CAN應用層和CANopen

CANopen 概述

CANopen是附加了一套設備子協議的高層(第7層)CAN通信協議。作為一種標準化、高度可配置的嵌入式網絡解決方案，它廣泛應用于實時工業應用、機器人、醫療、交通、汽車和航空等領域。CANopen設備子協議系列規定了各種標準化的通信機制和設備功能，以服務于各種應用程序。CANopen標準由CAN in Automation (CiA)國際用戶和制造商協會維護保持。

CANopen的優勢

通過應用程序和網絡活動服務，使具備高度靈活配置能力的嵌入式應用標準化。

標準化的設備、接口和應用程序配置有助于CANopen系統和高度模塊功能的充分集成，并提供互操作性和互換性。

眾多國際供應商支持的高度標準化協議。

實時數據交換，同步與異步，循環與非循環，事件驅動。

具有高效尋址方案的對象字典，允許系統工程師和應用程序開發人員在CANopen基本配置文件上進行擴展，并提供擴展設備配置和診斷功能。

SDO(服務數據對象)報文與對象字典相結合，為系統設計者提供了通過網絡進行設備配置的途徑。

各種通信對象都允許系統設計者為過程數據通信、錯誤顯示和網絡控制，設計編程所需的網絡功能。

通過專用同步SYNC(同步對象)和TIME(時間標識對象)實現高效同步。

通過Node Guarding (節點監測) 進行可靠的節點監測和診斷。

高效靈活的設備狀態，實現耐用性、容錯性和恢復能力。

觀看由CAN in Automation組提供的有關“ CANopen FD”的更新。

CANopen協議

CiA 通過一系列文件維護保持 CANopen 設備和通訊協議規定。CANopen 的CiA 文件 包括下列3類:

CiA規定 – 為實施協議，對硬件及軟件配置的功能規定。

CiA建議 – 關于最適宜解決方案的信息。

CiA 實施和用戶指南– 關于怎樣使用CiA 功能和建議的說明。

基本配置由CiA 301規范定義。它被命名為“CANopen應用層和通信配置”，并規定了CANopen應用層。這些規范包括：

1. CANopen對象字典中的數據類型、編碼規則和對象

2. CANopen通信服務和協議

3. CANopen 網絡管理服務和協議

4. CANopen 通訊配置 – 物理層

5. 預定義的通信對象標識符連接數集、與緊急事件相關的對象、時間標識和同步通信對象

此基本 CiA 301配置規定由其他CiA文件進行了補充和擴展，為一些具體領域的設備和功能規定了設備、應用程序和接口配置。下面是其中幾個例子：

CiA 302 – CANopen 附加應用層功能

CiA 303-1 – 布線和接頭管腳分配

CiA 303-3 – 指示器規范

CiA 306 – CANopen 電子數據表規范

CiA 309 – 從其他網絡接入CANopen

CiA 315 – CANopen 通用框架

CiA 401 – 通用I/O模塊的CANopen設備配置

CiA 402 – 驅動和運動控制的CANopen設備配置

CANopen設備模型

每個CANopen設備都遵循一個通用的設備模型，因此不同的設備能依據同樣的CANopen標準。CANopen設備模型的三個組成部分是：

通訊

對象字典

應用軟件

通訊

CANopen通過不同的通訊模式在節點之間傳輸報文:

生產/消費模式: 它是一個廣播連接，以推送模式工作(信號生產節點向消費節點發送無任何特定要求的信息)和引入模式(消費節點向信號生產節點要求特定信息)。

用戶機/服務器模式: 通過SDO協議，用戶節點向服務器節點要求數據(對象字典索引)，然后服務器節點通過發送在指定索引處的對象內容來響應。

主機/從機模式: 主機節點可在任何時候向從機節點發送或要求數據。例如：NMT協議通信。

CANopen通信單元由必要的通信接口和協議軟件組成，通過總線在節點之間進行通信對象的發送和接收。各種CANopen通信對象用于實現各種類型的通信，如過程數據、網絡管理、節點監控、同步信號錯誤控制和緊急報文。這些對象及其說明如下：

CANopen幀

它由下列場組成:

11位 CAN幀id，也稱為CANopen通信對象標識符(COB-ID)。它進一步分為4位功能代碼(代表一個CANopen通信對象)和7位節點id。

1位遠程傳輸請求 (RTR)。

4位數據長度。

0 – 8字節的數據。

對象字典

對象字典(OD)是CANopen協議的核心概念。它是一組預定義的CANopen對象，通過網絡使用索引和子索引訪問對象。對象字典提供了應用程序和設備之間的溝通方式，提供了配置該設備的途徑，和與設備通信的方法。作為對象索引存儲在對象字典中的信息包括：

通信和應用程序配置參數

標準化設備配置參數

制造商特定設備配置文件參數

設備配置靜態數據類型

設備配置復雜數據類型

復雜和靜態數據類型

制造商特定數據類型

其他

從上述對象說明可以清楚地看出，制造商可以通過擴展由標準設備配置和數據類型規范要求的標準設備功能，來增強其設備的功能。他可以按照CANopen標準的指導，以預定義的方式添加自己特定的制造商配置和數據類型。

對象字典條目中的場包括:

