)出，用于同步所有從站的內部時鐘。時間戳被映射到一個6字節(jié)長度的CAN單幀。如圖7所示，默認情況下，該CAN幀具有標識符100h。這六字節(jié)長度的數(shù)據(jù)提供“時間“”信息，該信息是以午夜之后的毫秒數(shù)和自1984年1月1日以來的天數(shù)。

圖  7  時間戳協(xié)議示意圖

二、CANopen到CANopen FD的改變之處

     1.   USDO協(xié)議 

USDO用于CANopen FD系統(tǒng)中的配置和診斷任務。但是，過程數(shù)據(jù)也可以通過USDO服務進行傳輸。USDO具有以下特性： 

• USDO服務可以在單個或多個USDO服務器之間確認通信；

• USDO客戶端可以訪問CANopen FD設備中所有的對象字典條目；

•  USDO可以提供USDO服務器對象字典中一個或幾個子索引的讀寫訪問權限；

• USDO具有路由功能，可以實現(xiàn)CANopen FD網(wǎng)絡邊界上的數(shù)據(jù)傳輸； 

• USDO客戶端和USDO服務器可以連接到不同的CAN物理層；

• USDO客戶端和USDO服務器之間可以傳輸任意長度的數(shù)據(jù)內容。

如圖8所示，是USDO已確認的單播、廣播通信。

圖  8  USDO單播、廣播通信

USDO協(xié)議“目的地地址”確定USDO是以點對點連接還是以多路或廣播方式進行通信。命令說明符決定USDO傳輸?shù)念愋汀扞D用作交易編號，使客戶端能夠區(qū)分對同一USDO服務器的USDO訪問。與傳統(tǒng)的CANopen SDO中一樣，索引和子索引標識在USDO服務器的對象字典中訪問的數(shù)據(jù)元素。除了經(jīng)典的SDO，USDO還按大小和數(shù)據(jù)類型描述要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這使數(shù)據(jù)接收者能夠執(zhí)行一致性檢查。如圖9所示，為加速USDO協(xié)議傳輸。

圖  9  加速USDO協(xié)議傳輸

對于較長的數(shù)據(jù)對象，如類型為域的數(shù)據(jù)，超過了7字節(jié)，加速USDO傳輸方式效率并不是很高。類似于CANopen協(xié)議，CANopen FD協(xié)議中為了提高USDO傳輸?shù)男?，引入一種擴展USDO傳輸方式：即塊傳輸。這種USDO傳輸方式效率更高、速度更快。這種塊傳輸?shù)幕驹砭褪菍?shù)據(jù)劃分為幾個單一的包，在連續(xù)的請求或者應答中逐塊傳輸這些包。如圖10所示，是USDO塊傳輸方式。

圖 10  USDO塊傳輸方式

USDO客戶端告知USDO服務器目標索引和子索引以及預期的數(shù)據(jù)類型和長度。USDO服務器確認其請求后，給出其可以處理的最大塊的大?。ㄟB續(xù)塊消息的數(shù)量）。USDO客戶端就會發(fā)出第一塊的各個分段，知道服務器確認接收結束。

     2.   PDO協(xié)議 

過程數(shù)據(jù)對象（PDO）在CANopen FD中用于廣播高優(yōu)先級控制和狀態(tài)信息。一個PDO由一個CAN數(shù)據(jù)幀組成，并可以通信多達64個字節(jié)的數(shù)據(jù)。但是，CAN FD數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度從8字節(jié)之后呈非線性規(guī)律。因此，當PDO生產者使用填充字節(jié)將PDO填充到下一個支持的CAN FD幀長度時，PDO的消費者可能會收到比預期更多的數(shù)據(jù)。如圖11所示。 

圖  11  PDO協(xié)議示意圖

三、CANopen FD與嵌入式網(wǎng)絡、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)如今，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在逐步發(fā)展崛起，慢慢走向成熟。嵌入式也在向云應運程序中集成發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代需要更多的數(shù)據(jù)來進行更準確更安全的算法分析。CANopen FD底層基于CAN FD提供了長達64字節(jié)的有效負載，能夠更好的滿足大數(shù)據(jù)時代的安全性能要求。

CANopen FD能夠更好的滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，其中重要的原因還是歸功于新的USDO協(xié)議的出現(xiàn)。由于USDO特性靈活，CANopen FD/IOT網(wǎng)關可以輕松的訪問網(wǎng)絡中的任何數(shù)據(jù)，并且通過路由功能可以進行遠程網(wǎng)絡CANopen FD設備連接和訪問。

CANopen FD減輕了開發(fā)人員處理CAN硬件特定細節(jié)的負擔，例如位時序和驗收過濾。CANopen FD提供了標準化的通信對象COB，用來配置及網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)。

四、CANFDSM-100——串口轉CANFD轉換模塊

在實際應用中，工程師經(jīng)常會使用串口來收發(fā)數(shù)據(jù)或進行調試。這樣，對于CANopen FD設備的問題，我們會需要實現(xiàn)串口轉CANFD，幫助我們更好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和轉換。如圖12所示， 是廣州致遠電子研發(fā) 的一款串口轉 CAN（FD）模塊CANFDSM-100，內置微處理器。該模塊支持透明轉換、透明帶標識符轉換、格式轉換、Modbus轉換四種模式。同時，該模塊集成1路CANFD接口和1路UART接口。在CAN通訊方面，可以在40Kbps~1Mbps之間任意可編程；在CANFD通訊方面，可以在1Mbps~5Mbps之間任意可編程。滿足工業(yè)級要求，支持在線固件升級等。

圖 12  CANFDSM-100示意圖

五、USBCANFD系列CAN FD接口卡

在CANopen FD設備的使用過程中，經(jīng)常會通過抓取底層的CAN FD報文來進行數(shù)據(jù)分析或者故障排除等。如圖13所示是廣州致遠電子有限公司開發(fā)的高性能CANFD接口卡，集成1-2路CANFD接口，每個接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護電路，使接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。PC通過USB2.0端口連接USBCANFD接口卡，從而能與CAN(FD)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)，構成CAN(FD)-bus控制節(jié)點。

圖 13  USBCANFD-200U接口卡示意圖