CANopen實(shí)時(shí)總線的要點(diǎn)解析，看完你就明白了

第一部分CAN和CANopen的概念一、 CAN和CANopen簡介

CAN總線全稱為 Controller AreaNetwork 即控制器局域網(wǎng)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，已經(jīng)在汽車制造、機(jī)械制造、包裝機(jī)械、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng) 用 。

CAN 總線是德國 BOSCH 公司從 80 年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá) 1MBPS 。CAN 總線通信接口中集成了 CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。

CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由 11 位或 29 位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義 211 或 229 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為 8 個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8 個(gè)字節(jié)不會占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN 卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

另外，CAN 總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN 總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN 總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN 總線插卡可以任意插在 PC、 AT 、XT 兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

而 CANopen 是基于 CAN 總線的應(yīng)用層協(xié)議，在開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中CANopen是最著名和成功的一種,已經(jīng)在歐洲和美國獲得廣泛的認(rèn)可和大量應(yīng)用。1992 年在德國成立了“自動化 CAN 用戶和制造商協(xié)會”(CiA,CANinAutomation)，開始著手制定自動化CAN 的應(yīng)用層協(xié)議CANopen。此后，協(xié)會成員開發(fā)出一系列 CANopen 產(chǎn)品，在機(jī)械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥、食品加工等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。目前 CANopen 協(xié)議已經(jīng)成為了一種新的工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) EN-50325-4。CANopen 協(xié)議是 CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，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。

二、CANopen的基本知識EDS文件

EDS （Electronic Data Sheet）

EDS 文件描述了 CAN 網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備通信屬性（波特率、輸出類型、I/O 提供…）。它由設(shè)備制造商提供，用于在配置工具中配置節(jié)點(diǎn)（就像 Windows 里的設(shè)備驅(qū)動程序）。

PDO

PDO （過程數(shù)據(jù)對象）

CANopen 幀包含 I/O 數(shù)據(jù)

區(qū)分在：

1、 傳送 PDO：TXPDO 帶有節(jié)點(diǎn)提供給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

2、 接收 PDO：RXPDO 節(jié)點(diǎn)消耗的數(shù)據(jù)

傳送的方向從節(jié)點(diǎn)的觀點(diǎn)看總是可見的。PDO 沒有必要包含所有節(jié)點(diǎn)映象。通常模擬量和數(shù)字量被分成不同的 PDO 進(jìn)行傳送。對輸出也是同樣如此！

SDO

SDO （服務(wù)數(shù)據(jù)對象）

CANopen 幀包含參數(shù)

SDO 主要用于在程序運(yùn)行時(shí)，從設(shè)備讀參數(shù)或者向設(shè)備寫參數(shù)

COB-ID

COB-ID（通訊對象標(biāo)識符）

每個(gè) CAN 幀以一個(gè) COB-ID 開頭，COB-ID 作為 CAN 幀的標(biāo)識符。

在配置階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收 COB-ID 時(shí)，對幀來說，他是提供者或者消費(fèi)者。

三、關(guān)于CANopen

介紹

CANopen 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線協(xié)議。它特別適合實(shí)時(shí)控制的 PLC ，因?yàn)樗鼮榧傻暮涂蓚鬏數(shù)墓I(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)高效、低成本的解決方案。

CANopen協(xié)議

CANopen 協(xié)議是建立在 CAL 協(xié)議基礎(chǔ)上的一個(gè)子協(xié)議。通過定義設(shè)備規(guī)范，它甚至更加適合于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組件。CANopen 是一個(gè) CIA （CAN inAutomation）標(biāo)準(zhǔn)，投入市場之初，它就迅速被推廣。在歐洲，CANopen現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)為基于 CAN 設(shè)計(jì)的工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

物理層

CAN 使用差分驅(qū)動兩總線（公共回路）。CAN 信號是 CAN-high 和CAN-low 線之間的電壓差值。

1:CAN-high 線

2:CAN-low 線

3:終端電阻：120Ω

4:節(jié)點(diǎn)

根據(jù)電磁兼容要求，總線可以使用平行、雙絞或者屏蔽走線方式。單線結(jié)構(gòu)使反射最小化。

CANopen規(guī)范文件

通訊規(guī)范文件

CANopen 規(guī)范文件時(shí)基于“通信規(guī)范文件”的，用來規(guī)定主要通訊機(jī)制和它們的描述（DS301 ）。

設(shè)備規(guī)范文件

在設(shè)備規(guī)范文件中描述了工業(yè)自動化領(lǐng)域最重要的設(shè)備類型，同時(shí)也定義了設(shè)備功能類型。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述例子為：

