目前,CANopen通訊協(xié)議已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的使用,由于其面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路,CANopen協(xié)議已成為歐洲等國家的自動化公司標(biāo)配的通訊接口之一。在本系列文章中,我們將介紹CANopen協(xié)議的基礎(chǔ)內(nèi)容,包括對象字典、服務(wù)、SDO、PDO和主/從站節(jié)點(diǎn)等。如需購買CANopen相關(guān)產(chǎn)品或需要CANopen培訓(xùn)服務(wù),請發(fā)郵件到support@hkaco.com聯(lián)系虹科工業(yè)控制團(tuán)隊(duì)?!
1.什么是CANopen?
CANopen是一種基于CAN的通信協(xié)議。這項(xiàng)協(xié)議非常有用,因?yàn)樗梢宰屧O(shè)備、節(jié)點(diǎn)(如工業(yè)機(jī)械)之間具有現(xiàn)成的互操作性,并且提供了安裝前和安裝后配置設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)方法。CANopen最初是為面向運(yùn)動的機(jī)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,如今,它被廣泛用于電機(jī)控制(步進(jìn)/伺服電機(jī))領(lǐng)域,并在以下應(yīng)用中得到廣泛使用:
- 機(jī)器人技術(shù)(包括自動化機(jī)器人、傳送帶和其他工業(yè)機(jī)械)
- 醫(yī)療(包括X射線發(fā)生器、注射器、病人床和透析設(shè)備)
- 汽車(包括農(nóng)業(yè)、鐵路、拖車、重型、船舶等)
CANopen是一個(gè)基于CAN總線的“高層協(xié)議”,這意味著CAN總線(ISO 11898)就像集裝箱的卡車一般作為CANopen信息的“運(yùn)輸工具”。在OSI模型中, CAN總線代表兩個(gè)最低層(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)。這意味著,CAN只是實(shí)現(xiàn)了帶有11位CAN ID、遠(yuǎn)程傳輸(RTR)位和64個(gè)數(shù)據(jù)位(與更高層的協(xié)議相關(guān))的字段的幀的傳輸。換言之,CAN總線在CANopen中的作用與在J1939協(xié)議相同。而CANopen則實(shí)現(xiàn)了OSI模型的第七層,并能夠適應(yīng)除CAN以外的其他數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(例如EtherCAT、Modbus、Powerlink)。
值得關(guān)注的是,隨著CAN FD的推出,CANopen FD作為下一代CANopen標(biāo)準(zhǔn),可能會發(fā)揮著越來越重要的作用。具體細(xì)節(jié),歡迎到CiA官網(wǎng)中查看。
相較于CAN總線和J1939協(xié)議,CANopen協(xié)議新增了6個(gè)核心概念:
- 通信模式。設(shè)備/節(jié)點(diǎn)的通信有3種模式: 主/從站、客戶端/服務(wù)器和生產(chǎn)者/消費(fèi)者。
- 通信協(xié)議。用于通信的協(xié)議,如配置節(jié)點(diǎn)(SDO)或傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(PDO)等。
- 設(shè)備狀態(tài)。一個(gè)設(shè)備支持不同的狀態(tài),一個(gè) "主站 "節(jié)點(diǎn)可以改變一個(gè) "從站 "節(jié)點(diǎn),包括重置等操作。
- 對象字典。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)OD,其中有指定設(shè)備配置等的條目,它可以通過SDO訪問。
- 電子數(shù)據(jù)表。EDS是OD條目的標(biāo)準(zhǔn)文件格式,它允許使用服務(wù)工具來更新設(shè)備。
- 設(shè)備設(shè)置文件。描述了I/O模塊(CiA 401)和運(yùn)動控制(CiA 402)等供應(yīng)商獨(dú)立性
2.CANopen通信基礎(chǔ)知識
在CANopen網(wǎng)絡(luò)中,需要多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信,例如,在工業(yè)自動化設(shè)置中,你可能有一個(gè)帶有多個(gè)伺服電機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)控制接口/PC節(jié)點(diǎn)的機(jī)械臂。CANopen中存在著三種通信模式,每種模式都與我們所討論的CANopen協(xié)議緊密相連。下面將簡單介紹這三種模式:
