CANopen 现场总线系统和接口 CANopen 为了减少车辆线束的长度和减轻重量，Bosch 公司于 1987 年开发了用于网络控制单元的所谓 CAN 总线。CAN 是“控制器局域网”的缩写，通常与“总线”（二进制单元系统）结合使用，以描述在共享传输路径上的不同设备之间传输数据的系统。 CANopen 是一种基于 CAN 的通信协议，主要在自动化设备中用于对复杂或时间关键型机器和系统进行联网。自 1995 年以来，它一直由 CAN 自动化 (CiA) 组织进行管理，并入选欧洲标准 EN 50325-4。CANopen 不仅规范了较低的通信级别，如 RS485，还规范了各种仪器类型的命令结构。 优点 技术成熟稳健，非常适用于具有极短存根和双绞线电缆的线路拓扑 一个网络中可连接多达 127 个节点/设备，支持多轴应用 高速传输，数据传输速率高达 1 Mbit/s 标准协议，适用于各种设备类型 Nanotec 提供电机控制器，以及直流无刷电机和步进电机，其中配备了集成控制器和 CANopen 接口。 Nanotec 控制器基于电气驱动 CiA402 标准，并与其他制造商的产品兼容。 Nanotec 是 CAN 自动化 (CiA) — CAN 网络的国际用户和制造商组织 — 的成员。 配备 CANopen 的控制器/驱动装置 配备 CANopen 的电机 CANopen 服务 CANopen 堆栈提供下表中所列服务；请参见相应章节了解更多详细说明。 默认 CAN-ID 服务 说明 000 网络管理 (NMT) 章节 网络管理 (NMT) 080h 同步对象 章节 同步对象 (SYNC) 080h+节点 lD 紧急事件 章节 紧急事件 (EMCY) 180h+节点 lD TX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 200h+节点 ID RX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 280h+节点 ID TX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 300h+节点 ID RX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 380h+节点 ID TX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 400h+节点 ID RX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 480h+节点 ID TX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 500h+节点 ID RX 进程数据对象 (PDO) 章节 进程数据对象 (PDO) 580h+节点 ID TX 服务数据对象 (SDO) 章节 服务数据对象 (SDO) 600h+节点 ID RX 服务数据对象 (SDO) 章节 服务数据对象 (SDO) 700h+节点 ID BOOT-UP 协议 章节 Boot-Up 协议 700h+节点 ID 节点保护和心跳 章节 节点保护和心跳 网络管理 (NMT) 网络管理面向 CANopen 设备并遵循主站-从站结构。NMT 需要由网络中的 CANopen 设备充当 CANopen 主站。所有其他设备则充当 NMT 从站。每个 NMT 从站均可通过其各自的节点 ID（范围为 [1-127]）进行寻址。NMT 服务可用于启动、开始、监控、重置或停止 CANopen 设备。这样，控制器即可遵循下图所示的状态图。只有在打开后或通过发送“重置通信”或“重置节点”NMT 命令才能达到“初始化”状态。初始化之后可自动激活“预操作”状态。 下表显示了各个状态下的服务活动概览。请注意，停止状态将完全停止通信，而仅允许 NMT 状态机的控制器通信。 