摘要：CANopen是CAN上的高層通信協(xié)議，本文通過對CANopen協(xié)議的四種的通訊模式的分析，比較過程數據對象PDO模式和服務數據對象模式在實現消息機制上的異同，并利用CANopen通信模型構造了電梯控制系統(tǒng)的基本框架模型，總結了CANopen協(xié)議的優(yōu)缺點和適用場合。
　　關鍵詞：CAN；CANopen；PDO；SDO
　　中圖分類號：TP271　文獻標識碼：A
　　
　　1　概述
　　
　　CANopen是一種架構在控制局域網路(ControlArea Network，CAN)上的高層通訊協(xié)議，包括通訊子協(xié)定及設備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用，也是工業(yè)控制常用到的一種現場總線。CANopen是開放的、標準化的高層協(xié)議：這個協(xié)議支持各種CAN廠商設備的互用性、互換性，能夠實現在CAN網絡中提供標準的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設備功能描述方式，執(zhí)行網絡管理功能。
　　應用層(Application layer)：為網絡中每一個有效設備都能夠提供一組有用的服務與協(xié)議。
　　通訊描述(Communication profile)：提供配置設備、通訊數據的含義，定義數據通訊方式。
　　設備描述(Device proflile)：為設備(類)增加符合規(guī)范的行為。
　　CANopen主要應用在汽車、工業(yè)控制、自動化儀表等領域，目前由CIA負責管理和維護。
　　
　　2　CANopen通訊模式
　　
　　CANopen網絡中的通訊是通過消息機制來實現的，CANopen通訊模型定義了4種報文(通訊對象)：
　　2.1　過程數據對象PDO(Process Data Object)
　　2.1.1　用來傳輸實時數據，數據從一個生產者傳到一個或多個消費者。數據傳送限制在1到8個字節(jié)(例如，一個PDO可以傳輸最多64個數字I/O值，或者4個16位的AD值)。
　　2.1.2　PDO通訊沒有協(xié)議規(guī)定。PDO數據內容只由它的CAN ID定義，假定生產者和消費者知道這個PDO的數據內容。
　　2.1.3　每個PDO在對象字典中用2個對象描述。
　　2.1.4　PDO通訊參數：包含哪個COB－ID將被PDO使用，傳輸類型，禁止時間和定時器周期。
　　2.1.5　 PDO映射參數：包含一個對象字典中對象的列表，這些對象映射到PDO里，包括它們的數據長度(in bits)，生產者和消費者必須知道這個映射，以解釋PDO內容。
　　2.1.6　DO消息的內容是預定義的(或者在網絡啟動時配置的)：映射應用對象到PDO中是在設備對象字典中描述的。如果設備(生產者和消費者)支持可變PDO映射，那么使用SDO報文可以配置PDO映射參數。
　　
　　2.1.7　可以有多種傳送方式：
　　a同步(通過接收SYNC對象實現同步)
　　b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。
　　2.1.8　周期：傳送在每1到240個SYNC消息后觸發(fā)。
　　2.1.9　異步
　　a由遠程幀觸發(fā)傳送。
　　b由設備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
　　表2－1給出來了由傳輸類型定義的不同PDO傳輸模式，傳輸類型為PDO通訊參數對象的一部分，由8位無符號整數定義。
　　
　　2　管理報文
　　
　　層管理，網絡管理和ID分配服務：如初始化，配置和網絡管理(包括：節(jié)點保護)。
　　服務和協(xié)議符合CAL中的LMT，NMT和DBT服務部分。這些服務都是基于主從通訊模式：在CAN網絡中，只能有一個LMT，NMT或DBT主節(jié)點以及一個或多個從節(jié)點。
　　
　　3　服務數據對象SDO(Service Data Object)
　　
　　通過使用索引和子索引(在CAN報文的前幾個字節(jié))，SDO使客戶機能夠訪問設備(服務器)對象字典中的項(對象)。
　　SDO通過CAL中多元域的CMS對象來實現，允許傳送任何長度的數據(當數據超過4個字節(jié)時分拆成幾個報文)。
　　協(xié)議是確認服務類型：為每個消息生成一個應答(一個SDO需要兩個ID)。SDO請求和應答報文總是包含8個字節(jié)(沒有意義的數據長度在第一個字節(jié)中表示，第一個字節(jié)攜帶協(xié)議信息)。SDO通訊有較多的協(xié)議規(guī)定。
　　
　　4　預定義報文或者特殊功能對象同步(SYNC)
　　4.1　在網絡范圍內同步(尤其在驅動應用中)
　　在整個網絡范圍內當前輸入值準同時保存，隨后傳送(如果需要)，根據前一個SYNC后接收到的報文更新輸出值。
　　4.1.1　主從模式：SYNC主節(jié)點定時發(fā)送SYNC對象，SYNC從節(jié)點收到后同步執(zhí)行任務。
　　4.1.2　在SYNC報文傳送后，在給定的時間窗口內傳送一個同步PDO。