第一, 主/從站。一個(gè)節(jié)點(diǎn)(例如控制接口)作為應(yīng)用主站或主控制器。它向從站設(shè)備(例如伺服電機(jī))請求數(shù)據(jù)。這個(gè)過程被用于診斷或狀態(tài)管理。在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中,可以有0到127個(gè)從站。但需要注意,請注意:在單個(gè)CANopen網(wǎng)絡(luò)中,可以有不同的主機(jī)控制器共享同一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層。
第二, 客戶端/服務(wù)器。客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求,服務(wù)器回復(fù)請求的數(shù)據(jù)。例如,當(dāng)應(yīng)用程序主站需要從站的OD中獲取數(shù)據(jù)時(shí)使用這一模式。從服務(wù)器上讀取是一種 "上傳",而“寫入”是一種 "下載"(該術(shù)語采用服務(wù)器端的角度)。
第三, 消費(fèi)者/生產(chǎn)者。該模式中生產(chǎn)者節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù),由消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)消費(fèi)。生產(chǎn)者根據(jù)請求(拉模型)或沒有特定請求(推模型)發(fā)送此數(shù)據(jù)。
顯然,這些模型實(shí)際上是相同的,但為了術(shù)語的一致性,我們對它們進(jìn)行了區(qū)分。
2.1 CANopen框架
為了理解CANopen通信,有必要對CANopen的CAN報(bào)文進(jìn)行分解。如下圖,11位的CAN ID被稱為通信對象標(biāo)識符(COB-ID),它被分成兩部分。前4位相當(dāng)于功能代碼,接下來的7位包含節(jié)點(diǎn)ID。
為了理解COB-ID的工作原理,需要從簡單的CANopen網(wǎng)絡(luò)中如何使用標(biāo)識符的預(yù)定義分配開始。
如上圖,COB-ID(381、581等)與通信服務(wù)(傳輸PDO 3、傳輸SDO等)相關(guān)聯(lián),因此,COB-ID詳細(xì)說明了哪個(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送/接收數(shù)據(jù),以及使用了什么服務(wù)。如下圖的例子,一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID為5的CANopen設(shè)備將通過11位的CAN ID 585傳輸SDO,這對應(yīng)于二進(jìn)制功能代碼1011,節(jié)點(diǎn)ID 5(在二進(jìn)制中為0000101)。
2.2 CANopen通信協(xié)議/服務(wù)
接下來,我們將簡要介紹CANopen的7種服務(wù)類型,以及它們?nèi)绾卫?個(gè)CAN幀數(shù)據(jù)字節(jié)。
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)
NMT服務(wù)用于通過NMT命令(如:啟動、停止、復(fù)位)來控制CANopen設(shè)備的狀態(tài)(如:預(yù)運(yùn)行、運(yùn)行、停止)。
為了改變狀態(tài),NMT主機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有 CAN ID 0的2字節(jié)消息(即功能代碼0和節(jié)點(diǎn)ID 0)。所有從站節(jié)點(diǎn)都處理這個(gè)報(bào)文。第一個(gè)CAN數(shù)據(jù)字節(jié)包含請求的狀態(tài),而第二個(gè)CAN數(shù)據(jù)字節(jié)包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID。節(jié)點(diǎn)ID 0表示廣播命令。
可能的命令包括轉(zhuǎn)換到運(yùn)行(狀態(tài)01)、停止(狀態(tài)02)、預(yù)運(yùn)行(狀態(tài)80)以及重置應(yīng)用程序(81)和重置通信(82)。例如:將節(jié)點(diǎn)0x06設(shè)置為運(yùn)行模式: 000 01 06
2.2.2 同步(SYNC)
SYNC報(bào)文用于同步幾個(gè)CANopen設(shè)備的輸入和響應(yīng)--通常由應(yīng)用主站觸發(fā)。應(yīng)用主機(jī)將SYNC消息(COB-ID 080)發(fā)送到CANopen網(wǎng)絡(luò)(帶或不帶SYNC計(jì)數(shù)器)。多個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以配置為對SYNC做出反應(yīng),并通過傳輸同時(shí)捕獲的輸入數(shù)據(jù)或通過與參與同步操作的節(jié)點(diǎn)同時(shí)設(shè)置輸出來響應(yīng)。使用SYNC計(jì)數(shù)器可以配置幾組同步操作的設(shè)備。
