CAN和CANopen相關(guān)技術(shù)
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CAN總線全稱為Controller Area 包裝機(jī)械、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。
CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié) 不會占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
而CANopen是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中CANopen是最著名和成功的一種,已經(jīng)在歐洲和美國獲得廣泛的認(rèn)可和大量應(yīng)用。1992年在德國成立了“自動化CAN用戶和制造商協(xié)會”(CiA,CANinAutomation)，開始著手制定自動化CAN的應(yīng)用層協(xié)議CANopen。此后，協(xié)會成員開發(fā)出一系列CANopen產(chǎn)品，在機(jī)械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥、食品加工等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。目前CANopen協(xié)議已經(jīng)成為了一種新的工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN-50325-4。CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為“設(shè)備描述”的協(xié)議中進(jìn)行描述;“設(shè)備描述”定義了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。
二、CANopen的基本知識
EDS文件
EDS (Electronic Data Sheet) EDS文件描述了CAN網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備通信屬性(波特率、輸出類型、I/O提供…)。它由設(shè)備制造商提供，用于在配置工具中配置節(jié)點(diǎn)(就像Windows里的設(shè)備驅(qū)動程序)。
PDO PDO (過程數(shù)據(jù)對象)
CANopen幀包含I/O數(shù)據(jù) 區(qū)分在：
1、傳送PDO：TXPDO 帶有節(jié)點(diǎn)提供給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)
2、接收PDO：RXPDO 節(jié)點(diǎn)消耗的數(shù)據(jù) 傳送的方向從節(jié)點(diǎn)的觀點(diǎn)看總是可見的。PDO沒有必要包含所有節(jié)點(diǎn)映象。通常模擬量和數(shù)字量被分成不同的PDO進(jìn)行傳送。對輸出也是同樣如此! SDO SDO (服務(wù)數(shù)據(jù)對象) CANopen幀包含參數(shù) SDO主要用于在程序運(yùn)行時(shí)，從設(shè)備讀參數(shù)或者向設(shè)備寫參數(shù) COB-ID COB-ID(通訊對象標(biāo)識符) 每個(gè)CAN幀以一個(gè)COB-ID開頭，COB-ID作為CAN幀的標(biāo)識符。
在配置階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收COB-ID時(shí)，對幀來說，他是提供者或者消費(fèi)者。
三、關(guān)于CANopen
介紹
CANopen是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線協(xié)議。它特別適合實(shí)時(shí)控制的PLC ，因?yàn)樗鼮榧傻暮涂蓚鬏數(shù)墓I(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)高效、低成本的解決方案。
CANopen協(xié)議
CANopen協(xié)議是建立在CAL協(xié)議基礎(chǔ)上的一個(gè)子協(xié)議。通過定義設(shè)備規(guī)范，它甚至更加適合于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組件。C ANopen是一個(gè)CIA(CAN in Automation)標(biāo)準(zhǔn)，投入市場之初，它就迅速被推廣。在歐洲，CANopen現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)為基于CAN設(shè)計(jì)的工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
物理層
CAN使用差分驅(qū)動兩總線(公共回路)。CAN信號是CAN-high和CAN-low線之間的電壓差值。
CANopen協(xié)議
1:CAN-high線
2:CAN-low線
3:終端電阻：120Ω
4:節(jié)點(diǎn)
根據(jù)電磁兼容要求，總線可以使用平行、雙絞或者屏蔽走線方式。單線結(jié)構(gòu)使反射最小化。
CANopen規(guī)范文件
通訊規(guī)范文件
CANopen規(guī)范文件時(shí)基于“通信規(guī)范文件”的，用來規(guī)定主要通訊機(jī)制和它們的描述(DS301)。
設(shè)備規(guī)范文件
在設(shè)備規(guī)范文件中描述了工業(yè)自動化領(lǐng)域最重要的設(shè)備類型，同時(shí)也定義了設(shè)備功能類型。
標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述例子為： ◆數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊(DS401) ◆電機(jī)(DS402) ◆控制設(shè)備(DS4P403) ◆閉環(huán)控制器(DSP404) ◆PLC (DS405) ◆編碼器(DS406) 通過CAN總線配置設(shè)備 通過CAN總線配置設(shè)備的可能性是制造商要求自治的基本原則之一。
