CAN0pen網(wǎng)絡(luò)管理與特殊協(xié)議解刨

　　摘要：人們使用CAN取代RS485，主要是看重其可以突發(fā)發(fā)送的實時性優(yōu)勢，而在多節(jié)點、長距離應(yīng)用中，如果沒有做好優(yōu)化，CAN總線和RS485比起來并無優(yōu)勢，那要如何讓CAN通訊完勝我們的傳統(tǒng)通信呢?讓CANOpen來給你答案。

　　在CANopen創(chuàng)立之初，即使在CAN總線應(yīng)用最廣泛的汽車電子行業(yè)，網(wǎng)絡(luò)中的CAN節(jié)點數(shù)量和需要通訊的信息都是比較少的。人們使用CAN取代RS485，主要是看重其可以突發(fā)發(fā)送的實時性優(yōu)勢，而在多節(jié)點、長距離應(yīng)用中，CAN總線和RS485比起來并無優(yōu)勢，比如同樣的波特率下，CAN的通信距離只能達到RS485的0.6-0.8倍，而多節(jié)點通信CAN無法進行任意的突發(fā)發(fā)送，不得不遵循RS485那樣的輪詢通信機制，否則會導(dǎo)致?lián)矶?，如圖 1所示。就像這個十字路口的汽車，如果車只有10輛，即使沒有交通燈，根本不會擁堵。而如果有100輛，如果任意行駛，就會發(fā)生嚴重擁堵。

　　圖 1 CAN的突發(fā)優(yōu)勢和多節(jié)點擁堵

　　CANopen的創(chuàng)始人是非常了解CAN總線這個特征，所以在設(shè)計CANopen時，對其定義為小網(wǎng)絡(luò)、控制信號的實時通訊：

　　報文傳輸采用CAN標準幀格式。即11bit的ID域，以盡量減小傳輸時間;

　　網(wǎng)絡(luò)控制報文均采用數(shù)據(jù)最小字節(jié)數(shù)。比如心跳報文，只有1個字節(jié)數(shù)據(jù);

　　實時更新的過程數(shù)據(jù)無需接收方報文應(yīng)答。即采用生產(chǎn)消費模型，降低總線負載;

　　需要接收方確認的配置參數(shù)一般都是采用快速單字傳輸。即1個報文最多傳送1個32字節(jié)的參數(shù)變量，避免了分幀引起的實時性降低。

　　以上這些定義都是為了節(jié)約時間開銷，最大限度保證實時性。同時為了減小簡單網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作量，CANopen定義了強制性的缺省標識符(CAN幀ID)分配表，以減少使用者與維護者的學習時間，快速上手。

　　網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)與特殊協(xié)議(Special protocols)報文ID分類

　　雖然CANopen的通訊發(fā)揮了CAN的特色，所有節(jié)點通信地位平等，運行時允許自行發(fā)送報文，但CANopen網(wǎng)絡(luò)為了穩(wěn)定可靠可控，都需要設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)管理主機NMT-Master(Network Management-Master)，就像一個交響樂團的指揮家，所有節(jié)點的啟動、停止都是有他進行指揮，如圖 2所示。

　　圖 2 NMT-Master就像交響樂指揮家

　　NMT主機一般是CANopen網(wǎng)絡(luò)中具備監(jiān)控的PLC或者PC(當然也可以是一般的功能節(jié)點)，所以也成為CANopen主站。相對應(yīng)的其他CANopen節(jié)點就是NMT從機(NMT-slaves)。

　　NMT主機和NMT從機之間通訊的報文就稱為NMT網(wǎng)絡(luò)管理報文。管理報文負責層管理、網(wǎng)絡(luò)管理和ID分配服務(wù)。例如，初始化、配置和網(wǎng)絡(luò)管理(其中包括節(jié)點保護)。網(wǎng)絡(luò)管理中，同一個網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個主節(jié)點、一個或多個從節(jié)點，并遵循主從模式。

　　另外，為了協(xié)調(diào)各個節(jié)點的同步、心跳、時間、錯誤提示等通訊控制，CANopen還定義了一系列特殊協(xié)議(Special protocols)報文。如表 1所示，為CANopen預(yù)定義報文(Pre-defined CAN-IDs)的NMT報文和特殊協(xié)議報文。

　　表 1 NMT與特殊協(xié)議的CAN-ID定義

　　CAN-ID就是這類報文的COB-ID，其中讀者必須需要記住的是綠色底紋的這些常用的CAN-ID含義，在研發(fā)和應(yīng)用CANopen中，這三類是最為常用的NMT與特殊協(xié)議報文。

　　USBCAN-E-P與PCI-5010-P主站卡可為PC機拓展出CANOpen通訊接口，實現(xiàn)CANOpen協(xié)議的數(shù)據(jù)通信。作為CANOpen網(wǎng)絡(luò)的管理者，實現(xiàn)全部的CANOpen網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)功能。