现场总线CANopen与工业以太网总线知识概述

现场总线CANopen与工业以太网总线知识概述2023/5/18现场总线定义现场总线（FieldBus）是应用在生产现场、在智能化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，也被成为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。

传统总线控制系统现场总线控制系统现场总线类型2023/5/18现场总线类型常见的现场总线和工业以太网协议现场总线协议：ControlNet、Profibus、Interbus、DeviceNet、CANopen、CC-Link、ASi、IO-LinkProfinet、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus/TCP、SERCOSⅢ2023/5/18工业通讯协议关系布局现场总线CANopenCANopen协议是一种基于CAN总线的应用层协议。CANopen协议在欧洲广泛应用，已成为欧洲标准EN50325-42023/5/18OSI模型中CAN标准和CANopen协议之间的关系2023/5/18CANopen与CAN报文的关系两者之间的关系

（1）介质访问控制及物理信号使用CAN总线技术； （2）通信速率可以有多种选择； （3）采用对象字典作为通信接口与应用程序的接口； （4）支持主/从、生产者/消费者和客户机/服务器等多种通信模式； （5）制定了多种设备子协议；2023/5/18CANopen概述CANopen概述

（6）可使用多种线缆和连接器； （7）数据通信可采用事件驱动、远程请求、同步传输等多种方式； （8）采用心跳报文、节点保护、寿命保护等多种设备监控方式，有利于节点之间的可靠通信； （9）提供典型的预定义主/从连接组，最多可支持127个节点； （10）提供很大的灵活性，应用非常广泛。2023/5/18总线速度与总线长度之间的关系2023/5/18对象字典（OD：ObjectDictionary）对象字典是一个有序的对象组每个对象采用一个16位的索引来寻址定义了一个8位的子索引来方为数据结构中的单个元素2023/5/18CANopen对象字典通用结构2023/5/18对象字典和通讯对象之间的关系2023/5/18通讯对象2023/5/18通讯对象表对象字典示例2023/5/18CANopen通讯2023/5/18CANopen通讯模型定义了4种报文（通讯对象）：网络管理报文（NMT）服务数据对象SDO(ServiceDataObject）过程数据对象PDO（ProcessDataObject）预定义报文或者特殊功能对象网络管理报文（NMT）基于主从式的结构一个CANopen网络中只有一个NMT主节点作用节点状态控制初始化状态预操作状态操作状态停止状态错误控制NodeGuardingHeartbeart节点启动(boot-up)2023/5/18NMTModuleControl只有NMT-Master节点能够传送NMTModuleControl报文。所有从设备必须支持NMT模块控制服务。NMTModuleControl消息不需要应答。NMT消息格式2023/5/18NMT主机命令

2023/5/18NMT服务2023/5/18MNT节点保护（NMTNodeGuarding）通过节点保护服务，MNT主节点可以检查每个节点的当前状态NMT-Slave节点发送如下报文应答2023/5/18Heartbeat一个节点可被配置为产生周期性的被称作心跳报文（Heartbeat）的报文2023/5/18NMTBoot-up（节点启动)NMT-slave节点发布Boot-up报文通知NMT-Master节点它已经从initialising状态进入pre-operational状态。 NMT-MasterÍNMT-Slave2023/5/18过程数据对象PDO（ProcessDataObject用来传输实时数据，数据从一个生产者传到一个或多个消费者。数据传送限制在1到8个字节PDO通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的CANID定义每个PDO在对象字典中用2个对象描述PDO通讯参数：包含哪个COB-ID将被PDO使用，传输类型，禁止时间和定时器周期PDO映射参数：包含一个对象字典中对象的列表，这些对象映射到PDO里，包括它们的数据长度（inbits）。生产者和消费者必须知道这个映射，以解释PDO内容PDO消息的内容是预定义,映射应用对象到PDO中是在设备对象字典中描述的。2023/5/18PDO通信参数

