原创 CANopen协议分析

作为一种真正开放的CAN总线高层协议,CANopen协议允许不同的CAN设备以标准化的方式进行通讯,使得CAN设备具有互操作性.随着CANopen协议的日益完善,它已经广泛应用于多个行业.本文将对CANopen协议的对象字典、通讯对象及网络管理等几个方面进行简要分析。

 1．CANopen对象字典

CANopen对象字典OD(Object Dictionary)是CANopen协议最为核心的概念。所谓的对象字典就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，这个索引值通常被称为索引，其范围在0x1000～0x9FFF之间。为了允许访问数据结构中的单个元素，同时也定义了一个8位的索引值，这个索引值通常被称为子索引。

每个CANopen设备都有一个对象字典，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，对象字典通常用电子数据文档EDS（Electronic Data Sheet）来记录这些参数，而不需要把这些参数记录在纸上。对于CANopen网络中的主节点来说，不需要对CANopen从节点的每个对象字典项都访问。

CANopen对象字典中的项由一系列子协议来描述。子协议为对象字典中的每个对象都描述了它的功能、名字、索引、子索引、数据类型，以及这个对象是否必需、读写属性等等，这样可保证不同厂商的同类型设备兼容。

CANopen协议的核心描述子协议是DS301，其包括了CANopen协议应用层及通信结构描述，其他的协议子协议都是对DS301协议描述文本的补充与扩展。在不同的应用行业都会起草一份CANopen设备子协议，子协议编号一般是DS4xx。

CANopen协议包含了许多的子协议，其主要划分为以下三类：

(1)    通信子协议（Communication Profile）

通信子协议，描述对象字典的主要形式和对象字典中的通信对象以及参数。这个子协议适用所有的CANopen设备，其索引值范围从0x1000~0x1FFF。

(2)    制造商自定义子协议（Manufacturer-specific Profile）

制造商自定义子协议，对于在设备子协议中未定义的特殊功能，制造商可以在此区域根据需求定义对象字典对象。因此这个区域对于不同的厂商来说，相同的对象字典项其定义不一定相同，其索引值范围为0x2000~0x5FFF。

(3)    设备子协议(Device Profile)

设备子协议，为各种不同类型的设备定义对象字典中的对象。目前已有十几种为不同类型的设备定义的子协议，例如DS401、DS402、DS406等，其索引值范围为0x6000～0x9FFF

2．通讯对象

CANopen网络的通讯是以报文的方式传送，CANopen通讯模型定义了四种报文，也即四种通讯对象，分别是管理报文、服务数据对象SDO(Service Data Object)、过程数据对象PDO（Process Data Object）、预定义报文或者特殊功能对象，下面分别介绍。

1．    管理报文

●层管理，网络管理和ID分配服务：如初始化，配置和网络管理（包括：节点保护）。

●服务和协议符合CAL中的LMT，NMT和DBT服务部分。这些服务都是基于主从通讯模式：在CAN网络中，只能有一个LMT，NMT或DBT主节点以及一个或多个从节点。

2． 服务数据对象SDO(Service Data Object)

●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通过CAL中多元域的CMS对象来实现，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。

3． 过程数据对象PDO（Process Data Object）

●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（例如，一个PDO可以传输最多64个数字I/O值，或者4个16位的AD值）。

●PDO通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的CAN ID定义，假定生产者和消费者知道这个PDO的数据内容。

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（in bits）。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的（或者在网络启动时配置的）：

       映射应用对象到PDO中是在设备对象字典中描述的。如果设备（生产者和消费者）支持可变PDO映射，那么使用SDO报文可以配置PDO映射参数。

PDO可以有多种传送方式：

■同步（通过接收SYNC对象实现同步）

◆非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的对象特定事件预触发传送。

◆周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。

■异步

◆由远程帧触发传送。

◆由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。

4． 预定义报文或者特殊功能对象

●同步（SYNC）

■在网络范围内同步（尤其在驱动应用中）：在整个网络范围内当前输入值准同时保存，随后传送（如果需要），根据前一个SYNC后接收到的报文更新输出值。

■主从模式：SYNC主节点定时发送SYNC对象，SYNC从节点收到后同步执行任务。

■在SYNC报文传送后，在给定的时间窗口内传送一个同步PDO。

■用CAL中基本变量类型的CMS对象实现。

■CANopen建议用一个最高优先级的COB-ID以保证同步信号正常传送。SYNC报文可以不传送数据以使报文尽可能短。

●时间标记对象（Time Stamp）

■为应用设备提供公共的时间帧参考。

■用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

●紧急事件（Emergency）

■设备内部错误触发。

■用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

●节点/寿命保护（Node/Life guarding）。

■主从通讯模式

■NMT主节点监控节点状态：称作节点保护（Node guarding）。

■节点也可以（可选择）监控NMT主节点的状态：称作寿命保护（Life guarding）。当NMT从节点接收到NMT主节点发送的第一个Node Guard报文后启动寿命保护。

■检测设备的网络接口错误（不是设备自身的错误）：通过应急指示报告。

■根据NMT节点保护协议实现： NMT主节点发送远程请求到一个特定节点，节点给出应答，应答报文中包含了这个节点的状态。

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，administrative messages），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。

3．网络管理

网络管理(NMT)用来管理网络设备的状态，它是主从关系的结构。CANopen设备通过一个启动报文发送一个信号给NMT master，这个启动报文是在网络上被初始化、激活的。用NMT命令可以改变单个设备或整个网络设备的状态，每一个设备的状态是由特定属性决定的。只有在OPERATIONAL状态，PDO才能被传输；在PRE_OPERATIONAL的条件下配置设备。监控CANopen设备的通信状态可选“Node-Guarding”或“Heartbeat”，为报告设备错误定义了报警报文，这些高优先级的紧急报文通过事件导向传输；错误发生时，标准的错误代码详细描述了错误信息。

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