1.CANopen協(xié)議簡介
從OSI 網(wǎng)絡(luò)模型的角度來看，CAN總線只定義了OSI網(wǎng)絡(luò)模型的第一層(物理層) 和第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而在實際設(shè)計中，這兩層完全由硬件實現(xiàn)，設(shè)計人員無需再為此開發(fā)相關(guān)軟件或固件。
同時，CAN只定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有規(guī)定應(yīng)用層，本身并不完整，因此需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文中的11/29位標(biāo)識符和8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。而且，基于CAN總線的工業(yè)自動化應(yīng)用中，越來越需要一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議：這個協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性，能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。
CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA) 定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。尤其是在歐洲， CANopen 協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN 的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為“設(shè)備描述”的協(xié)議中進(jìn)行描述;“設(shè)備描述”定義了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。
在OSI 模型中， CAN標(biāo)準(zhǔn)、CANopen協(xié)議之間的關(guān)系如圖 1-1所示。
圖1-1 CAN標(biāo)準(zhǔn)、CANopen協(xié)議在OSI網(wǎng)絡(luò)模型中的位置框圖
CANopen和CAN報文的關(guān)系如圖 1-2所示。
圖1-2 CANopen和CAN報文的關(guān)系如所示。
CAN 報文由7個不同的位域組成，而CANopen就是規(guī)定其中的仲裁域(11 位標(biāo)識符) 和數(shù)據(jù)域(8 字節(jié)數(shù)據(jù)) 的使用情況。
2.CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)
CANopen是一個基于CAN串行總線系統(tǒng)和CAL(CAN應(yīng)用層)的高層協(xié)議。 CANopen的核心概念是設(shè)備對象字典(OD： ObjectDictionary)，CANopen通訊通過對象字典(OD)能夠訪問驅(qū)動器的所有參數(shù)。CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示。
圖2-1 CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)
2.1 CANopen對象字典
CANopen對象字典(Object Dictionary，OD)是CANopen協(xié)議最為核心的概念。所謂的“對象字典”，就是一個有序的對象組;每個對象采用一個16位的索引值來尋址。為了訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素，同時定義了一個8位的子索引，對象字典的結(jié)構(gòu)如表 2-1所示。
表2-1 對象字典結(jié)構(gòu)
CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個對象字典。對象字典包含了描述這個設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。
CANopen對象字典中的項由一系列子協(xié)議來描述。子協(xié)議描述對象字典中每個對象的功能、名字、索引、子索引、數(shù)據(jù)類型、讀/寫屬性，以及這個對象是否必需等，從而保證不同廠商的同類型設(shè)備兼容。
CANopen協(xié)議的核心描述子協(xié)議是DS301，包括CANopen協(xié)議應(yīng)用層及通信結(jié)構(gòu)描述，其他子協(xié)議都是對DS301協(xié)議描述文本的補(bǔ)充與擴(kuò)展。
CANopen協(xié)議包含許多子協(xié)議，其主要劃分為以下3類：
1. 通信子協(xié)議
通信子協(xié)議(Communication Profile)描述對象字典的主要形式，以及對象字典中的通信對象和參數(shù)。這個子協(xié)議適用于所有的CANopen設(shè)備，其索引值范圍為0x1000~0x1FFF。
2. 制造商自定義子協(xié)議
對于在設(shè)備子協(xié)議中未定義的特殊功能，制造商可以在制造商自定義子協(xié)議(Manufacturer-specific Profile)中根據(jù)需求定義對象字典項。因此，這個區(qū)域?qū)Σ煌瑥S商來說，相同的對象字典項的定義不一定相同，其索引值范圍為0x2000~0x5FFF。
3. 設(shè)備子協(xié)議
設(shè)備子協(xié)議(Device Profile)為各種不同類型設(shè)備定義對象字典中的對象，其索引值范圍為0x6000~0x9FFF。
2.2 CANopen通信
在CANopen協(xié)議中主要定義網(wǎng)絡(luò)管理對象(NMT)、服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)、過程數(shù)據(jù)對象(PDO)、預(yù)定義報文或特殊功能對象4種對象。
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)管理對象
