工业控制：CANOpen（控制器局域网络）协议快速学习

文章目录

背景
协议介绍
- CAN总线协议
- CANOpen协议介绍
- - CANOpen诞生背景
  - CANOpen的对象字典
- CANOpen的服务数据对象（SDO）
参考
附录问题
- CAN总线竞争原理
- 在CAN协议中，帧中的ID是发送者的ID还是接收者的ID？

背景

目前很多CANOpen介绍的文章比较繁琐，讲很多历史由来，虽然更方便读者了解原委，但对于快速上手是不合适的。
本文简单直接，默认大家都熟悉CAN协议，在此基础上快速对CANOpen协议进行学习。

协议介绍

CAN总线协议

CAN是差分总线通信，包括H和L两根线，当二者电压相同时称为隐性表示数据1，电压不同时称为显性表示数据0。空闲状态时，总线上为隐性，只要有一个节点表现为显性，总线电平就会被拉到显性。
CAN协议在通信时，采用数据帧的格式进行通信。帧格式有数据帧、遥控帧等类型，最常见的是数据帧。其格式如下：
在节点A向B发数据时，首先A发送0帧起始位SOF，表示自己要发送数据了。当数据发送完毕时，发送连续的7位1代表帧结束标志EOF。因此，节点的ID不能设置为高7位全是1，否则会被当做帧结束标志直接结束传输。
在CAN网络中，每个消息都有自己的地址，称为ID（注意：ID并不是说节点的地址，而是消息的ID，具体可以看附录内容）。ID不仅用于标识不同的消息内容，还牵扯到优先级，当多个节点同时发起SOF请求时，ID值越小的优先级越高，具体竞争原理参考本文后部分。
早期的CAN数据帧的ID为11位，后来不够用扩展到了29位，因此前者称为标准数据帧，后者称为扩展数据帧，其差别只有仲裁段的ID长度不同。
发送完ID之后，发送RTR位，用于分辨该帧是数据帧（RTR为0）还是遥控帧（RTR为1）。对于后来才提出来的扩展帧，由于想兼容老的标准帧格式，因此也发送数据帧和遥控帧标志，该位记为SRR，用于实现和RTR一样的功能。
扩展帧发送完SRR位之后，会多发一位IDE位，用于表示该帧是标准帧还是扩展帧。接收端不知道要接收的帧是标准帧还是扩展帧，在接收完11位ID和1位的RTR之后，会认为进入标准帧的控制段了，标准帧控制段第一位是IDE，如果该位为0，则认为是标准帧没错，后面跟着的就是r0保留位和数据长度标识DLC（4位）。
而如果接收到IDE位是1，接收端就知道接收的帧不是标准帧，而是扩展帧，接着就会再接收18位的扩展ID，接着再接收RTR，然后是2个保留位和4个DLC位。
在控制段接收完之后，开始接收数据段。数据段最长是8个字节。
接着就接收CRC校验段。CRC校验段会对从帧起始位到数据位的数据进行校验，结果为15位的CRC值，为了界定出CRC值所在地方，会在15位的CRC后追加1位CRC界定符逻辑1，最终一起组成16位的CRC校验位。
接着就是ACK段。ACK段时，发送方发送隐形电平1，如果接收方前面的信息接收正确，则需要在此期间发送线性电平0。这期间称为ACK槽，然后是1个隐形电平的ACK分界符。
最后，是帧结束标志，由7个隐形电平1组成，帧通信完成。

CANOpen协议介绍

CANOpen诞生背景

上述的CAN协议，定义了物理层的高低电平，也定义了数据链路层的帧结构，而直接通过总线连在了一起也不需要传输层和网络层，因此对于应用CAN协议时，只需要制定应用层协议就可以了。
由于不同家有不同的CAN应用层协议，而近年来的需求则是不同家的CAN设备可以有一个统一的协议，向USB那样接入就可以使用，因此诞生了CANOpen。
CANopen是一种基于CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线的高层协议，主要用于嵌入式系统的网络化通信。它最初由CiA（CAN in Automation）组织开发，广泛应用于工业自动化、医疗设备、建筑自动化和其他嵌入式系统领域。
CANOpen主要通过对象字典和配置文件实现协议的通用性。

CANOpen的对象字典

对象字典（Object Dictionary）是CANopen协议中一个关键的概念。它是一个数据结构，用于描述和存储设备的所有通信和配置参数。每个CANopen设备都有一个独立的对象字典，在支持CANOpen的设备上，通过修改对象字典的参数，就可以对该设备进行配置，类似于常见的传感器中寄存器。
对象字典中的条目通过16位索引和8位子索引进行标识。如下是一个对象字典的实例：

