目前，CANopen通訊協(xié)議已經(jīng)在工業(yè)領域得到了廣泛的使用，由于其面向?qū)ο蟮脑O計思路，CANopen協(xié)議已成為歐洲等國家的自動化公司標配的通訊接口之一。在本系列文章中，我們將介紹CANopen協(xié)議的基礎內(nèi)容，包括對象字典、服務、SDO、PDO和主/從站節(jié)點等。如需購買CANopen相關產(chǎn)品或需要CANopen培訓服務，請發(fā)郵件到support@hkaco.com聯(lián)系虹科工業(yè)控制團隊?！

1.什么是CANopen？

CANopen是一種基于CAN的通信協(xié)議。這項協(xié)議非常有用，因為它可以讓設備、節(jié)點（如工業(yè)機械）之間具有現(xiàn)成的互操作性，并且提供了安裝前和安裝后配置設備的標準方法。CANopen最初是為面向運動的機器控制系統(tǒng)設計的，如今，它被廣泛用于電機控制（步進/伺服電機）領域，并在以下應用中得到廣泛使用：

• 機器人技術（包括自動化機器人、傳送帶和其他工業(yè)機械）
• 醫(yī)療（包括X射線發(fā)生器、注射器、病人床和透析設備）
• 汽車（包括農(nóng)業(yè)、鐵路、拖車、重型、船舶等）

CANopen是一個基于CAN總線的“高層協(xié)議”，這意味著CAN總線（ISO 11898）就像集裝箱的卡車一般作為CANopen信息的“運輸工具”。在OSI模型中， CAN總線代表兩個最低層（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）。這意味著，CAN只是實現(xiàn)了帶有11位CAN ID、遠程傳輸（RTR）位和64個數(shù)據(jù)位（與更高層的協(xié)議相關）的字段的幀的傳輸。換言之，CAN總線在CANopen中的作用與在J1939協(xié)議相同。而CANopen則實現(xiàn)了OSI模型的第七層，并能夠適應除CAN以外的其他數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（例如EtherCAT、Modbus、Powerlink）。

值得關注的是，隨著CAN FD的推出，CANopen FD作為下一代CANopen標準，可能會發(fā)揮著越來越重要的作用。具體細節(jié)，歡迎到CiA官網(wǎng)中查看。

相較于CAN總線和J1939協(xié)議，CANopen協(xié)議新增了6個核心概念：

• 通信模式。設備/節(jié)點的通信有3種模式： 主/從站、客戶端/服務器和生產(chǎn)者/消費者。
• 通信協(xié)議。用于通信的協(xié)議，如配置節(jié)點（SDO）或傳輸實時數(shù)據(jù)（PDO）等。
• 設備狀態(tài)。一個設備支持不同的狀態(tài)，一個 "主站 "節(jié)點可以改變一個 "從站 "節(jié)點，包括重置等操作。
• 對象字典。每個設備都有一個OD，其中有指定設備配置等的條目，它可以通過SDO訪問。
• 電子數(shù)據(jù)表。EDS是OD條目的標準文件格式，它允許使用服務工具來更新設備。
• 設備設置文件。描述了I/O模塊（CiA 401）和運動控制（CiA 402）等供應商獨立性

2.CANopen通信基礎知識

在CANopen網(wǎng)絡中，需要多個設備進行通信，例如，在工業(yè)自動化設置中，你可能有一個帶有多個伺服電機節(jié)點和一個控制接口/PC節(jié)點的機械臂。CANopen中存在著三種通信模式，每種模式都與我們所討論的CANopen協(xié)議緊密相連。下面將簡單介紹這三種模式：

第一， 主/從站。一個節(jié)點（例如控制接口）作為應用主站或主控制器。它向從站設備（例如伺服電機）請求數(shù)據(jù)。這個過程被用于診斷或狀態(tài)管理。在標準應用中，可以有0到127個從站。但需要注意，請注意：在單個CANopen網(wǎng)絡中，可以有不同的主機控制器共享同一個數(shù)據(jù)鏈路層。