服务 初始化 预操作 操作 停止PDO活动SDO活动活动SYNC活动活动EMCY活动活动BOOT-UP 活动NMT活动活动活动 “网络管理”消息的 CAN-ID 为 0。消息长度始终为两字节，结构如下： 此处，<CMD> 对应以下字节之一（另请参见NMT 状态图中的图例）： 含义为 01h 切换到 "操作"状态 02h 切换到"停止"状态 80h 切换到"预操作"状态 81h 重置节点 82h 重置通讯 <Node-ID> 的值可为 00h；在这种情况下，NMT 命令适用于CAN总线上的所有设备（广播）。如果使用不等于零的数字，则仅寻址具有相应节点 lD 的设备。 同步对象 (SYNC) 同步对象用于同时验证总线上所有设备的 PDO 数据的时间。同步消息的结构如下： 对于 SYNC 操作，通常为 RX-PDO 使用传输模式（传输类型）0（数据对下次 SYNC 有效）；对于 TX-PDO，则选择 1 到 240 的传输模式。(详情：见进程数据对象 (PDO)).接收到 SYNC 消息后，会有一个判定时间（"同步判定时间"），在此时间范围内可以发送和接收 PDO 消息；达到此判定时间后，所有设备都必须停止发送 PDO。典型 CAN-SYNC 操作分为四个阶段（另请参见下图）： 接收 SYNC 消息。从而将之前接收到的 RX-PDO 数据复制到对象目录（如有）中。此时，也会对数据进行采样，并将数据复制到 TX-PDO，同时启动这些消息的发送。 然后通过总线上的所有从站发送 TX-PDO。 随后，通过 CANopen 主站发送 PDO。达到"同步判定时长"后，不再允许发送 PDO。 "同步判定时间"再次关闭后，SDO 消息可进行最新交换。 紧急事件对象 (EMCY) 只要控制器中发生不是由 SDO 访问引起的错误，就会发送“紧急事件”类型的消息。该服务未经确认，通过 CAN-ID 80h+节点 ID 发送。紧急事件消息的结构如下： 此处共传输三个故障代码："紧急故障代码"（<EMCY Error Code>）、"错误寄存器'' 对象的内容（1001h，<E-REG>）以及制造商特定代码（制造商特定错误） 此处共传输三个故障代码："紧急故障代码"（<EMCY Error Code>）、"错误寄存器'' 对象的内容（1001h，<E-REG>）以及制造商特定代码（制造商特定错误） 错误处理 错误处理模块可处理内部发生的所有错误。每个错误均被分类到相应的错误类别中。对每个发生的错误处理如下： 设定属于“错误寄存器”对象 (1001h) 中的故障的位。然后将三条信息一起写入“预定义错误字段”对象 (1003h:01)：- 紧急故障代码- 错误寄存器- 制造商特定故障代码如果没有其它待处理错误，则将发送以下错误消息：80 + Node-ID 1 00 00 00 00 00 00 00 00 服务数据对象 (SDO) “服务数据对象”允许对对象目录进行读取或写入访问。""在下文中，将对象目录的所有者称为"服务器''；将想要发出请求或写入数据的 CAN 节点称为"客户端"。"上传"是指从对象目录读取对象的值；"下载"是指将值写入对象目录。此外，图表中还使用了以下缩写： <IDX>：要在对象目录中读/写的对象的索引；其中索引的 LSB 在字节 1 中。示例：控制器的状态字索引为 6041h；则字节 1 写为 41h，字节 2 写为 60h。 <SUBIDX>：对象目录中从 00h 到 FFh 的对象的子索引。 由于 SDO 类型的 CAN 消息包含大量元数据，因此 SDO 消息只能用于配置控制器。如果必须在运行操作中循环交换数据，则使用 PDO 类型的 CANopen 消息更为合理（请参见进程数据对象）。SDO 传送分为三种访问类型： "加速传送"用于传送最多四字节对象。 "正常传送"用于传送任意字节数，可对每条 CAN 消息进行单独确认。 "块传送"同样用于传送任意字节数；其中会对给定的 CAN 票证块一起进行确认。 将 SDO 消息发送至 CAN-ID 600h + 节点 ID，而由 CAN-ID 580h + 节点 ID 进行应答。 