CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議的分析

CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議的分析摘要：CANopen使用基于對(duì)象的方法來(lái)定義標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都表現(xiàn)為一組對(duì)象的集合，能夠被網(wǎng)絡(luò)所訪(fǎng)問(wèn)。對(duì)象字典是通訊程序和上層應(yīng)用程序之間的接口。CANopen的核心概念是設(shè)備對(duì)象字典（ObjectDictionary，OD），它是一個(gè)有序的對(duì)象組，每個(gè)對(duì)象采用一個(gè)16位的索引值來(lái)尋址，為了允許訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素，同時(shí)定義了一個(gè)8位的子索引。CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)象字典。對(duì)象字典包含了描述這個(gè)設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典是在電子數(shù)據(jù)文件（ElectronicDataSheet，EDS）中描述。

關(guān)鍵詞：CANopen；對(duì)象詞典；索引；子索引

前言：CAN（ControllerAreaNetwork）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)僅僅定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（見(jiàn)ISO11898標(biāo)準(zhǔn)），沒(méi)有規(guī)定應(yīng)用層；實(shí)際設(shè)計(jì)中，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層完全由硬件實(shí)現(xiàn)。所以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)本身并不完整，需要一個(gè)高層協(xié)議來(lái)定義CAN信息中的11/29位標(biāo)識(shí)符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。CANopen協(xié)議是一種基于CAN的高層協(xié)議，它是由CiA（CAN-in-Automation）定義并維護(hù)的協(xié)議之一,它是在CAL（CANApplicationLayer）協(xié)議基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的,使用了CAL通信和服務(wù)協(xié)議子集。

1CANopen通訊對(duì)象

1.1PDO（ProcessDataObject：過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）

PDO提供設(shè)備應(yīng)用對(duì)象的直接訪(fǎng)問(wèn)通道，用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有較高的優(yōu)先權(quán)。PDOCAN信息數(shù)據(jù)列中每個(gè)字節(jié)都用作數(shù)據(jù)傳輸，信息利用率高。

PDO通過(guò)“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”模式來(lái)描述，數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或者多個(gè)消費(fèi)者，數(shù)據(jù)傳送限制在1~8個(gè)字節(jié)。生產(chǎn)者傳輸數(shù)據(jù)后，不需要消費(fèi)者確認(rèn)，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)檢測(cè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，然后節(jié)點(diǎn)會(huì)決定接收到的信息是否需要處理。

每個(gè)PDO有兩種PDO服務(wù)：TxPDO和RxPDO。生產(chǎn)者發(fā)出的PDO稱(chēng)為該設(shè)備的發(fā)送PDO（TxPDO），消費(fèi)者設(shè)備接收的PDO稱(chēng)為該設(shè)備的接收PDO（RxPDO）。

每個(gè)PDO在對(duì)象字典中用2個(gè)對(duì)象描述：PDO通訊參數(shù)和PDO映像參數(shù)

PDO通訊參數(shù)：包含哪個(gè)COB-ID將被PDO使用，傳輸類(lèi)型，禁止時(shí)間和定時(shí)器周期。

PDO映射參數(shù)：包含一個(gè)對(duì)象字典中對(duì)象的列表，這些對(duì)象映像到PDO里，包括它們的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（inbits）。生產(chǎn)者和消費(fèi)者必須知道這個(gè)映像，以說(shuō)明PDO內(nèi)容。

RxPDO和TxPDO信息格式如下：

1.2SDO（ServiceDataObject：服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）

SDO是用來(lái)建立兩個(gè)CANopen設(shè)備之間的客戶(hù)/服務(wù)器關(guān)系的，客戶(hù)設(shè)備可以對(duì)服務(wù)器設(shè)備的對(duì)象字典進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)操作。SDO的訪(fǎng)問(wèn)模式為“客戶(hù)端/服務(wù)器”模式，被訪(fǎng)問(wèn)的節(jié)點(diǎn)為SDO服務(wù)器。每個(gè)CANopen設(shè)備至少有一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，用來(lái)提供該設(shè)備對(duì)象字典的訪(fǎng)問(wèn)通道。SDO可以對(duì)對(duì)象字典內(nèi)的所有對(duì)象進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)操作。

SDO信息中包含索引和子索引信息，如此方便對(duì)象在對(duì)象字典中定位，而且對(duì)象字典中的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)易于通過(guò)SDO訪(fǎng)問(wèn)。SDO的觸發(fā)方式為功能響應(yīng)型，即SDO客戶(hù)發(fā)出讀/寫(xiě)請(qǐng)求后，SDO服務(wù)器須給予回應(yīng)；客戶(hù)端和服務(wù)器均可以主動(dòng)終止SDO的傳輸；請(qǐng)求信息和響應(yīng)消息通過(guò)不同的COB-ID進(jìn)行區(qū)分。

SDO可以傳送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。如果傳送的數(shù)據(jù)超過(guò)4個(gè)字節(jié)，則必須實(shí)行分段傳送。最后一段數(shù)據(jù)報(bào)含一個(gè)結(jié)束標(biāo)志。

