CANOPEN协议详情详解.docx

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CANOPEN协议详情详解

一、CAN-BUS介绍

1．CAN的基本概念、特点

CAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO*1国际标准化的串行通信协议。

CAN协议如表3所示涵盖了ISO规定的OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层。

CAN协议中关于ISO/OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层，具体有哪些定义如图所示。

.ISO/OSI基本参照模型

ISO/OSI基本参照模型

各层定义的主要项目

软件控制

7层：

应用层

由实际应用程序提供可利用的服务。

6层：

表示层

进行数据表现形式的转换。

如：

文字设定、数据压缩、加密等的控制

5层：

会话层

为建立会话式的通信，控制数据正确地接收和发送。

4层：

传输层

控制数据传输的顺序、传送错误的恢复等，保证通信的品质。

如：

错误修正、再传输控制。

3层：

网络层

进行数据传送的路由选择或中继。

如：

单元间的数据交换、地址管理。

硬件控制

2层：

数据链路层

将物理层收到的信号（位序列）组成有意义的数据，提供传输错误控制

等数据传输控制流程。

如：

访问的方法、数据的形式。

通信方式、连接控制方式、同步方式、检错方式。

应答方式、通信方式、包（帧）的构成。

位的调制方式（包括位时序条件）。

1层：

物理层

规定了通信时使用的电缆、连接器等的媒体、电气信号规格等，以实现

设备间的信号传送。

如：

信号电平、收发器、电缆、连接器等的形态。

【注】*1OSI：

OpenSystemsInterconnection（开放式系统间互联）

CAN的特点

CAN协议具有以下特点。

（1）多主控制

在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。

最先访问总线的单元可获得发送权。

（2）消息的发送

在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送。

总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。

两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier以下称为ID）决定优先级。

ID并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。

两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。

仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

（3）系统的柔软性

与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。

因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

（4）通信速度

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。

在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。

即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。

不同网络间则可以有不同的通信速度。

（5）远程数据请求

可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。

（6）错误检测功能·错误通知功能·错误恢复功能

所有的单元都可以检测错误（错误检测功能）。

检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能）。

正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。

强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

（7）故障封闭

CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。

由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

（8）连接

CAN总线是可同时连接多个单元的总线。

可连接的单元总数理论上是没有限制的。

但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。

降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

2.CAN协议及标准规格

2.1ISO标准化的CAN协议

CAN协议经ISO标准化后有ISO11898标准和ISO11519-2标准两种。

ISO11898和ISO11519-2标准对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。

（1）关于ISO11898

ISO11898是通信速度为125kbps-1Mbps的CAN高速通信标准。

目前，ISO11898追加新规约后，成为ISO11898-1新标准。

（2）关于ISO11519

ISO11519是通信速度为125kbps以下的CAN低速通信标准。

ISO11519-2是ISO11519-1追加新规约后的版本。