加速传送 此方法用于写入（下载）或读取（上传）对象目录中 (UN)SIGNEDS、INTEGER16 或 INTEGER32 类型对象中的值。通过确认或错误消息确认该服务，即每次访问均通过数据进行应答。 SDO 下载 用于向服务器的对象目录写入数据的加速 SDO 消息结构如下： 此处，字节<CMD>取决于要写入的数据长度。<CMD> 可以是以下任一值： 1 字节数据长度：2Fh 2 字节数据长度：2Bh 3 字节数据长度：27h 4 字节数据长度：23h <Data> 字段中填写要写入的数据；数据的 LSB 在字节 4 中。来自服务器的应答为写入操作确认或错误消息（消息结构：见下图）。对于后一种情况，会随数据一同发送错误原因（请参见SDO 错误消息章节中的 SDO 错误消息列表）。 示例： 将对象 607Ah:00h（目标位置，SIGNED32）设为节点 ID 为 3 的控制器的值 3E8h (=1000d)： 603 | 23 7A 60 00 E8 03 00 00 字节 1 (23h)：SDO 加速下载，4 字节数据 (SIGNED32) 字节 2 和 3 (7Ah 60h)：对象索引为 607Ah 字节 4 (00h)：对象子索引为 00h 字节 5 至 8 (E8h 03h 00h 00h)：对象的值：000003E8h 如果成功，则控制器响应以下消息：583 | 60 7A 60 00 00 00 00 00 SDO上传 用于从对象目录读取对象的 CAN 消息具有以下结构： 服务器将回复以下消息之一： 数据长度在应答的<CMD>中加密： 1 字节数据长度：4Fh 2 字节数据长度：4Bh 3 字节数据长度：47h 4 字节数据长度：43h 此处数据的 LSB 再次位于字节 4。 如果出现错误情况，会在数据中指明错误原因（请参见 SDO 错误消息中的SDO 错误消息列表）。 示例 要从对象目录读取"状态字"目标 (6041h:00)，发送以下消息（总是 8 个字节）就足够了： 603 | 40 41 60 00 00 00 00 00 一般控制器响应以下消息： 583 | 4B 41 60 00 40 02 00 00 其中 字节 1 (4Bh)：SDO 加速上传，2 字节数据(UNSIGNED16) 字节 2 和 3 (41h 60h)：对象索引为 6041h 字节 4 (00h)：对象子索引为 00h 字节 5 到 6 (40h 02h)：对象值：0240h 字节 7 到 8 (00h 2h)：空。SDO 消息始终包含 8 字节。 SDO 错误消息 如果出现错误情况，会在数据区域中一同发送表示错误原因的错误编号。 故障代码 说明 05030000h 切换位不变： 仅对"正常传送"或"块传送"有效。在每次传送后都会进行交替的位的状态没有改变。 05040000h 命令说明符未知：数据块的字节 0 包含不允许使用的命令。 06010000h 不支持访问：如果通过 CAN over EtherCAT (CoE) 请求"完全访问"（不支持）。 06010002h 只读条目：尝试写入常数或只读对象。 06020000h 对象不存在：尝试访问不存在的对象（索引不正确）。 06040041h 无法对对象进行 pdo 映射：尝试映射 PDO 中不允许映射的对象。 06040042h 映射 pdo 超出 pdo：如果要将所需对象附加到 PDO 映射，则将超出 PDO 映射的 8 字节。 06070012h 参数过长：尝试在对象中写入过多数据；例如，将 =23h（4 字节）写入 Unsigned8 类型对象，而 =2Fh 是正确的。 06070013h 参数过短：尝试在对象中写入过少数据；例如，将 =2Fh （1 字节）写入 Unsigned32 类型对象，=23h 是正确的。 06090011h 子索引不存在：尝试访问无效的对象子索引；但索引是存在的。 06090031h 值过大：一些对象对值的大小有限制；在这种情况下，尝试在对象中写入过大的值。