CANopen
CANopen是一种架构在控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)上的高层通讯协定,包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用,也是工业控制常用到的一种现场总线。
CANopen实作了OSI模型中的网络层以上(包括网络层)的协定。CANopen标准包括定址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。CANopen支援网络管理、设备监控及节点间的通讯,其中包括一个简易的传输层,可处理资料的分段传送及其组合。一般而言资料链接层及实体层会用CAN来实作。除了CANopen外,也有其他的通讯协定(如POWERLINK及EtherCAT)实作CANopen的设备子协定。
基本的CANopen设备及通讯子协定定义在CAN in Automation (CiA) draft standard 301.[1]。针对个别设备的子协定以CiA 301为基础再进行扩充。如针对I/O模组的CiA401[2]及针对运动控制的CiA402[3]。
设备模型
[编辑]以下是所有CANopen设备都要具备的功能:
- 通讯单元处理和网络上其他模组通讯所需要的通讯协定。
- 设备的启动及重置由状态机(state machine)控制。状态机需包括以下的几个状态:Initialization, Pre-operational, Operational及Stopped。当接收到网络管理(NMT)通讯对象,状态机会转换到对应的状态。
- 对象字典(Object Dictionary)是一个有16位元索引(Index)的变数阵列。每个变数可以(但非必须)有8位元的子索引(Subindex)。变数可用来调整设备的组态,也可以对应设备量测的资料或设备的输出。
- 当状态机设定为operational 之后,设备的应用(application)部分就会实现设备预期的机能。此部分可以由对象字典中的变数调整其设定,而资料由通讯层传收或接收。
对象字典
[编辑]CANopen设备都需要具备对象字典,用来设定设备组态及进行非即时的通讯。对象字典的entry定义如下:
- 索引(Index):对象16位元的位址。
- 对象名称(Object name):一个代表对象的symbolic type,可以是阵列、纪录或只是一个变数。
- 名称(Name):描述此entry的字串。
- 形态(Type):变数的资料形态。
- 属性(Attribute):提供此entry是否可读/可写的资料,有下列四种:可读/写、只读、唯写、只读常数。
- 必须(Mandatory)/可选(Optional)栏位定义属于特定设备规范下的设备,是否必须实现某些对象。
在CANopen标准中定义了对象字典中的基本资料型态,包括逻辑值、整数及浮点数。也定义了复合对象:如阵列、记录及字串。复合对象用一个8位元的数值作为其子索引(subindex)。记录或阵列中子索引0的位置记录此数据结构的元素个数,资料型态为UNSIGNED8。
例如在CiA301标准中,设备通讯的参数放在索引范围0x1000 - 0x1FFF(通讯行规区)。此区域的前几项如下:
索引 | 对象名称 | 名称 | 形态 | 属性 | M/O |
---|---|---|---|---|---|
0x1000 | VAR | device type | UNSIGNED32 | 只读 | M |
0x1001 | VAR | error register | UNSIGNED8 | 只读 | M |
... | |||||
0x1008 | VAR | manufacturer device name | Vis-String | 常数 | O |
... |
若配合适当的工具,可以用编辑电子资料表(electronic data sheet, EDS)档案的方式规划一个设备,并且将变数的数值上传到设备中。EDS档案的格式通常会是INI档。
通讯
[编辑]通讯对象
[编辑]CANopen的物理层CANbus每次传送的资料量不大,其中包括11位元的ID、远端传输请求(RTR)位元及大小不超过8字节的资料。CANopen将CANbus 11位元的ID分为4位元的功能码及7位元的CANopen节点ID。7位元的ID共有128种不同的组合,其中ID 0不使用,因此一个CANopen网络上最多允许127台设备。CANbus在CAN 2.0 B规格中允许29位元的ID,因此若配合CAN 2.0 B使用,CANopen网络上可以超过127台设备,不过在实际运用中,大多数的CANopen网络上设备数量均低于此数值。
CANopen将CANbus的11位元ID称为通讯对象ID(COB-ID)。当传输资料出现碰撞时,CANbus的仲裁机制会使COB-ID最小的讯息继续传送,不用等待或重传。COB-ID的前4个位元是CANopen的功能码,因此数值小的功能码表示对应的功能重要,允许的延迟时间较短。
以下是一个标准的CANopen页框(frame):
COB-ID | RTR | 资料长度 | 资料 | ||
---|---|---|---|---|---|
功能码 | 节点ID | ||||
长度 | 4位元 | 7位元 | 1位元 | 4位元 | 0-8字节 |
在CANopen标准中,部分COB-ID被保留作网络管理及SDO通讯用。而在设备初始化后,有些功能码和COB-ID会对映到标准的功能,不过后续仍可以规划为其他用途。
