CANopen通信系统基础知识科普

在阅读有关CAN总线的文章时，你肯定会遇到“CANopen”这个词，它其实是一个基于CAN 的通信系统。CANopen 在基本术语中可以定义为在CAN 总线传输数据时使用的通信语言。发送者和接收者对数据信息的定义需要遵循共同的标准。

与CAN 总线底层协议包含物理层和数据链路层相比，CANopen 则是包含网络层、传输层、会话层、表示层、应用层这五个层次的高层协议。

在CAN总线上这些协议层之间都是独立的。

在CAN总线上这些协议的功能描述如下：

分层定义	功能
网络层	路由和寻址
传输层	可靠的端到端传输
会话层	同步
表示层	编码与表示
应用层	描述如何配置、传输和同步
CANopen设备

尽管CAN 总线已经成功的应用在很多行业，但是为了让它能够应用在更多的领域，CANopen 被设计出来。最初CANopen 是为面向运动的机器控制系统设计的，如今它在各个领域都得到了应用，例如：

Robotics（机器人）

Medical equipment（医疗设备）

Stepper and servo motors（步进电机和伺服电机）

Food processing（食品加工）

Automation（自动化）

Off-road vehicles（非公路车辆）

Marine electronics（船用电子设备）

Railway application（铁路应用）

Building automation（建筑自动化）

Mechanical manufacturing（机械制造）

Industrial machinery（工业机械）

Security monitoring（安防）

CANopen 使设计人员能够执行各种功能，使CAN 总线更适合于嵌入式网络应用，如车内网络。它提供了高度灵活的配置功能。使用CAN-open，能够做到：

实现设备网络行为

影响和控制网络行为

沟通和处理数据

设备内部故障提示

设备能够点对点通信

定义内部设备结构

允许数据速率在10kbps-1000kbps 间调整

CANopen 的内部设备结构有三个主要的逻辑部分：

协议栈	●通过CAN n/w处理通信
应用软件	●支持内部控制功能 ●为硬件提供接口
对象字典	●CANopen设备的配置和诊断是最重要的 ●接口协议以及应用软件 ●涵盖所有的使用数据类型 ●存储所有的交流参数和申请参数

CANopen 消息帧格式: CANopen 的消息帧格式和CAN总线的相似。它包含了的COB-ID 和控制位，为了避免和CAN 总线的COB-ID 冲突，所有的COB-ID 均不相同。

CANopen 协议：

一个CANopen协议栈实现几个CANopen COB与对应速率的CANopen 通信。CANopen 协议由以下部分组成：

数据对象服务协议（SDO）

SDO服务使CANopen节点能够通过CAN网络读取、编辑、更改或访问另一节点对象字典的值

这是一种确认的通信服务，由两个具有不同CAN标识符的CAN数据帧组成

在以CAN为传播媒介上建立两个CANopen设备之间的对等“客户端-服务器”的通信Server（服务端）: 访问对象字典的所有者Client（客户端）: 访问对象字典并启动与专用SDO“服务器”通信的设备

尽管SDO 非常灵活，但OVERHEAD 的存在使其不太适合实时数据操作。为了解决这个问题，使用了进程数据对象协议。

进程数据对象协议（PDO）

PDO 通常被视为一个重要的CANopen 协议，因为它承载了大量的信息

CANopen 使用进程数据对象（PDO）跨CANopen 节点在实时操作数据中传播高优先级控制和状态信息

PDO 由单个CAN 帧组成，可在单个帧内仅传送多达8字节的应用程序数据，其中包含多个对象参数值Producer（生产者）: 它产生要传输到主机的数据Consumer（消费者）：这里的主机就是消费者。它从生产者那里接收数据

网络管理协议（NMT）

NMT 服务定义CANopen 设备的通信方式。在接收到NMT 协议时，CANopen 设备被迫转换到命令的NMT 状态。NMT 状态机包括：

初始化状态（设备在通电或复位后进入初始化状态）

预运行状态

运行状态

停止状态

NMT 协议发送单个CAN 帧，数据长度为2字节，CAN ID为0。它包含命令标识符/功能代码（第一位），它代表请求状态，对于NMT，如果将其设置为显性状态0，则所有节点都必须执行该命令。节点ID——作为指定的名字，包含需要遵守状态转换命令的模块ID。

在NMT中，模块需要使用SDO协议操作，因为PDO仅在操作状态下才可运作。

特殊功能协议

为了产生特定的网络行为，CANopen提供了三种特定的协议：

Synchronisation Protocol（同步协议）：该协议允许同步多个设备。同步生成器或应用程序主机定期传输同步协议。根据预定义的连接设置，同步消息映射到单个CAN 帧，COB ID 为80h。（它不携带数据（DLC=0））

Emergency Protocol（应急协议）：任何内部设备错误都会触发应急协议。在这种情况下，紧急消息由故障设备发送。每个错误事件只传输一次。故障设备使用将CAN标识符COB ID 80h+（节点ID）分配给紧急消息的功能。如果CAN总线上的设备没有新的错误，则不会继续传输此类消息

Time-stamp protocol（时间戳协议）：允许CANopen系统的用户调整特定的网络时间，该时间戳映射到一个CAN帧，该帧具有6字节的数据。这6个字节中最初的4个字节代表“一天之中的时间”信息，4个字节存储的都为毫秒信息，接下来的2个字节则为1984年1月1日0点这个数据信息。默认情况下，关联的CAN帧预设值为CAN标识符100h。

错误控制协议：监听CANopen 网络

Heartbeat Protocol（防断连协议）：防断连协议验证其可用性及NMT 有限状态自动化（FSA）。对于CANopen 中的所有网络。防断连信号循环传输，以确认防断连发生器的可用性。

Boot up protocol（启动协议）：这表示一种独特类型的错误控制协议。在进入NMT FSA 预运行状态之前，它将作为NMT FSA 状态初始化中的最终操作进行传输。接收到此消息表示

新设备已注册到CANopen 网络

更改网络设置（当有新设备添加到CANopen 时）

它可以被认为是CANopen 网络中出现错误情况的标志

审核编辑：汤梓红