2.2.3 緊急情況 (EMCY)
緊急服務(wù)用于設(shè)備出現(xiàn)致命錯誤(如傳感器故障)時(shí),允許它向網(wǎng)絡(luò)的其他部分指示這一點(diǎn)。受影響的節(jié)點(diǎn)以高優(yōu)先級向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單個(gè)EMCY消息(例如,節(jié)點(diǎn)5的COB-ID 085)。數(shù)據(jù)字節(jié)包含有關(guān)錯誤的信息,可以查找詳細(xì)信息。
2.2.4 時(shí)間戳(TIME) [PDO]
通過這種通信服務(wù),可以分配全球網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。時(shí)間服務(wù)包含一個(gè)6字節(jié)的日期和時(shí)間信息。應(yīng)用主機(jī)發(fā)送 CAN ID 為100的TIME消息,其中最初的4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)包含以毫秒為單位的午夜之后的時(shí)間,接下來的2個(gè)字節(jié)包含自1984年1月1日以來的天數(shù)。
2.2.5 過程數(shù)據(jù)對象 [PDO]
PDO服務(wù)用于在設(shè)備之間傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),例如位置等測量數(shù)據(jù)或扭矩請求等命令數(shù)據(jù)。在這方面,它類似于J1939中的廣播數(shù)據(jù)參數(shù)。關(guān)于PDO服務(wù),我們將在下文中進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2.2.6 服務(wù)數(shù)據(jù)對象 [SDO]
SDO服務(wù)用于訪問/改變CANopen設(shè)備的對象字典中的值。例如,當(dāng)應(yīng)用主站需要改變CANopen設(shè)備的某些配置時(shí),可以通過SDO服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。
2.2.7 節(jié)點(diǎn)監(jiān)控(心跳)[SDO]
心跳服務(wù)有兩個(gè)目的:提供一個(gè)“活動”的消息和確認(rèn)NMT命令。NMT從設(shè)備周期性地(例如每100毫秒)發(fā)送心跳消息(例如節(jié)點(diǎn)5的CAN ID為705),在第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)中包含節(jié)點(diǎn)的“狀態(tài)”。如果在特定時(shí)間限制內(nèi)沒有收到任何消息,心跳消息的“消費(fèi)者”(例如 NMT 主設(shè)備和可選的任何其他設(shè)備)就會做出反應(yīng)。例如:節(jié)點(diǎn)5處于預(yù)運(yùn)行模式,周期性發(fā)送:705 7F
2.3 對象字典
在7個(gè)CANopen服務(wù)中,PDO和SDO服務(wù)特別重要,因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了大多數(shù)CANopen通信的基礎(chǔ)。下面我們將進(jìn)行詳細(xì)介紹,但在此之前我們需要了解CANopen的一個(gè)核心概念:對象字典。
所有的CANopen節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)對象字典(OD),對象字典是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu),包含描述CANopen節(jié)點(diǎn)行為的所有參數(shù)。
OD條目通過一個(gè)16位的索引和8位的子索引進(jìn)行查詢。例如,符合CANopen標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)OD的索引1008(子索引0)包含節(jié)點(diǎn)設(shè)備名稱。
具體來說,對象字典中的條目由屬性定義的:
- 索引:對象的16位地址
- 對象名稱:制造商的設(shè)備名稱
- 對象代碼:數(shù)組、變量或記錄
- 數(shù)據(jù)類型:例如VISIBLE_STRING、UNSIGNED32或記錄名稱
- 訪問: “rw”(讀/寫),“ro”(只讀)或 “wo”(只寫)
- 類別:這表明參數(shù)是強(qiáng)制性的還是可選的
OD標(biāo)準(zhǔn)化部分
