CANOpen协议的分析与研究

摘要：CANopen是CAN上的高层通信协议，本文通过对CANopen协议的四种的通讯模式的分析，比较过程数据对象PDO模式和服务数据对象模式在实现消息机制上的异同，并利用CANopen通信模型构造了电梯控制系统的基本框架模型，总结了CANopen协议的优缺点和适用场合。

关键词：CAN；CANopen；PDO；SDO

中图分类号：TP271　文献标识码：A

1　概述

CANopen是一种架构在控制局域网路(ControlArea Network，CAN)上的高层通讯协议，包括通讯子协定及设备子协议，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是开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。

应用层(Application layer)：为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。

通讯描述(Communication profile)：提供配置设备、通讯数据的含义，定义数据通讯方式。

设备描述(Device proflile)：为设备(类)增加符合规范的行为。

CANopen主要应用在汽车、工业控制、自动化仪表等领域，目前由CIA负责管理和维护。

2　CANopen通讯模式

CANopen网络中的通讯是通过消息机制来实现的，CANopen通讯模型定义了4种报文(通讯对象)：

2.1　过程数据对象PDO(Process Data Object)

2.1.1　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)。

2.1.2　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。

2.1.3　每个PDO在对象字典中用2个对象描述。

2.1.4　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。

2.1.5　 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。

2.1.6　DO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。

2.1.7　可以有多种传送方式：

a同步(通过接收SYNC对象实现同步)

b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。

2.1.8　周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。

2.1.9　异步

a由远程帧触发传送。

b由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。

表2－1给出来了由传输类型定义的不同PDO传输模式，传输类型为PDO通讯参数对象的一部分，由8位无符号整数定义。

2　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。

3　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。

4　预定义报文或者特殊功能对象同步(SYNC)

4.1　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。

4.1.1　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。

4.1.2　在SYNC报文传送后，在给定的时间窗口内传送一个同步PDO。

4.1.3　用CAL中基本变量类型的CMS对象实现。

4.1.4　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。

4.2　时间标记对象(Time Stamp)

4.2.1　为应用设备提供公共的时间帧参考。

4.2.2　用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

4.3　紧急事件(Emergency)

4.3.1　设备内部错误触发。

4.3.2　用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

4.4　节点/寿命保护(Node/Life guarding)。

4.4.1　主从通讯模式

4.4.2　NMT主节点监控节点状态：称作节点保护(Node guarding)。

4.4.3　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。

4.4.4　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。

4.4.5　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。

4.5　Boot－UP

4.5.1　主从通讯模式

4.5.2　NMT从节点通过发送这个报文，向NMT主节点说明该节点已经由初始化状态进入预操作状态。

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。一个CANopen设备中CAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的联系如图2所示

3　CANopen高层协议应用

CANopen协议中设备子协议中包括电梯控制系统应用协议。在CANopen协议电梯控制系统应用协议中详细的规定了电梯控制系统CAN网络的物理参数，节点ID分配，电梯虚拟设备定义，对象目录以及系统错误处理。

通过CANopen协议在电梯控制系统上的应用，可以为任何电梯应用提供标准的、即插即用的电梯控制系统。符合CANopen电梯控制系统应用协议规范的电梯控制系统可以实现最大254层楼数，最多8台电梯并联的电梯应用。

4　总结

基于CAN总线的CANopen网络通讯具有以下特点：

(1)使用对象字典(OD：Object Dictionary)对设备功能进行标准化的描述。

(2)使用ASCII文档：电子数据文档(EDS)和设备配置文件(DCF)对设备及其配置进行标准化的描述。

(3)CANopen网络的数据交换和系统管理基于CAL中CMS服务。

(4)系统boot―up和节点保护(NodeGuarding)的标准基于CAL中NMT服务。

(5)定义了整个系统的同步操作。

(6)定义了节点特定的应急报文。

为与CANopen通讯协议和相应的设备子协议保持一致，以使制造商的产品能够用于任何CANopen网络，以下3种层次的兼容性要求需要满足(对日益增长的设备兼容性的要求)：

一致性：

设备连接到CANopen网络后不能影响其他设备的通讯：应用层的一致性。

互用性：

设备能够同网络上的其它节点交换数据：通讯协议的一致性。

互换性：

设备能够代替另外一个同类设备：设备子协议的一致性。

1993年由Bosch领导的欧洲CAN－bus协会开始研究基于CAN－bus通讯系统管理方面的原型，由此发展成为CANopen协议。这是一个基于CAL的子协议用于产品部件的内部网络控制。其后CANopen协议被移交给CiA协会，由CiA协会管理维护与发展。至2000年CANopen协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。

在CiA的努力推广下CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。因此，研究CANopen协议具有广泛的实际意义和应用需求。