第二， 客戶端/服務器?？蛻舳讼蚍掌靼l(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務器回復請求的數(shù)據(jù)。例如，當應用程序主站需要從站的OD中獲取數(shù)據(jù)時使用這一模式。從服務器上讀取是一種 "上傳"，而“寫入”是一種 "下載"（該術語采用服務器端的角度）。
第三， 消費者/生產(chǎn)者。該模式中生產(chǎn)者節(jié)點向網(wǎng)絡廣播數(shù)據(jù)，由消費者節(jié)點消費。生產(chǎn)者根據(jù)請求（拉模型）或沒有特定請求（推模型）發(fā)送此數(shù)據(jù)。

顯然，這些模型實際上是相同的，但為了術語的一致性，我們對它們進行了區(qū)分。

2.1 CANopen框架

為了理解CANopen通信，有必要對CANopen的CAN報文進行分解。如下圖，11位的CAN ID被稱為通信對象標識符（COB-ID），它被分成兩部分。前4位相當于功能代碼，接下來的7位包含節(jié)點ID。

為了理解COB-ID的工作原理，需要從簡單的CANopen網(wǎng)絡中如何使用標識符的預定義分配開始。

如上圖，COB-ID（381、581等）與通信服務（傳輸PDO 3、傳輸SDO等）相關聯(lián)，因此，COB-ID詳細說明了哪個節(jié)點正在發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，以及使用了什么服務。如下圖的例子，一個節(jié)點ID為5的CANopen設備將通過11位的CAN ID 585傳輸SDO，這對應于二進制功能代碼1011，節(jié)點ID 5（在二進制中為0000101）。

2.2 CANopen通信協(xié)議/服務

接下來，我們將簡要介紹CANopen的7種服務類型，以及它們?nèi)绾卫?個CAN幀數(shù)據(jù)字節(jié)。

2.2.1 網(wǎng)絡管理（NMT）

NMT服務用于通過NMT命令（如：啟動、停止、復位）來控制CANopen設備的狀態(tài)（如：預運行、運行、停止）。
為了改變狀態(tài)，NMT主機發(fā)送一個帶有 CAN ID 0的2字節(jié)消息（即功能代碼0和節(jié)點ID 0）。所有從站節(jié)點都處理這個報文。第一個CAN數(shù)據(jù)字節(jié)包含請求的狀態(tài)，而第二個CAN數(shù)據(jù)字節(jié)包含目標節(jié)點的節(jié)點ID。節(jié)點ID 0表示廣播命令。

可能的命令包括轉(zhuǎn)換到運行（狀態(tài)01）、停止（狀態(tài)02）、預運行（狀態(tài)80）以及重置應用程序（81）和重置通信（82）。例如：將節(jié)點0x06設置為運行模式： 000 01 06

2.2.2 同步（SYNC）

SYNC報文用于同步幾個CANopen設備的輸入和響應--通常由應用主站觸發(fā)。應用主機將SYNC消息（COB-ID 080）發(fā)送到CANopen網(wǎng)絡（帶或不帶SYNC計數(shù)器）。多個從節(jié)點可以配置為對SYNC做出反應，并通過傳輸同時捕獲的輸入數(shù)據(jù)或通過與參與同步操作的節(jié)點同時設置輸出來響應。使用SYNC計數(shù)器可以配置幾組同步操作的設備。

2.2.3 緊急情況 (EMCY)

緊急服務用于設備出現(xiàn)致命錯誤（如傳感器故障）時，允許它向網(wǎng)絡的其他部分指示這一點。受影響的節(jié)點以高優(yōu)先級向網(wǎng)絡發(fā)送單個EMCY消息（例如，節(jié)點5的COB-ID 085）。數(shù)據(jù)字節(jié)包含有關錯誤的信息，可以查找詳細信息。

2.2.4 時間戳（TIME） [PDO]

通過這種通信服務，可以分配全球網(wǎng)絡時間。時間服務包含一個6字節(jié)的日期和時間信息。應用主機發(fā)送 CAN ID 為100的TIME消息，其中最初的4個數(shù)據(jù)字節(jié)包含以毫秒為單位的午夜之后的時間，接下來的2個字節(jié)包含自1984年1月1日以來的天數(shù)。

