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1、针对工业控制的Canopen系统 ronggang 导语：介绍了CAN总线的应用层协议CANopen;介绍了CANopen系统的应用;具体介绍了CANopen的协议构造，通讯对象以及标识符的地址分配 摘 要：介绍了CAN总线的应用层协议CANopen;介绍了CANopen系统的应用;具体介绍了CANopen的协议构造，通讯对象以及标识符的地址分配。 关键词：现场总线; CAN总线; CANopen; 协议 现场总线的应用研究日益广泛，在诸多的现场总线中，其中 CAN总线以其易于把握、易于开发等优点，成为一种很有应用前景的现场总线。但CAN不是一种完好的网络协议，缺少应用层和网络治理局部。CAN
2、open是最初由从事工业控制的CiACAN in Automation会员开发的针对工业系统，并基于CAN通讯协议的应用层协议。CANopen在包括海上电子设备，医疗设备以及铁路系统等多个领域都有广泛的应用。 一、CANopen 协议构造 CANopen协议的构造定向根据ISO11898国际标准,以开放系统互联网络OSI为参考模型，构造如图1所示： align=center图1 CANopen通讯参考模型/align 如下图，在数据链路层，具有CAN控制芯片，遵循CAN 2.0A/2.0B协议，物理层规定执行ISO11898国际标准,数据链路层和物理层由硬件实现 CANopen的设备标准，使得
3、制造商可以按照其标准消费标准的通用设备，也不需要特殊的软件来把不同厂家的网络设备组建起来。根本的网络操纵由明确的强迫的设备标准所保证。CiA提供了包括CiA-401的I/O模型，以及CiA-404的用于测量设备和闭环控制的规程。这些规程都由一个叫做“对象字典的标准化数据库来实现。对象字典可以用一个16 位的索引进展存取，在数组和构造的情况下再用一个8 位的子索引。该字典也描绘了设备的全部应用对象。 二、CANopen通讯对象 CANopen通讯标准规定了四中通讯对象报文，通过通讯标识符COB-ID或者CAN标识符来表示区分。 1. 网络治理报文NMT 网络治理报文提供网络治理效劳，例如，初始化
4、，错误控制和设备状态控制。所有这些功能都是基于主-从这个概念上的。 1.1 NMT对象 NMT 对象映象到一个单一的带有2 个字节数据长度的CAN 帧，它的标识符为0 ，第一个字节包含命令讲明符，第二个字节包含必须执行此命令的设备的节点标识符，当节点标识符为0 时，所有的从节点必须执行此命令。由NMT 主站发送的NMT 对象强迫节点转换成另一个状态。 1.2 NMT节点保护Node guarding 节点保护对象是由NMT 主站节点远程恳求的具有一个字节的CAN 帧。 数据字节主要包含节点的状态, 节点保护时间在对象定期发送,节点保护时间也在对象字典中作了规定。此外还规定了保护时间寿命Life
5、 Guarding Time ，在该时间区内NMT 主站必须保护一个NMT 从站，这就确保了即使在主站不存在的情况下，节点仍能以用户指定的方式作出反响。 图2显示了NMT功能和特定命令字的关系： align=center图2 NMT功能命令字/align 2. 经过数据对象PDO 经过数据对象用来传递实时数据，数据由一个消费者发出，可以有一个或者多个消费者承受。数据传输被限制在1到8个字节内，每个PDO 有一个唯一的标识符，标识符具有高优先级以确保良好的实时性能，假如需要硬实时控制，那么系统的设计者可为每个PDO 组态一个制止时间inhibit-time ，该“制止时间严禁在特定的时间内发送这
6、个对象。PDO有三种传输形式： 1事件或者定时器触发PDO形式。此种传输形式又叫做异步PDO形式。当设备内的十分设备或者十分制造商事件发生时PDO被传送，这些事件如应用数值的改变，例如数字输入的改变，温度的改变等。使用这种传输形式对网络带宽的要求最低。 2远程恳求触发PDO形式。PDO消费者可以通过发送一个CAN远程帧，相应的PDO消费者将对远程帧做出反响。由于不同CAN控制器的远程帧行为不同，所以在正常运作时这种传输形式是不允许的。此外，相比事件或者定时器触发PDO形式，此传输形式对带宽有更高的要求。 3同步触发PDO形式。同步PDO形式由Sync同步报文触发。负责发送同步报文的是同步消费者
