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CANopen 协议介绍
流行欧洲的 CAN-bus 高层协议
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目录
1、介绍 .....................................................................................................................................................................1
2、CAL 协议............................................................................................................................................................2
3、CANopen .............................................................................................................................................................3
3.1 对象字典 OD........................................................................................................................................ 3
3.2 CANopen 通讯 .....................................................................................................................................4
3.3 CANopen 预定义连接集 ..................................................................................................................... 6
3.4 CANopen 标识符分配 ......................................................................................................................... 8
3.5 CANopen boot-up 过程........................................................................................................................8
3.6 CANopen 消息语法细节 ..................................................................................................................... 9
4、总结 ................................................................................................................................................................... 18
5、说明 ................................................................................................................................................................... 19
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1、介绍
从 OSI 网络模型的角度来看同,现场总线网络一般只实现了第 1 层(物理层)、第 2 层(数据链路层)、
第 7 层(应用层)。因为现场总线通常只包括一个网段,因此不需要第 3 层(传输层)和第 4 层(网络层),
也不需要第 5 层(会话层)第 6 层(描述层)的作用。
CAN(Controller Area Network)现场总线仅仅定义了第 1 层、第 2 层(见 ISO11898 标准);实际设计
中,这两层完全由硬件实现,设计人员无需再为此开发相关软件(Software)或固件(Firmware)。
同时,CAN 只定义物理层和数据链路层,没有规定应用层,本身并不完整,需要一个高层协议来定义
CAN 报文中的 11/29 位标识符、8 字节数据的使用。而且,基于 CAN 总线的工业自动化应用中,越来越需
要一个开放的、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。
下面的章节将介绍基于 CAN 的高层协议:CAL 协议和基于 CAL 协议扩展的 CANopen 协议。CANopen
协议是 CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一,并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲,
CANopen 协议被认为是在基于 CAN 的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类型,例如数字
和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器,都在称为“设备描述”
的协议中进行描述;“设备描述”定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠 CANopen 协议的支持,
可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。
在 OSI 模型中,CAN 标准、CANopen 协议之间的关系如下图所示:
Co mm u n i c at i o n Pr of i l e Ci A DS- 30 1
CiA DSP-401 Ci A D SP- 40 4
CiA DSP-xxx
Application
Layer
Data Link
Layer
Ch i p
CAN 2.0A
Physical Layer
ISO 11898
Cable