網(wǎng)絡(luò)管理對象負(fù)責(zé)層管理、網(wǎng)絡(luò)管理和ID分配服務(wù)，例如，初始化、配置和網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理中，同一個網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個主節(jié)點、一個或多個從節(jié)點，并遵循主/從模式。
2.2.2 服務(wù)數(shù)據(jù)對象
服務(wù)數(shù)據(jù)對象主要用于主節(jié)點對從節(jié)點的參數(shù)配置。服務(wù)確認(rèn)是SDO最大的特點，為每個消息都生成一個應(yīng)答，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在一個CANopen系統(tǒng)中，通常CANopen從節(jié)點作為SDO服務(wù)器，CANopen主節(jié)點作為客戶端。客戶端通過索引和子索引能夠訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器上的對象字典，所以CANopen主節(jié)點可以訪問從節(jié)點的任意對象字典項的參數(shù)，并且SDO可以傳輸任何長度的數(shù)據(jù)(當(dāng)數(shù)據(jù)長度超過4字節(jié)時，拆分成多個報文來傳輸)。
2.2.3 過程數(shù)據(jù)對象
過程數(shù)據(jù)對象用來傳輸實時數(shù)據(jù)，其傳輸模型為生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，數(shù)據(jù)長度被限制為1~8字節(jié)。
PDO通信對象具有如下特點：
1. PDO通信沒有協(xié)議規(guī)定，PDO數(shù)據(jù)內(nèi)容由它的COB-ID定義。
2. 每個PDO在對象字典中用2個對象描述，分別是PDO通信參數(shù)和映射參數(shù)。
1) PDO通信參數(shù)：定義該設(shè)備所使用的COB-ID、傳輸類型、定時周期。
2) PDO映射參數(shù)：包含一個對象字典中的對象列表，這些對象映射到相應(yīng)的PDO，其中包括數(shù)據(jù)的長度。對于生產(chǎn)者和消費(fèi)者，只有知道這個映射參數(shù)，才能夠正確地解釋PDO的內(nèi)容。PDO內(nèi)容是預(yù)定義的，如果PDO支持可變PDO映射，那么可以通過SDO進(jìn)行配置。
3. PDO具有2種傳輸方式：同步傳輸和異步傳輸。
1) 同步傳輸：通過接收同步對象實現(xiàn)同步，按觸發(fā)方式又可分為非周期傳輸和周期傳輸。非周期傳輸由遠(yuǎn)程幀預(yù)觸發(fā)，或者由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件預(yù)觸發(fā)。周期傳輸則通過接收同步對象來實現(xiàn)，可以設(shè)置1~240個同步對象觸發(fā)。
2) 異步傳輸：由特定事件觸發(fā)。按觸發(fā)方式又可分為2種：一種通過發(fā)送與PDO的COB-ID相同的遠(yuǎn)程幀來觸發(fā);另一種由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件來觸發(fā)(如定時傳輸、數(shù)據(jù)變化傳輸?shù)?。
2.2.4 預(yù)定義報文或特殊功能對象
預(yù)定義報文或特殊功能對象為CANopen設(shè)備提供特定的功能，以方便CANopen主站對從站的管理。在CANopen協(xié)議中，已經(jīng)為特殊的功能預(yù)定義了COB-ID。主要有以下幾種特殊報文：
1. 同步報文(Sync)
主要實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的同步傳輸，每個節(jié)點都以該同步報文作為PDO觸發(fā)參數(shù)，因此該同步報文的COB-ID具有比較高的優(yōu)先級以及最短的傳輸時間。
2. 時間標(biāo)識報文(Time Stamp)
為每個節(jié)點提供公共的時間參考。
3. 緊急事件報文(Emergency)
當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生錯誤時觸發(fā)該對象，即發(fā)送設(shè)備內(nèi)部錯誤碼。
4. 節(jié)點/壽命保護(hù)報文(Node/Life Guarding)
主節(jié)點可通過節(jié)點保護(hù)方式獲取從節(jié)點的狀態(tài)，從節(jié)點可通過壽命保護(hù)方式獲取主節(jié)點的狀態(tài)。
5. 啟動報文(Boot up)
從節(jié)點初始化完成后向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送該對象，并進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)。
2.3 CANopen預(yù)定義連接集
為了減小簡單網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作量，CANopen定義了強(qiáng)制性的缺省標(biāo)識符(CAN-ID)分配表。這些標(biāo)識符在預(yù)操作狀態(tài)下可用，通過動態(tài)分配可以修改它們。CANopen設(shè)備必須向它所支持的通訊對象提供相應(yīng)的標(biāo)識符。
CAN-ID分配表是基于11位CAN-ID的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，劃分為4位功能碼和7位節(jié)點號，如圖 2-2所示。
圖2-2 預(yù)定義連接集ID
Node-ID由系統(tǒng)集成商定義，每個CANopen設(shè)備都需要分配一個節(jié)點號，節(jié)點號的范圍是1~127(0不允許被使用)。
預(yù)定義連接集定義了4個接收PDO，4個發(fā)送PDO，1個SDO(占用2個CAN-ID)，1個緊急對象和1個節(jié)點錯誤控制。支持無需確認(rèn)的NMT模塊控制服務(wù)、同步和時間標(biāo)識對象報文。缺省ID分配表如表 2-2所示。
表2-2 CANopen預(yù)定義主/從連接集CAN標(biāo)識符分配表
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