一、CAN和CANopen簡介

　　CAN總線全稱為Controller Area Network即控制器局域網是國際上應用廣泛的現(xiàn)場總線之一，已經在汽車制造、機械制造、包裝機械、煙草等行業(yè)得到了廣泛的應用。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，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達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、優(yōu)先級判別等項工作。

　　CAN協(xié)議的一個特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)

　　不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，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兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　而CANopen是基于CAN總線的應用層協(xié)議，在開放的現(xiàn)場總線標準中CANopen是和成功的一種,已經在歐洲和美國獲得廣泛的認可和大量應用。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的應用層協(xié)議CANopen。此后，協(xié)會成員開發(fā)出一系列CANopen產品，在機械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥、食品加工等領域獲得大量應用。目前CANopen協(xié)議已經成為了一種新的工業(yè)現(xiàn)場總線標準EN-50325-4。CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標準之一，在歐洲，CANopen協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領導地位的標準。大多數(shù)重要的設備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅動設備、操作設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為“設備描述”的協(xié)議中進行描述;“設備描述”定義了不同類型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設備通過總線進行配置。

　　二、CANopen的基本知識

　　EDS文件

　　EDS (Electronic Data Sheet)

　　EDS文件描述了CAN網絡上設備通信屬性(波特率、輸出類型、I/O提供…)。它由設備制造商提供，用于在配置工具中配置節(jié)點(就像Windows里的設備驅動程序)。

　　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)點提供給其他節(jié)點的數(shù)據(jù)

　　2、接收PDO：RXPDO 節(jié)點消耗的數(shù)據(jù)

　　傳送的方向從節(jié)點的觀點看總是可見的。PDO沒有必要包含所有節(jié)點映象。通常模擬量和數(shù)字量被分成不同的PDO進行傳送。對輸出也是同樣如此!

　　SDO

　　SDO (服務數(shù)據(jù)對象)

　　CANopen幀包含參數(shù)

　　SDO主要用于在程序運行時，從設備讀參數(shù)或者向設備寫參數(shù)

　　COB-ID

　　COB-ID(通訊對象標識符)

　　每個CAN幀以一個COB-ID開頭，COB-ID作為CAN幀的標識符。

　　在配置階段，每個節(jié)點在接收COB-ID時，對幀來說，他是提供者或者消費者。

　　三、關于CANopen

　　介紹

　　CANopen是一個標準的工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線協(xié)議。它特別適合實時控制的PLC ，因為它為集成的和可傳輸?shù)墓I(yè)應用提供了一個高效、低成本的解決方案。

　　CANopen協(xié)議

　　CANopen協(xié)議是建立在CAL協(xié)議基礎上的一個子協(xié)議。通過定義設備規(guī)范，它甚至更加適合于標準工業(yè)組件。C

　　ANopen是一個CIA(CAN in Automation)標準，投入市場之初，它就迅速被推廣。在歐洲，CANopen現(xiàn)在已經被公認為基于CAN設計的工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)標準。

　　物理層

　　CAN使用差分驅動兩總線(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

　　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。單線結構使反射化。

　　CANopen規(guī)范文件

　　通訊規(guī)范文件

　　CANopen規(guī)范文件時基于“通信規(guī)范文件”的，用來規(guī)定主要通訊機制和它們的描述(DS301)。

　　設備規(guī)范文件

　　在設備規(guī)范文件中描述了工業(yè)自動化領域重要的設備類型，同時也定義了設備功能類型。

　　標準設備描述例子為：

　　◆數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊(DS401)

　　◆電機(DS402)

　　◆控制設備(DS4P403)

　　◆閉環(huán)控制器(DSP404)

　　◆PLC

　　(DS405)

　　◆編碼器(DS406)

　　通過CAN總線配置設備

　　通過CAN總線配置設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)議超負荷的實時數(shù)據(jù)交換

