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当前位置：&>>&&>>&&>>&如何快速实现CANopen网络的组建与配置
　　CANopen协议兴起于欧洲，现阶段在欧洲特别是工业发达的德国几乎所有的设备都提供CANopen的支持，我国工业还相对的落后，正处在引进国外先进设备的阶段，这就要求我们懂得CANopen通信协议，同时能够利用CANopen设备正确的组建一个适合特定应用的CANopen网络。CANopen的多种数据传输方式为各种应用提供优异的解决方案，普遍应用于数据采集与传输、电机控制、汽车、充电控制以及纺织等行业。　　1. CANopen从站/主站特点　　具有网络管理（Network Management：简称NMT）主机功能的设备通常被称为CANopen主站设备，通常也具有服务数据（Service Date Object：简称SDO）客户端功能。反之具有网络管理（NMT）从机功能的设备通常被称为CANopen从站设备，且其必须具备有服务数据服务器功能。这样CANopen主站设备就可以控制从站以及读写CANopen从站设备的对象字典。　　（1） CANopen从站特性　　CANopen从站在CANopen网络中拥有唯一的节点地址，并且能独立完成特定的功能，例如数据采集、电机控制等等。对实时性要求高的数据，通常通过实时数据过程（ Data Object：简称PDO）进行传输，因此CANopen从站应当支持一定数量的PDO传输功能。根据CANopen协议 V4.02的定义，每个从站都预定义了4个TPDO（Transmit Process Data Object：简称TPDO）和4个RPDO（Receive Process Data Object），另外从站也应具有节点/寿命保护或心跳报文以及生产紧急报文等功能。每个CANopen从站都应有一个对象字典，描述了从站所具有的应用参数和通信参数。　　(2)& CANopen主站特性　　CANopen主站在网络所起的作用有别于CANopen从站，通常CANopen主站在网络中负责网络管理、从站参数配置以及从站数据的处理，其并不一定具有特定的功能，但也有自己的对象字典和唯一的节点地址。　　2. CANopen网络组建　　由于CANopen是基于CAN的一种应用层协议，因此其网络组建与CAN总线一致，典型的总线型结构，从站和主站都挂接在该总线上即可，在一个CANopen网络中只能有一个主站设备和若干个从站设备同时工作。CANopen网络布线时选用带屏蔽，提高总线抗干扰能力。表 1所示为CAN通信波特率与总线长度的关系。注意网络中的各节点的支线长度不易过长，波特率大于100Kbps的情况下，支线总长度不应大于30m，单个节点的支线也不应大于60cm。
表1 总线长度与波特率关系
　　（1）基本的CANopen网络结构
图1 CANopen基本网络结构
　　图 1所示为CANopen网络的基本结构，在该网络中有一个CANopen主站，负责管理网络中的所有从站，每个设备都有一个独立的节点地址（NodeID）。从站与从站之间也能建立通信，通常需要事先对各个从站进行配置，使各个从站之间能够建立起独立的PDO通信。　　（2） 复杂的CANopen网络结构
图2 带网关设备的CANopen网络
　　图 3所示为带有网关设备的CANopen网络，与基本的CANopen网络相比，该网络中增加了一个CANopen网关设备，该网关设备可以是CANopen转DeviceNet、Profibus、Modbus或其它的设备。在CANopen网络中，我们也可把该网关设备作为一个从站设备或者是CANopen主站设备。　　3. CANopen网络中从站的配置　　CANopen从站设备在出厂时都设定有默认参数，并且这些参数都与节点地址绑定，例如实时数据传输PDO，其预定义连接集定义了其默认的参数有4个TPDO和4个RPDO，其COB-ID(Communication Object -ID)如表 2所示。在一些应用简单的场合只需要采用默认设置即可进行正常通信，但对于一些应用比较复杂的场合，则需要对从站进行相应的配置，最常见的配置参数有PDO的COB-ID、PDO映射参数、以及节点/寿命保护等参数。
表2 PDO预定义链接
　　CANopen网络中，对从站的参数配置或获取都是通过SDO进行传输，因此从站和主站都必须支持SDO传输才能进行正常的配置。为了快速配置从站设备，在配置从站之前通过NMT使整个网络设备进入到预操作状态。　　(1) 通信参数配置　　CANopen设备的通信参数包括PDO的COB-ID、传输类型、禁止时间以及映射参数等。其参数配置顺序如图 3所示。
图3 通信参数配置顺序
　　在配置PDO的通信参数时，首先禁止PDO通信，根据DS301 V4.02的定义，当COB-ID的最高位（第31位）为1时即可禁止该PDO通信，禁止PDO通信操作示例如图 4所示。需要注意的是只有在PDO禁止的情况下，相应的传输类型、映射参数以及COB-ID的值才能被改变，否则试图以任何方式去更改都会出现错误。　　（2）其它参数的配置　　除了通信相关的参数之外，CANopen设备还有一些与安全相关的参数，例如节点/寿命保护或者心跳报文。根据DS301 V4.02的定义，同一个CANopen从站中只可能使用节点/寿命保护或心跳报文的一种。节点/寿命保护可以实现双向保护，即主站可监控从站的状态，而从站也可监控主站是否在线。心跳报文只是一种单向的保护机制，心跳报文的消费者可以监控到心跳报文生产者的状态。在网络总线负载较大的情况下，建议使用心跳报文的保护机制来减轻总线负载。