SDO請(qǐng)求信息和響應(yīng)消息的結(jié)構(gòu)如下：

請(qǐng)求信息格式：

1.3NMT（NetworkManagementObject：網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象）

CANopen的網(wǎng)絡(luò)管理遵循“主/從”模式。一個(gè)CANopen網(wǎng)絡(luò)里只能存在一個(gè)NMT主站，其它節(jié)點(diǎn)均被當(dāng)成從站。NMT可實(shí)現(xiàn)3種服務(wù)：Modulecontrolservices（節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制服務(wù)）、ErrorControlservices（錯(cuò)誤控制服務(wù)）和Boot-upservices（啟動(dòng)引導(dǎo)服務(wù)）。

1.3.1節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制是指CANopen網(wǎng)絡(luò)中主站節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送命令控制從站的狀態(tài)，從站收到主站的命令后執(zhí)行，不需要回復(fù)。所有的CANopen節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)內(nèi)部的NMT狀態(tài)，從站節(jié)點(diǎn)共有4種狀態(tài)：初始化狀態(tài)、預(yù)行狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)。

節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制信息格式如下表所示：

1.3.2ErrorControlservices（錯(cuò)誤控制服務(wù)）

錯(cuò)誤控制服務(wù)用于檢測(cè)CANopen網(wǎng)絡(luò)中是否有節(jié)點(diǎn)斷線(xiàn)。錯(cuò)誤控制服務(wù)分為兩種：heartbeat和nodeguarding，臺(tái)達(dá)AS系列PLC只支持heartbeat。如從站啟動(dòng)heartbeat服務(wù)后，主站才可以檢測(cè)從站是否斷線(xiàn)。Heartbeat生產(chǎn)者按照設(shè)定的Heartbeat產(chǎn)生時(shí)間定時(shí)發(fā)送Heartbeat信息，一個(gè)或者多個(gè)Heartbeat消費(fèi)者檢測(cè)Heartbeat生產(chǎn)者發(fā)送的信息，當(dāng)消費(fèi)者在設(shè)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到生產(chǎn)者發(fā)送的信息時(shí)，產(chǎn)生Heartbeat事件表明CANopen通訊異常。

1.3.3Boot-upservices（啟動(dòng)引導(dǎo)服務(wù)）

從站在初始化完成進(jìn)入預(yù)運(yùn)行狀態(tài)后，會(huì)發(fā)送一筆Boot-up信息，表示初始化完成。

1.4其它預(yù)定義CANopen通訊對(duì)象

1.4.1同步對(duì)象（SyncObject）

同步對(duì)象由網(wǎng)絡(luò)中主站節(jié)點(diǎn)以廣播的形式周期發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)的信息。這個(gè)對(duì)象用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)設(shè)備可以根據(jù)自己的配置，決定是否使用該事件和其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行同步通訊。如在控制驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，各個(gè)裝置收到主站發(fā)送的動(dòng)作命令后并不立即動(dòng)作，而是等收到同步信息后一起動(dòng)作，如此可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)裝置同步動(dòng)作。

SYNC信息格式如下圖所示：

1.4.2緊急事件對(duì)象（EmergencyObject）

緊急事件對(duì)象是由CANopen設(shè)備用來(lái)標(biāo)識(shí)內(nèi)部緊急錯(cuò)誤的，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)緊急錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)備發(fā)出緊急事件信息（信息中包含緊急錯(cuò)誤碼），設(shè)備進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)錯(cuò)誤消除后，設(shè)備發(fā)出緊急事件信息報(bào)告錯(cuò)誤消除，緊急錯(cuò)誤代碼為0，設(shè)備進(jìn)入正常狀態(tài)。

Emergency信息格式如下圖所示：

備注：錯(cuò)誤寄存器內(nèi)的值映像到對(duì)象字典（ObjectDictionary）中的索引地址為1001（hex）。若該值等于0，則表示無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生；若該值等于1，則表示發(fā)生了一般性錯(cuò)誤；若該值等于H’80，則表示發(fā)生了設(shè)備內(nèi)部錯(cuò)誤。

2預(yù)定義連接設(shè)定

為了減少簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作量，CANopen定義了一個(gè)強(qiáng)制性的默認(rèn)標(biāo)識(shí)符分配圖表。預(yù)定義連接設(shè)定包含廣播對(duì)象和對(duì)等對(duì)象，11位的標(biāo)識(shí)符結(jié)構(gòu)如下：

結(jié)語(yǔ)：

CANopen標(biāo)準(zhǔn)最初設(shè)計(jì)用于面向運(yùn)動(dòng)的機(jī)器控制系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。例如，它是一個(gè)流行的協(xié)議，可以在機(jī)器人系統(tǒng)中、工廠傳送帶旁及整個(gè)工業(yè)機(jī)械中使用。隨著自動(dòng)化程度越來(lái)越高的智能工廠的發(fā)展趨勢(shì)，CANopen協(xié)議將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]任瑋蒙，陶維青.基于CAN總線(xiàn)的高層協(xié)議CANopen[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007,26（4）：128-130