CANopen基本理论
目录
一、CANopen简介
二、OD对象字典
2.1 OD对象字典简介
2.2 CANopen预定义连接集
三、PDO过程数据对象
四、SDO过程数据对象
五、特殊协议
5.1 同步协议
5.2 时间戳协议
5.3 紧急报文协议
六、NMT网络管理
6.1 NMT节点状态
6.2 NMT节点上线报文
6.3 NMT心跳报文
6.4 NMT模块控制报文
一、CANopen简介
本文对CANopen基本理论进行总结性的简单描述，面向初学者；
阅读本文须先掌握CAN基本知识，本文不再赘述。
CANopen基于CAN。在OSI的7层网络模型中，CAN仅规定了物理层和数据链路层，而CANopen作为其扩展，在此之上规定了应用层。
二、OD对象字典
2.1 OD对象字典简介
对象字典(Object Dictionary)是一个有序的对象组，举例具象化来说，每个对象就类似于一份身份信息表，记载着其具体信息：
每个对象采用一个16位索引值以寻址，类似于公民身份证。而每个公民都有其具体信息，如生日住址等，为了访问对象数据结构的单个元素，又采用了一个8位子索引值。
下表为对象字典索引区域定义，其中通讯对象子协议区及其通用通讯对象为需要关注的区域：
| Index Range | Description |
|---|---|
| 0000h | 保留 |
| 0001h - 025Fh | 数据类型 |
| 0260h - 0FFFh | 保留 |
| 1000h - 1FFFh | 通讯对象子协议区 |
| 2000h - 5FFFh | 制造商特定子协议区 |
| 6000h - 9FFFh | 标准化设备子协议区 |
| A000h - AFFFh | 网络变量 |
| B000h - BFFFh | 路由网关系统变量 |
| C000h - FFFFh | 保留 |
通讯对象子协议区：
通用通讯对象：
CANopen（NMT）主站在启动时，通常需要读取所有从站中通用通讯对象中的索引，所以所有的通用通讯对象都必须在CANopen从站中实现。
2.2 CANopen预定义连接集
对于PDO和SDO的报文ID分配，CANopen基于11位CAN-ID的标准帧格式，预定义了缺省标识符分配表：
| CAN-ID / COB-ID | ||||||||||
| Function-ID | Node-ID | |||||||||
| 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
Node-ID：范围1~127(0不允许被使用)。
预定义的连接集定义表如下所示：
SDO服务器指CANopen从节点，SDO客户指CANopen主节点。
PDO分为TXPDO（发送PDO）和RXPDO（接收PDO），这里的发送和接收都以CANopen从节点为参考；而NMT错误控制包括节点守护报文，心跳报文和Boot-up协议。
三、PDO过程数据对象
PDO采用”生产者/消费者“模式，PDO数据传送以一对一/多的方式进行。每条PDO包含了TXPDO和RXPDO，其传送方式定义在PDO通讯参数对象字典索引：
所有的PDO传送数据须透过对象字典映像到对应的索引区上，如图（OD取值为举例需要，不具备实际意义）：
PDO DLC为1-8 Bytes，其传输方式分为：
- 同步传输（通过同步报文让所有节点同时互发）；
- 异步传输（通过特定事件触发）。
四、SDO过程数据对象
SDO特点为“服务确认”，对于每个“问”都会生成一个“答”。其DLC均为8 Bytes，通讯原则为：
- SDO客户端发送（问）数据：COB-ID为580h+服务器Node-ID；
- SDO服务器发送（答）数据：COB-ID为600h+服务器Node-ID。
快速SDO协议：
若读写数据不大于32位，可采用快速SDO，即一次问答完成数据发送：
若读写值超过32位，则须使用普通SDO协议进行分帧传输。
五、特殊协议
对于主站对从站的方便管理，CANopen中预定义了特殊报文，主要为：
- 同步协议；
- 时间戳协议；
- 紧急报文协议。
5.1 同步协议
该报文对象主要实现整个网络的同步传输。
| DLC | CAN-ID |
| 0-1 | 80h（在OD索引1006h和1007h中分别约束同步帧循环周期和同步帧发送后从节点发送PDO的时效） |
5.2 时间戳协议
NMT主机发送自身时钟，为各节点提供公共时间参考网络对时。
| DLC | CAN-ID |
| 6 | 100h（存于OD索引1012h中） |
5.3 紧急报文协议
设备内部发生错误触发，以提示NMT主站，但不影响CANopen通讯。
| DLC | CAN-ID | ||
| 8 | 80h+Node-ID （存于OD索引1014h中） | ||
| 0 - 1 | 2 | 3 - 7 | |
| EEC（紧急错误代码） | ER（错误寄存器） | MEF（厂商自定义错误代码） | |
六、NMT网络管理
6.1 NMT节点状态
一主多从，每个CANopen从节点的CANopen协议栈中必须具备NMT网络管理的相应代码。
NMT网络管理涉及CANopen节点的六种状态：
- 初始化（CAN控制器初始化）；
- 应用层复位（对象字典索引范围2000h - FFFFh复位）；
- 通讯复位（对象字典索引范围1000h - 1FFFh复位）；
- 预操作状态（该节点CANopen通讯就绪，可通过SDO参数配置和NMT网络管理操作，但不能PDO通信）；
- 操作状态（可通过SDO参数配置和NMT网络管理操作，也可根据OD规定进行PDO通信）；
- 停止状态（PDO通信停止，但能SDO参数配置和NMT网络管理操作）。
NMT网络中的任一CANopen节点的状态可自行切换，亦可接收NMT主机发送的NMT命令切换。
6.2 NMT节点上线报文
NMT从节点上线时必须发布NMT节点上线报文以通知NMT主节点，表示自身状态已从初始化进入预操作。
| COB-ID | DLC | Byte0 |
| 0x700 + Node-ID | 1 | 0 |
6.3 NMT心跳报文
NMT从节点可通过向主站发送NMT心跳报文以确认自身是否在线和自身目前的节点状态。
| COB-ID | DLC | Byte0 | Description |
| 0x700 + Node-ID | 1 | 04h | 停止状态 |
| 05h | 操作状态 | ||
| 7Fh | 预操作状态 |
NMT节点守护报文：NMT主站通过轮询模式监视从站状态，主从一应一答， 与心跳报文模式二者不能并存。
由于远程帧在CAN发展中逐渐被淘汰，而节点守护由于需要更多的主站开销与增加网络负载，CiA协会已经不建议使用，被心跳报文所取代。
6.4 NMT模块控制报文
只有NMT主节点能发送NMT模块控制报文以切换NMT从节点状态。
| COB-ID | DLC | Byte0 | Byte1 | Description |
| 0x000 | 2 | 0x01 | Node-ID | 启动命令（进入操作状态） |
| 0x02 | 停止命令（进入停止状态） | |||
| 0x80 | 进入预操作状态 | |||
| 0x81 | 复位节点应用层 | |||
| 0x82 | 复位CANopen通讯 |