CAN0pen網(wǎng)絡(luò )管理與特殊協(xié)議解刨

　　摘要：人們使用CAN取代RS485，主要是看重其可以突發(fā)發(fā)送的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)勢，而在多節點(diǎn)、長(cháng)距離應用中，如果沒(méi)有做好優(yōu)化，CAN總線(xiàn)和RS485比起來(lái)并無(wú)優(yōu)勢，那要如何讓CAN通訊完勝我們的傳統通信呢?讓CANOpen來(lái)給你答案。

　　在CANopen創(chuàng )立之初，即使在CAN總線(xiàn)應用最廣泛的汽車(chē)電子行業(yè)，網(wǎng)絡(luò )中的CAN節點(diǎn)數量和需要通訊的信息都是比較少的。人們使用CAN取代RS485，主要是看重其可以突發(fā)發(fā)送的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)勢，而在多節點(diǎn)、長(cháng)距離應用中，CAN總線(xiàn)和RS485比起來(lái)并無(wú)優(yōu)勢，比如同樣的波特率下，CAN的通信距離只能達到RS485的0.6-0.8倍，而多節點(diǎn)通信CAN無(wú)法進(jìn)行任意的突發(fā)發(fā)送，不得不遵循RS485那樣的輪詢(xún)通信機制，否則會(huì )導致?lián)矶?，如圖 1所示。就像這個(gè)十字路口的汽車(chē)，如果車(chē)只有10輛，即使沒(méi)有交通燈，根本不會(huì )擁堵。而如果有100輛，如果任意行駛，就會(huì )發(fā)生嚴重擁堵。

　　圖 1 CAN的突發(fā)優(yōu)勢和多節點(diǎn)擁堵

　　CANopen的創(chuàng )始人是非常了解CAN總線(xiàn)這個(gè)特征，所以在設計CANopen時(shí)，對其定義為小網(wǎng)絡(luò )、控制信號的實(shí)時(shí)通訊：

　　報文傳輸采用CAN標準幀格式。即11bit的ID域，以盡量減小傳輸時(shí)間;

　　網(wǎng)絡(luò )控制報文均采用數據最小字節數。比如心跳報文，只有1個(gè)字節數據;

　　實(shí)時(shí)更新的過(guò)程數據無(wú)需接收方報文應答。即采用生產(chǎn)消費模型，降低總線(xiàn)負載;

　　需要接收方確認的配置參數一般都是采用快速單字傳輸。即1個(gè)報文最多傳送1個(gè)32字節的參數變量，避免了分幀引起的實(shí)時(shí)性降低。

　　以上這些定義都是為了節約時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，最大限度保證實(shí)時(shí)性。同時(shí)為了減小簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符(CAN幀ID)分配表，以減少使用者與維護者的學(xué)習時(shí)間，快速上手。

　　網(wǎng)絡(luò )管理(NMT)與特殊協(xié)議(Special protocols)報文ID分類(lèi)

　　雖然CANopen的通訊發(fā)揮了CAN的特色，所有節點(diǎn)通信地位平等，運行時(shí)允許自行發(fā)送報文，但CANopen網(wǎng)絡(luò )為了穩定可靠可控，都需要設置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理主機NMT-Master(Network Management-Master)，就像一個(gè)交響樂(lè )團的指揮家，所有節點(diǎn)的啟動(dòng)、停止都是有他進(jìn)行指揮，如圖 2所示。

　　圖 2 NMT-Master就像交響樂(lè )指揮家

　　NMT主機一般是CANopen網(wǎng)絡(luò )中具備監控的PLC或者PC(當然也可以是一般的功能節點(diǎn))，所以也成為CANopen主站。相對應的其他CANopen節點(diǎn)就是NMT從機(NMT-slaves)。

　　NMT主機和NMT從機之間通訊的報文就稱(chēng)為NMT網(wǎng)絡(luò )管理報文。管理報文負責層管理、網(wǎng)絡(luò )管理和ID分配服務(wù)。例如，初始化、配置和網(wǎng)絡(luò )管理(其中包括節點(diǎn)保護)。網(wǎng)絡(luò )管理中，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中只允許有一個(gè)主節點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)，并遵循主從模式。

　　另外，為了協(xié)調各個(gè)節點(diǎn)的同步、心跳、時(shí)間、錯誤提示等通訊控制，CANopen還定義了一系列特殊協(xié)議(Special protocols)報文。如表 1所示，為CANopen預定義報文(Pre-defined CAN-IDs)的NMT報文和特殊協(xié)議報文。

　　表 1 NMT與特殊協(xié)議的CAN-ID定義

　　CAN-ID就是這類(lèi)報文的COB-ID，其中讀者必須需要記住的是綠色底紋的這些常用的CAN-ID含義，在研發(fā)和應用CANopen中，這三類(lèi)是最為常用的NMT與特殊協(xié)議報文。

　　USBCAN-E-P與PCI-5010-P主站卡可為PC機拓展出CANOpen通訊接口，實(shí)現CANOpen協(xié)議的數據通信。作為CANOpen網(wǎng)絡(luò )的管理者，實(shí)現全部的CANOpen網(wǎng)絡(luò )管理(NMT)功能。