图4 禁止PDO通信方法
　　（3）配置从站与从之间的通信　　CANopen网络中从站与从站可以直接进行PDO通信而不需要主站的参与，这样就提高了实时数据的实时性。将接收从站RPDO的COB-ID更改为发送从站TPDO的COB-ID，这样就建立了两个从站之间了PDO通信，在通信过程中也不需要主站的任何干预。表 3所示。
表3 从站与从站通信COB-ID配置
　　4. 结语　　根据不同应用环境可选用不同的线缆来组建CANopen网络，在CANopen网络的布置方面，需要了解线缆的阻抗、容抗、信号延时等来匹配总线的终端，减少由于信号衰减或反射而导致总线工作异常。从而组建一个抗干扰能力强、稳定可靠的CANopen网络。　　致远电子股份有限公司提供各种接口的CANopen接口卡、CANopen终端设备（包括数据采集，电机控制等）、CANopen、网关及网桥、OPC服务器以及基于CANopen协议的整套组网方案及应用开发。
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CANopen的物理层CANbus每次发送的数据量不大，其中包括11比特的ID、远程传输请求（RTR）比特及大小不超过8字节的数据。CANopen将CANbus 11比特的ID分为4比特的功能码及7比特的CANopen节点ID。7比特的ID共有128种不同的组合，其中ID 0不使用，因此一个CANopen网络上最多允许127台设备。CANbus在CAN 2.0 B规格中允许29比特的ID，因此若配合CAN 2.0 B使用，CANopen网络上可以超过127台设备，不过在实际运用中，大多数的CANopen网络上设备数量均低于此数值。
CANopen将CANbus的11比特ID称为通信对象ID（COB-ID）。当传输数据出现碰撞时，CANbus的仲裁机制会使COB-ID最小的消息继续发送，不用等待或重传。COB-ID的前4个比特是CANopen的功能码，因此数值小的功能码表示对应的功能重要，允许的延迟时间较短。
以下是一个标准的CANopen页框：
在CANopen标准中，部份COB-ID被保留作网络管理及SDO通信用。而在设备初始化后，有些功能码和COB-ID会映射到标准的功能，不过后续仍可以规划为其他用途。
CANopen设备间的通信可分为以下三种通信模型。
在'主从'master/slave模型中，一个CANopen设备为master，负责发送或接收其他设备（称为slave）的数据。NMT协定就使用了master/slave模型。
客户端/服务器（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发送给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消费者，同一个生产者的数据可能给一个以上的消费者。又可分为二种：
push-model：生产者会自动送出数据给消费者。
pull-model：消费者需送出请求消息，生产者才会送出数据。
NMT（网络管理, Network management）协议是用来发布（设备内部）状态机的状态变更命令（如启动设备或停止设备）、以及监测远程设备启动及故障情形。
NMT master使用的模块控制协定可变更设备的状态。其COB-ID为0，其功能码及节点ID均为0，因此网络上的所有节点均会处理这个消息。在此消息的数据部份会有此消息实际针对节点的ID，此ID也可为0，表示所有节点都要变更为指定的状态。
心跳协定（Heartbeat protocol）是用来监控网络中的节点及确认其正常工作。心跳消息的生产者（一般是slave设备）周期性的送出功能码1110、ID为本身节点ID的消息，消息的数据部份有一个表示节点状态的比特。而心跳消息的消费者负责接收上述数据，若在指定时间（于设备的对象字典中定义）内，消费者均未收到消息，可采取相关行动（例如显示错误或重置该设备）。
其格式为：
COBID + DATA (status of node)
CANopen设备需要在bootup时自动从Initializing状态切换至Pre-operational状态，设备会在切换完成后送出一个心跳消息，这就是心跳协定。
有一种pull model的NMT协定，称作节点监控（Node guarding）协定，也可以作从机的监控。
服务数据对象（SDO）协定
服务数据对象（SDO）可用来访问远程节点的对象字典，读取或设置其中的数据。提供对象字典的节点称为SDO server，访问对象字典的节点称为SDO client。SDO通信一定由SDO client开始，并提供初始化相关的参数。
在CANopen的术语中，上传是指由SDO server中读取数据，而下载是指设置SDO server的数据。
