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 包裝機械、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應用。CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

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

另外，CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，具有多主站運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)上任意節點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信。CAN總線(xiàn)協(xié)議已被國際標準化組織認證，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控系統之間的數通訊。CAN總線(xiàn)插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

而CANopen是基于CAN總線(xiàn)的應用層協(xié)議，在開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)標準中CANopen是最著(zhù)名和成功的一種,已經(jīng)在歐洲和美國獲得廣泛的認可和大量應用。1992年在德國成立了“自動(dòng)化CAN用戶(hù)和制造商協(xié)會(huì )”(CiA,CANinAutomation)，開(kāi)始著(zhù)手制定自動(dòng)化CAN的應用層協(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)域獲得大量應用。目前CANopen協(xié)議已經(jīng)成為了一種新的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)標準EN-50325-4。CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標準之一，在歐洲，CANopen協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統中占領(lǐng)導地位的標準。大多數重要的設備類(lèi)型，例如數字和模擬的輸入輸出模塊、驅動(dòng)設備、操作設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱(chēng)為“設備描述”的協(xié)議中進(jìn)行描述;“設備描述”定義了不同類(lèi)型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠(chǎng)商的設備通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行配置。

二、CANopen的基本知識 　　

EDS文件 　　

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

PDO 　　PDO (過(guò)程數據對象) 　　

CANopen幀包含I/O數據 　　區分在： 　　

1、傳送PDO：TXPDO 帶有節點(diǎn)提供給其他節點(diǎn)的數據 　　

2、接收PDO：RXPDO 節點(diǎn)消耗的數據 　　傳送的方向從節點(diǎn)的觀(guān)點(diǎn)看總是可見(jiàn)的。PDO沒(méi)有必要包含所有節點(diǎn)映象。通常模擬量和數字量被分成不同的PDO進(jìn)行傳送。對輸出也是同樣如此! 　　SDO 　　SDO (服務(wù)數據對象) 　　CANopen幀包含參數 　　SDO主要用于在程序運行時(shí)，從設備讀參數或者向設備寫(xiě)參數 　　COB-ID 　　COB-ID(通訊對象標識符) 　　每個(gè)CAN幀以一個(gè)COB-ID開(kāi)頭，COB-ID作為CAN幀的標識符。

在配置階段，每個(gè)節點(diǎn)在接收COB-ID時(shí)，對幀來(lái)說(shuō)，他是提供者或者消費者。

三、關(guān)于CANopen 　　

介紹 　　

CANopen是一個(gè)標準的工業(yè)控制系統現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。它特別適合實(shí)時(shí)控制的PLC ，因為它為集成的和可傳輸的工業(yè)應用提供了一個(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)議基礎上的一個(gè)子協(xié)議。通過(guò)定義設備規范，它甚至更加適合于標準工業(yè)組件。C 　　ANopen是一個(gè)CIA(CAN in Automation)標準，投入市場(chǎng)之初，它就迅速被推廣。在歐洲，CANopen現在已經(jīng)被公認為基于CAN設計的工業(yè)系統的工業(yè)標準。

物理層 　　

CAN使用差分驅動(dòng)兩總線(xiàn)(公共回路)。CAN信號是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:節點(diǎn) 　　

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

CANopen規范文件 　　

通訊規范文件 　　

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

設備規范文件 　　

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

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

CANopen規范文件的通用規格 　　CANopen是符合以下規定文件的，用于CAN系統的一套規范： 　　◆開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)系統 　　◆無(wú)協(xié)議超負荷的實(shí)時(shí)數據交換 　　◆可重新定義尺寸的模塊化設計 　　◆設備互用性和交換性 　　◆被大量國際制造商支持 　　◆標準的網(wǎng)絡(luò )配置 　　◆訪(fǎng)問(wèn)所有的參數設備 　　◆同步和循環(huán)過(guò)程數據/事件驅動(dòng)數據 　　CANopen產(chǎn)品認證 　　在市場(chǎng)上提供CANopen認證產(chǎn)品的制造商都是CiA組織成員。

CAN標準 　　CANopen協(xié)議被CIA組織定義并且可訪(fǎng)問(wèn)該組織(須遵守某些限制)站點(diǎn)：http://www.can-cia.com.對主從設備的源代碼可以從不同的供應商得到。

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)對兩種交換類(lèi)型的訪(fǎng)問(wèn)：SDO、PDO。

在上電時(shí)，設備進(jìn)入一個(gè)初始化階段，接著(zhù)進(jìn)入預處理階段。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 　　詳細步驟介紹： 　　1、模塊上電 　　2、模塊初始化，進(jìn)入預處理狀態(tài) 　　3、NMT服務(wù)：?jiǎn)?dòng)遠程節點(diǎn) 　　4、NMT服務(wù)：預處理 　　5、NMT服務(wù)：停止遠程節點(diǎn) 　　6、NMT服務(wù)：重啟節點(diǎn) 　　7、NMT服務(wù)：重啟節點(diǎn)通訊 　　初始 　　進(jìn)入“重新啟動(dòng)通訊”后，設備進(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 　　初始化完成后設備自動(dòng)進(jìn)入預處理模式。