在對象字典被分成標(biāo)準(zhǔn)化的部分中,有一些條目是強(qiáng)制性的,而另一些是完全可定制的。重要的是,一個(gè)設(shè)備(例如一個(gè)從站設(shè)備)的OD條目可以被另一個(gè)設(shè)備(例如一個(gè)主設(shè)備)通過CAN訪問,例如使用SDO。
這可以讓主站改變從站節(jié)點(diǎn)是否通過特定的輸入傳感器記錄數(shù)據(jù),或改變從站發(fā)送心跳的頻率。閱讀電子數(shù)據(jù)表和設(shè)備配置文件可以幫助理解OD。
電子數(shù)據(jù)表(EDS)
在實(shí)踐中,配置/管理復(fù)雜的CANopen網(wǎng)絡(luò)將會用到一些合適的軟件工具。為了簡化這一點(diǎn),CiA 306標(biāo)準(zhǔn)定義了一種人類可讀且和機(jī)器友好的INI文件格式,作為設(shè)備OD的“模板”--例如 “ServoMotor3000”。此EDS通常由供應(yīng)商提供,包含所有設(shè)備對象(但不包括值)的信息。
設(shè)備配置文件(DCF)
假設(shè)一家工廠購買了一臺ServoMotor3000,以整合到他們的傳送帶上。在操作過程中,操作員編輯了設(shè)備的EDS,并在EDS中添加了特定的參數(shù)值或改變了每個(gè)對象的描述名稱。這樣一來,操作者就有效地創(chuàng)建了所謂的設(shè)備配置文件(DCF)。有了這個(gè)文件,ServoMotor3000便能夠集成到現(xiàn)場的特定CANopen網(wǎng)絡(luò)中。
查看真實(shí)的EDS/DCF示例是理解CANopen對象字典的最佳方法之一,在下圖中,您可以留意EDS和DCF對象條目之間的區(qū)別以及DCF如何包含特定的參數(shù)值。
此外,我們建議到官網(wǎng)上查看CiA 306標(biāo)準(zhǔn),通過實(shí)際的例子對OD、EDS和DCF有更深入的了解。
如前文所述,DCF通常在設(shè)備集成時(shí)創(chuàng)建。然而,經(jīng)常需要在初始配置后讀取或改變一個(gè)節(jié)點(diǎn)的對象值——這就是SDO服務(wù)的作用所在。
2.4 SDO——配置CANopen網(wǎng)絡(luò)
SDO服務(wù)允許CANopen節(jié)點(diǎn)通過CAN網(wǎng)絡(luò)讀取/編輯另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的對象字典的值。正如在“通信模型”中提到的,SDO服務(wù)使用“客戶端/服務(wù)器”模式。具體來說,一個(gè)SDO “客戶端”與一個(gè)專門的SDO“服務(wù)器”發(fā)起通信。其目的可以是更新一個(gè)OD條目(稱為“SDO下載”)或讀取一個(gè)條目(“SDO上傳”)。在簡單的主/從網(wǎng)絡(luò)中,具有NMT主站功能的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)所有NMT從站節(jié)點(diǎn)讀取或?qū)懭肫銸D的客戶端。
示例:客戶端節(jié)點(diǎn)SDO下載
客戶端節(jié)點(diǎn)可以通過在 CAN 幀下方的廣播來啟動到節(jié)點(diǎn) 5 的 SDO 下載 - 這將觸發(fā)節(jié)點(diǎn) 5(并被其他節(jié)點(diǎn)忽略,見上圖)。SDO“接收”(即請求)CAN 幀如下所示:
SDO消息變量解釋
- 首先,COB-ID 605反映了“SDO接收”的使用(COB-ID 600 +節(jié)點(diǎn)ID)
- CCS(客戶端命令指定符)是傳輸類型(例如,1:下載,2:上傳)
- n是字節(jié)區(qū)4-7中不包含的字節(jié)數(shù)(如果e和s被設(shè)置為有效)
- e表示“加速傳輸”,且所有數(shù)據(jù)都在單個(gè)CAN幀中(如果有設(shè)置)
- s表示數(shù)據(jù)大小顯示為n(如果有設(shè)置)
- 索引(16位)和子索引(8位)反映了要訪問的OD地址
- 最后,節(jié)點(diǎn)5將相應(yīng)字節(jié)4-7中包含的相關(guān)數(shù)據(jù)
一旦主站節(jié)點(diǎn)(客戶端)發(fā)送CAN幀,從站節(jié)點(diǎn)5(服務(wù)器)通過COB-ID 585的“SDO傳輸”進(jìn)行響應(yīng)。響應(yīng)包含索引/子索引和4個(gè)空數(shù)據(jù)字節(jié)。自然,如果客戶端節(jié)點(diǎn)請求上傳(即從節(jié)點(diǎn)5OD讀取數(shù)據(jù)),節(jié)點(diǎn)5將響應(yīng)字節(jié)4-7中包含的相關(guān)數(shù)據(jù)。此外,對于更大的數(shù)據(jù)場景,可以使用SDO分段/塊進(jìn)行傳輸。
一般來說,SDO很靈活,但也會帶來較高的成本,這使得SDO不太適合實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)。這就是PDO的用武之地。
2.5 PDO——操作CANopen網(wǎng)絡(luò)
