CAN和CANopen相關(guān)技術(shù)

　　一、CAN和CANopen簡(jiǎn)介 　　

CAN總線(xiàn)全稱(chēng)為Controller Area 包裝機(jī)械、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線(xiàn)是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié) 　　不會(huì)占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。

另外，CAN總線(xiàn)采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線(xiàn)協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性?xún)r(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線(xiàn)插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

而CANopen是基于CAN總線(xiàn)的應(yīng)用層協(xié)議，在開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中CANopen是最著名和成功的一種,已經(jīng)在歐洲和美國(guó)獲得廣泛的認(rèn)可和大量應(yīng)用。1992年在德國(guó)成立了“自動(dòng)化CAN用戶(hù)和制造商協(xié)會(huì)”(CiA,CANinAutomation)，開(kāi)始著手制定自動(dòng)化CAN的應(yīng)用層協(xié)議CANopen。此后，協(xié)會(huì)成員開(kāi)發(fā)出一系列CANopen產(chǎn)品，在機(jī)械制造、鐵路、車(chē)輛、船舶、制藥、食品加工等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。目前CANopen協(xié)議已經(jīng)成為了一種新的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)EN-50325-4。CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類(lèi)型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱(chēng)為“設(shè)備描述”的協(xié)議中進(jìn)行描述;“設(shè)備描述”定義了不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對(duì)不同廠商的設(shè)備通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行配置。

二、CANopen的基本知識(shí) 　　

EDS文件 　　

EDS (Electronic Data Sheet) 　　EDS文件描述了CAN網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備通信屬性(波特率、輸出類(lèi)型、I/O提供…)。它由設(shè)備制造商提供，用于在配置工具中配置節(jié)點(diǎn)(就像Windows里的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)。

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

CANopen幀包含I/O數(shù)據(jù) 　　區(qū)分在： 　　

1、傳送PDO：TXPDO 帶有節(jié)點(diǎn)提供給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 　　

2、接收PDO：RXPDO 節(jié)點(diǎn)消耗的數(shù)據(jù) 　　傳送的方向從節(jié)點(diǎn)的觀點(diǎn)看總是可見(jiàn)的。PDO沒(méi)有必要包含所有節(jié)點(diǎn)映象。通常模擬量和數(shù)字量被分成不同的PDO進(jìn)行傳送。對(duì)輸出也是同樣如此! 　　SDO 　　SDO (服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象) 　　CANopen幀包含參數(shù) 　　SDO主要用于在程序運(yùn)行時(shí)，從設(shè)備讀參數(shù)或者向設(shè)備寫(xiě)參數(shù) 　　COB-ID 　　COB-ID(通訊對(duì)象標(biāo)識(shí)符) 　　每個(gè)CAN幀以一個(gè)COB-ID開(kāi)頭，COB-ID作為CAN幀的標(biāo)識(shí)符。

在配置階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收COB-ID時(shí)，對(duì)幀來(lái)說(shuō)，他是提供者或者消費(fèi)者。

三、關(guān)于CANopen 　　

介紹 　　

CANopen是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。它特別適合實(shí)時(shí)控制的PLC ，因?yàn)樗鼮榧傻暮涂蓚鬏數(shù)墓I(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)高效、低成本的解決方案。

CANopen協(xié)議 　　

CANopen協(xié)議是建立在CAL協(xié)議基礎(chǔ)上的一個(gè)子協(xié)議。通過(guò)定義設(shè)備規(guī)范，它甚至更加適合于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組件。C 　　ANopen是一個(gè)CIA(CAN in Automation)標(biāo)準(zhǔn)，投入市場(chǎng)之初，它就迅速被推廣。在歐洲，CANopen現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)為基于CAN設(shè)計(jì)的工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

物理層 　　

CAN使用差分驅(qū)動(dòng)兩總線(xiàn)(公共回路)。CAN信號(hào)是CAN-high和CAN-low線(xiàn)之間的電壓差值。

CANopen協(xié)議 　　

1:CAN-high線(xiàn) 　　

