CANopen協(xié)議興起于歐洲，現(xiàn)階段在歐洲特別是工業(yè)發(fā)達(dá)的德國幾乎所有的設(shè)備都提供CANopen的支持，我國工業(yè)還相對的落后，正處在引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備的階段，這就要求我們懂得CANopen通信協(xié)議，同時能夠利用CANopen設(shè)備正確的組建一個適合特定應(yīng)用的CANopen網(wǎng)絡(luò)。CANopen的多種數(shù)據(jù)傳輸方式為各種應(yīng)用提供優(yōu)異的解決方案，普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與傳輸、電機(jī)控制、汽車電子、電池充電控制以及紡織等行業(yè)。

1. CANopen從站/主站特點

具有網(wǎng)絡(luò)管理(Network Management：簡稱NMT)主機(jī)功能的設(shè)備通常被稱為CANopen主站設(shè)備，通常也具有服務(wù)數(shù)據(jù)(Service Date Object：簡稱SDO)客戶端功能。反之具有網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)從機(jī)功能的設(shè)備通常被稱為CANopen從站設(shè)備，且其必須具備有服務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)器功能。這樣CANopen主站設(shè)備就可以控制從站以及讀寫CANopen從站設(shè)備的對象字典。

(1) CANopen從站特性

CANopen從站在CANopen網(wǎng)絡(luò)中擁有唯一的節(jié)點地址，并且能獨立完成特定的功能，例如數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制等等。對實時性要求高的數(shù)據(jù)，通常通過實時數(shù)據(jù)過程(Process Data Object：簡稱PDO)進(jìn)行傳輸，因此CANopen從站應(yīng)當(dāng)支持一定數(shù)量的PDO傳輸功能。根據(jù)CANopen協(xié)議DS301 V4.02的定義，每個從站都預(yù)定義了4個TPDO(Transmit Process Data Object：簡稱TPDO)和4個RPDO(Receive Process Data Object)，另外從站也應(yīng)具有節(jié)點/壽命保護(hù)或心跳報文以及生產(chǎn)緊急報文等功能。每個CANopen從站都應(yīng)有一個對象字典，描述了從站所具有的應(yīng)用參數(shù)和通信參數(shù)。

(2) CANopen主站特性

CANopen主站在網(wǎng)絡(luò)所起的作用有別于CANopen從站，通常CANopen主站在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、從站參數(shù)配置以及從站數(shù)據(jù)的處理，其并不一定具有特定的功能，但也有自己的對象字典和唯一的節(jié)點地址。

2. CANopen網(wǎng)絡(luò)組建

由于CANopen是基于CAN總線的一種應(yīng)用層協(xié)議，因此其網(wǎng)絡(luò)組建與CAN總線一致，典型的總線型結(jié)構(gòu)，從站和主站都掛接在該總線上即可，在一個CANopen網(wǎng)絡(luò)中只能有一個主站設(shè)備和若干個從站設(shè)備同時工作。CANopen網(wǎng)絡(luò)布線時選用帶屏蔽雙絞線，提高總線抗干擾能力。表 1所示為CAN通信波特率與總線長度的關(guān)系。注意網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點的支線長度不易過長，波特率大于100Kbps的情況下，支線總長度不應(yīng)大于30m，單個節(jié)點的支線也不應(yīng)大于60cm。

表1 總線長度與波特率關(guān)系

(1)基本的CANopen網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1 CANopen基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖 1所示為CANopen網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中有一個CANopen主站，負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)中的所有從站，每個設(shè)備都有一個獨立的節(jié)點地址(NodeID)。從站與從站之間也能建立通信，通常需要事先對各個從站進(jìn)行配置，使各個從站之間能夠建立起獨立的PDO通信。

(2) 復(fù)雜的CANopen網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 帶網(wǎng)關(guān)設(shè)備的CANopen網(wǎng)絡(luò)