主索引: 16位索引，直接對應對象字典中的條目。對于簡單變量，該索引直接引用變量值；對于復雜類型，該索引對應整個記錄或數組。

索引: 對應具體數據場的8位子索引，如主索引指向的復雜數據結構中的數組項或記錄值。

對象: 條目中對象類型的符號名稱。例如：變量、數組、記錄等。

名稱: 描述條目的字符串。

類型: 條目的數據類型限定詞。例如：UNSIGNED32、BOOLEAN等。

屬性: 此條目的訪問權限值。例如：讀取和書寫，只讀取，只書寫。

必須/可選/Optional: 設備必須實現此具體對象條目，還是可以選擇執行。

各種對象參數組按索引范圍排列如下：

通訊配置的范例索引

引用復雜或結構化數據類型條目的子索引示例

這些條目用于單通道RS-232適配器，其通信參數在索引6092H處以單一結構數據類型存在。然后，各個通信參數存在于子索引6092H中，范圍從0起。

上述對象字典項的C編程語言結構定義為：

CANopen的網絡管理

CANopen的網絡管理采取主機/從機通信模式。整個網絡被設置為一個“狀態機”，其中一個設備被指定為NMT主機，另一個設備被指定為NMT從機。NMT主機控制和監控NMT從機的狀態。通過NMT主機觸發，NMT從機進行狀態轉換，實現CANopen網絡的各個階段。

通過具體的NMT協議，如啟動協議、模塊控制協議、心跳協議(Heartbeat Protocol)和節點監測，從主機向從機發出狀態更改命令，進行這些狀態轉換。NMT主機向特定節點或所有節點發送NMT命令代碼以改變狀態。

NMT從狀態機的初始狀態序列從開機，或從關機事件的恢復開始，然后是設備初始化。然后，NMT從機將自動轉換到預運行狀態。在錯誤監測和診斷期間的內部設備重置(重置應用程序和重置通信)也會使NMT從機進入初始化狀態，然后進入預運行狀態。在此轉換之前，該從機將使用啟動協議向總線發送啟動報文，以表明啟動過程。

在預運行狀態下，應用程序配置工具可以使用SDO通信，配置NMT從機和設置參數。由于設備尚未開始運行，因此在此狀態下不能使用PDO通信。

一旦狀態從預運行變為運行狀態，節點中的所有通信對象都將變為活躍狀態，并且運行節點之間均可進行PDO和SDO通信。在此階段，也可以通過SDO訪問對象字典。當節點狀態更改為停止時，PDO和SDO通信都將停止。

CANopen中的節點監測

NMT主機定期使用遠程幀詢問從機的當前狀態，并將其與網絡數據庫中記錄的早期狀態相比較。任何不匹配和缺少PDO傳輸的狀態都會以適當的錯誤代碼表示，然后應用程序將采取適當的操作，如設備重置或錯誤標識。這稱為節點監測，是通過使用節點監測協議得以實現。NMT從機使用一種稱為生命監測的技術，通過在預定義的時間間隔里，內部檢查節點監測幀的接收，來檢測NMT主機的缺失。

現代設備設計使用Heartbeat協議進行節點監視，其中NMT從設備(Heartbeat Producer心跳發出者)將周期性地向NMT主設備(Heartbeat Consumer心跳使用者)發送Heartbeat報文。這些報文之間的間隔是可配置的，并在主、從兩個設備的對象字典中Heartbeat producer time(心跳產生時間)對象上都進行設置。如果心跳報文在此時間限制內未到達，則發出者將被視為關機，使用者將采取補救措施，如設備重置或錯誤顯示。

預定義的連接數組

對于只有1個主機和最多127個從機的簡單通信結構，CANopen提供了CAN報文標識符的預定義分配，這被稱為預定義連接數集。此方法的主要目的是減少簡單網絡中僅需要點對點連接的的配置數量。此預定義的主從機連接機制支持按設備分配通信對象，如下所示：

一個緊急狀況對象

SYNC和時間標識對象

一個 SDO 連接

NMT節點監測 (節點監測/心跳)

最多 4個輸出和4 個輸入PDO

電子數據表格和 CANopen 系統配置

一個電子數據表(EDS)是一個標準化的電子文件，描述為CANopen設備定義的通信功能和對象。此供應方生成的文件有3個區域：

關于EDS文件的信息

一般設備信息

具有默認變量的對象字典

EDS文件可用作CANopen設備的配置和網絡設置工具。

CANopen 和 Kvaser

Kvaser 開發了 Kvaser CANopen Stack, 這是一個使用便捷、存儲高效的AAPI，能實現CANopen設備的高性能運行 。它完全符合CANopen標準，并完全支持CANopen主機和從機功能。

CANopen在工業中的應用

Vector Informatik GmbH 是CCANalyzer的的開發商 – 這是 CANopen 網絡分析和模擬的最佳軟件工具之一。

Port GmbH 開發了大量CANopen 工具，包括:

用于CANopen設備開發的CANopen Design Tool。

CANopen 主機/從機協議庫

CANopen 模塊和配置文件

CANopen 設備監測

CANopen 網關服務器

National Instruments提供一個1-Port C系列CANopen接口模塊，用于幫助CANopen應用程序開發。

有許多其他CANopen商業工具，以及開源API和協議棧，比如CANopenNode，它們使用CANopen的開放架構，借助于此協議的高度標準化、詳細的建議和指南，發展新的應用。

更多資源

獲取與CANopen兼容的協議棧和軟件。搜索軟件

請聯繫專門從事CANopen應用的Kvaser技術助理之一。搜索助理

總結

以上是生活随笔為你收集整理的canopen服务器协议,CANopen的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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