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CAN上层协议CANOpen协议的嵌入式简化说明

454398 来源:开源嵌入式 作者:开源嵌入式 2020-12-23 10:11 次阅读

CANopen是一种架构在控制局域网路(Controller Area Network, CAN)上的高层通讯协定,包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用,也是工业控制常用到的一种现场总线。CANopen 实现了OSI模型中的网络层以上(包括网络层)的协定。CANopen 标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。 CANopen 支援网络管理、设备监控及节点间的通讯,其中包括一个简易的传输层,可处理资料的分段传送及其组合。一般而言数据链结层及物理层会用CAN来实作。除了 CANopen 外,也有其他的通讯协定(如EtherCAT)实作 CANopen 的设备子协定。CANopen由非营利组织CiA(CAN in Automaion)进行标准的起草及审核工作,基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。

本说明是CAN上层协议CANOpen协议的嵌入式简化,较原始CANOpen版本简单易用,且更适应嵌入式模块通讯的需要,并且兼容CANOpen协议。

下面按照协议支持的功能分别进行说明:

NMT网络管理服务

网络管理状态表:

终端主节点→从节点

COB-ID 0-字节 1-字节
0 命令说明符 节点ID
(16#000) (CS) (1)

说明:一般终端主节点是指上位机,如上位用于网络管理和监控的PC机,从节点是指被管理的各模块。

如果节点ID是0表示命令会被广播至所有从节点,从节点必须执行相应的命令。

命令说明符功能见下表:

命令说明符(CS) 意义
1(16#01) 启动节点进入可操作状态
2(16#02) 停止远程节点
128(16#80) 使节点进入预操作状态
129(16#81) 复位节点
130(16#82) 复位通讯

例:启动节点1进入可操作状态,

16#000 16#80 16#04

网络管理状态表:

pIYBAF9uHI6AbqjaAADqjgTk-uc569.png

状态转换 说明
(1) 通电后自动初始化
(2) 完成初始化自动进入预操作状态
(3),(6) 启动远程节点
(4),(7) 进入预操作状态
(5)(8) 停止远程节点
(9),(10),(11) 复位节点
(12),(13),(14) 复位通讯

根据节点的状态提供以下服务:

初始化 预操作 可操作 停机
PDO
SDO
启动引导
网络管理
错误控制

过程数据对象(PDO)服务

过程数据对象用于在节点之间传送过程数据,如I/O模块I/O状态读取和设定,模拟量采集和模拟量输出等等,本协议考虑从机硬件限制最多支持4组PDO,每组包含一个RPDO和一个TPDO,现已I/O模块为例进行说明:

设I/O模块有24输入,24输出,24输入通过TPDO传给监控终端或其他节点,24输出通过RPDO由控制节点对其进行设定,采用发送和接收PDO1组,即标识符TPDO:0x180+NODE_ID,RPDO:0x200+NODE_ID,用3个字节就可以表示24个I/O量,因此发送和接收PDO可以表示如下(假设NODE_ID=1):

COB-ID 0字节 1字节 2字节
385(0x181) Data:输入I/O状态量
Input_Digital_1 Input_Digital_2 Input_Digital_3
COB-ID 0字节 1字节 2字节
513(0x201) Data:输出I/O状态量
Output_Digital_1 Output_Digital_2 Output_Digital_3

如果是8通道的模拟量采集模块则需要两个TPDO来传送采集的数据,不需要RPDO,因为每个通道产生一个16位数据,一共是16字节,每个TPDO只能够传送8字节。两个TPDO标识符分别为:0x180+NODE_ID,0x280+NODE_ID。

每帧数据格式如下表(设NODE_ID=2):

TPDO1

COB-ID 0-1字节 2-3字节 4-5字节 6-7字节
385(0x182) Data:输入模拟量
Output_Anolog_1 Output_Anolog_2 Output_Anolog_3 Output_Anolog_4

TPDO2

COB-ID 0-1字节 2-3字节 4-5字节 6-7字节
385(0x182) Data:输入模拟量
Output_Anolog_5 Output_Anolog_6 Output_Anolog_7 Output_Anolog_8

1. I/O节点←监控终端(RPDO)

2. I/O节点→监控终端(TPDO)

服务数据对象(SDO)服务

服务数据对象用于读写节点的对象字典,现 只实现SDO下载和上传的全速模式,不支持正常模式也不支持块下载和上传,因为数据量不大,实现的功能足够用,SDO全速下载和上传采用应答式服务,由监控终端向节点发送服务请求,由节点返回应答。

现假设某节点NODE_ID=3,协议报文如下:

读节点OD

假设,读SDO index = 0x1018 subindex = 0x00,返回的是1字节data=0x04

监控终端→节点(终端请求)

COB-ID 0字节 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节
1539(0x603) 命令 index subindex Reserved(保留)
0x40 0x18 0x10 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00

监控终端←节点(节点应答)

COB-ID 0字节 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节
1411(0x583) 命令 index subindex 数据 凑够8个字节
0x4F 0x18 0x10 0x00 0x04 0x00 0x00 0x00

写节点OD

假设,写SDO index=0x1017,subindex=0x00,写数据为0x07D0

监控终端→节点(终端请求)

COB-ID 0字节 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节
1539(0x603) 命令 index subindex 要写入的数据 凑8个字节
0x2B 0x17 0x10 0x00 0xD0 0x07 0x00 0x00

监控终端←节点(节点应答)

COB-ID 0字节 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节
1411(0x583) 命令 index subindex 凑够8个字节
0x60 0x18 0x10 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00

如果监控终端发送的请求,节点处理出错,将返回SDO中止报文,报文如下:

COB-ID 0字节 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节
1411(0x583) 命令 index subindex 错误代码
0x80 0x18 0x10 0x00 0-7位 8-15位 16-23位 24-31位

节点返回的错误代码如下:

SDO_ABORT_UNSUPPORTED 0x06010000UL 不支持该功能

SDO_ABORT_NOT_EXISTS 0x06020000UL 不存在的索引

SDO_ABORT_READONLY 0x06010002UL 只读,不可写

SDO_ABORT_TYPEMISMATCH 0x06070010UL 类型不匹配

SDO_ABORT_UNKNOWN_COMMAND 0x05040001UL 未知命令

SDO_ABORT_UNKNOWNSUB 0x06090011UL 未知子索引

注:命令字节含义请参考CANOpen协议文件DS301。

错误控制——心跳(或者叫脉动)协议(heatbeat)

错误控制用于了解总线上各节点的状态,本文只实现心跳协议,由各节点向监控终端定期发送心跳报文,报告本节点的状态,报文如下:

设节点NODE_ID=2

节点→监控终端

COB-ID 0字节
1794(0x702) 节点状态
0x00

返回状态如下:

状态代码 状态含义
0x00 BOOTUP启动状态
0x04 STOPPED停止
0x05 OPERATIONAL可操作
0x7F PRE-OPERATIONAL预操作

节点在启动之后发出BOOTUP心跳,然后按固定频率发出脉动消息帧,监控终端接收该报文用以检测该节点状态。

编辑:hfy

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