　　◆可重新定義尺寸的模塊化設計

　　◆設備互用性和交換性

　　◆被大量國際制造商支持

　　◆標準的網絡配置

　　◆訪問所有的參數(shù)設備

　　◆同步和循環(huán)過程數(shù)據(jù)/事件驅動數(shù)據(jù)

　　CANopen產品

　　在市場上提供CANopen產品的制造商都是CiA組織成員。

　　CAN標準

　　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：https://www.can-cia.com.對主從設備的源代碼可以從不同的供應商得到。

　　與CANopen網絡通訊

　　通訊協(xié)議文件基于CAL服務和協(xié)議。

　　它提供用戶對兩種交換類型的訪問：SDO、PDO。

　　在上電時，設備進入一個初始化階段，接著進入預處理階段。在這個階段，只有SDO可以通訊。在接到一個啟動命令后，設備進入工作狀態(tài)，在這個階段PDO可以進行通訊，SDO通訊仍然有效。

　　CANopen啟動Boot-up

　　啟動過程 設備配置指定了簡化的啟動程序。這個過程描述如下：

　　CANopen啟動Boot-up

　　詳細步驟介紹：

　　1、模塊上電

　　2、模塊初始化，進入預處理狀態(tài)

　　3、NMT服務：啟動遠程節(jié)點

　　4、NMT服務：預處理

　　5、NMT服務：停止遠程節(jié)點

　　6、NMT服務：重啟節(jié)點

　　7、NMT服務：重啟節(jié)點通訊

　　初始

　　進入“重新啟動通訊”后，設備進入初始模式。

　　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）

　　◆安裝相關的CAL服務

　　◆配置CAN控制器

　　初始化完成后設備自動進入預處理模式。

　　預處理

　　進入預處理的條件:

　　◆在初始化完成后

　　◆在正常工作模式下，接收到“進入預處理”NMT命令

　　在這種情況下，設備的配置可以被修改。然而只有SDO可以用來讀或寫設備的參數(shù)。

　　當配置完成后，通過接收相關的命令，設備進入以下的工作狀態(tài)：

　　◆停止 ，當接收到“停止遠程節(jié)點”NMT命令

　　◆運行 ，當接收到“啟動遠程節(jié)點”NMT命令

　　停止

　　如果設備處于“預處理”或者“正常工作”狀態(tài)，接收到“節(jié)點停止”命令（NMT服務），設備進入“停止狀態(tài)”。

　　在這種情況下，設備不能被配置。不能讀寫設備相關參數(shù)（SDO），只有從設備的監(jiān)視功能（即節(jié)點保護）有效。

　　操作

　　當設備處于“預處理”狀態(tài)，接收到“啟動遠程節(jié)點”，設備進入操作狀態(tài)。在“運行”狀態(tài)，當使用“節(jié)點啟動”NMT服務啟動CANopen網絡，所有的設備功能性被使用，PDO、SDO均可進行通訊。

　　過程數(shù)據(jù)對象（PDO）

　　PDO定義

　　PDO是過程數(shù)據(jù)通信相關的通信對象，它能保證過程數(shù)據(jù)的實時交換。

　　一個CANopen設備的PDO對象定

　　義了它與網絡上其他CANopen設備之間的隱式數(shù)據(jù)交換。

　　當設備運行時，PDO交換被激活。

　　PDO類型

　　有兩種PDO類型：

　　◆ TXPDO/TPDO：PDO被設備傳送

　　◆ RXPDO/RPDO：PDO被設備接收

　　PDO的供給者與消費者

　　PDO基于“供給者/消費者”模型。傳送的叫“供給者”，接收的叫“消費者”。

　　PDO的傳送模式

　　◆同步（通過接收SYNC對象實現(xiàn)同步）

　　非周期：由遠程幀預觸發(fā)傳送，或者由設備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件預觸發(fā)傳送。 周期：傳送在每1到240個SYNC消息后觸發(fā)。