2023/5/18PDO通信参数2023/5/18PDO映射参数2023/5/18PDO映射参数2023/5/18PDO例程讲解2023/5/18PDO例程讲解2023/5/18RPDOTPDOPDO例程讲解2023/5/18服务数据对象SDO(ServiceDataObject)通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节），SDO使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）SDO允许传送任何长度的数据（当数据超过4个字节时分拆成几个报文）协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个SDO需要两个ID）,SDO请求和应答报文总是包含8个字节（没有意义的数据长度在第一个字节中表示，第一个字节携带协议信息）。SDO通讯有较多的协议规定。2023/5/18SDO报文格式2023/5/18SDO报文格式2023/5/18SDO应用举例2023/5/18预定义报文或者特殊功能对象

2023/5/18同步（SYNC）时间标记对象（TimeStamp）紧急事件（Emergency）节点/寿命保护（Node/Lifeguarding）2023/5/18SDO客户读取报文当客户节点想从服务器读取数据时，向服务器发送请求报文（client→server），通信报文2023/5/18CANopen设备2023/5/18CAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的联系总结：上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输它们采用二种不同的数据传输机制实现：

SDO用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的是用来配置CANopen网络上的设备。

PDO用来传输8字节或更少数据，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。一个CANopen设备必须支持一定数量的网络管理服务（管理报文，administrativemessages），需要至少一个SDO。每个生产或消费过程数据的设备需要至少一个PDO。所有其它的通讯对象是可选的。2023/5/18CiADraftStandardProposal4021PROFILEPOSITIONMODE(标准位置模式)2HOMINGMODE(回原点模式)3INTERPOLATEDPOSITIONMODE(插补位置模式)4PROFILEVELOCITYMODE(标准速度模式)5PROFILETORQUEMODE(标准转矩模式)6VELOCITYMODE(速度模式)2023/5/18PROFILEPOSITIONMODE(标准位置模式)Object607Ah:Targetposition(Po350;Po351)Object607Bh:PositionrangelimitObject607Dh:SoftwarepositionlimitObject607Fh:MaxprofilevelocityObject6080h:MaxmotorspeedObject6081h:Profilevelocity(Po330)Object6082h:EndvelocityObject6083h:Profileacceleration(Po310)Object6084h:Profiledeceleration(Po311)Object6085h:QuickstopdecelerationObject6086h:Motionprofiletype(Po328)Object60C5h:MaxaccelerationObject60C6h:Maxdeceleration2023/5/18Object6062h:Positiondemandvalue(Po910;Po911)Object6064h:Positionactualvalue(Po956;Po957)Object6065h:FollowingerrorwindowObject6066h:FollowingerrortimeoutObject6067h:PositionwindowObject6068h:Positionwindowtime

Object60F4h:Followingerroractualvalue(Po912;Po913)HOMINGMODE(回原点模式)Object607Ch:Homeoffset(Po123;Po124)Object6098h:Homingmethod(Po555)Object6099h:Homingspeeds6099h.1hSpeedduringsearchforswitch(Po120)6099h.2hSpeedduringsearchforzero(Po121)Object609Ah:Homingacceleration(Po122)2023/5/18INTERPOLATEDPOSITIONMODE(插补位置模式)