Index    | Sub-Index | Name             | Type       | Value
-------------------------------------------------------------
1000h    | 0         | Device Type      | Unsigned32 | 0x00000001
1001h    | 0         | Error Register   | Unsigned8  | 0x00
1018h    | 0         | Identity Object  |            || 1         | Vendor ID        | Unsigned32 | 0x00000123| 2         | Product Code     | Unsigned32 | 0x00004567| 3         | Revision Number  | Unsigned32 | 0x00000001| 4         | Serial Number    | Unsigned32 | 0x00000000

Index是索引，由2个字节组成。Sub-Index是子类型，由1个字节组成。
在上述实例中，索引1000h是设备类型。
索引1018h是身份对象，包含的子类型有：厂商ID、产品代码、版本号和序列号。
对象字典可以根据自己的设备需要进行自定义。CANopen协议定义了一组所有设备上标准化的对象字典条目，用于常见的设备功能。这些标准条目确保了不同设备之间的互操作性。以下是一些常见的标准对象字典条目：

0x1000-0x1FFF：通信配置参数0x1000：设备类型0x1001：错误寄存器0x1018：身份对象（包含厂商ID、产品代码等）
0x2000-0x5FFF：应用对象
0x2000-0x27FF：设备配置参数
0x2800-0x28FF：输入PDO映射
0x2900-0x29FF：输出PDO映射

除了标准条目，用户可以根据具体应用需求定义自定义对象字典条目。这些条目通常放在标准范围之外，以避免冲突。例如：

0x6000-0x9FFF：用户自定义参数0x6000：自定义传感器数据0x7000：自定义控制参数

在CANOpen进行通信传输时，由专门的通信对象来访问和传输对象字典中的数据。通信对象包括服务数据对象（SDO）和过程数据对象（PDO）。

CANOpen的服务数据对象（SDO）

服务数据对象（Service Data Object，SDO）是CANOpen中用于在设备之间传输配置数据和参数的重要机制。SDO主要用于点对点的数据传输，允许设备请求和发送对象字典中的数据。它的关键特征包括：

用途：用于设备配置、参数设置和诊断。单向和双向：可以是客户端-服务器模式的单向传输（SDO客户端请求数据或设置数据），
也可以是双向传输（SDO服务器响应请求或确认传输）。通信：通过CAN总线发送，使用11位的标准或29位的扩展帧格式。

SDO帧的格式规定如下：
- 1、SDO请求帧：
  - CAN标识符：11位标识符，格式为0x600 + 节点ID。
  - 数据字段：8字节数据字段，其中包含以下信息：
    - 命令字节：指示SDO命令类型（如读取、写入等）。
    - 索引：16位对象字典索引。
    - 子索引：8位对象字典子索引。
    - 数据：具体的数据内容（长度可变）。
- 2、SDO响应帧：
  - CAN标识符：11位标识符，格式为0x580 + 节点ID。
  - 数据字段：8字节数据字段，与SDO请求帧类似，但包含响应数据或确认信息。
例如，当需要修改或读取CANOpen设备中对象字典的某个条目时，我们可以通过SDO来实现。过程如下：
- 示例：以下是一个SDO读请求帧的示例，假设读取索引为0x1018（身份对象）子索引为0x01（厂商ID）：
  - CAN标识符：0x600 + 节点ID（假设节点ID为1，则标识符为0x601）。
  - 数据字段：
    - 命令字节：0x40（表示读取命令）。
    - 索引：0x18 0x10（表示对象字典索引0x1018）。
    - 子索引：0x01（表示子索引0x01）。
    - 数据：0x00 0x00 0x00 0x00（保留字段）。
- 在上述SDO格式下，实际通过CAN协议发出去的8字节数据帧如下：
```
CAN帧：
ID: 0x601
Data: 0x40 0x18 0x10 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00
```
- 如果设备响应这个请求，响应帧可能如下：
  - CAN标识符：0x580 + 节点ID（假设节点ID为1，则标识符为0x581）。
  - 数据字段：
    - 命令字节：0x43（表示读取响应）。
    - 索引：0x18 0x10（表示对象字典索引0x1018）。
    - 子索引：0x01（表示子索引0x01）。
    - 数据：0x23 0x01 0x00 0x00（表示厂商ID为0x00000123）。
- 对应的响应CAN帧如下：
```
   CAN帧：ID: 0x581Data: 0x43 0x18 0x10 0x01 0x23 0x01 0x00 0x00
```

参考

一文读懂CAN
CAN协议

附录问题

CAN总线竞争原理

在节点发送自己的ID时，会一边输出自己的ID到总线上，一边测量总线上的电平是不是自己输出的电平。如果不是，则认为此时有其他的节点也在竞争，且ID优先级比自己高，自己就立即停止发送。
过程如下：
当ID相同时，会继续比较RTR位。由于数据帧的RTR位为0，遥控帧的RTR位为1，因此ID相同的数据帧优先级高于遥控帧。