例如：1003h:00 的"预定义错误字段：错误数量"对象只能设为值"0"；所有其它数值都会导致此错误。 06090032h 值过小：一些对象对值的大小有限制。在这种情况下，尝试在对象中写入过小的值。 08000000h 一般错误：不属于任何其它分类的一般错误。 08000022h 无法在此状态下读取或存储数据：只能在"停止"或"预操作"状态下更改 PDO 的参数。在"操作"状态下，不允许对以下对象进行写访问：对象 1400h 至 1407h、1600h 至 1607h、1800h 至 1807h 以及 1A00h 至 1A07h。 进程数据对象 (PDO) 仅包含进程数据的消息称为"进程数据对象"(PDO)。PDO 用于需要循环交换的数据。PDO 消息的理念是删除 CAN 消息中的所有附加信息（索引、子索引和数据长度），而仅保留 CAN 消息中的数据。PDO 的源信息和目标信息分别存储在所谓的 PDO 映射中。只有在 NMT 状态机处于"操作"状态时才能使用 PDO（请参见<link knowledge-base-article canopen-motors-controllers _top>网络管理 (NMT)）；必须在"预操作"NMT 状态下配置 PDO。控制器共支持八个独立的 PDO 映射；每条对应的 PDO 消息可包含最多八字节（= 64 位）用户数据。因此，例如，可以传送两个 UNSIGNED32 值或一个 UNSIGNED32 值和一个 UNSIGNED0B 值；消息不需要用满全部八个数据字节。发送和接收配置的配置中 PDO 又有所不同。接收配置说明了对已发送 PDO 消息的处理，发送配置说明了对待发送 PDO 消息的处理。 仅包含进程数据的消息称为"进程数据对象"(PDO)。PDO 用于需要循环交换的数据。PDO 消息的理念是删除 CAN 消息中的所有附加信息（索引、子索引和数据长度），而仅保留 CAN 消息中的数据。PDO 的源信息和目标信息分别存储在所谓的 PDO 映射中。只有在 NMT 状态机处于"操作"状态时才能使用 PDO（请参见<link knowledge-base-article canopen-motors-controllers _top>网络管理 (NMT)）；必须在"预操作"NMT 状态下配置 PDO。控制器共支持八个独立的 PDO 映射；每条对应的 PDO 消息可包含最多八字节（= 64 位）用户数据。因此，例如，可以传送两个 UNSIGNED32 值或一个 UNSIGNED32 值和一个 UNSIGNED0B 值；消息不需要用满全部八个数据字节。发送和接收配置的配置中 PDO 又有所不同。接收配置说明了对已发送 PDO 消息的处理，发送配置说明了对待发送 PDO 消息的处理。 Rx 配置 配置 RX-PDO 时必须考虑对象目录中的三个对象分类： 描述映射功能的对象。 描述映射内容的对象。 接收已收到数据的对象。 功能配置（通信参数） 第一个映射的配置存储在对象 1400h 的子索引中。第二个映射在 1401h 中配置，以此类推。在下文中，我们以 140Nh 为参考。此处，配置会影响 PDO 消息的 COB-ID 和传送类型。 对象 140Nh具有三个子索引： 子索引 0（最大子索引）：子索引总数 子索引 1 (COB-ID)：COB-ID 存储在此处。对于 PDO 映射 1-4 (1600h-1603h)，根据节点 ID 确定 CAN-ID，且只能在 COB-ID 中设定有效位（位 31）。从 1604h 至 -1607h，可以独立设定 CAN-ID（但不能被其它服务使用，请参见表格），也能独立设定有效位。COB-ID 的更改在控制器或通信重启后才会生效（请参见网络管理 (NMT)）。 映射 COB-ID 1600h 200h + 节点 ID 1601h 300h + 节点 ID 1602h 400h + 节点 ID 1603h 500h + 节点 ID 1604h XXXh + 节点 ID 1605h XXXh + 节点 ID 1606h XXXh + 节点 ID 1607h XXXh + 节点 ID 子索引 2 （传输类型）该子索引中存储的数字定义了接收到的数据生效的时间。