Object60C0h:InterpolationsubmodeObject60C1h:Interpolationdatarecord(Po350)Object60C2h:Interpolationtimeperiod(Po340)Object60C3h:InterpolationsyncdefinitionObject60C4h:Interpolationdataconfiguration2023/5/18PROFILEVELOCITYMODE(标准速度模式)Object6069h:Velocitysensoractualvalue(Po914;Po915)Object606Ah:SensorselectioncodeObject606Bh:Velocitydemandvalue(Po914;Po915)Object606Ch:Velocityactualvalue(Po904;Po905)Object606Dh:VelocitywindowObject606Eh:VelocitywindowtimeObject606Fh:VelocitythresholdObject6070h:VelocitythresholdtimeObject60FFh:Targetvelocity(Po113;Po114)Object60F8h:MaxslippageObject60F9h:VelocitycontrolparObject6063hPositionactualvalue2023/5/186071hTargettorque6072hMaxtorque607EhPolarity607FhMaxprofilevelocity6080hMaxmotorspeed6083hProfileacceleration(Po109)6084hProfiledeceleration(Po110)6085hQuickstopdeceleration6086hMotionprofiletype(Po328)6094hVelocityencoderfactor6095hVelocityfactor16096hVelocityfactor2PROFILETORQUEMODE(标准转矩模式)Object6071h:Targettorque(Po204)(FC09)Object6072h:MaxtorqueObject6073h:Maxcurrent(F822)Object6074h:TorquedemandvalueObject6075h:MotorratedcurrentObject6076h:MotorratedtorqueObject6077h:Torqueactualvalue(0X1006)Object6078h:CurrentactualvalueObject6079h:DClinkcircuitvoltageObject6087h:Torqueslope(Po212,Po213)(FC02)Object6088h:TorqueprofiletypeObject60F7h:PowerstageparametersObject60F6h:Torquecontrolparameters2023/5/18VELOCITYMODE(速度模式)Object6042h:vltargetvelocity(Po113)(0x10D)Object6043h:vlvelocitydemand(Po914)(0X1000)Object6053h:vlpercentagedemand()Object6054h:vlactualpercentageObject6055h:vlmanipulatedpercentageObject604Eh:vlvelocityreferenceObject604Ch:vldimensionfactorObject604Bh:vlset-pointfactorObject604Dh:vlpolenumberObject6046h:vlvelocityminmaxamount6046h.01hvelocityminamount(Po126)(0X10C)6046h.02hvelocitymaxamount(Po002)(0X10D)Object6047h:vlvelocityminmaxObject6058h:vlfrequencymotorminmaxamountObject6059h:vlfrequencymotorminmaxObject6056h:vlvelocitymotorminmaxamountObject6057h:vlvelocitymotorminmaxObject6048h:vlvelocityacceleration(Po109)(0x10E)Object6049h:vlvelocitydeceleration(Po110)(0x10F)Object604Ah:vlvelocityquickstopObject604Fh:vlrampfunctiontimeObject6050h:vlslowdowntimeObject6051h:vlquickstoptimeObject6044h:vlcontroleffort(Po904)Object6045h:vlmanipulatedvelocityObject6052h:vlnominalpercentage2023/5/18工业以太网现场总线工业以太网的特点通讯的实时性和确定性稳定性和可靠性工业以太网协议2023/5/18常见的工业以太网总线基于TCP/IP的实现Ethernet/IP、Profinet（1）、Modbus/TCP基于普通的以太网Ethernet、Powerlink、

浙大中控的EPA、Profinet(2)基于修改的以太网EtherCAT、SERCOSIII、Profinet(3)2023/5/18以太网现场总线EtherCAT运行原理采用的是主从式（Master/Slave）通信方式主站发起EtherCAT

下行数据

帧；数据帧遍历所有的从站；每个从站在数据帧经过时分析寻址到本站数据，并根据帧中的命令来提取数据或插入返回数据，然后更新数据帧中相应的工作计数器（WKC）以标识出该数据帧被从站处理过在从站中，数据帧的接收与解码、数据的提取与插入、数据帧的转发都是由硬件来实现的，这使得

EtherCAT

数据帧经过每个从站的时间极小，延迟约为100~500ns2023/5/18EtherCAT的应用层协议CANopenoverEtherCAT(CoE)ServoDriveoverEtherCAT(SoE)EthernetoverEtherCAT(EoE)FileAccessoverEtherCAT(FoE)2023/5/18EtherCAT的帧定义2023/5/18EtherCAT子报文结构2023/5/18邮箱数据协议解析2023/5/18CoE周期性数据通讯2023/5/18CoE非周期性数据通讯Ethercat主站通过读写邮箱数据SM通道实现非周期性数据通信。当CoE的通信服务类型为2和3时为SDO通信服务2023/5/18SDO数据传输格式2023/5/18EtherCAT状态机Ethercat通讯状态机分为：Init（Initialization）Pre-OperationalSafe-OperationalOperational2023/5/18EtherCAT状态机2023/5/18状态和状态转化操作初始化应用层没有通信，主站只能读写ESC寄存器初始化向预运行转化（INITtoPre-Op）主站配置从站站点地址寄存器；如果支持邮箱通信，则配置邮箱通道参数；如果支持分布式时钟，则配置DC相关寄存器；主站写状态控制寄存器，以请求“Pre-Op”;预运行应用层邮箱数据通信Pre-OptoSafe-Op主站使用邮箱初始化过程数据映射；主站配置过程数据通信使用的SM通道；主站配置FMMU;主站写状态控制寄存器，以请求“Safe-Op”;安全运行应用层支持邮箱数据通信；有过程数据通信