CANopen規(guī)范文件的通用規(guī)格 CANopen是符合以下規(guī)定文件的，用于CAN系統(tǒng)的一套規(guī)范： ◆開發(fā)的總線系統(tǒng) ◆無協(xié)議超負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換 ◆可重新定義尺寸的模塊化設(shè)計(jì) ◆設(shè)備互用性和交換性 ◆被大量國際制造商支持 ◆標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)配置 ◆訪問所有的參數(shù)設(shè)備 ◆同步和循環(huán)過程數(shù)據(jù)/事件驅(qū)動數(shù)據(jù) CANopen產(chǎn)品認(rèn)證 在市場上提供CANopen認(rèn)證產(chǎn)品的制造商都是CiA組織成員。
CAN標(biāo)準(zhǔn) CANopen協(xié)議被CIA組織定義并且可訪問該組織(須遵守某些限制)站點(diǎn)：http://www.can-cia.com.對主從設(shè)備的源代碼可以從不同的供應(yīng)商得到。
與CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊 通訊協(xié)議文件基于CAL服務(wù)和協(xié)議。
它提供用戶對兩種交換類型的訪問：SDO、PDO。
在上電時(shí)，設(shè)備進(jìn)入一個(gè)初始化階段，接著進(jìn)入預(yù)處理階段。在這個(gè)階段，只有SDO可以通訊。在接到一個(gè)啟動命令后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，在這個(gè)階段PDO可以進(jìn)行通訊，SDO通訊仍然有效。
CANopen啟動Boot-up 啟動過程 最小設(shè)備配置指定了簡化的啟動程序。這個(gè)過程描述如下： CANopen啟動Boot-up 詳細(xì)步驟介紹： 1、模塊上電 2、模塊初始化，進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài) 3、NMT服務(wù)：啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn) 4、NMT服務(wù)：預(yù)處理 5、NMT服務(wù)：停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn) 6、NMT服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn) 7、NMT服務(wù)：重啟節(jié)點(diǎn)通訊 初始 進(jìn)入“重新啟動通訊”后，設(shè)備進(jìn)入初始模式。
該狀態(tài)允許的操作有： ◆定義要求的通訊對象（SDO、PDO、緊急事件處理） ◆安裝相關(guān)的CAL服務(wù) ◆配置CAN控制器 初始化完成后設(shè)備自動進(jìn)入預(yù)處理模式。
預(yù)處理 進(jìn)入預(yù)處理的條件: ◆在初始化完成后 ◆在正常工作模式下，接收到“進(jìn)入預(yù)處理”NMT命令 在這種情況下，設(shè)備的配置可以被修改。然而只有SDO可以用來讀或?qū)懺O(shè)備的參數(shù)。
當(dāng)配置完成后，通過接收相關(guān)的命令，設(shè)備進(jìn)入以下的工作狀態(tài)： ◆停止 ，當(dāng)接收到“停止遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT命令 ◆運(yùn)行 ，當(dāng)接收到“啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”NMT命令 停止 如果設(shè)備處于“預(yù)處理”或者“正常工作”狀態(tài)，接收到“節(jié)點(diǎn)停止”命令（NMT服務(wù)），設(shè)備進(jìn)入“停止?fàn)顟B(tài)”。
在這種情況下，設(shè)備不能被配置。不能讀寫設(shè)備相關(guān)參數(shù)（SDO），只有從設(shè)備的監(jiān)視功能（即節(jié)點(diǎn)保護(hù)）有效。
操作 當(dāng)設(shè)備處于“預(yù)處理”狀態(tài)，接收到“啟動遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)”，設(shè)備進(jìn)入操作狀態(tài)。在“運(yùn)行”狀態(tài)，當(dāng)使用“節(jié)點(diǎn)啟動”NMT服務(wù)啟動CANopen網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備功能性被使用，PDO、SDO均可進(jìn)行通訊。
過程數(shù)據(jù)對象（PDO） PDO定義 PDO是過程數(shù)據(jù)通信相關(guān)的通信對象，它能保證過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。
一個(gè)CANopen設(shè)備的PDO對象定 義了它與網(wǎng)絡(luò)上其他CANopen設(shè)備之間的隱式數(shù)據(jù)交換。
當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PDO交換被激活。
PDO類型 有兩種PDO類型： ◆ TXPDO/TPDO：PDO被設(shè)備傳送 ◆ RXPDO/RPDO：PDO被設(shè)備接收 PDO的供給者與消費(fèi)者 PDO基于“供給者/消費(fèi)者”模型。傳送的叫“供給者”，接收的叫“消費(fèi)者”。
PDO的傳送模式 ◆同步（通過接收SYNC對象實(shí)現(xiàn)同步） 非周期：由遠(yuǎn)程幀預(yù)觸發(fā)傳送，或者由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件預(yù)觸發(fā)傳送。 周期：傳送在每1到240個(gè)SYNC消息后觸發(fā)。
◆ 異步 由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送。