◆ 數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊（DS401）

◆ 電機(jī)（DS402）

◆ 控制設(shè)備（DS4P403）

◆ 閉環(huán)控制器（DSP404）

◆ PLC （DS405）

◆ 編碼器（DS406）

通過CAN總線配置設(shè)備

通過 CAN 總線配置設(shè)備的可能性是制造商要求自治的基本原則之一。

CANopen規(guī)范文件的通用規(guī)格

CANopen 是符合以下規(guī)定文件的，用于 CAN 系統(tǒng)的一套規(guī)范：

◆ 開發(fā)的總線系統(tǒng)

◆ 無協(xié)議超負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換

◆ 可重新定義尺寸的模塊化設(shè)計(jì)

◆ 設(shè)備互用性和交換性

◆ 被大量國際制造商支持

◆ 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)配置

◆ 訪問所有的參數(shù)設(shè)備

◆ 同步和循環(huán)過程數(shù)據(jù)/事件驅(qū)動數(shù)據(jù)

CANopen產(chǎn)品認(rèn)證

在市場上提供CANopen 認(rèn)證產(chǎn)品的制造商都是 CiA 組織成員。

CAN標(biāo)準(zhǔn)

CANopen 協(xié)議被 CIA 組織定義并且可訪問該組織（須遵守某些限制 ）站點(diǎn)：http://www.can-cia.com.對主從設(shè)備的源代碼可以從不同的供應(yīng)商得

到。

與CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊

通訊協(xié)議文件基于 CAL 服務(wù)和協(xié)議。

它提供用戶對兩種交換類型的訪問：SDO、PDO。

在上電時(shí)，設(shè)備進(jìn)入一個(gè)初始化階段，接著進(jìn)入預(yù)處理階段。在這個(gè)階段，只有SDO 可以通訊。在接到一個(gè)啟動命令后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài) ，在這個(gè)階段 PDO 可以進(jìn)行通訊，SDO 通訊仍然有效。

CANopen啟動Boot-up

啟動過程 最小設(shè)備配置指定了簡化的啟動程序。這個(gè)過程描述如下：

詳細(xì)步驟介紹：

１、模塊上電

２、模塊初始化，進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài)

３、NMT 服務(wù)：啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)

４、NMT 服務(wù)：預(yù)處理

５、NMT 服務(wù)：停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)

６、NMT 服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn)

７、NMT 服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn)通訊

初始

進(jìn)入“重新啟動通訊”后，設(shè)備進(jìn)入初始模式。

該狀態(tài)允許的操作有：

◆ 定義要求的通訊對象（SDO、PDO、緊急事件處理）

◆ 安裝相關(guān)的 CAL 服務(wù)

◆ 配置 CAN 控制器

初始化完成后設(shè)備自動進(jìn)入預(yù)處理模式。

預(yù)處理

進(jìn)入預(yù)處理的條件:

◆ 在初始化完成后

◆ 在正常工作模式下，接收到“進(jìn)入預(yù)處理”NMT 命令

在這種情況下，設(shè)備的配置可以被修改。然而只有 SDO 可以用來讀或?qū)?span>設(shè)備的參數(shù)。

當(dāng)配置完成后，通過接收相關(guān)的命令，設(shè)備進(jìn)入以下的工作狀態(tài)：

◆ 停止 ，當(dāng)接收到“停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT 命令

◆ 運(yùn)行 ，當(dāng)接收到“啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT 命令

停止

如果設(shè)備處于“預(yù)處理 ” 或者“正常工作 ” 狀態(tài)，接收到“節(jié)點(diǎn)停止 ” 命令（NMT 服務(wù)），設(shè)備進(jìn)入 “停止?fàn)顟B(tài) ” 。

在這種情況下，設(shè)備不能被配置。不能讀寫設(shè)備相關(guān)參數(shù)（SDO ），只有從設(shè)備的監(jiān)視功能（即節(jié)點(diǎn)保護(hù)）有效。

操作

當(dāng)設(shè)備處于“預(yù)處理”狀態(tài)，接收到“啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn) ” ，設(shè)備進(jìn)入操作狀態(tài)。在“運(yùn)行 ” 狀態(tài)，當(dāng)使用“節(jié)點(diǎn)啟動 ” NMT 服務(wù)啟動 CANopen 網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備功能性被使用，PDO、SDO 均可進(jìn)行通訊。

過程數(shù)據(jù)對象（PDO）

PDO定義

PDO 是過程數(shù)據(jù)通信相關(guān)的通信對象，它能保證過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

一個(gè) CANopen 設(shè)備的 PDO 對象定義了它與網(wǎng)絡(luò)上其他 CANopen 設(shè)備之間的

隱式數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PDO 交換被激活。

PDO類型

有兩種 PDO 類型：

◆ TXPDO/TPDO：PDO 被設(shè)備傳送

◆ RXPDO/RPDO：PDO 被設(shè)備接收

PDO的供給者與消費(fèi)者

PDO 基于“供給者/消費(fèi)者 ” 模型。傳送的叫“供給者 ” ，接收的叫“消費(fèi)者 ” 。

PDO的傳送模式

◆ 同步（通過接收SYNC對象實(shí)現(xiàn)同步）

非周期：由遠(yuǎn)程幀預(yù)觸發(fā)傳送，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)傳送。

