CAN上层协议CANOpen协议的嵌入式简化说明

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：

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