【注】*1通信速度

通信速度根据系统设定。

*2总线长度

总线的长度根据系统设定。

通信速度和最大总线长度的关系如下图所示。

CAN收发器根据两根总线（CAN_High和CAN_Low）的电位差来判断总线电平。

总线电平分为显性电平和隐性电平两种。

总线必须处于两种电平之一。

总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平为“0”，隐性电平为“1”。

物理层的特征如下图所示。

ISO11898、ISO11519-2的物理层特征

2.2CAN和标准规格

不仅是ISO，SAE（SocietyofAutomotiveEngineers）等其它的组织、团体、企业也对CAN协议进行了标准化。

基于CAN的各种标准规格如表6所示面向汽车的通信协议以通信速度为准进行了分类。

表6.CAN协议和标准规格

名称

波特率

规格

适用领域

SAEJ1939-11

250k

双线式、屏蔽双绞线

卡车、大客车

SAEJ1939-12

250k

双线式、屏蔽双绞线、12V

供电

农用机械

SAEJ2284

500k

双线式、双绞线（非屏蔽）

汽车

（高速：

动力、传动系统）

SAEJ24111

33.3k、83.3k

单线式

汽车

（低速：

车身系统）

NMEA-2000

62.5k、125k、250k、

500k、1M

双线式、屏蔽双绞线

供电

船舶

DeviceNet

125k、250k、500k

双线式、屏蔽双绞线

24V供电

工业设备

CANopen

10k、20k、50k、125k、

250k、500k、800k、1M

双线式、双绞线

可选（屏蔽、供电）

工业设备

SDS

125k、250k、500k、1M

双线式、屏蔽双绞线

可选（供电）

工业设备

3.CAN协议帧发送细节

3.1帧的种类

通信是通过以下5种类型的帧进行的。

•数据帧

•遥控帧

•错误帧

•过载帧

•帧间隔

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。

标准格式有11个位的标识符（Identifier:

以下称ID），

扩展格式有29个位的ID。

各种帧的用途如表所示。

帧的种类及用途

帧

帧用途

数据帧

用于发送单元向接收单元传送数据的帧。

遥控帧

用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧。

错误帧

用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。

过载帧

用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。

帧间隔

用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。

3.2数据帧

数据帧由7个段构成。

数据帧的构成如图所示。

（1）帧起始

表示数据帧开始的段。

（2）仲裁段

表示该帧优先级的段。

（3）控制段

表示数据的字节数及保留位的段。

（4）数据段

数据的内容，可发送0～8个字节的数据。

（5）CRC段

检查帧的传输错误的段。

（6）ACK段

表示确认正常接收的段。

（7）帧结束

表示数据帧结束的段。

下面对帧的构成进行说明。

数据帧的构成

（1）帧起始（标准、扩展格式相同）

表示帧开始的段。

1个位的显性位。

数据帧（帧起始）

总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。

总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1”。

“显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。

并且，“隐性”具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。

（显性电平比隐性电平更强。

）

（2）仲裁段

表示数据的优先级的段。

标准格式和扩展格式在此的构成有所不同。

数据帧（仲裁段）

【注】ID

标准格式的ID有11个位。

从ID28到ID18被依次发送。

禁止高7位都为隐性。

（禁止设定：

ID=1111111XXXX）

扩展格式的ID有29个位。

基本ID从ID28到ID18，扩展ID由ID17到ID0表示。

基本ID和

标准格式的ID相同。

禁止高7位都为隐性。

（禁止设定：

基本ID=1111111XXXX）

（3）控制段

控制段由6个位构成，表示数据段的字节数。

标准格式和扩展格式的构成有所不同。

数据帧（控制段）

【注】*1保留位（r0、r1）

保留位必须全部以显性电平发送。

但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。

*2数据长度码（DLC）

数据长度码与数据的字节数的对应关系如表8所示。

数据的字节数必须为0～8字节。

但接收方对DLC=9～15的情况并不视为错误。

数据长度码和字节数的关系

（4）数据段（标准、扩展格式相同）

数据段可包含0～8个字节的数据。

从MSB（最高位）开始输出。

（5）CRC段（标准/扩展格式相同）

CRC段是检查帧传输错误的帧。

由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符（用于分隔的位）构成。

【注】CRC顺序

CRC顺序是根据多项式生成的CRC值，CRC的计算范围包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段。