通讯模型
[编辑]CANopen设备间的通讯可分为以下三种通讯模型。
- 在主从(master/slave模型)中,一个CANopen设备为master,负责传送或接收其他设备(称为slave)的资料。NMT协定就使用了master/slave模型。
- 客户端/服务器(client/server)模型定义在SDO协定中,SDO client将对象字典的索引及子索引传送给SDO server,因此会产生一个或数个需求资料(对象字典中,索引及子索引对应的内容)的SDO封包。
- 生产者/消费者(producer/consumer)模型用在Heartbeat and Node Guarding协定。由一个生产者送出资料给消费者,同一个生产者的资料可能给一个以上的消费者。又可分为二种:
- push-model:生产者会自动送出资料给消费者。
- pull-model:消费者需送出请求讯息,生产者才会送出资料。
协议
[编辑]NMT协议
[编辑]NMT(网络管理, Network management)协议是用来发布(设备内部)状态机的状态变更命令(如启动设备或停止设备)、以及监测远端设备启动及故障情形。
NMT master使用的模组控制协定可变更设备的状态。其COB-ID为0,其功能码及节点ID均为0,因此网络上的所有节点均会处理这个讯息。在此讯息的资料部分会有此讯息实际针对节点的ID,此ID也可为0,表示所有节点都要变更为指定的状态。
心跳协定(Heartbeat protocol)是用心跳机制来监控网络中的节点及确认其正常工作。心跳讯息的生产者(一般是slave设备)周期性的送出功能码1110、ID为本身节点ID的讯息,讯息的资料部分有一个表示节点状态的位元。而心跳讯息的消费者负责接收上述资料,若在指定时间(于设备的对象字典中定义)内,消费者均未收到讯息,可采取相关行动(例如显示错误或重置该设备)。
其格式为:
COBID + DATA (status of node)
CANopen设备需要在bootup时自动从Initializing状态切换至Pre-operational状态,设备会在切换完成后送出一个心跳讯息,这就是心跳协定。
有一种pull model的NMT协定,称作节点监控(Node guarding)协定,也可以作从机的监控。
服务资料对象(SDO)协定
[编辑]服务资料对象(SDO)可用来存取远端节点的对象字典,读取或设定其中的资料。提供对象字典的节点称为SDO server,存取对象字典的节点称为SDO client。SDO通讯一定由SDO client开始,并提供初始化相关的参数。
在CANopen的术语中,上传是指由SDO server中读取资料,而下载是指设定SDO server的资料。
由于对象字典中的资料长度可能超过8个字节,无法只用一个CAN页框传输,SDO也支援长讯息的分割(segmentation)和合并(desegmentation)。这样的对象有二种:SDO下载/上传(SDO download/upload)及SDO区块下载/上传(SDO Block download/upload)。CANopen协定较新版本支援SDO区块传输,可以允许传输大量的资料,且传输的overhead可以较低。
负责处理SDO资料传输的COB ID可在对象字典中设定。在对象字典的索引0x1200至0x127F可设定SDO server的COB ID,最多可设定到127个。而SDO client可以在对象字典的索引0x1280至0x12FF中设定。不过预定义连结(pre-defined connection set)定义在开机后(Pre-operational状态)可用来设定设备组态的SDO。接收用的COB ID为0x600 +节点ID,而传送用的COB为0x580 +节点ID。
以下用SDO下载来说明SDO的协定,SDO client在要启始下载时,会送出CAN讯息,其ID为接收端SDO channel的COB ID,而CAN页框的资料栏位内容如下:
CAN页框的资料栏位 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
字节1 | 字节2-3 | 字节4 | 字节5-8 | ||||
3位元 | 1位元 | 2位元 | 1位元 | 1位元 | |||
ccs=1 | 保留(=0) | n | e | s | 索引 | 子索引 | 资料 |
- ccs是SDO传输时client指令的识别码,可分为以下几种:
- 0:SDO区域下载
- 1:启始下载
- 2:启始上传
- 3:SDO区域上传
- 4:中断SDO传输
- n为此讯息中实际资料的长度,只有在e和s设定时有效
- e若设为1,表示是快速传输(expedited transfer),目前讯息即包括了所有要传输的资料。若设为0,表示要传输的资料无法用一个讯息传送,会分割为数个讯息。
- s若设为1,且e也设为1,表示资料长度记录在n。若e设为0,表示实际完整资料的长度会放在此讯息中的资料栏位中。
- 索引是要存取资料的对象字典索引。
- 子索引是要存取变数的子索引。
- 资料在快速传输(e=1)时是要上传的资料,若s=1且e=0,则是实际资料的长度。
进程数据对象(PDO)协定
[编辑]进程数据对象(PDO)协定可用来在许多节点之间交换即时的资料。可透过一个PDO,传送最多8字节(64位元)资料给一设备,或由一设备接收最多8字节(64位元)的资料。一个PDO可以由对象字典中几个不同索引的资料组成,规划方式则是透过对象字典中对应PDO mapping及PDO参数的索引。