2:CAN-low線(xiàn) 　　

3:終端電阻：120Ω 　　

4:節(jié)點(diǎn) 　　

根據(jù)電磁兼容要求，總線(xiàn)可以使用平行、雙絞或者屏蔽走線(xiàn)方式。單線(xiàn)結(jié)構(gòu)使反射最小化。

CANopen規(guī)范文件 　　

通訊規(guī)范文件 　　

CANopen規(guī)范文件時(shí)基于“通信規(guī)范文件”的，用來(lái)規(guī)定主要通訊機(jī)制和它們的描述(DS301)。

設(shè)備規(guī)范文件 　　

在設(shè)備規(guī)范文件中描述了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域最重要的設(shè)備類(lèi)型，同時(shí)也定義了設(shè)備功能類(lèi)型。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述例子為： 　　◆數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊(DS401) 　　◆電機(jī)(DS402) 　　◆控制設(shè)備(DS4P403) 　　◆閉環(huán)控制器(DSP404) 　　◆PLC 　　(DS405) 　　◆編碼器(DS406) 　　通過(guò)CAN總線(xiàn)配置設(shè)備 　　通過(guò)CAN總線(xiàn)配置設(shè)備的可能性是制造商要求自治的基本原則之一。

CANopen規(guī)范文件的通用規(guī)格 　　CANopen是符合以下規(guī)定文件的，用于CAN系統(tǒng)的一套規(guī)范： 　　◆開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)系統(tǒng) 　　◆無(wú)協(xié)議超負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換 　　◆可重新定義尺寸的模塊化設(shè)計(jì) 　　◆設(shè)備互用性和交換性 　　◆被大量國(guó)際制造商支持 　　◆標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)配置 　　◆訪問(wèn)所有的參數(shù)設(shè)備 　　◆同步和循環(huán)過(guò)程數(shù)據(jù)/事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù) 　　CANopen產(chǎn)品認(rèn)證 　　在市場(chǎng)上提供CANopen認(rèn)證產(chǎn)品的制造商都是CiA組織成員。

CAN標(biāo)準(zhǔn) 　　CANopen協(xié)議被CIA組織定義并且可訪問(wèn)該組織(須遵守某些限制)站點(diǎn)：http://www.can-cia.com.對(duì)主從設(shè)備的源代碼可以從不同的供應(yīng)商得到。

與CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊 　　通訊協(xié)議文件基于CAL服務(wù)和協(xié)議。

它提供用戶(hù)對(duì)兩種交換類(lèi)型的訪問(wèn)：SDO、PDO。

在上電時(shí)，設(shè)備進(jìn)入一個(gè)初始化階段，接著進(jìn)入預(yù)處理階段。在這個(gè)階段，只有SDO可以通訊。在接到一個(gè)啟動(dòng)命令后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，在這個(gè)階段PDO可以進(jìn)行通訊，SDO通訊仍然有效。

CANopen啟動(dòng)Boot-up 　　啟動(dòng)過(guò)程 最小設(shè)備配置指定了簡(jiǎn)化的啟動(dòng)程序。這個(gè)過(guò)程描述如下： 　　CANopen啟動(dòng)Boot-up 　　詳細(xì)步驟介紹： 　　1、模塊上電 　　2、模塊初始化，進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài) 　　3、NMT服務(wù)：?jiǎn)?dòng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn) 　　4、NMT服務(wù)：預(yù)處理 　　5、NMT服務(wù)：停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn) 　　6、NMT服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn) 　　7、NMT服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn)通訊 　　初始 　　進(jìn)入“重新啟動(dòng)通訊”后，設(shè)備進(jìn)入初始模式。

該狀態(tài)允許的操作有： 　　◆定義要求的通訊對(duì)象（SDO、PDO、緊急事件處理） 　　◆安裝相關(guān)的CAL服務(wù) 　　◆配置CAN控制器 　　初始化完成后設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入預(yù)處理模式。

