CAN总线应用协议CANopen

作为一种真正开放的CAN总线高层协议，CANopen协议允许不同的CAN设备以标准化的方式进行通讯，这使得CAN 设备具有互操作性。随着CANopen协议的日益完善，它已经广泛应用于多个行业。本文将对CANopen协议的对象字典、通讯对象、网络管理等几个方面进行简要分析。

一、CANopen对象字典

CANopen对象字典OD(Object Dictionary)是CANopen协议最为核心的概念。

所谓的对象字典就是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，这个索引值通常被称为索引，其范围在0x1000～0x9FFF之间。为了允许访问数据结构中的单个元素，同时也定义了一个8位的索引值，这个索引值通常被称为子索引。

每个CANopen设备都有一个对象字典，对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数，对象字典通常用电子数据文档EDS（ Electronic Data Sheet ）来记录这些参数，而不需要把这些参数记录在纸上。对于CANopen网络中的主节点来说，不需要对CANopen从节点的每个对象字典项都访问。

CANopen对象字典中的项由一系列子协议来描述。子协议为对象字典中的每个对象都描述了它的功能、名字、索引、子索 引、数据类型 ，以及这个对象是否必需、读写属性等等，这样可保证不同厂商的同类型设备兼容。

CANopen协议的核心描述子协议是DS301 ，其包括了CANopen协议应用层及通信结构描述 ，其他的协议子协议都是对DS301 协议描述文本的补充与扩展。在不同的应用行业都会起草一份CANopen设备子协议 ，子协议编号一般是DS4xx。

CANopen协议包含了许多的子协议 ，其主要划分为以下三类 ：

1、通信子协议（ Communication Profile ）

通信子协议，描述对象字典的主要形式和对象字典中的通信对象以及参数。这个子协议适用所有的CANopen设备 ，其索引值 范围从0x1000~0x1FFF。

2、制造商自定义子协议（ Manufacturer-specific Profile ）

制造商自定义子协议，对于在设备子协议中未定义的特殊功能 ，制造商可以在此区域根据需求定义对象字典对象。因此这个区 域对于不同的厂商来说 ，相同的对象字典项其定义不一定相同 ，其索引值范围为0x2000~0x5FFF。

3、设备子协议(Device Profile)

设备子协议，为各种不同类型的设备定义对象字典中的对象。 目前已有十几种为不同类型的设备定义的子协议 ，例如 DS401、DS402、DS406等 ，其索引值范围为0x6000～0x9FFF。

二、通讯对象

CANopen网络的通讯是以报文的方式传送 ，CANopen通讯模型定义了四种报文，也即四种通讯对象 ，分别是管理报文、服务数据对象SDO(Service Data Object)、过程数据对象PDO（ Process Data Object ）、预定义报文或者特殊功能对象 ，下面分别介绍。

1、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。

2、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。

3、过程数据对象PDO（ Process Data Object ）

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）。

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。

每个PDO在对象字典中用2个对象描述 ：

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。

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。

PDO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。

PDO可以有多种传送方式 ：

同步（通过接收SYNC对象实现同步）

        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。

        周期 ：传送在每1到240个SYNC消息后触发。

异步

        由远程帧触发传送。

        由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。

4、预定义报文或者特殊功能对象

同步（ SYNC ）

        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。

        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。

        在SYNC报文传送后 ，在给定的时间窗口内传送一个同步PDO。

        用CAL中基本变量类型的CMS对象实现。

        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。

时间标记对象（ Time Stamp ）

        为应用设备提供公共的时间帧参考。

        用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

紧急事件（ Emergency ）

        设备内部错误触发。

        用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

节点/寿命保护（ Node/Life guarding ）。

        主从通讯模式

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

        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。

        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。

        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。

上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输。它们采用二种不同的数据传输机制实现 ：

        SDO用来在设备之间传输大的低优先级数据 ，典型的是用来配置CANopen网络上的设备。

        PDO用来传输8字节或更少数据 ，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。

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。

三、网络管理（NMT）

        网络管理(NMT)用来管理网络设备的状态 ，它是主从关系的结构。CANopen设备通过一个启动报文发送一个信号给NMT master这个启动报文是在网络上被初始化、激活的。用NMT命令可以改变单个设备或整个网络设备的状态 ，每一个设备的   状态是由特定属性决定的。

        只有在OPERATIONAL状态 ，PDO才能被传输；在PRE_OPERATIONAL的条件下配置设备。监控CANopen设备的通信状态可选“Node-Guarding”或“Heartbeat”，为报告设备错误定义了报警报文 ，这些高优先级的紧急报文 通过事件导向传输；错误发生时 ，标准的错误代码详细描述了错误信息。