　　4.1.3　用CAL中基本變量類型的CMS對象實現。
　　4.1.4　CANopen建議用一個最高優(yōu)先級的COB－ID以保證同步信號正常傳送。SYNC報文可以不傳送數據以使報文盡可能短。
　　4.2　時間標記對象(Time Stamp)
　　4.2.1　為應用設備提供公共的時間幀參考。
　　4.2.2　用CAL中存儲事件類型的CMS對象實現。
　　4.3　緊急事件(Emergency)
　　4.3.1　設備內部錯誤觸發(fā)。
　　4.3.2　用CAL中存儲事件類型的CMS對象實現。
　　4.4　節(jié)點/壽命保護(Node/Life guarding)。
　　4.4.1　主從通訊模式
　　4.4.2　NMT主節(jié)點監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)：稱作節(jié)點保護(Node guarding)。
　　4.4.3　節(jié)點也可以(可選擇)監(jiān)控NMT主節(jié)點的狀態(tài)：稱作壽命保護(Life guarding)。當NMT從節(jié)點接收到NMT主節(jié)點發(fā)送的第一個Node Guard報文后啟動壽命保護。
　　4.4.4　檢測設備的網絡接口錯誤(不是設備自身的錯誤)：通過應急指示報告。
　　4.4.5　根據NMT節(jié)點保護協(xié)議實現：NMT主節(jié)點發(fā)送遠程請求到一個特定節(jié)點，節(jié)點給出應答，應答報文中包含了這個節(jié)點的狀態(tài)。
　　
　　4.5　Boot－UP
　　4.5.1　主從通訊模式
　　4.5.2　NMT從節(jié)點通過發(fā)送這個報文，向NMT主節(jié)點說明該節(jié)點已經由初始化狀態(tài)進入預操作狀態(tài)。
　　一個CANopen設備必須支持一定數量的網絡管理服務(管理報文，administrative messages)，需要至少一個SDO。每個生產或消費過程數據的設備需要至少一個PDO。所有其它的通訊對象是可選的。一個CANopen設備中CAN通訊接口、對象字典和應用程序之間的聯(lián)系如圖2所示
　　
　　3　CANopen高層協(xié)議應用
　　
　　CANopen協(xié)議中設備子協(xié)議中包括電梯控制系統(tǒng)應用協(xié)議。在CANopen協(xié)議電梯控制系統(tǒng)應用協(xié)議中詳細的規(guī)定了電梯控制系統(tǒng)CAN網絡的物理參數，節(jié)點ID分配，電梯虛擬設備定義，對象目錄以及系統(tǒng)錯誤處理。
　　通過CANopen協(xié)議在電梯控制系統(tǒng)上的應用，可以為任何電梯應用提供標準的、即插即用的電梯控制系統(tǒng)。符合CANopen電梯控制系統(tǒng)應用協(xié)議規(guī)范的電梯控制系統(tǒng)可以實現最大254層樓數，最多8臺電梯并聯(lián)的電梯應用。
　　
　　4　總結
　　
　　基于CAN總線的CANopen網絡通訊具有以下特點：
　　(1)使用對象字典(OD：Object Dictionary)對設備功能進行標準化的描述。
　　(2)使用ASCII文檔：電子數據文檔(EDS)和設備配置文件(DCF)對設備及其配置進行標準化的描述。
　　(3)CANopen網絡的數據交換和系統(tǒng)管理基于CAL中CMS服務。
　　(4)系統(tǒng)boot―up和節(jié)點保護(NodeGuarding)的標準基于CAL中NMT服務。
　　(5)定義了整個系統(tǒng)的同步操作。
　　(6)定義了節(jié)點特定的應急報文。
　　為與CANopen通訊協(xié)議和相應的設備子協(xié)議保持一致，以使制造商的產品能夠用于任何CANopen網絡，以下3種層次的兼容性要求需要滿足(對日益增長的設備兼容性的要求)：
　　一致性：
　　設備連接到CANopen網絡后不能影響其他設備的通訊：應用層的一致性。
　　互用性：
　　設備能夠同網絡上的其它節(jié)點交換數據：通訊協(xié)議的一致性。
　　互換性：
　　設備能夠代替另外一個同類設備：設備子協(xié)議的一致性。
　　1993年由Bosch領導的歐洲CAN－bus協(xié)會開始研究基于CAN－bus通訊系統(tǒng)管理方面的原型，由此發(fā)展成為CANopen協(xié)議。這是一個基于CAL的子協(xié)議用于產品部件的內部網絡控制。其后CANopen協(xié)議被移交給CiA協(xié)會，由CiA協(xié)會管理維護與發(fā)展。至2000年CANopen協(xié)議已成為全歐洲最重要的嵌入式網絡標準。
　　在CiA的努力推廣下CAN技術在汽車電子控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機械、船舶運輸等方面均得到了廣泛的應用。因此，研究CANopen協(xié)議具有廣泛的實際意義和應用需求。
　　
　　
　　(本文責任編輯　黃漢)

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