預(yù)處理 　　進(jìn)入預(yù)處理的條件: 　　◆在初始化完成后 　　◆在正常工作模式下，接收到“進(jìn)入預(yù)處理”NMT命令 　　在這種情況下，設(shè)備的配置可以被修改。然而只有SDO可以用來(lái)讀或?qū)懺O(shè)備的參數(shù)。

當(dāng)配置完成后，通過(guò)接收相關(guān)的命令，設(shè)備進(jìn)入以下的工作狀態(tài)： 　　◆停止 ，當(dāng)接收到“停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT命令 　　◆運(yùn)行 ，當(dāng)接收到“啟動(dòng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT命令 　　停止 　　如果設(shè)備處于“預(yù)處理”或者“正常工作”狀態(tài)，接收到“節(jié)點(diǎn)停止”命令（NMT服務(wù)），設(shè)備進(jìn)入“停止?fàn)顟B(tài)”。

在這種情況下，設(shè)備不能被配置。不能讀寫(xiě)設(shè)備相關(guān)參數(shù)（SDO），只有從設(shè)備的監(jiān)視功能（即節(jié)點(diǎn)保護(hù)）有效。

操作 　　當(dāng)設(shè)備處于“預(yù)處理”狀態(tài)，接收到“啟動(dòng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”，設(shè)備進(jìn)入操作狀態(tài)。在“運(yùn)行”狀態(tài)，當(dāng)使用“節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)”NMT服務(wù)啟動(dòng)CANopen網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備功能性被使用，PDO、SDO均可進(jìn)行通訊。

過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO） 　　PDO定義 　　PDO是過(guò)程數(shù)據(jù)通信相關(guān)的通信對(duì)象，它能保證過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

一個(gè)CANopen設(shè)備的PDO對(duì)象定 　　義了它與網(wǎng)絡(luò)上其他CANopen設(shè)備之間的隱式數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PDO交換被激活。

PDO類(lèi)型 　　有兩種PDO類(lèi)型： 　　◆ TXPDO/TPDO：PDO被設(shè)備傳送 　　◆ RXPDO/RPDO：PDO被設(shè)備接收 　　PDO的供給者與消費(fèi)者 　　PDO基于“供給者/消費(fèi)者”模型。傳送的叫“供給者”，接收的叫“消費(fèi)者”。

PDO的傳送模式 　　◆同步（通過(guò)接收SYNC對(duì)象實(shí)現(xiàn)同步） 　　非周期：由遠(yuǎn)程幀預(yù)觸發(fā)傳送，或者由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對(duì)象特定事件預(yù)觸發(fā)傳送。 周期：傳送在每1到240個(gè)SYNC消息后觸發(fā)。

◆ 異步 　　由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送。

由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對(duì)象特定事件觸發(fā)傳送。

服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO） 　　SDO定義 　　服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO允許使用顯示請(qǐng)求交換數(shù)據(jù)。

當(dāng)設(shè)備處于預(yù)處理、工作狀態(tài)，SDO服務(wù)是有效的 。

SDO的類(lèi)型 　　有兩種SDO類(lèi)型： 　　◆讀SDO（上傳） 　　◆寫(xiě)SDO（下載） 　　客戶(hù)端/服務(wù)器模型 　　SDO協(xié) 　　議是基于“客戶(hù)端/服務(wù)器”模型。

對(duì)于下載SDO 　　客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被寫(xiě)對(duì)象的請(qǐng)求，服務(wù)器返回一個(gè)確認(rèn)信息。

對(duì)于上傳SDO 　　客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被讀對(duì)象的請(qǐng)求，服務(wù)器返回被讀對(duì)象的數(shù)據(jù)。

對(duì)于一個(gè)未處理的SDO 　　對(duì)于以上的兩種情況，如果一個(gè)SDO不能被處理，服務(wù)器返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

“節(jié)點(diǎn)保護(hù)”和“壽命保護(hù)” 　　使用期限的定義 　　“使用期限”參數(shù)是按以下來(lái)計(jì)算的： 　　使用期限=保護(hù)時(shí)間（看門(mén)狗時(shí)間）使用期限系數(shù)；保護(hù)時(shí)間的典型值在250ms到2S之間。對(duì)象0X100CH含有以毫秒時(shí)間定義的保護(hù)時(shí)間，對(duì)象0X100DH含有“使用期限系數(shù)”。