7、Sync producer,同步消费者可以存在于如简单的输入输出设备，驱动器和复杂的经过控制设备中。 3. 效劳数据对象SDO 效劳数据对象用于建立两个CANopen设备的点对点通讯，这种连接是基于客户/效劳器机理的。SDO效劳器是对要求连接设备提供对象字典的设备，SDO客户是想连接特定设备的对象字典的设备。SDO效劳是基于具有两个不同标识符的CAN报文之上的，一个报文由SDO效劳器使用，另外一个由SDO客户使用。一个SDO客户可以有最多127个通道，也就意味着一个SDO客户可以同时和最多127个不同设备连接。 4. 预定报文或者特殊功能对象 CANopen 还定义了三个特定对象：同步，时间标
8、记，和应急对象。 1同步对象Synchronization object。同步对象通过外部事件同步所有设备。在网络上有一个设备是同步发生器，它的唯一功能就是产生同步信号，网络上的任何设备在承受到同步信号后都必须同步。同步信号是一个短报文，它只是一个CAN报文，而没有任何数据，但它可具有多达8 个字节的用户专用数据 2时间标记对象Time Stamp Object。时间标记对象利用系统时钟同步本地时钟。一个通用的时间帧参考提供应设备，它包含一个时间和日期的值，相关的CAN 帧有标识符256 和一个6 个字节长度的数据字段。 3应急对象Emergency object。应急对象被用来传递应用设备的
9、状态信息。由设备内部出现致命错误来触发。因此应急对象适用于中断类型的报警信号。每个“错误事件error event只能发送一次应急对象，只有当设备发生新的应急事件时，才可以再发送应急对象。CANopen通讯标准规定了应急错误代码，它是一个单一的具有8 个数据字节的CAN 帧。 三、标识符的地址分配 为了减少对简单网络治理工作，CANopen 定义了强迫性的缺省标识符地址分配表。这些标识符在初始化后可以在预操纵状态中获得。这个缺省ID分配表包括一个功能局部和一个模块ID局部。标识符规定了其对象的优先级别。 这些ID分配表允许单一主设备与多达127个从设备进展点对点peer-to-peer通讯。也
10、支持非确认的NMT 播送，同步和时间标定对象以及节点保护。预定的主/从连接集支持1个应急对象Emergency object，1个SDO,最多4个接收PDOReceive-PDO和4个发送PDOTransmit-PDO 和节点保护对象Node Guarding Object。 预定主/从连接集定义了一些CAN标示符，而其他的是开放的，可以有设计者定义。NMT0,缺省SDO1405-1535和1537-1663，NMT错误控制报文1793-1919这些标示符是固定不可改变的。 四、完毕语 总之，CANopen为客户提供了标准的CAN的应用层协议。CANopen非常灵敏的应用层协议和很多可供选择的
11、特性都有利于嵌入式网络设计者设计出更有竞争力的产品。此外，已经有很多通用的治理工具及软件，客户可以根据自己的需要设计特定的网络设备。随着对现场总线研究的深化，CANopen将会在更多领域得到广泛应用。 1 CAN-in-Automation ,CAL, CAN Application Layer for Industrial Applications, CiA Draft Standard DS-201 to DS-207, Version 1.1, Feb 1996. 2 CAN-in-Automation，CANopen, CAL-based Communication Profile for Industrial Systems, CiA DS-301, Version 4.0, June 16 1999. 3 CAN-in-Automation, CANopen Device Profile for I/O Modules, CiA DSP-401, Version 1.4, Dec 1996. 4 阳宪惠，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，2001.12