接收方以同样的算法计算CRC值并进行比较，不一致时会通报错误。

（6）ACK段

ACK段用来确认是否正常接收。

由ACK槽（ACKSlot）和ACK界定符2个位构成。

【注】*1发送单元的ACK段

发送单元在ACK段发送2个位的隐性位。

*2接收单元的ACK段

接收到正确消息的单元在ACK槽（ACKSlot）发送显性位，通知发送单元正常接收结束。

这称作“发送ACK”或者“返回ACK”。

发送ACK的是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元发送单元不发送ACK。

所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC错误的消息。

3.3遥控帧

接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧。

遥控帧由6个段组成。

遥控帧没有数据帧的数据段。

遥控帧的构成如图所示。

（1）帧起始（SOF）

表示帧开始的段。

（2）仲裁段

表示该帧优先级的段。

可请求具有相同ID的数据帧。

（3）控制段

表示数据的字节数及保留位的段。

（4）CRC段

检查帧的传输错误的段。

（5）ACK段

表示确认正常接收的段。

（6）帧结束

表示遥控帧结束的段。

遥控帧的构成

•数据帧和遥控帧的不同

遥控帧的RTR位为隐性位，没有数据段。

没有数据段的数据帧和遥控帧可通过RTR位区别开来。

•遥控帧没有数据段，数据长度码该如何表示？

遥控帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。

•没有数据段的数据帧有何用途？

例如，可用于各单元的定期连接确认/应答、或仲裁段本身带有实质性信息的情况下。

3.4错误帧

用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。

错误帧由错误标志和错误界定符构成。

错误帧的构成如图所示。

（1）错误标志

错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。

主动错误标志：

6个位的显性位。

被动错误标志：

6个位的隐性位。

（2）错误界定符

错误界定符由8个位的隐性位构成。

3.5过载帧

过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。

过载帧由过载标志和过载界定符构成。

过载帧的构成如图所示。

（1）过载标志

6个位的显性位。

过载标志的构成与主动错误标志的构成相同。

（2）过载界定符

8个位的隐性位。

过载界定符的构成与错误界定符的构成相同。

3.6帧间隔

帧间隔是用于分隔数据帧和遥控帧的帧。

数据帧和遥控帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。

过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。

帧间隔的构成如图所示。

3.7优先级的决定

在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。

多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。

连续输出显性电平最多的单元可继

续发送。

仲裁的过程如图28所示。

3.8位填充

位填充是为防止突发错误而设定的功能。

当同样的电平持续5位时则添加一个位的反型数据。

位填充的构成如图所示。

3.9错误的种类

错误共有5种。

多种错误可能同时发生。

3.11位时序

由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。

一个位可分为4段。

•同步段（SS）

•传播时间段（PTS）

•相位缓冲段1（PBS1）

•相位缓冲段2（PBS2）

这些段又由可称为TimeQuantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。

1位分为4个段，每个段又由若干个Tq构成，这称为位时序。

1位由多少个Tq构成、每个段又由多少个Tq构成等，可以任意设定位时序。

通过设定位时序，多个单元可

同时采样，也可任意设定采样点。

各段的作用和Tq数如表11所示。

1个位的构成如图所示。

3.12硬件同步

接收单元在总线空闲状态检测出帧起始时进行的同步调整。

在检测出边沿的地方不考虑SJW的值而认为是SS段。

硬件同步的过程如图33所示。

3.13再同步

在接收过程中检测出总线上的电平变化时进行的同步调整。

每当检测出边沿时，根据SJW值通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步。

但如果发生了超出SJW值的误差时，最大调整量不能超过SJW值。

再同步如图所示。

3.2错误

3.2.1错误状态的种类

单元始终处于3种状态之一。

（1）主动错误状态

主动错误状态是可以正常参加总线通信的状态。

处于主动错误状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。

（2）被动错误状态

被动错误状态是易引起错误的状态。

处于被动错误状态的单元虽能参加总线通信，但为不妨碍其它单元通信，接收时不能积极地发送错误通知。

处于被动错误状态的单元即使检测出错误，而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错误，整个总线也被

认为是没有错误的。

处于被动错误状态的单元检测出错误时，输出被动错误标志。

另外，处于被动错误状态的单元在发送结束后不能马上再次开始发送。

在开始下次发送前，在间隔帧期间内

必须插入“延迟传送”（8个位的隐性位）。

（3）总线关闭态

总线关闭态是不能参加总线上通信的状态。

信息的接收和发送均被禁止。

这些状态依靠发送错误计数和接收错误计数来管理，根据计数值决定进入何种状态。

错误状态和计数值的关

系如表1及图4所示。

二、CANOPEN发展

1、介绍

从OSI网络模型的角度来看同，现场总线网络一般只实现了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）、第7层（应用层）。