2.2.5 過程數(shù)據(jù)對象 [PDO]

PDO服務用于在設備之間傳輸實時數(shù)據(jù)，例如位置等測量數(shù)據(jù)或扭矩請求等命令數(shù)據(jù)。在這方面，它類似于J1939中的廣播數(shù)據(jù)參數(shù)。關于PDO服務，我們將在下文中進行詳細介紹。

2.2.6 服務數(shù)據(jù)對象 [SDO]

SDO服務用于訪問/改變CANopen設備的對象字典中的值。例如，當應用主站需要改變CANopen設備的某些配置時，可以通過SDO服務來實現(xiàn)。

2.2.7 節(jié)點監(jiān)控（心跳）[SDO]

心跳服務有兩個目的：提供一個“活動”的消息和確認NMT命令。NMT從設備周期性地（例如每100毫秒）發(fā)送心跳消息（例如節(jié)點5的CAN ID為705），在第一個數(shù)據(jù)字節(jié)中包含節(jié)點的“狀態(tài)”。如果在特定時間限制內(nèi)沒有收到任何消息，心跳消息的“消費者”（例如 NMT 主設備和可選的任何其他設備）就會做出反應。例如：節(jié)點5處于預運行模式，周期性發(fā)送：705 7F

2.3 對象字典

在7個CANopen服務中，PDO和SDO服務特別重要，因為它們構成了大多數(shù)CANopen通信的基礎。下面我們將進行詳細介紹，但在此之前我們需要了解CANopen的一個核心概念：對象字典。

所有的CANopen節(jié)點必須有一個對象字典（OD），對象字典是一個標準化結(jié)構，包含描述CANopen節(jié)點行為的所有參數(shù)。

OD條目通過一個16位的索引和8位的子索引進行查詢。例如，符合CANopen標準的節(jié)點OD的索引1008（子索引0）包含節(jié)點設備名稱。

具體來說，對象字典中的條目由屬性定義的：

• 索引：對象的16位地址
• 對象名稱：制造商的設備名稱
• 對象代碼：數(shù)組、變量或記錄
• 數(shù)據(jù)類型：例如VISIBLE_STRING、UNSIGNED32或記錄名稱
• 訪問： “rw”（讀/寫），“ro”（只讀）或 “wo”（只寫）
• 類別：這表明參數(shù)是強制性的還是可選的

OD標準化部分

在對象字典被分成標準化的部分中，有一些條目是強制性的，而另一些是完全可定制的。重要的是，一個設備（例如一個從站設備）的OD條目可以被另一個設備（例如一個主設備）通過CAN訪問，例如使用SDO。
這可以讓主站改變從站節(jié)點是否通過特定的輸入傳感器記錄數(shù)據(jù)，或改變從站發(fā)送心跳的頻率。閱讀電子數(shù)據(jù)表和設備配置文件可以幫助理解OD。

電子數(shù)據(jù)表(EDS)

在實踐中，配置/管理復雜的CANopen網(wǎng)絡將會用到一些合適的軟件工具。為了簡化這一點，CiA 306標準定義了一種人類可讀且和機器友好的INI文件格式，作為設備OD的“模板”--例如 “ServoMotor3000”。此EDS通常由供應商提供，包含所有設備對象（但不包括值）的信息。

設備配置文件（DCF）

假設一家工廠購買了一臺ServoMotor3000，以整合到他們的傳送帶上。在操作過程中，操作員編輯了設備的EDS，并在EDS中添加了特定的參數(shù)值或改變了每個對象的描述名稱。這樣一來，操作者就有效地創(chuàng)建了所謂的設備配置文件（DCF）。有了這個文件，ServoMotor3000便能夠集成到現(xiàn)場的特定CANopen網(wǎng)絡中。

查看真實的EDS/DCF示例是理解CANopen對象字典的最佳方法之一，在下圖中，您可以留意EDS和DCF對象條目之間的區(qū)別以及DCF如何包含特定的參數(shù)值。

