CANopen _生活百科

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CANopen【CANopen】CANopen是一种架构在控制区域网路路（Controller Area Network, CAN）上的高层通信协协定，包括通信子协定及设备子协定，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场汇流排。
基本介绍中文名：CANopen
外文名：CANopen
架构在：控制区域网路路
属于：高层通信协定
用于：工业控制常用到的一种现场汇流排
总述CANopen是一种架构在控制区域网路路（Controller Area Network, CAN）上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场汇流排。CANopen 实现了OSI模型中的网路层以上（包括网路层）的协定。CANopen 标準包括定址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的套用层。CANopen 支援网路管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。一般而言数据链结层及物理层会用CAN来实作。除了 CANopen 外，也有其他的通讯协定（如EtherCAT）实作 CANopen 的设备子协定。CANopen由非营利组织CiA（CAN in Automaion）进行标準的起草及审核工作，基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402 。设备模型以下是所有 CANopen 设备都要具备的功能：通讯单元处理和网路上其他模组通讯所需要的通讯协定。设备的启动及重置由状态机(state machine)控制。状态机需包括以下的几个状态：Initialization, Pre-operational, Operational 及 Stopped 。当接收到网路管理 (NMT) 通讯对象，状态机会转换到对应的状态。对象字典 (Object Dictionary) 是一个有 16 位元索引 (Index) 的变数阵列。每个变数可以（但非必须）有 8 位元的子索引 (Subindex) 。变数可用来调整设备的组态，也可以对应设备量测的资料或设备的输出。当状态机设定为 operational　之后，设备的套用 (application) 部份就会实现设备预期的机能。此部份可以由对象字典中的变数调整其设定，而资料由通讯层传送或接收。CANopen优势概述1.物理层非常稳定；2. 数据链路层可靠，因为相比其他所有汇流排，只有CAN可以做到达到汉明间距(Hamming Distanz)为6，能够检测报文里多达5个随机引入的位错误及15位突发性错误。3. 灵活，兼容性高；4. 可互操作性高；5. 价格低（对于设备生产商来说）；6. CAN产品尺寸小，节省空间；7.支持冗余备用对象字典CANopen 设备都需要具备对象字典，用来设定设备组态及进行非即时的通讯。对象字典的entry 定义如下：索引 (Index)：对象 16 位元的位址。对象名称 (Object name)：一个代表对象的 symbolic type，可以是阵列、纪录或只是一个变数。名称 (Name)：描述此 entry 的字串。形态 (Type)：变数的资料形态。属性 (Attribute)：提供此 entry 是否可读/可写的资料，有下列四种：可读/写、唯读、唯写、唯读常数。必须 (Mandatory)/可选 (Optional)栏位定义属于特定设备规範下的设备，是否必须实现某些对象。在 CANopen 标準中定义了对象字典中的基本资料型态，包括逻辑值、整数及浮点数。也定义了複合对象：如阵列、记录及字串。複合对象用一个 8 位元的数值作为其子索引(subindex) 。记录或阵列中子索引 0 的位置记录此数据结构的元素个数，资料型态为 UNSIGNED8 。例如在 CiA301 标準中，设备通讯的参数放在索引範围 0x1000 - 0x1FFF (通讯行规区) 。此区域的前几项如下：索引对象名称名称形态属性M/O0x1000VARdevice typeUNSIGNED32唯读M0x1001VARerror registerUNSIGNED8唯读M...0x1008VARmanufacturer device nameVis-String常数O...若配合适当的工具，可以用编辑电子资料表（electronic data sheet, EDS)档案的方式规划一个设备，并且将变数的数值上传到设备中。EDS 档案的格式通常会是INI档。通讯通讯对象CANopen 的物理层 CANbus 每次传送的数据量不大，其中包括 11 位元的 ID、远端传输请求（RTR）位元及大小不超过8位元组的资料。CANopen 将 CANbus 11 位元的 ID 分为 4 位元的功能码及 7 位元的 CANopen 节点 ID 。7 位元的 ID 共有 128 种不同的组合，其中 ID 0 不使用，因此一个 CANopen 网路上最多允许 127 台设备。CANbus 在 CAN 2.0 B 规格中允许 29 位元的 ID，因此若配合 CAN 2.0 B 使用，CANopen 网路上可以超过127 台设备，不过在实际运用中，大多数的 CANopen 网路上设备数量均低于此数值。CANopen 将 CANbus 的 11 位元 ID 称为通讯对象 ID (COB-ID) 。当传输数据发生冲突时，CANbus 的仲裁机制会使 COB-ID 最小的讯息继续传送，不用等待或重传。COB-ID 的前 4 个位元是 CANopen 的功能码，因此数值小的功能码錶示对应的功能重要，允许的延迟时间较短。以下是一个标準的 CANopen 页框：功能码节点 IDRTR资料长度资料长度4 位元7 位元1 位元4 位元0-8 位元组在 CANopen 标準中，部份 COB-ID 被保留作网路管理及 SDO 通讯用。而在设备初始化后，有些功能码和 COB-ID 会对映到标準的功能，不过后续仍可以规划为其他用途。通讯模型CANopen 设备间的通讯可分为以下三种通讯模型。在 master/slave 模型中，一个 CANopen 设备为 master，负责传送或接收其他设备（称为 slave）的数据。NMT 协定就使用了 master/slave 模型。客户机/伺服器（client/server）模型定义在 SDO 协定中，SDO client 将对象字典的索引及子索引传送给 SDO server，因此会产生一个或数个需求数据（对象字典中，索引及子索引对应的内容）的 SDO 封包。生产者/消费者（producer/consumer）模型用在 Heartbeat and Node Guarding 协定。由一个生产者送出数据给讯息者，同一个生产者的数据可能给一个以上的讯息者。又可分为二种： push-model：生产者会自动送出数据给消费者。pull-model：消费者需送出请求讯息，生产者才会送出数据。CANopen参考模型：