请参见下表查看数字及相应的含义。 140Nh:02h 含义 00h-F0h 同步：数据经过缓冲，且只有在接收到下一条 SYNC 消息后才会生效并传递至对象目录。 F1h-FDh 保留 FEh,FFh 异步：数据在接收到 PDO 消息后生效并传递至对象目录。 映射内容 映射内容的配置结构如下（另请参见下图示例）： 配置对象的所有子索引都在一起。因此，1600h 及所有子索引描述第一个映射，1601h 描述第二个 RX-PDO 映射，以此类推。 子索引 00h 指定映射中的对象数量。它同时还指定多少子索引有效。如果对象 1600h:00h 被设置为 "0"，RX 映射则被完全关闭。在下图的示例中，映射了两个对象；因此，对象 1600h:03h 和 1600h:04h 处于非活动状态（显示为灰色）。 从 1600h:01h 至 1600h:0Fh 的每个子索引依次无间断地描述了一个映射目标。从而对索引、子索引和位长进行编码。下图中的示例：消息的前两个字节将写入对象 6040h:00h 中。以十六进制表示的 1600h:01h 的内容将包含 或 60400010。第二个映射 (1600h:02h) 包含条目 607A0020。因此，它可在对象 607Ah:00h 中映射后续四个字节 (=20h Bit)配置 TX 配置 配置 TX-PDO 时必须考虑对象目录中的三个对象分类： 描述映射功能的对象。 描述映射内容的对象。 接收待发送数据的对象。 另请注意，将数据复制到 TX-PDO 消息的时间和发送时间不需要一致（取决于模式）。 功能配置（通信参数） 第一个映射的功能配置存储在对象 1800h 的子索引中。第二个映射在 1801h 中配置，以此类推。在下文中，我们以 180Nh 为参考。此处，配置会影响 PDO 消息的 COB-ID 和传送类型。 对象 180Nh 有以下子索引： 子索引 0（最大子索引）：子索引总数 子索引 1 (COB-ID)：COB-ID 存储在这里。对于 PDO 映射 1-4 (1A00h-1A03h)，根据节点 ID 确定 CAN-ID，且只能在 COB-ID 中设定有效位（位 31）。从 1A04h–1A07h，可以独立设定 CAN-ID（但不能被其他服务使用，请参见表格），也能独立设定有效位。COB-ID 的更改在控制器或通信重启后才会生效（请参见网络管理 (NMT)）。 映射 COB-ID 1A00h 180h + 节点 ID 1A01h 280h + 节点 ID 1A02h 380h + 节点 ID 1A03h 480h + 节点 ID 1A04h XXXh + 节点 ID 1A05h XXXh + 节点 ID 1A06h XXXh + 节点 ID 1A07h XXXh + 节点 ID 子索引 2（传输类型）：该子索引中存储的数字定义了将数据复制到 PDO 消息的时间以及消息的发送时间。请参见下表查看数字及相应的含义。下面，我们以能够触发数据复制和/或发送的事件为参考。该事件包括三个事件，这三个事件可视为相互独立： - NMT 状态机切换为“操作”。 - 当前数据已根据上条 PDO 消息发生更改。 -事件计时器已过期（请参见 180Nh:5）。 如果使用事件计时器，则对它的处理与更改无关；事件计时器在当前事件计时器过期后才会重启，而不是基于另一个事件。 180Nh:02h 含义 0 同步（非循环）：收到 SYNC 时会立即将数据复制到 TX-PDO，但在事件发生时才会发送数据。 01h-F0h 同步（循环）：收到第 n 条 SYNC 消息时会立即复制数据，随后立即发送数据（n 对应数字 1 到 240，传输类型“1”在每次 SYNC 时都会发送新数据）。 F1h-FBh 保留 FCh 仅 RTR（同步）：收到每条 SYNC 消息时都会立即复制数据，但仅在通过 RTR 消息进行请求时才会发送数据。 