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CANopen协议介绍
1、介绍
从OSI 网络模型的角度来看同，现场总线网络一般只实现了第1 层（物理层）、第2 层（数据链路层）、第7 层（应用层）。因为现场总线通常只包括一个网段，因此不需要第3 层（传输层）和第4 层（网络层），也不需要第5 层（会话层）第6 层（描述层）的作用。
CAN（Controller Area Network）现场总线仅仅定义了第1 层、第2 层（见ISO11898 标准）；实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件（Software）或固件（Firmware）。
同时，CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN 报文中的11/29 位标识符、8 字节数据的使用。而且，基于CAN 总线的工业自动化应用中，越来越需要一个开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种CAN 厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN 网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。
应用层（Application layer）：为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。
通讯描述（Communication profile）：提供配置设备、通讯数据的含义，定义数据通讯方式。
设备描述（Device proflile）：为设备（类）增加符合规范的行为。
下面的章节将介绍基于CAN 的高层协议：CAL 协议和基于CAL 协议扩展的CANopen 协议。CANopen 协议是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲，CANopen 协议被认为是在基于CAN 的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为“设备描述” 的协议中进行描述；“设备描述”定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠 CANopen 协议的支持， 可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。
在OSI 模型中，CAN 标准、CANopen 协议之间的关系如下图所示：
2、CAL 协议
CAL（CAN Application Layer）协议是目前基于CAN 的高层通讯协议中的一种，最早由Philips医疗设备部门制定。现在CAL由独立的CAN用户和制造商集团CiA（CAN in Automation）协会负责管理、发展和推广。
CAL 提供了4 种应用层服务功能：
CMS (CAN-based Message Specification)
CMS提供了一个开放的、面向对象的环境，用于实现用户的应用。CMS提供基于变量、事件、域类型的对象，以设计和规定一个设备（节点）的功能如何被访问（例如，如何上载下载超过8字节的一组数据（域），并且有终止传输的功能）。CMS 从 MMS (Manufacturing Message Specification)继承而来。MMS 是OSI 为工业设备的远程控制和监控而制定的应用层规范。
NMT (Network ManagemenT)
提供网络管理（如初始化、启动和停止节点，侦测失效节点）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个NMT 主节点）来实现的。
DBT (DistriBuTor)
提供动态分配CAN ID（正式名称为COB-ID，Communication Object Identifier）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个 DBT 主节点）来实现的。
LMT (Layer ManagemenT)
LMT 提供修改层参数的服务：一个节点（LMT Master）可以设置另外一个节点（LMT Slave）的某层参数（如改变一个节点的NMT 地址，或改变CAN 接口的位定时和波特率）。
CMS 为它的消息定义了8 个优先级，每个优先级拥有220 个COB-ID，范围从1 到1760。剩余的标志（0，1761-2031）保留给NMT，DBT和LMT，见表2-1。
CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协议，但并没有定义CMS对象的内容或者正在通讯的对象的类型（它只定义了how，没有定义 what）。而这正是CANopen切入点。
CANopen 是在CAL 基础上开发的，使用了CAL 通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen 在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展：或简单或复杂。
CANopen 的核心概念是设备对象字典（OD：Object Dictionary），在其它现场总线（Profibus，Interbus-S）系统中也使用这种设备描述形式。注意：对象字典不是CAL 的一部分，而是在CANopen 中实现的。
下面先介绍对象字典（OD：Object Dictionary），然后再介绍CANopen 通讯机制。
对象字典（OD：Object Dictionary）是一个有序的对象组；每个对象采用一个16 位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8 位的子索引，对象字典的结构参照表3-1。不要被对象字典中索引值低于0x0FFF 的‘data types’项所迷惑，它们仅仅是一些数据类型定义。一个节点的对象字典的有关范围在0x1000 到 0x9FFF 之间。
一个节点的对象字典是在电子数据文档（EDS：Electronic Data Sheet）中描述或者记录在纸上。不必要也不需要通过CAN-bus“审问”一个节点的对象字典中的所有参数。如果一个节点严格按照在纸上的对象字典进行描述其行为，也是可以的。节点本身只需要能够提供对象字典中必需的对象（而在CANopen 规定中必需的项实际上是很少的），以及其它可选择的、构成节点部分可配置功能的对象。
CANopen 由一系列称为子协议的文档组成。
通讯子协议（communication profile），描述对象字典的主要形式和对象字典中的通讯子协议区域中的对象，通讯参数。同时描述CANopen 通讯对象。这个子协议适用于所有的 CANopen 设备。
