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Technical Note CANopen 轻松入门入门教程 TN01010101 V1.00 Date:2015/10/01 工程技术笔记类别关键词摘要内容 CANopen DS301 用于初次接触 CANopen 的用户，主要以 CANopen DS301 为主要教授方向广州致远电子股份有限公司

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程目录 4.1 4.2 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 1. 前言 ........................................................................................................................... 1 2. CANopen 在 ISO 层级中的位置 .............................................................................. 2 3. CANopen 协议诞生和发展 ...................................................................................... 3 4. CANopen 的预定义报文 ID 分类 ............................................................................ 5 网络管理（NMT）与特殊协议（Special protocols）报文 ID 分类 .................... 5 过程数据对象（PDO）和服务数据对象（SDO）的报文 ID 分类 ..................... 7 5. 对象字典 OD（Object dictionary) ........................................................................... 9 对象字典概述 ......................................................................................................... 10 通讯对象子协议区（Communication profile area） ............................................ 10 通用通讯对象（General communication objects） .............................................. 10 制造商特定子协议（Manufacturer-specific Profile） .......................................... 11 标准化设备子协议(Standardized profile area) ...................................................... 12 对象字典和 EDS 文件实例 ................................................................................... 12 6. 网络管理 NMT（Network management) 与 CANopen 主站 .............................. 16 NMT 节点状态 ....................................................................................................... 16 NMT 节点上线报文 ............................................................................................... 17 NMT 节点状态与心跳报文 ................................................................................... 18 NMT 节点守护 ....................................................................................................... 18 NMT 节点状态切换命令 ....................................................................................... 19 CANopen 主站设备 ................................................................................................ 20 7. 过程数据对象 PDO（Process data object) ............................................................ 22 PDO 的 CAN-ID 定义 ............................................................................................ 22 PDO 的传输形式 .................................................................................................... 23 PDO 的通信参数 .................................................................................................... 24 PDO 的映射参数 .................................................................................................... 24 8. 服务数据对象 SDO（Service data object） ......................................................... 26 通讯原则（communication principle） ................................................................. 26 快速 SDO 协议（Expedited SDO protocol） ....................................................... 27 普通 SDO 协议（Normal SDO protocol） ........................................................... 27 9. 特殊协议（Special protocols） ............................................................................. 30 同步协议（Sync protocol）................................................................................... 30 时间戳协议（Time-stamp protocol） ................................................................... 31 紧急报文协议（Emergency protocol）................................................................. 33 10. 免责声明 ............................................................................................................... 35 8.1 8.2 8.3 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7.1 7.2 7.3 7.4 9.1 9.2 9.3 工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 1

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程 1. 前言本教程适用于 CIA CANopen 协议 DS301 又名 CIA301 标准。用户须已经掌握 CAN2.0A 协议的基本知识。即基本的帧结构、ID、数据、DLC 等知识，本文不再从 CAN 底层开始叙述。如果读者需要了解 CAN 底层，推荐北京航空航天出版社出版的《项目驱动—— CAN-bus 现场总线基础教程》。本文由广州致远电子股份有限公司周立功、黄敏思等整理和编撰。文章引用 CANopen 协会 CiA 组织的蔡豪格主席肖像与多篇示意图，再次表示非常感谢！工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 1

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程 2. CANopen 在 ISO 层级中的位置从 OSI 的 7 层网络模型的角度来看同，CAN（Controller Area Network）现场总线仅仅定义了第 1 层（物理层，见 ISO11898-2 标准）、第 2 层（数据链路层，见 ISO11898-1 标准）；而在实际设计中，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），只要了解如何调用相关的接口和寄存器，即可完成对 CAN 的控制。如图 2.1 所示。图 2.1 CAN 控制器结构但 CAN 没有规定应用层。也就是没有规定与实际应用相关的逻辑，比如开关量输入输出，模拟量输入输出。所以本身对于应用来说，是不完整的。这就像铁矿石（物理层）冶炼成铁锭（数据链路层），然后针对具体应用，再加工做成汽车、轮船、钢筋、坦克、钢结构建筑等等。如图 2.2 所示。图 2.2 从物理层到应用层因此，基本每个行业的 CAN 应用，都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。但在 CAN 总线的工业自动化应用中，由于设备的互通互联的需求越来越多，所以需要一个开放的、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。其中包括：  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。工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 2