FDh 仅 RTR（事件驱动）：收到 RTR 消息时立即将数据复制到 TX-PDO 消息，随后立即发送数据。 FEh,FFh 事件到达时复制数据，并立即发送数据。 子索引 3（抑制时间）：该子索引包含一个时间锁（见下图）。这可用于设置发送 PDO 后必须经过的时间，然后才能再次发送 PDO。该时间仅适用于异步 PDO。这是为了防止在映射对象不断变化的情况下连续发送 PDO。 子索引 4（兼容项）：该子索引没有功能，仅是为了兼容性而存在。 子索引 5（事件计时器）：该时间可用于触发处理数据复制和 PDO 发送的事件。 子索引 6（同步起始值）：在此输入同步计数器的起始值，从站从该起始值开始响应同步并发送 PDO。只有在 1019h 同步计数器溢出值中设置大于 1 的值后才能全局激活。 映射内容 映射内容的配置结构如下（另请参见下图示例）： 配置对象的所有子索引都在一起。因此，1A00h 及所有子索引描述第一个映射，1A01h 描述第二个 TX-PDO 映射，以此类推。 子索引 00 指定映射中的对象数量。它同时还指定多少子索引有效。如果对象 1A00h:00h 被设置为 "0"，TX 映射则被完全关闭。在以下示例中，在条目 1A00h:01h – 1A00h:02h 中映射了两个对象 - 因此，没有映射条目 1A00h:03h – 1A00h:04h 中的对象（显示为灰色）。 从 1A00h:01h 到 1A00h:0Fh 的每个子索引分别依次无间断地（可为间隔使用虚拟对象）描述了一个映射源。从而对索引、子索引和位长进行编码。下图中的示例：将从对象 6041h:00h 读取消息的前两个字节。以十六进制表示的 1A00h:01h 的内容将包含 ，或 60410010。第二个映射 (1A00h:02h) 包含条目 60640020。因此，它可从对象 6064h:00h 映射 TX-PDO 消息中的后续四个字节（对应于 32 位）。 Boot-Up 协议 如果 CAN 从站达到“预操作”NMT 状态（见下图），则将发送以下消息表示操作准备就绪。 该服务未经确认；无响应。 心跳和节点保护 通过“心跳”和“节点保护”服务（通常也称为“寿命保护”），可检测 CAN 总线上已关闭或挂起的设备。为此，NMT 主站将循环请求包含从站当前 NMT 状态的消息（节点保护）。另一种方式是每个从站自发循环地发送消息（心跳）。不允许组合使用节点保护和心跳。此外，还建议为心跳设置高于节点保护的优先级，因为节点保护会导致 CAN 总线的负载较高。 节点保护 该服务所依据的原理是 NMT 主站可向相应的从站发送包含 CAN-ID 700h + 节点 ID 的 RTR 消息。随后从站必须发送消息进行响应；此消息结构如下。其中位 7 在每次传送时都会进行交替，从而能够确定消息是否丢失。在位 6 到 0 中输入从站当前的 NMT 状态。 对于节点保护，存在三个时间间隔（另请参见下图）： 保护时间：两条 RTR 消息之间的之间。每个 CAN 节点可能具有不同的保护时间，保护时间存储在从站的对象 100Ch:00 中（单位：毫秒） 生存时间因数：保护时间的倍数；存储在 CAN 从站的对象 1 00Dh:00 中，CAN 总线上每个从站可能具有不同的生存时间因数。 可能的生存时间：保护时间乘以生存时间因数所得出的时间。 在节点保护期间会检查以下条件： NMT 主站必须在“可能的生存时间”内发送 RTR 请求。从站必须在“可能的生存时间”内发送对 RTR 请求的响应。从站的响应必须包含其 NMT 状态。此外，还必须正确设置“切换位”。 心跳 如果激活心跳，从站将自发循环地将其 NMT 状态发送至 CAN 总线。可通过将对象 1017h:00h 中的创建者心跳时间时间设为非零值，从而激活该服务。从站发送的消息格式如下： 从站必须在心跳使用者时间内发送心跳消息。该时间只有主站知道，且不会存储在控制器中。如果两个功能均已禁用，或者再次在正确的时间内发送心跳，则将重置在此监测过程中发生的错误。