还有各种设备子协议（device profile）,为各种不同类型设备定义对象字典中的对象.目前已有5 种不同的设备子协议,并有几种正在发展。
设备子协议为对象字典中的每个对象描述了它的功能、名字、索引和子索引、数据类型，以及这个对象是必需的还是可选的，这个对象是只读、只写或者可读写等等。
单个设备的对象配置的描述文件称作设备配置文件（DCF：Device Configuration File），它和 EDS 有相同的结构。二者文件类型都在 CANopen 规范中定义。
设备子协议定义了对象字典中哪些OD对象是必需的，哪些是可选的；必需的对象应该保持最少数目以减小实现的工作量。
可选项――在通讯部分和与
同步（SYNC）
在网络范围内同步（尤其在驱动应用中）：在整个网络范围内当前输入值准同时保存，随后传送（如果需要），根据前一个SYNC后接收到的报文更新输出值。
主从模式：SYNC主节点定时发送SYNC对象，SYNC从节点收到后同步执行任务。
在SYNC报文传送后，在给定的时间窗口内传送一个同步PDO。
用CAL中基本变量类型的CMS对象实现。
CANopen建议用一个最高优先级的COB-ID以保证同步信号正常传送。SYNC报文可以不传送数据以使报文尽可能短。
时间标记对象（Time Stamp）
为应用设备提供公共的时间帧参考。
用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。
紧急事件（Emergency）
设备内部错误触发。
用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。
节点/寿命保护（Node/Life guarding）。
主从通讯模式
NMT主节点监控节点状态：称作节点保护（Node guarding）。
节点也可以(可选择)监控NMT主节点的状态：称作寿命保护（Life guarding）。当NMT从节点接收到NMT主节点发送的第一个Node Guard报文后启动寿命保护。
检测设备的网络接口错误（不是设备自身的错误）：通过应急指示报告。
根据NMT节点保护协议实现：NMT主节点发送远程请求到一个特定节点，节点给出应答，应答报文中包含了这个节点的状态。
Boot-UP
主从通讯模式
NMT从节点通过发送这个报文，向NMT主节点说明该节点已经由初始化状态进入预操作状态。
上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输。它们采用二种不同的数据传输机制实现：一个CANopen设备必须支持一定数量的网络管理服务（管理报文，administrative messages），需要至少一个SDO。每个生产或消费过程数据的设备需要至少一个PDO。所有其它的通讯对象是可选的。一个CANopen设备中CAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的联系如图 3-1 所示。
3.3 CANopen 预定义连接集
为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的缺省标识符（CAN-ID）分配表。这些标志符在预操作状态下可用，通过动态分配还可修改他们。CANopen设备必须向它所支持的通讯对象的提供相应的标识符。
缺省ID分配表是基于11位CAN－ID，包含一个4位的功能码部分和一个7位的节点ID(Node-ID)部分。如图 3-2 所示。
预定义的连接集定义了4个接收PDO（Receive－PDO），4 个发送PDO（Transmit－PDO），1个SDO（占用2个CAN-ID），1个紧急对象和1个节点错误控制(Node-Error-Control)ID。也支持不需确认的NMT-Module-Control服务，SYNC和Time Stamp对象的广播。缺省ID分配表如表3-3所示。
ID地址分配表与预定义的主从连接集（set）相对应，因为所有的对等ID是不同的，所以实际上只有一个主设备(知道所有连接的节点ID)能和连接的每个从节点（最多127个）以对等方式通讯。两个连接在一起的从节点不能够通讯，因为它们彼此不知道对方的节点ID。
比较上表的ID映射和CAL的映射，显示了具有特定功能的CANopen对象如何映射到CAL中一般的CMS对象。
CANopen网络中CAN标识符（或COB-ID）分配3种不同方法：
使用预定义的主从连接集。ID是缺省的，不需要配置。如果节点支持，PDO数据内容也可以配置。
上电后修改PDO的ID（在预操作状态），使用（预定义的）SDO在节点的对象字典中适当位置进行修改。
使用CAL DBT服务：节点或从节点最初由它们的配置ID指称。节点ID可以由设备上的拨码开关配置，或使用CAL LMT服务进行配置。当网络初始化完毕，并且启动后，主节点首先通过”Connect_Remote_Node”报文（是一个CAL NMT服务）和每个连接的从设备建立一个对话。 一旦这个对话建立，CAN通讯ID（SDO和PDO）用CAL DBT服务分配好，这需要节点支持扩展的boot-up。
3.5 CANopen boot-up过程
在网络初始化过程中，CANopen支持扩展的boot-up，也支持最小化boot-up过程。
扩展boot-up是可选的，最小boot-up则必须被每个节点支持。两类节点可以在同一个网络中同时存在。如果使用CAL的DBT服务进行ID分配，则节点必须支持扩展 boot-up过程。可以用节点状态转换图表示这两种初始化过程，如图 3-3 所示。扩展boot-up的状态图在预操作和操作状态之间比最小化boot-up多了一些状态。
a. NMT ，b. Node Guard ，c. SDO ，d. Emergency ，e. PDO ，f. Boot-up
状态转移（1－5 由 NMT 服务发起），NMT 命令字（在括号中）：
1： Start_Remote_node (0x01)
2： Stop_Remote_Node (0x02)
3： Enter_Pre-Operational_State (0x80)
4： Reset_Node (0x81)
5： Reset_Communication (0x82)
6： 设备初始化结束，自动进入Pre_Operational状态，发送Boot-up消息在任何时候NMT服务都可使所有或者部分节点进入不同的工作状态。NMT服务的CAN报文由 CAN头(COB-ID=0)和两字节数据组成；第一个字节表示请求的服务类型(‘NMT command specifier’)，第二个字节是节点ID，或者0（此时寻址所有节点）。仅支持最小化boot-up的设备叫最小能力设备。最小能力设备在设备初始化结束后自动进入预操作l状态。在这个状态，可以通过SDO进行参数配置和进行COB-ID分配。设备进入准备状态后，除了NMT服务和节点保护服务（如果支持并且激活的话）外，将停止通讯。（因此‘Stopped’是描述这个状态的一个好名字）
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