此外，我們建議到官網(wǎng)上查看CiA 306標準，通過實際的例子對OD、EDS和DCF有更深入的了解。

如前文所述，DCF通常在設備集成時創(chuàng)建。然而，經(jīng)常需要在初始配置后讀取或改變一個節(jié)點的對象值——這就是SDO服務的作用所在。

2.4 SDO——配置CANopen網(wǎng)絡

SDO服務允許CANopen節(jié)點通過CAN網(wǎng)絡讀取/編輯另一個節(jié)點的對象字典的值。正如在“通信模型”中提到的，SDO服務使用“客戶端/服務器”模式。具體來說，一個SDO “客戶端”與一個專門的SDO“服務器”發(fā)起通信。其目的可以是更新一個OD條目（稱為“SDO下載”）或讀取一個條目（“SDO上傳”）。在簡單的主/從網(wǎng)絡中，具有NMT主站功能的節(jié)點充當所有NMT從站節(jié)點讀取或?qū)懭肫銸D的客戶端。

示例：客戶端節(jié)點SDO下載

客戶端節(jié)點可以通過在 CAN 幀下方的廣播來啟動到節(jié)點 5 的 SDO 下載 - 這將觸發(fā)節(jié)點 5（并被其他節(jié)點忽略，見上圖）。SDO“接收”（即請求）CAN 幀如下所示：

SDO消息變量解釋

• 首先，COB-ID 605反映了“SDO接收”的使用（COB-ID 600 +節(jié)點ID）
• CCS（客戶端命令指定符）是傳輸類型（例如，1：下載，2：上傳）
• n是字節(jié)區(qū)4-7中不包含的字節(jié)數(shù)（如果e和s被設置為有效）
• e表示“加速傳輸”，且所有數(shù)據(jù)都在單個CAN幀中（如果有設置）
• s表示數(shù)據(jù)大小顯示為n（如果有設置）
• 索引（16位）和子索引（8位）反映了要訪問的OD地址
• 最后，節(jié)點5將相應字節(jié)4-7中包含的相關數(shù)據(jù)

一旦主站節(jié)點（客戶端）發(fā)送CAN幀，從站節(jié)點5（服務器）通過COB-ID 585的“SDO傳輸”進行響應。響應包含索引/子索引和4個空數(shù)據(jù)字節(jié)。自然，如果客戶端節(jié)點請求上傳（即從節(jié)點5OD讀取數(shù)據(jù)），節(jié)點5將響應字節(jié)4-7中包含的相關數(shù)據(jù)。此外，對于更大的數(shù)據(jù)場景，可以使用SDO分段/塊進行傳輸。

一般來說，SDO很靈活，但也會帶來較高的成本，這使得SDO不太適合實時操作數(shù)據(jù)。這就是PDO的用武之地。

2.5 PDO——操作CANopen網(wǎng)絡

CANopen的PDO服務用于在CANopen節(jié)點之間有效地共享實時操作數(shù)據(jù)。例如，PDO將攜帶來自壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)或來自溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)。原則上，SDO服務也能實現(xiàn)共享實時操作數(shù)據(jù)，但由于單個SDO響應只能攜帶4個數(shù)據(jù)字節(jié)，出于成本原因，我們不建議這么做。

此外，假設一個主站節(jié)點需要來自節(jié)點5的兩個參數(shù)值（例如“SensTemp2”和“Torque5”）。如果通過SDO來實現(xiàn)，需要4個完整的CAN幀（2個請求和2個響應）。相比之下，一個PDO消息可以包含8個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，而且它可以在一個幀內(nèi)包含多個對象參數(shù)值。因此，在SDO服務中至少需要4個報文，而在PDO服務中則可能只需要1個報文就可以完成。

PDO通常被看作是最重要的CANopen協(xié)議，因為它承載了大量的信息。下面我們將介紹CANopen的PDO服務是如何工作的。

PDO服務使用的是“消費者/生產(chǎn)者”模型。因此，生產(chǎn)者 "生產(chǎn)數(shù)據(jù)"，它使用發(fā)送PDO（TPDO）將其傳送給“消費者”（主站）。反之，它可以通過“接收PDO”（RPDO）從消費者那里接收數(shù)據(jù)。