图 1.1 CAN、CANopen 标准在 OSI 网络模型中的位置框图
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2、CAL 协议
CAL(CAN Application Layer)协议是目前基于 CAN的高层通讯协议中的一种,最早由 Philips医疗
设备部门制定。现在 CAL 由独立的 CAN 用户和制造商集团 CiA(CAN in Automation)协会负责管理、发
展和推广。
CAL 提供了 4 种应用层服务功能:
CMS (CAN-based Message Specification)
CMS 提供了一个开放的、面向对象的环境,用于实现用户的应用。CMS 提供基于变量、事件、
域类型的对象,以设计和规定一个设备(节点)的功能如何被访问(例如,如何上载下载超过 8 字节
的一组数据(域),并且有终止传输的功能)。
CMS 从 MMS (Manufacturing Message Specification)继承而来。MMS 是 OSI 为工业设备的远程控
制和监控而制定的应用层规范。
NMT (Network ManagemenT)
提供网络管理(如初始化、启动和停止节点,侦测失效节点)服务。这种服务是采用主从通讯模
式(所以只有一个 NMT 主节点)来实现的。
DBT (DistriBuTor)
提供动态分配 CAN ID(正式名称为 COB-ID,Communication Object Identifier)服务。这种服务
是采用主从通讯模式(所以只有一个 DBT 主节点)来实现的。
LMT (Layer ManagemenT)
LMT 提供修改层参数的服务:一个节点(LMT Master)可以设置另外一个节点(LMT Slave)的
某层参数(如改变一个节点的 NMT 地址,或改变 CAN 接口的位定时和波特率)。
CMS 为它的消息定义了 8 个优先级,每个优先级拥有 220 个 COB-ID,范围从 1 到 1760。剩余的标志
(0,1761-2031)保留给 NMT,DBT 和 LMT,见表 2-1。
表 2-1 映射到 CAL 服务和对象的 COB-ID(11 位 CAN 标识符)
COB-ID
服务或对象
0
NMT 启动/停止服务
1 - 220
CMS 对象 优先级 0
221 - 440
CMS 对象 优先级 1
441 - 660
CMS 对象 优先级 2
661 - 880
CMS 对象 优先级 3
881 - 1100
CMS 对象 优先级 4
1101 - 1320
CMS 对象 优先级 5
1321 - 1540
CMS 对象 优先级 6
1541 - 1760
CMS 对象 优先级 7
1761 - 2015
NMT 节点保护
2016 - 2031
NMT,LMT,DBT 服务
注意这是 CAN2.0A 标准,11 位 ID 范围[0,2047],由于历史原因限制在[0,2031]。如果使用 CAN2.0B
标准,29 位 ID 并不改变这个描述;表中的 11 位映射到 29 位 COB-ID 中的最高 11 位,以至于表中的 COB-ID
范围变得增大许多。
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3、CANopen
CAL 提供了所有的网络管理服务和报文传送协议,但并没有定义 CMS 对象的内容或者正在通讯的对
象的类型(它只定义了 how,没有定义 what)。而这正是 CANopen 切入点。
CANopen 是在 CAL 基础上开发的,使用了 CAL 通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种
实现方案。CANopen 在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展:或简单或复杂。
CANopen 的核心概念是设备对象字典(OD:Object Dictionary),在其它现场总线(Profibus,Interbus-S)
系统中也使用这种设备描述形式。注意:对象字典不是 CAL 的一部分,而是在 CANopen 中实现的。
下面先介绍对象字典(OD:Object Dictionary),然后再介绍 CANopen 通讯机制。
3.1 对象字典 OD
对象字典(OD:Object Dictionary)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,
为了允许访问数据结构中的单个元素,同时定义了一个 8 位的子索引,对象字典的结构参照表 3-1。不要被
对象字典中索引值低于 0x0FFF 的‘data types’项所迷惑,它们仅仅是一些数据类型定义。一个节点的对
象字典的有关范围在 0x1000 到 0x9FFF 之间。
表 3-1 CANopen 对象字典通用结构
索引 对象
0000 Not used
0001 - 001F
静态数据类型 (标准数据类型,如 Boolean,Integer 16)
0020 - 003F
复杂数据类型
(预定义由简单类型组合成的结构如 PDOCommPar,SDOParameter)
0040 - 005F
制造商规定的复杂数据类型
0060 - 007F
设备子协议规定的静态数据类型
0080 - 009F
设备子协议规定的复杂数据类型
00A0 - 0FFF Reserved
1000 - 1FFF
通讯子协议区域
(如设备类型,错误寄存器,支持的 PDO 数量)
2000 - 5FFF
制造商特定子协议区域
6000 - 9FFF
标准的设备子协议区域
(例如“DSP-401 I/O 模块设备子协议”:Read State 8 Input Lines 等)
A000 - FFFF Reserved
CANopen 网络中每个节点都有一个对象字典。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。
一个节点的对象字典是在电子数据文档(EDS:Electronic Data Sheet)中描述或者记录在纸上。不必
要也不需要通过 CAN-bus“审问”一个节点的对象字典中的所有参数。如果一个节点严格按照在纸上的对
象字典进行描述其行为,也是可以的。节点本身只需要能够提供对象字典中必需的对象(而在 CANopen
规定中必需的项实际上是很少的),以及其它可选择的、构成节点部分可配置功能的对象。
CANopen 由一系列称为子协议的文档组成。
通讯子协议(communication profile),描述对象字典的主要形式和对象字典中的通讯子协议区域中的
对象,通讯参数。同时描述 CANopen 通讯对象。这个子协议适用于所有的 CANopen 设备。
还有各种设备子协议(device profile),为各种不同类型设备定义对象字典中的对象。目前已有 5 种不
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