关键词：CANopen；对象词典；索引；子索引
前言：CAN（Controller Area Network）现场总线仅仅定义了物理层、数据链路层（见ISO11898 标准），没有规定应用层；实际设计中，物理层、数据链路层完全由硬件实现。所以CAN 现场总线本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN 信息中的11/29 位标识符、8 字节数据的使用。CANopen 协议是一种基于CAN 的高层协议，它是由 CiA（CAN-in-Automation）定义并维护的协议之一,它是在CAL（CAN Application Layer）协议基础上开发的,使用了CAL 通信和服务协议子集。
1 CANopen 通讯对象
1.1 PDO（Process Data Object：过程数据对象）
PDO提供设备应用对象的直接访问通道，用来传输实时数据，具有较高的优先权。PDO CAN信息数据列中每个字节都用作数据传输，信息利用率高。
PDO通过“生产者/消费者”模式来描述，数据从一个生产者传到一个或者多个消费者，数据传送限制在1~8个字节。生产者传输数据后，不需要消费者确认，网络上的每个节点都会检测发送节点发出的数据信息，然后节点会决定接收到的信息是否需要处理。
每个PDO有两种PDO 服务：TxPDO和RxPDO。生产者发出的PDO 称为该设备的发送PDO（TxPDO），消费者设备接收的PDO称为该设备的接收PDO（RxPDO）。
每个PDO在对象字典中用2 个对象描述：PDO通讯参数和PDO映像参数
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，这些对象映像到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像，以说明PDO内容。
RxPDO 和TxPDO 信息格式如下：
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1.2 SDO（Service Data Object：服务数据对象）
SDO是用来建立两个CANopen 设备之间的客户/服务器关系的，客户设备可以对服务器设备的对象字典进行读/写访问操作。SDO的访问模式为“客户端/服务器”模式，被访问的节点为SDO服务器。每个CANopen 设备至少有一个服务数据对象，用来提供该设备对象字典的访问通道。SDO可以对对象字典内的所有对象进行读/写访问操作。
SDO信息中包含索引和子索引信息，如此方便对象在对象字典中定位，而且对象字典中的复合数据结构易于通过SDO 访问。SDO 的触发方式为功能响应型，即SDO客户发出读/写请求后，SDO服务器须给予回应；客户端和服务器均可以主动终止SDO的传输；请求信息和响应消息通过不同的COB-ID进行区分。
SDO 可以传送任意长度的数据。如果传送的数据超过4个字节，则必须实行分段传送。最后一段数据报含一个结束标志。
SDO 请求信息和响应消息的结构如下：
请求信息格式：.png)
1.3 NMT（Network Management Object：网络管理对象）
CANopen 的网络管理遵循“主/从”模式。一个CANopen 网络里只能存在一个NMT 主站，其它节点均被当成从站。NMT 可实现3 种服务：Module control services（节点状态控制服务）、Error Control services（错误控制服务）和Boot-up services（启动引导服务）。
1.3.1 节点状态控制是指CANopen 网络中主站节点通过发送命令控制从站的状态，从站收到主站的命令后执行，不需要回复。所有的CANopen 节点都有一个内部的NMT 状态，从站节点共有4 种状态：初始化状态、预行状态、运行状态、停止状态。
节点状态控制信息格式如下表所示：
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1.3.2 Error Control services（错误控制服务）
错误控制服务用于检测CANopen 网络中是否有节点断线。错误控制服务分为两种：heartbeat 和nodeguarding，台达AS系列PLC只支持heartbeat。如从站启动heartbeat 服务后，主站才可以检测从站是否断线。Heartbeat 生产者按照设定的Heartbeat 产生时间定时发送Heartbeat信息，一个或者多个Heartbeat 消费者检测Heartbeat 生产者发送的信息，当消费者在设定的超时时间内没有收到生产者发送的信息时，产生Heartbeat 事件表明CANopen 通讯异常。
1.3.3 Boot-up services（启动引导服务）
从站在初始化完成进入预运行状态后，会发送一笔Boot-up 信息，表示初始化完成。
1.4 其它预定义CANopen通讯对象
1.4.1 同步对象（Sync Object）
同步对象由网络中主站节点以广播的形式周期发送到CAN 网络的信息。这个对象用来实现基本的网络时钟信号，每个设备可以根据自己的配置，决定是否使用该事件和其它网络设备进行同步通讯。如在控制驱动装置时，各个装置收到主站发送的动作命令后并不立即动作，而是等收到同步信息后一起动作，如此可以实现多个装置同步动作。
SYNC 信息格式如下图所示：
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1.4.2 紧急事件对象（Emergency Object）
紧急事件对象是由CANopen 设备用来标识内部紧急错误的，当设备出现紧急错误时，设备发出紧急事件信息（信息中包含紧急错误码），设备进入错误状态。当错误消除后，设备发出紧急事件信息报告错误消除，紧急错误代码为0，设备进入正常状态。
Emergency 信息格式如下图所示：
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备注：错误寄存器内的值映像到对象字典（Object Dictionary）中的索引地址为1001（hex）。若该值等于0，则表示无错误发生；若该值等于1，则表示发生了一般性错误；若该值等于H’80，则表示发生了设备内部错误。
2 预定义连接设定
为了减少简单网络的组态工作量，CANopen 定义了一个强制性的默认标识符分配图表。预定义连接设定包含广播对象和对等对象，11 位的标识符结构如下：
结语：
CANopen标准最初设计用于面向运动的机器控制系统，现在广泛应用于自动化领域。例如，它是一个流行的协议，可以在机器人系统中、工厂传送带旁及整个工业机械中使用。随着自动化程度越来越高的智能工厂的发展趋势，CANopen协议将在未来发挥更大的作用。
参考文献：
[1]任玮蒙，陶维青.基于CAN总线的高层协议CANopen[J].自动化技术与应用，2007,26（4）：128-130.
[2]广州周立功单片机发展有限公司.CANopen协议介绍[Z].2005.
[3]王俊波,胥布工.CANopen协议分析与实现[J].微计算机信息,2006,22(6-2):104-106.
[4]何光宇，胡正.针对工业控制的CANopen系统[J].微计算机信息.2003.12:5-6.
论文作者:吕志波
论文发表刊物:《科学与技术》2020年1期
论文发表时间:2020/4/29
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