因为现场总线通常只包括一个网段，因此不需要第3层（传输层）和第4层（网络层），也不需要第5层（会话层）第6层（描述层）的作用。

CAN（ControllerAreaNetwork）现场总线仅仅定义了第1层、第2层（见ISO11898标准）；实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件（Software）或固件（Firmware）。

同时，CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。

•应用层（Applicationlayer）：

为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。

•通讯描述（Communicationprofile）：

提供配置设备、通讯数据的含义，定义数据通讯方式。

•设备描述（Deviceproflile）：

为设备（类）增加符合规范的行为。

CANopen协议是CAN-in-Automation（CiA）定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。

尤其是在欧洲，CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准。

大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为“设备描述”的协议中进行描述；“设备描述”定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。

依靠CANopen协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。

在OSI模型中，CAN标准、CANopen协议之间的关系如下图所示：

CiADSP-401ViADSP-404CiADSP-xxx

Application

Layer

CommunicationProfileCiADS-301

DataLink

Layer

ChipCAN2.0A

PhysicalLayer

ISO11898

Cable

图1.1CAN、CANopen标准在OSI网络模型中的位置框图

CiA102DSV2.0CANphysicallayerforindustrialapplications

CiA102WDV2.0.2:

CANphysicallayerspecificationforindustrialapplications

CiA103DSPV1.0:

CANopenintrinsicallysafecapable-Physicallayerspecification

CiA150DSV1.1CANpowermanagementlayerspecification

CiA201/207DSV1.1CANApplicationlayerforindustrialapplications

CiA301DSV4.0.2:

CANopenapplicationlayerandcommunicationprofile

CiA302DSPV3.3:

FrameworkforCANopenmanagersandprogrammableCANopendevices

CiA302-1DSPV4.0CANopenadditionalapplicationlayerfunctions–Part1:

Generaldefinitions

CiA302-2DSPV4.0CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part2:

Networkmanagement

CiA302-3WDV3.4.4:

CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part3:

Configurationandprogramdownload

CiA302-4DSPV4.0CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part4:

Networkvariablesandprocessimage

CiA302-5WDV3.4.4CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part5:

SDOmanager

CiA302-6DSPV4.0CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part6:

Networkredundancy

CiA302-7WDPV0.0.4CANopenadditionalapplicationlayerfunctions-Part7:

Multi-levelnetworking

CiA303-1DRV1.5:

CANopenadditionalspecification-Part1:

Cablingandconnectorpinassignment

CiA303-2DRV1.4:

CANopenadditionalspecification-Part2:

RepresentationofSIunitsandprefixes

CiA303-3DRV1.3:

CANopenadditionalspecification-Part3:

Indicatorspecification

CiA304DSV1.0.1:

CANopenframeworksafety-relevantcommunication

CiA305DSPV2.0:

CANopenlayersettingservices（LSS）andprotocols

CiA306DSV1.3:

ElectronicdatasheetspecificationforCANopen

CiA307DSPV1.1.1:

CANopenframeworkformaritimeelectronics

CiA308TRV1.0.1:

CANopenperformancemeasurementbasics

CiA309-1DSV1.1:

InterfacingCANopenwithTCP/IP-Part1:

Generalprinciplesandservices

CiA309-2DSV1.1:

InterfacingCANopenwithTCP/IP-Part2:

Modbus/TCPmapping

CiA309-3DSV1.1:

InterfacingCANopenwithTCP/IP-Part3:

ASCIImapping

CiA310–1WDV1.0.5:

CANopenConformancetestplan—Part1:

CiA301testing