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 motor - brushless dc motor and stepper motor

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)
080_h	同步对象	章节同步对象 (SYNC)
080_h+节点 lD	紧急事件	章节紧急事件 (EMCY)
180_h+节点 lD	TX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
200_h+节点 ID	RX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
280_h+节点 ID	TX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
300_h+节点 ID	RX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
380_h+节点 ID	TX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
400_h+节点 ID	RX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
480_h+节点 ID	TX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
500_h+节点 ID	RX 进程数据对象 (PDO)	章节进程数据对象 (PDO)
580_h+节点 ID	TX 服务数据对象 (SDO)	章节服务数据对象 (SDO)
600_h+节点 ID	RX 服务数据对象 (SDO)	章节服务数据对象 (SDO)
700_h+节点 ID	BOOT-UP 协议	章节 Boot-Up 协议
700_h+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：

NMT Message | CANopen Controller / Drive, Motor | NANOTEC

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
01_h	切换到 "操作"状态
02_h	切换到"停止"状态
80_h	切换到"预操作"状态
81_h	重置节点
82_h	重置通讯

<Node-ID> 的值可为 00_h；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。

CAN-SYNC Operation - 4 Phases | CANopen communication cycle period, synchronous window length

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 80_h+节点 ID 发送。紧急事件消息的结构如下：

Emergency Object (EMCY) | CANopen Protocol | NANOTEC

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 (1001_h) 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 (1003_h: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 6041_h；则字节 1 写为 41_h，字节 2 写为 60_h。
<SUBIDX>：对象目录中从 00_h 到 FF_h 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 600_h + 节点 ID，而由 CAN-ID 580_h + 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：

SDO Download, Expedited Transfer | CANopen | NANOTEC

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：2F_h
2 字节数据长度：2B_h
3 字节数据长度：27_h
4 字节数据长度：23_h

<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）。

SDO Download, Request Confirmation | CANopen | NANOTEC

示例：
将对象 607A_h:00_h（目标位置，SIGNED32）设为节点 ID 为 3 的控制器的值 3E8_h (=1000_d)： 603 | 23 7A 60 00 E8 03 00 00

字节 1 (23_h)：SDO 加速下载，4 字节数据 (SIGNED32)
字节 2 和 3 (7A_h 60_h)：对象索引为 607A_h
字节 4 (00_h)：对象子索引为 00_h
字节 5 至 8 (E8_h 03_h 00_h 00_h)：对象的值：000003E8_h

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：

SDO Upload, Expedited Transfer | CANopen | NANOTEC

服务器将回复以下消息之一：

SDO Upload, Request Confirmation | CANopen | NANOTEC

数据长度在应答的<CMD>中加密：

1 字节数据长度：4F_h
2 字节数据长度：4B_h
3 字节数据长度：47_h
4 字节数据长度：43_h

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 (6041_h: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 (4B_h)：SDO 加速上传，2 字节数据(UNSIGNED16)
字节 2 和 3 (41_h 60_h)：对象索引为 6041_h
字节 4 (00_h)：对象子索引为 00_h
字节 5 到 6 (40_h 02_h)：对象值：0240_h
字节 7 到 8 (00_h 2_h)：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
05030000_h	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。
05040000_h	命令说明符未知：数据块的字节 0 包含不允许使用的命令。
06010000_h	不支持访问：如果通过 CAN over EtherCAT (CoE) 请求"完全访问"（不支持）。
06010002_h	只读条目：尝试写入常数或只读对象。
06020000_h	对象不存在：尝试访问不存在的对象（索引不正确）。
06040041_h	无法对对象进行 pdo 映射：尝试映射 PDO 中不允许映射的对象。
06040042_h	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。
06070012_h	参数过长：尝试在对象中写入过多数据；例如，将 =23_h（4 字节）写入 Unsigned8 类型对象，而 =2F_h 是正确的。
06070013_h	参数过短：尝试在对象中写入过少数据；例如，将 =2F_h （1 字节）写入 Unsigned32 类型对象，=23_h 是正确的。
06090011_h	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。
06090031_h	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：1003_h: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。
06090032_h	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。
08000000_h	一般错误：不属于任何其它分类的一般错误。
08000022_h	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 1400_h 至 1407_h、1600_h 至 1607_h、1800_h 至 1807_h 以及 1A00_h 至 1A07_h。

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 1401_h 中配置，以此类推。在下文中，我们以 140N_h 为参考。此处，配置会影响 PDO 消息的 COB-ID 和传送类型。对象 140N_h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 (1600_h-1603_h)，根据节点 ID 确定 CAN-ID，且只能在 COB-ID 中设定有效位（位 31）。从 1604_h 至 -1607_h，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
1600_h	200_h + 节点 ID
1601_h	300_h + 节点 ID
1602_h	400_h + 节点 ID
1603_h	500_h + 节点 ID
1604_h	XXX_h + 节点 ID
1605_h	XXX_h + 节点 ID
1606_h	XXX_h + 节点 ID
1607_h	XXX_h + 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。

140N_h:02_h	含义
00_h-F0_h	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。
F1_h-FD_h	保留
FE_h,FF_h	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，1600_h 及所有子索引描述第一个映射，1601_h 描述第二个 RX-PDO 映射，以此类推。
子索引 00_h 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 1600_h:00_h 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 1600_h:03_h 和 1600_h:04_h 处于非活动状态（显示为灰色）。
从 1600_h:01_h 至 1600_h:0F_h 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 6040_h:00_h 中。以十六进制表示的 1600_h:01_h 的内容将包含

或 60400010。第二个映射 (1600h:02_h) 包含条目 607A0020。因此，它可在对象 607A_h:00_h 中映射后续四个字节 (=20_h

Bit)配置

CANopen Mapping | RX-PDO Message | NANOTEC

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 1800_h 的子索引中。第二个映射在 1801_h 中配置，以此类推。在下文中，我们以 180N_h 为参考。此处，配置会影响 PDO 消息的 COB-ID 和传送类型。

对象 180N_h 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 (1A00_h-1A03_h)，根据节点 ID 确定 CAN-ID，且只能在 COB-ID 中设定有效位（位 31）。从 1A04_h–1A07_h，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
1A00_h	180_h + 节点 ID
1A01_h	280_h + 节点 ID
1A02_h	380_h + 节点 ID
1A03_h	480_h + 节点 ID
1A04_h	XXX_h + 节点 ID
1A05_h	XXX_h + 节点 ID
1A06_h	XXX_h + 节点 ID
1A07_h	XXX_h + 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 180N_h: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。

180N_h:02_h	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。
01_h-F0_h	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）。
F1_h-FB_h	保留
FC_h	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。
FD_h	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。
FE_h,FF_h	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 1019_h 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，1A00_h 及所有子索引描述第一个映射，1A01_h 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 1A00_h:00_h 被设置为 "0"，TX 映射则被完全关闭。在以下示例中，在条目 1A00_h:01_h – 1A00_h:02_h 中映射了两个对象 - 因此，没有映射条目 1A00_h:03_h – 1A00_h:04_h 中的对象（显示为灰色）。
从 1A00_h:01_h 到 1A00_h:0F_h 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 6041_h:00_h 读取消息的前两个字节。以十六进制表示的 1A00_h:01_h 的内容将包含，或 60410010。第二个映射 (1A00_h:02_h) 包含条目 60640020。因此，它可从对象 6064_h:00_h 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。