例如，生產(chǎn)者節(jié)點可以被配置為對應的同步觸發(fā)，例如每隔100ms廣播給消費者。然后，節(jié)點5可以在傳輸帶有COB-ID 185的PDO下廣播：

請注意這里的數(shù)據(jù)字節(jié)是如何裝入3個參數(shù)值的。這些值反映了節(jié)點5的特定OD條目的實時數(shù)據(jù)。使用這些信息的節(jié)點（消費者）需要知道如何解釋PDO數(shù)據(jù)字節(jié)。

在某種程度上，PDO服務有點像J1939 PGN和SPN，這類似于特定J1939 參數(shù)組(PG)如何在 8 個數(shù)據(jù)字節(jié)中包含多個 SPN/信號（也稱為數(shù)據(jù)參數(shù)）。J1939 CAN 幀不需要在“解碼”信息上浪費數(shù)據(jù)字節(jié)，因為相關節(jié)點（以及外部工具通過例如J1939 DBC 文件或 J1939 PDF 標準）知道這一點。問題在于，在 CANopen 中，這些“PDO 映射”通常是可配置的，并且可以在創(chuàng)建 DCF 或通過 SDO 服務期間進行更改。

2.6 虹科CANopen解決方案

2.6.1 虹科CANopen數(shù)據(jù)記錄儀——CANedge2

CANopen經(jīng)常被用于倉庫中的電動叉車或自動導引車中，對CANopen數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析有利于改善管理，比如監(jiān)測充電狀態(tài)有助于減少故障和改善電池壽命，并且工業(yè)機械可以通過云端的物聯(lián)網(wǎng)CAN記錄器進行監(jiān)控，根據(jù)CANopen數(shù)據(jù)預測和避免故障。此外，CAN記錄器可以作為工業(yè)機械的“黑匣子”，提供數(shù)據(jù)用于解決OEM和用戶之間的糾紛，或作為罕見問題診斷的一部分。

2.6.2 虹科CANopen IO模塊

虹科HK-CIO系列是支持CANopen協(xié)議的遠程IO模塊，IO類型包含數(shù)字量，模擬量，高速計數(shù)器，脈沖輸出，PWM，PT100/1000等，緊湊型設計，支持DIN導軌安裝，IO與CANopen通訊之間相互電氣隔離。

2.6.3 虹科CANopen協(xié)議開發(fā)方案

虹科CANopen源代碼實施全功能符合CiA 301標準草案，支持快速且標準地開發(fā)你的CANopen主站或從站設備，包括NMT主站（網(wǎng)絡管理）、LSS主站（層設置服務）或SDO客戶端。

產(chǎn)品及方案

• CAN卡（USB,PCI,PCIe,MiniPCIe等多種接口類型）
• 通訊協(xié)議板卡（CO,ECAT,DP,PN,DN,EIP,Modbus,CC,IO-Link等多種協(xié)議）
• 通訊協(xié)議網(wǎng)關（CO,ECAT,DP,PN,DN,EIP,Modbus,CC,IO-Link等多種協(xié)議）
• 通訊協(xié)議IO模塊（CO,ECAT等多種協(xié)議）
• 通訊協(xié)議嵌入式模塊（CO,ECAT,PN,EIP,Modbus,CC-Link等多種協(xié)議）
• 通訊協(xié)議協(xié)議棧（CO,IO-Link,ECAT,PN,EIP等多種協(xié)議）
• “新”以太網(wǎng)開發(fā)方案（TSN IPcore，HSR/PRP IPcore，網(wǎng)管/非網(wǎng)管以太網(wǎng)IPcore，同步IPcore等）
• “新”以太網(wǎng)硬件解決方案（TSN板卡，TSN交換機，TSN評估套件，HSR/PRP板卡，HSR/PRP交換機）
• 工控機（涵蓋多種性能、尺寸和安裝方式選擇）