周期：傳送在每1到240個(gè)SYNC消息后觸發(fā)。

◆ 異步

由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送。

由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。

服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）

SDO定義

服務(wù)數(shù)據(jù)對象 SDO 允許使用顯示請求交換數(shù)據(jù)。

當(dāng)設(shè)備處于預(yù)處理、工作狀態(tài)，SDO 服務(wù)是有效的 。

SDO的類型

有兩種 SDO 類型：

◆ 讀 SDO（上傳）

◆寫 SDO（下載）

客戶端/ 服務(wù)器模型

SDO 協(xié)議是基于“客戶端/服務(wù)器”模型。

對于下載 SDO

客戶端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被寫對象的請求，服務(wù)器返回一個(gè)確認(rèn)信息。

對于上傳 SDO

客戶端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被讀對象的請求，服務(wù)器返回被讀對象的數(shù)據(jù)。

對于一個(gè)未處理的 SDO

對于以上的兩種情況，如果一個(gè) SDO 不能被處理，服務(wù)器返回一個(gè)錯(cuò)誤

代碼。

“節(jié)點(diǎn)保護(hù)”和“壽命保護(hù)”

使用期限的定義

“使用期限”參數(shù)是按以下來計(jì)算的：

使用期限=保護(hù)時(shí)間（看門狗時(shí)間）*使用期限系數(shù)；

保護(hù)時(shí)間的典型值在 250ms 到 2S 之間。對象 0X100CH 含有以毫秒時(shí)間定義的保護(hù)時(shí)間，對象 0X100DH 含有“使用期限系數(shù) ” 。

監(jiān)控機(jī)制：

1、節(jié)點(diǎn)保護(hù)

2、心跳報(bào)文

監(jiān)控激活

如果兩個(gè)參數(shù)中有一個(gè)為零，那么模塊不執(zhí)行監(jiān)控，即無壽命保護(hù)。為了激活監(jiān)控，必須在兩個(gè)對象中輸入非零的數(shù)值。

保證可靠工作

為了保證可靠工作，建議設(shè)置“使用期限系數(shù) ” 為 2。如果不是只樣，主模塊會產(chǎn)生延時(shí)（例如，在“節(jié)點(diǎn)保護(hù) ” 時(shí)高優(yōu)先級信息的處理或者內(nèi)部處理時(shí)），模塊會轉(zhuǎn)入預(yù)處理模式而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。

監(jiān)控的重要性

這兩種保護(hù)機(jī)制對 CANopen 系統(tǒng)的安全運(yùn)行特別重要，特別是對不工作于事件-被控模式的設(shè)備。

從設(shè)備的監(jiān)控

監(jiān)控按以下的方法執(zhí)行：

◆ 主設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程幀，來讀取從設(shè)備的狀態(tài);

從設(shè)備答復(fù)：

◆ 從設(shè)備可以被配置為產(chǎn)生周期性的被稱著 “心跳報(bào)文” 的報(bào)文，周期性的發(fā)送從設(shè)備的狀態(tài)。

主設(shè)備的監(jiān)控

如果主設(shè)備基于嚴(yán)格循環(huán)請求“保護(hù) ” 信息，從設(shè)備可以檢測主設(shè)備的狀態(tài)。如果從設(shè)備在也定義的使用期限內(nèi)沒有收到主設(shè)備的請求（保護(hù)錯(cuò)誤），它會認(rèn)為主設(shè)備故障。這種情況下相應(yīng)輸出進(jìn)入出錯(cuò)狀態(tài)并且從設(shè)備進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài)。

“保護(hù)”協(xié)議

在第一個(gè)“保護(hù)”信息里，“鎖住位”（t）的值是0，然后在每個(gè)后來的保護(hù)信息里，該位都會改變，只有可以顯示信息是否丟失。總線頭部用7個(gè)剩余的位來指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài):

四、CANopen設(shè)備CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中有如下幾類設(shè)備：

(1)PLC：PLC 做 CAN 上的一個(gè)主站，起到中央控制器的作用，對整個(gè)系統(tǒng)的工作起安排、調(diào)度、執(zhí)行各個(gè)操作等作用。作為 CAN 網(wǎng)絡(luò)中的主站，PLC 可以訪問網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)的任何可以訪問的數(shù)據(jù)，并起總線監(jiān)控作用，實(shí)時(shí)監(jiān)控總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤并執(zhí)行相應(yīng)的處理程序；

(2)分散式I/O：通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。分散式I/O 不具有程序存儲和程序執(zhí)行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動 I/O ，并將 I/O 輸入及故障診斷等信息返回給主站。

(3)驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備：即帶 CAN 接口的現(xiàn)場設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于哪些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由 CANopen 行規(guī)決定。