由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO） SDO定義 服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO允許使用顯示請求交換數(shù)據(jù)。
當(dāng)設(shè)備處于預(yù)處理、工作狀態(tài)，SDO服務(wù)是有效的 。
SDO的類型 有兩種SDO類型： ◆讀SDO（上傳） ◆寫SDO（下載） 客戶端/服務(wù)器模型 SDO協(xié) 議是基于“客戶端/服務(wù)器”模型。
對于下載SDO 客戶端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被寫對象的請求，服務(wù)器返回一個(gè)確認(rèn)信息。
對于上傳SDO 客戶端發(fā)送一個(gè)標(biāo)示被讀對象的請求，服務(wù)器返回被讀對象的數(shù)據(jù)。
對于一個(gè)未處理的SDO 對于以上的兩種情況，如果一個(gè)SDO不能被處理，服務(wù)器返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼。
“節(jié)點(diǎn)保護(hù)”和“壽命保護(hù)” 使用期限的定義 “使用期限”參數(shù)是按以下來計(jì)算的： 使用期限=保護(hù)時(shí)間（看門狗時(shí)間）使用期限系數(shù)；保護(hù)時(shí)間的典型值在250ms到2S之間。對象0X100CH含有以毫秒時(shí)間定義的保護(hù)時(shí)間，對象0X100DH含有“使用期限系數(shù)”。
監(jiān)控機(jī)制： 1、節(jié)點(diǎn)保護(hù) 2、心跳報(bào)文 監(jiān)控激活 如果兩個(gè)參數(shù)中有一個(gè)為零，那么模塊不執(zhí)行監(jiān)控，即無壽命保護(hù)。為了激活監(jiān)控，必須在兩個(gè)對象中輸入非零的數(shù)值。
保證可靠工作 為了保證可靠工作，建議設(shè)置“使用期限系數(shù)”為2。如果不是只樣，主模塊會產(chǎn)生延時(shí)（例如，在“節(jié)點(diǎn)保護(hù)”時(shí)高優(yōu)先級信息的處理或者內(nèi)部處理時(shí)），模塊會轉(zhuǎn)入預(yù)處理模式而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。
監(jiān)控的重要性 這兩種保護(hù)機(jī)制對CANopen系統(tǒng)的安全運(yùn)行特別重要，特別是對不工作于事件-被控模式的設(shè)備。
從設(shè)備的監(jiān)控 監(jiān)控按以下的方法執(zhí)行： ◆ 主設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程幀，來讀取從設(shè)備的狀態(tài); COB-ID 0x700+Node_ID 從設(shè)備答復(fù)： COB-ID Byte0 0x700+Node_ID Bit 7 : toggle Bit6-0 : 狀態(tài) ◆從設(shè)備可以被配置為產(chǎn)生周期性的被稱著“心跳報(bào)文”的報(bào)文，周期性的發(fā)送從設(shè)備的狀態(tài)。
COB-ID Byte0 0x700+Node_ID狀態(tài) 主設(shè)備的監(jiān)控 如果主設(shè)備基于嚴(yán)格循環(huán)請求“保護(hù)”信息，從設(shè)備可以檢測主設(shè)備的狀態(tài)。如果從設(shè)備在也定義的使用期限內(nèi)沒有收到主設(shè)備的請求（保護(hù)錯(cuò)誤），它會認(rèn)為主設(shè)備故障。這種情況下相應(yīng)輸出進(jìn)入出錯(cuò)狀態(tài)并且從設(shè)備進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài)。
“保護(hù)”協(xié)議 在第一個(gè)“保護(hù)”信息里，“鎖住位”（t）的值是0，然后在每個(gè)后來的保護(hù)信息里，該位都會改變，只有可以顯示信息是否丟失?？偩€頭部用7個(gè)剩余的位來指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài): 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 響應(yīng) 被停止 0x04或0x84 預(yù)處理 0x7f或0xff 操作 0x05或0x85 四、CANopen設(shè)備 CAN總線網(wǎng)絡(luò)中有如下幾類設(shè)備： (1) PLC：PLC做CAN上的一個(gè)主站，起到中央控制器的作用，對整個(gè)系統(tǒng)的工作起安排、調(diào)度、執(zhí)行各個(gè)操作等作用。作為CAN網(wǎng)絡(luò)中的主站，PLC可以訪問網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)的任何可以訪問的數(shù)據(jù)，并起總線監(jiān)控作用，實(shí)時(shí)監(jiān)控總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤并執(zhí)行相應(yīng)的處理程序； (2) 分散式I/O：通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。 分散式I/O不具有程序存儲和程序執(zhí)行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。
(3) 驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備：即帶CAN接口的現(xiàn)場設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于哪些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由CANopen行規(guī)決定。
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