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(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，而在多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離應(yīng)用中，如果沒(méi)有做好優(yōu)化，CAN總線和RS485比起來(lái)并無(wú)優(yōu)勢(shì)，那要如何讓CAN通訊完勝我們的傳統(tǒng)通信呢?讓CANOpen來(lái)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(diǎn)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(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，而在多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離應(yīng)用中，CAN總線和RS485比起來(lái)并無(wú)優(yōu)勢(shì)，比如同樣的波特率下，CAN的通信距離只能達(dá)到RS485的0.6-0.8倍，而多節(jié)點(diǎn)通信CAN無(wú)法進(jìn)行任意的突發(fā)發(fā)送，不得不遵循RS485那樣的輪詢通信機(jī)制，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)矶?，如圖 1所示。就像這個(gè)十字路口的汽車，如果車只有10輛，即使沒(méi)有交通燈，根本不會(huì)擁堵。而如果有100輛，如果任意行駛，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

　　圖 1 CAN的突發(fā)優(yōu)勢(shì)和多節(jié)點(diǎn)擁堵

　　CANopen的創(chuàng)始人是非常了解CAN總線這個(gè)特征，所以在設(shè)計(jì)CANopen時(shí)，對(duì)其定義為小網(wǎng)絡(luò)、控制信號(hào)的實(shí)時(shí)通訊：

　　報(bào)文傳輸采用CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式。即11bit的ID域，以盡量減小傳輸時(shí)間;

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

　　實(shí)時(shí)更新的過(guò)程數(shù)據(jù)無(wú)需接收方報(bào)文應(yīng)答。即采用生產(chǎn)消費(fèi)模型，降低總線負(fù)載;

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

　　以上這些定義都是為了節(jié)約時(shí)間開銷，最大限度保證實(shí)時(shí)性。同時(shí)為了減小簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作量，CANopen定義了強(qiáng)制性的缺省標(biāo)識(shí)符(CAN幀ID)分配表，以減少使用者與維護(hù)者的學(xué)習(xí)時(shí)間，快速上手。

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

　　雖然CANopen的通訊發(fā)揮了CAN的特色，所有節(jié)點(diǎn)通信地位平等，運(yùn)行時(shí)允許自行發(fā)送報(bào)文，但CANopen網(wǎng)絡(luò)為了穩(wěn)定可靠可控，都需要設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)NMT-Master(Network Management-Master)，就像一個(gè)交響樂(lè)團(tuán)的指揮家，所有節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止都是有他進(jìn)行指揮，如圖 2所示。

　　圖 2 NMT-Master就像交響樂(lè)指揮家

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

　　NMT主機(jī)和NMT從機(jī)之間通訊的報(bào)文就稱為NMT網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文。管理報(bào)文負(fù)責(zé)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(diǎn)保護(hù))。網(wǎng)絡(luò)管理中，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并遵循主從模式。

　　另外，為了協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步、心跳、時(shí)間、錯(cuò)誤提示等通訊控制，CANopen還定義了一系列特殊協(xié)議(Special protocols)報(bào)文。如表 1所示，為CANopen預(yù)定義報(bào)文(Pre-defined CAN-IDs)的NMT報(bào)文和特殊協(xié)議報(bào)文。

　　表 1 NMT與特殊協(xié)議的CAN-ID定義

　　CAN-ID就是這類報(bào)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(bào)文。

　　USBCAN-E-P與PCI-5010-P主站卡可為PC機(jī)拓展出CANOpen通訊接口，實(shí)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(shí)現(xiàn)全部的CANOpen網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)功能。