CANopen现场总线通讯协议的分析

CANopen现场总线通讯协议的分析摘要：CANopen使用基于对象的方法来定义标准设备，每个设备都表现为一组对象的集合，能够被网络所访问。对象字典是通讯程序和上层应用程序之间的接口。CANopen的核心概念是设备对象字典（ObjectDictionary，OD），它是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8位的子索引。CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。一个节点的对象字典是在电子数据文件（ElectronicDataSheet，EDS）中描述。

关键词：CANopen；对象词典；索引；子索引

前言：CAN（ControllerAreaNetwork）现场总线仅仅定义了物理层、数据链路层（见ISO11898标准），没有规定应用层；实际设计中，物理层、数据链路层完全由硬件实现。所以CAN现场总线本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN信息中的11/29位标识符、8字节数据的使用。CANopen协议是一种基于CAN的高层协议，它是由CiA（CAN-in-Automation）定义并维护的协议之一,它是在CAL（CANApplicationLayer）协议基础上开发的,使用了CAL通信和服务协议子集。

1CANopen通讯对象

1.1PDO（ProcessDataObject：过程数据对象）

PDO提供设备应用对象的直接访问通道，用来传输实时数据，具有较高的优先权。PDOCAN信息数据列中每个字节都用作数据传输，信息利用率高。

PDO通过“生产者/消费者”模式来描述，数据从一个生产者传到一个或者多个消费者，数据传送限制在1~8个字节。生产者传输数据后，不需要消费者确认，网络上的每个节点都会检测发送节点发出的数据信息，然后节点会决定接收到的信息是否需要处理。

每个PDO有两种PDO服务：TxPDO和RxPDO。生产者发出的PDO称为该设备的发送PDO（TxPDO），消费者设备接收的PDO称为该设备的接收PDO（RxPDO）。

每个PDO在对象字典中用2个对象描述：PDO通讯参数和PDO映像参数

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，这些对象映像到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像，以说明PDO内容。

RxPDO和TxPDO信息格式如下：

1.2SDO（ServiceDataObject：服务数据对象）

SDO是用来建立两个CANopen设备之间的客户/服务器关系的，客户设备可以对服务器设备的对象字典进行读/写访问操作。SDO的访问模式为“客户端/服务器”模式，被访问的节点为SDO服务器。每个CANopen设备至少有一个服务数据对象，用来提供该设备对象字典的访问通道。SDO可以对对象字典内的所有对象进行读/写访问操作。

SDO信息中包含索引和子索引信息，如此方便对象在对象字典中定位，而且对象字典中的复合数据结构易于通过SDO访问。SDO的触发方式为功能响应型，即SDO客户发出读/写请求后，SDO服务器须给予回应；客户端和服务器均可以主动终止SDO的传输；请求信息和响应消息通过不同的COB-ID进行区分。

SDO可以传送任意长度的数据。如果传送的数据超过4个字节，则必须实行分段传送。最后一段数据报含一个结束标志。

SDO请求信息和响应消息的结构如下：

请求信息格式：

1.3NMT（NetworkManagementObject：网络管理对象）

CANopen的网络管理遵循“主/从”模式。一个CANopen网络里只能存在一个NMT主站，其它节点均被当成从站。NMT可实现3种服务：Modulecontrolservices（节点状态控制服务）、ErrorControlservices（错误控制服务）和Boot-upservices（启动引导服务）。

1.3.1节点状态控制是指CANopen网络中主站节点通过发送命令控制从站的状态，从站收到主站的命令后执行，不需要回复。所有的CANopen节点都有一个内部的NMT状态，从站节点共有4种状态：初始化状态、预行状态、运行状态、停止状态。

节点状态控制信息格式如下表所示：

1.3.2ErrorControlservices（错误控制服务）

错误控制服务用于检测CANopen网络中是否有节点断线。错误控制服务分为两种：heartbeat和nodeguarding，台达AS系列PLC只支持heartbeat。如从站启动heartbeat服务后，主站才可以检测从站是否断线。Heartbeat生产者按照设定的Heartbeat产生时间定时发送Heartbeat信息，一个或者多个Heartbeat消费者检测Heartbeat生产者发送的信息，当消费者在设定的超时时间内没有收到生产者发送的信息时，产生Heartbeat事件表明CANopen通讯异常。

1.3.3Boot-upservices（启动引导服务）

从站在初始化完成进入预运行状态后，会发送一笔Boot-up信息，表示初始化完成。

1.4其它预定义CANopen通讯对象

1.4.1同步对象（SyncObject）

同步对象由网络中主站节点以广播的形式周期发送到CAN网络的信息。这个对象用来实现基本的网络时钟信号，每个设备可以根据自己的配置，决定是否使用该事件和其它网络设备进行同步通讯。如在控制驱动装置时，各个装置收到主站发送的动作命令后并不立即动作，而是等收到同步信息后一起动作，如此可以实现多个装置同步动作。

SYNC信息格式如下图所示：

1.4.2紧急事件对象（EmergencyObject）

紧急事件对象是由CANopen设备用来标识内部紧急错误的，当设备出现紧急错误时，设备发出紧急事件信息（信息中包含紧急错误码），设备进入错误状态。当错误消除后，设备发出紧急事件信息报告错误消除，紧急错误代码为0，设备进入正常状态。

Emergency信息格式如下图所示：

备注：错误寄存器内的值映像到对象字典（ObjectDictionary）中的索引地址为1001（hex）。若该值等于0，则表示无错误发生；若该值等于1，则表示发生了一般性错误；若该值等于H’80，则表示发生了设备内部错误。

2预定义连接设定

为了减少简单网络的组态工作量，CANopen定义了一个强制性的默认标识符分配图表。预定义连接设定包含广播对象和对等对象，11位的标识符结构如下：

结语：

CANopen标准最初设计用于面向运动的机器控制系统，现在广泛应用于自动化领域。例如，它是一个流行的协议，可以在机器人系统中、工厂传送带旁及整个工业机械中使用。随着自动化程度越来越高的智能工厂的发展趋势，CANopen协议将在未来发挥更大的作用。

参考文献：

[1]任玮蒙，陶维青.基于CAN总线的高层协议CANopen[J].自动化技术与应用，2007,26（4）：128-130