　　◆ 異步

　　由遠程幀觸發(fā)傳送。

　　由設備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。

　　服務數(shù)據(jù)對象（SDO）

　　SDO定義

　　服務數(shù)據(jù)對象SDO允許使用顯示請求交換數(shù)據(jù)。

　　當設備處于預處理、工作狀態(tài)，SDO服務是有效的 。

　　SDO的類型

　　有兩種SDO類型：

　　◆讀SDO（上傳）

　　◆寫SDO（）

　　客戶端/服務器模型

　　SDO協(xié)

　　議是基于“客戶端/服務器”模型。

　　對于SDO

　　客戶端發(fā)送一個標示被寫對象的請求，服務器返回一個確認信息。

　　對于上傳SDO

　　客戶端發(fā)送一個標示被讀對象的請求，服務器返回被讀對象的數(shù)據(jù)。

　　對于一個未處理的SDO

　　對于以上的兩種情況，如果一個SDO不能被處理，服務器返回一個錯誤代碼。

　　“節(jié)點保護”和“壽命保護”

　　使用期限的定義

　　“使用期限”參數(shù)是按以下來計算的：

　　使用期限=保護時間（看門狗時間）*使用期限系數(shù)；保護時間的典型值在250ms到2S之間。對象0X100CH含有以毫秒時間定義的保護時間，對象0X100DH含有“使用期限系數(shù)”。

　　監(jiān)控機制：

　　1、節(jié)點保護

　　2、心跳報文

　　監(jiān)控激活

　　如果兩個參數(shù)中有一個為零，那么模塊不執(zhí)行監(jiān)控，即無壽命保護。為了激活監(jiān)控，必須在兩個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，建議設置“使用期限系數(shù)”為2。如果不是只樣，主模塊會產生延時（例如，在“節(jié)點保護”時高優(yōu)先級信息的處理或者內部處理時），模塊會轉入預處理模式而不產生錯誤。

　　監(jiān)控的重要性

　　這兩種保護機制對CANopen系統(tǒng)的安全運行特別重要，特別是對不工作于事件-被控模式的設備。

　　從設備的監(jiān)控

　　監(jiān)控按以下的方法執(zhí)行：

　　◆ 主設備發(fā)送遠程幀，來讀取從設備的狀態(tài);

　　COB-ID

　　0x700+Node_ID

　　從設備答復：

　　COB-ID Byte0

　　0x700+Node_ID Bit 7 : toggle Bit6-0 : 狀態(tài)

　　◆從設備可以被配置為產生周期性的被稱著“心跳報文”的報文，周期性的發(fā)送從設備的狀態(tài)。

　　COB-ID Byte0

　　0x700+Node_ID狀態(tài)

　　主設備的監(jiān)控

　　如果主設備基于嚴格循環(huán)請求“保護”信息，從設備可以檢測主設備的狀態(tài)。如果從設備在也定義的使用期限內沒有收到主設備的請求（保護錯誤），它會認為主設備故障。這種情況下相應輸出進入出錯狀態(tài)并且從設備進入預處理狀態(tài)。

　　“保護”協(xié)議

　　在個“保護”信息里，“鎖住位”（t）的值是0，然后在每個后來的保護信息里，該位都會改變，只有可以顯示信息是否丟失?？偩€頭部用7個剩余的位來指示網絡狀態(tài):

　　網絡狀態(tài) 響應

　　被停止 0x04或0x84

　　預處理 0x7f或0xff

　　操作 0x05或0x85

　　四、CANopen設備

　　CAN總線網絡中有如下幾類設備：

　　(1) PLC：PLC做CAN上的一個主站，起到中央控制器的作用，對整個系統(tǒng)的工作起安排、調度、執(zhí)行各個操作等作用。作為CAN網絡中的主站，PLC可以訪問網絡中任何節(jié)點的任何可以訪問的數(shù)據(jù)，并起總線監(jiān)控作用，實時監(jiān)控總線上各個節(jié)點的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)錯誤并執(zhí)行相應的處理程序；

　　(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，按主站指令驅動I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。

　　(3) 驅動器、傳感器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備：即帶CAN接口的現(xiàn)場設備，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)可進行通信及參數(shù)格式由CANopen行規(guī)決定。