PDO分为两种:传送用的TPDO及接收用的RPDO。一个节点的TPDO是将资料由此节点传输到其他节点,而RPDO则是接收由其他节点传输的资料。一个节点分别有4个TPDO及4个RPDO。
PDO可以用同步或异步的方式传送:同步的PDO是由SYNC讯息触发,而异步的PDO是由节点内部的条件或其他外部条件触发。例如若一个节点规划为允许接受其他节点产生的TPDO请求,则可以由其他节点送出一个没有资料但有设定RTR位元的TPDO(TPDO请求),使该节点送出需求的资料。
借由RPDO也可以使两个或两个以上的设备同时启动。只要将其RPDO对应到相同的TPDO即可。
同步(SYNC)协定
[编辑]同步协定使用生产者/消费者模型。同步生产者(Sync-Producer)会定时产生同步讯号供同步消费者(Sync-Consumer)使用。当同步消费者收到讯号,即可进行已规划好的同步工作。[4]
同步讯号会定时产生,若有 PDO 是由同步讯号引发,透过 PDO 传送时间及同步讯号传送周期之间的调整,可以使感测器定期的取様,而致动器也可以根据最新的输入讯号产生对应的输出。
在对象字典中,同步对象的索引为0x1005,可透过编辑此对象启动同步协定。
时间标记对象(TIME)协定
[编辑]一般而言,时间标记对象的内容是从1984年1月1日午夜之后到现在之间经过的时间,单位为毫秒。为一个48位元(6字节)的数值。
不过有些应用会要求时间要非常精确,这种情形会需要精准的同步,尤其是在大型网络,通讯速度受限时更是如此。此时需要将各设备的时钟同步,精准度要到毫秒的等级。这个要求可透过高分辨率的同步信号达成,在同步信号中也包括了另一种时间标记,可供各设备调整时钟用。
同步信号中的时间标记型态为unsigned32,单位为1毫秒,因此时间标记会在每72分钟归零重新计数。
紧急对象(EMCY)协定
[编辑]初始化
[编辑]以下是在master初始化2个压力感测器(ID分别为1和2)中,通讯的资料。
CAN ID | 资料长度 | 资料 | 说明 |
---|---|---|---|
0x0 | 2 | 1 0 | master将系统设定为operational mode |
0x80 | 0 | Master送出SYNC讯息,使设备送出资料 | |
0x181 | 4 | CD 82 01 00 | ID 1的节点(CID-0x180),读到的压力为0x0182CD (99021) 帕 |
0x182 | 4 | E5 83 01 00 | ID 2的节点(CID-0x181),读到的压力为0x0183E5 (99301) 帕 |
CANopen专有名词
[编辑]- PDO程序资料对象 - 对应实际物理量的输入及输出。资料的单位可能是RPM, V, Hz, mAmp...。
- SDO服务资料对象 - 一般来说是组态设定的资料,如节点位置、节点ID、通讯速度、位移、增益等……。
- COB-ID - CAN对象编号
- CAN ID - CAN Identifier.是在每个CAN讯息前面的讯息识别码,共11位元。
- EDS - 电子资料档(Electronic data sheet)是INI格式的档案。
- DCF - 设备组态档案(Device configuration file),是加强版的EDS,可以设定节点ID及通讯速度。
参照
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ CiA Draft Standard 301,在CAN in Automation (页面存档备份,存于互联网档案馆)网站上
- ^ CiA Draft Standard 401
- ^ CiA Draft Standard 402
- ^ SYNC protocol. CAN in Automation (CiA). [2009-08-04]. (原始内容存档于2010-10-22).
外部链接
[编辑]- CAN in Automation的CANopen简介(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- CANopen简介(www.esacademy.com)(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- CANopen的教学网页(softing.com)(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- CANopen开发资料(canopendesign.com)
- CAN-wiki中CANopen的页面(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- CANopen: An Introduction
- 关于About CANopen(canopensolutions.com)[永久失效链接]
- CANopen-Lift社群的WIKI(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Introduction to CANopen基础介绍(www.canopen-solutions.com)(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- CanFestival - 一个开放源码多平台CANopen的计划(页面存档备份,存于互联网档案馆)