圖 3所示為帶有網(wǎng)關(guān)設(shè)備的CANopen網(wǎng)絡(luò)，與基本的CANopen網(wǎng)絡(luò)相比，該網(wǎng)絡(luò)中增加了一個CANopen網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以是CANopen轉(zhuǎn)DeviceNet、Profibus、Modbus或其它的設(shè)備。在CANopen網(wǎng)絡(luò)中，我們也可把該網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為一個從站設(shè)備或者是CANopen主站設(shè)備。

3. CANopen網(wǎng)絡(luò)中從站的配置

CANopen從站設(shè)備在出廠時都設(shè)定有默認(rèn)參數(shù)，并且這些參數(shù)都與節(jié)點地址綁定，例如實時數(shù)據(jù)傳輸PDO，其預(yù)定義連接集定義了其默認(rèn)的參數(shù)有4個TPDO和4個RPDO，其COB-ID(Communication Object -ID)如表 2所示。在一些應(yīng)用簡單的場合只需要采用默認(rèn)設(shè)置即可進(jìn)行正常通信，但對于一些應(yīng)用比較復(fù)雜的場合，則需要對從站進(jìn)行相應(yīng)的配置，最常見的配置參數(shù)有PDO的COB-ID、PDO映射參數(shù)、以及節(jié)點/壽命保護(hù)等參數(shù)。

表2 PDO預(yù)定義鏈接

CANopen網(wǎng)絡(luò)中，對從站的參數(shù)配置或獲取都是通過SDO進(jìn)行傳輸，因此從站和主站都必須支持SDO傳輸才能進(jìn)行正常的配置。為了快速配置從站設(shè)備，在配置從站之前通過NMT使整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入到預(yù)操作狀態(tài)。

(1) 通信參數(shù)配置

CANopen設(shè)備的通信參數(shù)包括PDO的COB-ID、傳輸類型、禁止時間以及映射參數(shù)等。其參數(shù)配置順序如圖 3所示。

圖3 通信參數(shù)配置順序

在配置PDO的通信參數(shù)時，首先禁止PDO通信，根據(jù)DS301 V4.02的定義，當(dāng)COB-ID的最高位(第31位)為1時即可禁止該PDO通信，禁止PDO通信操作示例如圖 4所示。需要注意的是只有在PDO禁止的情況下，相應(yīng)的傳輸類型、映射參數(shù)以及COB-ID的值才能被改變，否則試圖以任何方式去更改都會出現(xiàn)錯誤。

(2)其它參數(shù)的配置

除了通信相關(guān)的參數(shù)之外，CANopen設(shè)備還有一些與安全相關(guān)的參數(shù)，例如節(jié)點/壽命保護(hù)或者心跳報文。根據(jù)DS301 V4.02的定義，同一個CANopen從站中只可能使用節(jié)點/壽命保護(hù)或心跳報文的一種。節(jié)點/壽命保護(hù)可以實現(xiàn)雙向保護(hù)，即主站可監(jiān)控從站的狀態(tài)，而從站也可監(jiān)控主站是否在線。心跳報文只是一種單向的保護(hù)機(jī)制，心跳報文的消費者可以監(jiān)控到心跳報文生產(chǎn)者的狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載較大的情況下，建議使用心跳報文的保護(hù)機(jī)制來減輕總線負(fù)載。

圖4 禁止PDO通信方法

(3)配置從站與從之間的通信

CANopen網(wǎng)絡(luò)中從站與從站可以直接進(jìn)行PDO通信而不需要主站的參與，這樣就提高了實時數(shù)據(jù)的實時性。將接收從站RPDO的COB-ID更改為發(fā)送從站TPDO的COB-ID，這樣就建立了兩個從站之間了PDO通信，在通信過程中也不需要主站的任何干預(yù)。表 3所示。

表3 從站與從站通信COB-ID配置

4. 結(jié)語

根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境可選用不同的線纜來組建CANopen網(wǎng)絡(luò)，在CANopen網(wǎng)絡(luò)的布置方面，需要了解線纜的阻抗、容抗、信號延時等來匹配總線的終端電阻，減少由于信號衰減或反射而導(dǎo)致總線工作異常。從而組建一個抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的CANopen網(wǎng)絡(luò)。

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