由于对象字典中的数据长度可能超过8个字节，无法只用一个CAN页框传输，SDO也支持长消息的分割（segmentation）和合并（desegmentation）。这样的对象有二种：SDO下载/上传（SDO download/upload）及SDO区块下载/上传（SDO Block download/upload）。CANopen协定较新版本支持SDO区块传输，可以允许传输大量的数据，且传输的overhead可以较低。
负责处理SDO数据传输的COB ID可在对象字典中设置。在对象字典的索引0xF可设置SDO server的COB ID，最多可设置到127个。而SDO client可以在对象字典的索引0xFF中设置。不过预定义链接（pre-defined connection set）定义在开机后（Pre-operational状态）可用来设置设备组态的SDO。接收用的COB ID为0x600 +节点ID，而发送用的COB为0x580 +节点ID。
以下用SDO下载来说明SDO的协定，SDO client在要启始下载时，会送出CAN消息，其ID为接收端SDO channel的COB ID，而CAN页框的数据字段内容如下：
CAN页框的数据字段
接收（=0）
ccs是SDO传输时client指令的识别码，可分为以下几种：
0：SDO区域下载
1：启始下载
2：启始上传
3：SDO区域上传
4：中断SDO传输
n为此消息中实际数据的长度，只有在e和s设置时有效
e若设为1，表示是快速传输（expedited transfer），目前消息即包括了所有要传输的数据。若设为0，表示要传输的数据无法用一个消息发送，会分割为数个消息。
s若设为1，且e也设为1，表示数据长度记录在n。若n设为0，表示实际完整数据的长度会放在此消息中的数据字段中。
索引是要访问数据的对象字典索引。
子索引是要访问变量的子索引。
数据在快速传输（e=1）时是要上传的数据，若s=1且e=0，则是实际数据的长度。
进程数据对象（PDO）协定
进程数据对象（PDO）协定可用来在许多节点之间交换即时的数据。可透过一个PDO，发送最多8字节（64比特）数据给一设备，或由一设备接收最多8字节（64比特）的数据。一个PDO可以由对象字典中几个不同索引的数据组成，规划方式则是透过对象字典中对应PDO mapping及PDO参数的索引。
PDO分为两种：发送用的TPDO及接收用的RPDO。一个节点的TPDO是将数据由此节点传输到其他节点，而RPDO则是接收由其他节点传输的数据。一个节点分别有4个TPDO及4个RPDO。
PDO可以用同步或异步的方式发送：同步的PDO是由SYNC消息触发，而异步的PDO是由节点内部的条件或其他外部条件触发。例如若一个节点规划为允许接受其他节点产生的TPDO请求，则可以由其他节点送出一个没有数据但有设置RTR比特的TPDO（TPDO请求），使该节点送出需求的数据。　
借由RPDO也可以使两个或两个以上的设备同时启动。只要将其RPDO对应到相同的TPDO即可。
同步（SYNC）协定
同步协定使用生产者/消费者模型。同步生产者（Sync-Producer）会定时产生同步信号供同步消费者（Sync-Consumer）使用。当同步消费者收到信号，即可以进行已规划好的同步工作。
同步信号会定时产生，若有PDO是由同步信号引发，透过PDO发送时间及同步信号发送周期之间的调整，可以使传感器定期的取様，而致动器也可以根据最新的输入信号产生对应的输出。
在对象字典中，同步对象的索引为0x1005，可透过编辑此对象启动同步协定。
时间标记对象（TIME）协定
一般而言，时间标记对象的内容是从日午夜之后到现在之间经过的时间，单位为。为一个48比特（6字节）的数值。
不过有些应用会要求时间要非常精确，这种情形会需要精准的同步，尤其是在大型网络，通信速度受限时更是如此。此时需要将各设备的时钟同步，精准度要到毫秒的等级。这个要求可透过高分辨率的同步信号达成，在同步信号中也包括了另一种时间标记，可供各设备调整时钟用。
同步信号中的时间标记型态为unsigned32，单位为1毫秒，因此时间标记会在每72分钟归零重新计数。
以下是在master初始化2个压力传感器（ID分别为1和2）中，通信的数据。
master将系统设置为operational mode
Master送出SYNC消息，使设备送出数据
CD 82 01 00
ID 1的节点（CID-0x180），读到的压力为0x0182CD (99021)
E5 83 01 00
ID 2的节点（CID-0x181），读到的压力为0x301)
CANopen专有名词
PDO进程数据对象 - 对应实际物理量的输入及输出。数据的单位可能是RPM, V, Hz, mAmp...。
SDO服务数据对象 - 一般来说是组态设置的数据，如节点位置、节点ID、通信速度、位移、增益等……。
COB-ID - CAN对象编号
CAN ID - CAN Identifier.是在每个CAN消息前面的消息识别码，共11比特。
EDS - 电子数据档（Electronic data sheet）是INI格式的文件。
DCF - 设备组态文件（Device configuration file），是加强版的EDS，可以设置节点ID及通信速度。
（另一种使用CAN的工业通信定）
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