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

當配置完成后，通過(guò)接收相關(guān)的命令，設備進(jìn)入以下的工作狀態(tài)： 　　◆停止 ，當接收到“停止遠程節點(diǎn)”NMT命令 　　◆運行 ，當接收到“啟動(dòng)遠程節點(diǎn)”NMT命令 　　停止 　　如果設備處于“預處理”或者“正常工作”狀態(tài)，接收到“節點(diǎn)停止”命令（NMT服務(wù)），設備進(jìn)入“停止狀態(tài)”。

在這種情況下，設備不能被配置。不能讀寫(xiě)設備相關(guān)參數（SDO），只有從設備的監視功能（即節點(diǎn)保護）有效。

操作 　　當設備處于“預處理”狀態(tài)，接收到“啟動(dòng)遠程節點(diǎn)”，設備進(jìn)入操作狀態(tài)。在“運行”狀態(tài)，當使用“節點(diǎn)啟動(dòng)”NMT服務(wù)啟動(dòng)CANopen網(wǎng)絡(luò )，所有的設備功能性被使用，PDO、SDO均可進(jìn)行通訊。

過(guò)程數據對象（PDO） 　　PDO定義 　　PDO是過(guò)程數據通信相關(guān)的通信對象，它能保證過(guò)程數據的實(shí)時(shí)交換。

一個(gè)CANopen設備的PDO對象定 　　義了它與網(wǎng)絡(luò )上其他CANopen設備之間的隱式數據交換。

當設備運行時(shí)，PDO交換被激活。

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

PDO的傳送模式 　　◆同步（通過(guò)接收SYNC對象實(shí)現同步） 　　非周期：由遠程幀預觸發(fā)傳送，或者由設備子協(xié)議中規定的對象特定事件預觸發(fā)傳送。 周期：傳送在每1到240個(gè)SYNC消息后觸發(fā)。

◆ 異步 　　由遠程幀觸發(fā)傳送。

由設備子協(xié)議中規定的對象特定事件觸發(fā)傳送。

服務(wù)數據對象（SDO） 　　SDO定義 　　服務(wù)數據對象SDO允許使用顯示請求交換數據。

當設備處于預處理、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。

對于下載SDO 　　客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)標示被寫(xiě)對象的請求，服務(wù)器返回一個(gè)確認信息。

對于上傳SDO 　　客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)標示被讀對象的請求，服務(wù)器返回被讀對象的數據。

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

“節點(diǎn)保護”和“壽命保護” 　　使用期限的定義 　　“使用期限”參數是按以下來(lái)計算的： 　　使用期限=保護時(shí)間（看門(mén)狗時(shí)間）使用期限系數；保護時(shí)間的典型值在250ms到2S之間。對象0X100CH含有以毫秒時(shí)間定義的保護時(shí)間，對象0X100DH含有“使用期限系數”。

監控機制： 　　1、節點(diǎn)保護 　　2、心跳報文 　　監控激活 　　如果兩個(gè)參數中有一個(gè)為零，那么模塊不執行監控，即無(wú)壽命保護。為了激活監控，必須在兩個(gè)對象中輸入非零的數值。

保證可靠工作 　　為了保證可靠工作，建議設置“使用期限系數”為2。如果不是只樣，主模塊會(huì )產(chǎn)生延時(shí)（例如，在“節點(diǎn)保護”時(shí)高優(yōu)先級信息的處理或者內部處理時(shí)），模塊會(huì )轉入預處理模式而不產(chǎn)生錯誤。

監控的重要性 　　這兩種保護機制對CANopen系統的安全運行特別重要，特別是對不工作于事件-被控模式的設備。

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

COB-ID Byte0 　　0x700+Node_ID狀態(tài) 　　主設備的監控 　　如果主設備基于嚴格循環(huán)請求“保護”信息，從設備可以檢測主設備的狀態(tài)。如果從設備在也定義的使用期限內沒(méi)有收到主設備的請求（保護錯誤），它會(huì )認為主設備故障。這種情況下相應輸出進(jìn)入出錯狀態(tài)并且從設備進(jìn)入預處理狀態(tài)。

“保護”協(xié)議 　　在第一個(gè)“保護”信息里，“鎖住位”（t）的值是0，然后在每個(gè)后來(lái)的保護信息里，該位都會(huì )改變，只有可以顯示信息是否丟失?？偩€(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 　　被停止 0x04或0x84 　　預處理 0x7f或0xff 　　操作 0x05或0x85 　　四、CANopen設備 　　CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中有如下幾類(lèi)設備： 　　(1) PLC：PLC做CAN上的一個(gè)主站，起到中央控制器的作用，對整個(gè)系統的工作起安排、調度、執行各個(gè)操作等作用。作為CAN網(wǎng)絡(luò )中的主站，PLC可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中任何節點(diǎn)的任何可以訪(fǎng)問(wèn)的數據，并起總線(xiàn)監控作用，實(shí)時(shí)監控總線(xiàn)上各個(gè)節點(diǎn)的工作狀態(tài)，如果出現錯誤并執行相應的處理程序； 　　(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不具有程序存儲和程序執行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅動(dòng)I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。

(3) 驅動(dòng)器、傳感器、執行機構等現場(chǎng)設備：即帶CAN接口的現場(chǎng)設備，可由主站在線(xiàn)完成系統配置、參數修改、數據交換等功能。至于哪些參數可進(jìn)行通信及參數格式由CANopen行規決定。