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程 3. CANopen 协议诞生和发展 CANopen 协议是在 20 世纪 90 年代末，由总部位于德国纽伦堡的 CiA 组织—— CAN-in-Automation，（http://www.can-cia.org ）在 CAL（CAN Application Layer）的基础上发展而来。图 3.1 CANopen 与 CiA 由于 CANopen 协议的创始人团队也是 CAN-bus 的创始人团队，此协议充分发挥了 CAN-bus 所具备的所有优势，特别是 CiA 组织的主席蔡豪格（Holger Zeltwanger）先生对于 CANopen 协议坚持开放、免费、非盈利的原则。一经推出便在欧洲得到了广泛的认可与应用。虽然 CiA 组织背后没有强大的财阀支撑，但时至今日已经成为全世界最为流行的 CAN 应用层协议。让我们记住这位可爱的德国老人，如图 3.2 所示。图 3.2 CiA 组织蔡豪格主席经过对 CANopen 协议规范文本的多次修改，使得 CANopen 协议的稳定性、实时性、抗干扰性都得到了进一步的提高。并且 CiA 在 CANopen 基础协议——CiA 301 之上，对各个行业不断推出设备子协议，使 CANopen 协议在各个行业得到更快的发展与推广。所谓的子协议，就是针对不同行业的应用对象，对 CANopen 内部的数据含义进行重新定义，或者添加新的控制逻辑。目前 CANopen 协议已经在运动控制、车辆工业、轨道交通、电机驱动、工程机械、船舶海运等行业得到广泛的应用。比如轨道交通中的城市轻轨车辆（低地板车）中，CiA 联合西门子、庞巴迪等轨道交通厂商，共同制定了以下轨道交通相关的 CANopen 子协议：  CiA 421 series: Train vehicle control system 列车车辆控制系统  CiA 423 series: Diesel engine control system 柴油机控制系统  CiA 424 series: Door control system 门控制系统  CiA 426 series: Exterior light control system 外部灯控制系统  CiA 430 series: Auxiliary equipment control system 辅助设备控制系统工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 3

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程  CiA 433 series: Interior light control system 内部灯控制系统如图 3.3 所示，为 CANopen 在轨道列车中的地位，主干网为列车总线（WTB），每接车厢采用车辆总线（MVB）来连接与列车行驶相关，对实时性要求高的部件。而 CANopen 主要是连接各种非高安全性的部件。图 3.3 CANopen 在轨道交通中的应用图 3.4 所示为 CANopen 设备结构。CANopen 协议通常分为用户应用层、对象字典以及通信三个部分。其中最为核心的是对象字典，描述了应用对象和 CANopen 报文之间的关系。 CANopen 通信是本文关键部分，其定义了 CANopen 协议通信规则以及与 CAN 控制器驱动之间对应关系，熟悉这部分对全面掌握 CANopen 协议至关重要。用户应用层是用户根据实际的需求编写的应用对象，这部分本入门教程将不作详细。图 3.4 CANopen 设备结构工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 4

广州致远电子股份有限公司 CANopen 轻松入门入门教程 4. CANopen 的预定义报文 ID 分类在 CANopen 创立之初，即使在 CAN 总线应用最广泛的汽车电子行业，网络中的 CAN 节点数量和需要通讯的信息都是比较少的。人们使用 CAN 取代 RS485，主要是看重其可以突发发送的实时性优势，而在多节点、长距离应用中，CAN 总线和 RS485 比起来并无优势，比如同样的波特率下，CAN 的通信距离只能达到 RS485 的 0.6-0.8 倍，而多节点通信 CAN 无法进行任意的突发发送，不得不遵循 RS485 那样的轮询通信机制，否则会导致拥堵，如图 4.1 所示。就像这个十字路口的汽车，如果车只有 10 辆，即使没有交通灯，根本不会拥堵。而如果有 100 辆，如果任意行驶，就会发生严重拥堵。图 4.1 CAN 的突发优势和多节点拥堵 CANopen 的创始人是非常了解 CAN 总线这个特征，所以在设计 CANopen 时，对其定义为小网络、控制信号的实时通讯：  报文传输采用 CAN 标准帧格式。即 11bit 的 ID 域，以尽量减小传输时间；  网络控制报文均采用数据最小字节数。比如心跳报文，只有 1 个字节数据；  实时更新的过程数据无需接收方报文应答。即采用生产消费模型，降低总线负载；  需要接收方确认的配置参数一般都是采用快速单字传输。即 1 个报文最多传送 1 个 32 字节的参数变量，避免了分帧引起的实时性降低。以上这些定义都是为了节约时间开销，最大限度保证实时性。同时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 帧 ID）分配表，以减少使用者与维护者的学习时间，快速上手。 4.1 网络管理（NMT）与特殊协议（Special protocols）报文 ID 分类虽然 CANopen 的通讯发挥了 CAN 的特色，所有节点通信地位平等，运行时允许自行发送报文，但 CANopen 网络为了稳定可靠可控，都需要设置一个网络管理主机 NMT-Master （Network Management-Master），就像一个交响乐团的指挥家，所有节点的启动、停止都是有他进行指挥，如图 4.2 所示。工程技术笔记 ©2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 5

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