監(jiān)控機(jī)制： 　　1、節(jié)點(diǎn)保護(hù) 　　2、心跳報(bào)文 　　監(jiān)控激活 　　如果兩個(gè)參數(shù)中有一個(gè)為零，那么模塊不執(zhí)行監(jiān)控，即無(wú)壽命保護(hù)。為了激活監(jiān)控，必須在兩個(gè)對(duì)象中輸入非零的數(shù)值。

保證可靠工作 　　為了保證可靠工作，建議設(shè)置“使用期限系數(shù)”為2。如果不是只樣，主模塊會(huì)產(chǎn)生延時(shí)（例如，在“節(jié)點(diǎn)保護(hù)”時(shí)高優(yōu)先級(jí)信息的處理或者內(nèi)部處理時(shí)），模塊會(huì)轉(zhuǎn)入預(yù)處理模式而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。

監(jiān)控的重要性 　　這兩種保護(hù)機(jī)制對(duì)CANopen系統(tǒng)的安全運(yùn)行特別重要，特別是對(duì)不工作于事件-被控模式的設(shè)備。

從設(shè)備的監(jiān)控 　　監(jiān)控按以下的方法執(zhí)行： 　　◆ 主設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程幀，來(lái)讀取從設(shè)備的狀態(tài); 　　COB-ID 　　0x700+Node_ID 　　從設(shè)備答復(fù)： 　　COB-ID Byte0 　　0x700+Node_ID Bit 7 : toggle Bit6-0 : 狀態(tài) 　　◆從設(shè)備可以被配置為產(chǎn)生周期性的被稱(chēng)著“心跳報(bào)文”的報(bào)文，周期性的發(fā)送從設(shè)備的狀態(tài)。

COB-ID Byte0 　　0x700+Node_ID狀態(tài) 　　主設(shè)備的監(jiān)控 　　如果主設(shè)備基于嚴(yán)格循環(huán)請(qǐng)求“保護(hù)”信息，從設(shè)備可以檢測(cè)主設(shè)備的狀態(tài)。如果從設(shè)備在也定義的使用期限內(nèi)沒(méi)有收到主設(shè)備的請(qǐng)求（保護(hù)錯(cuò)誤），它會(huì)認(rèn)為主設(shè)備故障。這種情況下相應(yīng)輸出進(jìn)入出錯(cuò)狀態(tài)并且從設(shè)備進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài)。

“保護(hù)”協(xié)議 　　在第一個(gè)“保護(hù)”信息里，“鎖住位”（t）的值是0，然后在每個(gè)后來(lái)的保護(hù)信息里，該位都會(huì)改變，只有可以顯示信息是否丟失。總線(xiàn)頭部用7個(gè)剩余的位來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài): 　　網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 響應(yīng) 　　被停止 0x04或0x84 　　預(yù)處理 0x7f或0xff 　　操作 0x05或0x85 　　四、CANopen設(shè)備 　　CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有如下幾類(lèi)設(shè)備： 　　(1) PLC：PLC做CAN上的一個(gè)主站，起到中央控制器的作用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作起安排、調(diào)度、執(zhí)行各個(gè)操作等作用。作為CAN網(wǎng)絡(luò)中的主站，PLC可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)的任何可以訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，并起總線(xiàn)監(jiān)控作用，實(shí)時(shí)監(jiān)控總線(xiàn)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤并執(zhí)行相應(yīng)的處理程序； 　　(2) 分散式I/O：通常由電源部分、通信適配器部分、接線(xiàn)端子部分組成。 分散式I/O不具有程序存儲(chǔ)和程序執(zhí)行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動(dòng)I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。

(3) 驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：即帶CAN接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可由主站在線(xiàn)完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于哪些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由CANopen行規(guī)決定。