CANopen的PDO服務(wù)用于在CANopen節(jié)點(diǎn)之間有效地共享實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)。例如,PDO將攜帶來自壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)或來自溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)。原則上,SDO服務(wù)也能實(shí)現(xiàn)共享實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù),但由于單個(gè)SDO響應(yīng)只能攜帶4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié),出于成本原因,我們不建議這么做。
此外,假設(shè)一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)需要來自節(jié)點(diǎn)5的兩個(gè)參數(shù)值(例如“SensTemp2”和“Torque5”)。如果通過SDO來實(shí)現(xiàn),需要4個(gè)完整的CAN幀(2個(gè)請求和2個(gè)響應(yīng))。相比之下,一個(gè)PDO消息可以包含8個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié),而且它可以在一個(gè)幀內(nèi)包含多個(gè)對象參數(shù)值。因此,在SDO服務(wù)中至少需要4個(gè)報(bào)文,而在PDO服務(wù)中則可能只需要1個(gè)報(bào)文就可以完成。
PDO通常被看作是最重要的CANopen協(xié)議,因?yàn)樗休d了大量的信息。下面我們將介紹CANopen的PDO服務(wù)是如何工作的。
PDO服務(wù)使用的是“消費(fèi)者/生產(chǎn)者”模型。因此,生產(chǎn)者 "生產(chǎn)數(shù)據(jù)",它使用發(fā)送PDO(TPDO)將其傳送給“消費(fèi)者”(主站)。反之,它可以通過“接收PDO”(RPDO)從消費(fèi)者那里接收數(shù)據(jù)。
例如,生產(chǎn)者節(jié)點(diǎn)可以被配置為對應(yīng)的同步觸發(fā),例如每隔100ms廣播給消費(fèi)者。然后,節(jié)點(diǎn)5可以在傳輸帶有COB-ID 185的PDO下廣播:
請注意這里的數(shù)據(jù)字節(jié)是如何裝入3個(gè)參數(shù)值的。這些值反映了節(jié)點(diǎn)5的特定OD條目的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。使用這些信息的節(jié)點(diǎn)(消費(fèi)者)需要知道如何解釋PDO數(shù)據(jù)字節(jié)。
在某種程度上,PDO服務(wù)有點(diǎn)像J1939 PGN和SPN,這類似于特定J1939 參數(shù)組(PG)如何在 8 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)中包含多個(gè) SPN/信號(也稱為數(shù)據(jù)參數(shù))。J1939 CAN 幀不需要在“解碼”信息上浪費(fèi)數(shù)據(jù)字節(jié),因?yàn)橄嚓P(guān)節(jié)點(diǎn)(以及外部工具通過例如J1939 DBC 文件或 J1939 PDF 標(biāo)準(zhǔn))知道這一點(diǎn)。問題在于,在 CANopen 中,這些“PDO 映射”通常是可配置的,并且可以在創(chuàng)建 DCF 或通過 SDO 服務(wù)期間進(jìn)行更改。
2.6 虹科CANopen解決方案
2.6.1 虹科CANopen數(shù)據(jù)記錄儀——CANedge2
CANopen經(jīng)常被用于倉庫中的電動叉車或自動導(dǎo)引車中,對CANopen數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析有利于改善管理,比如監(jiān)測充電狀態(tài)有助于減少故障和改善電池壽命,并且工業(yè)機(jī)械可以通過云端的物聯(lián)網(wǎng)CAN記錄器進(jìn)行監(jiān)控,根據(jù)CANopen數(shù)據(jù)預(yù)測和避免故障。此外,CAN記錄器可以作為工業(yè)機(jī)械的“黑匣子”,提供數(shù)據(jù)用于解決OEM和用戶之間的糾紛,或作為罕見問題診斷的一部分。
2.6.2 虹科CANopen IO模塊
虹科HK-CIO系列是支持CANopen協(xié)議的遠(yuǎn)程IO模塊,IO類型包含數(shù)字量,模擬量,高速計(jì)數(shù)器,脈沖輸出,PWM,PT100/1000等,緊湊型設(shè)計(jì),支持DIN導(dǎo)軌安裝,IO與CANopen通訊之間相互電氣隔離。
2.6.3 虹科CANopen協(xié)議開發(fā)方案
虹科CANopen源代碼實(shí)施全功能符合CiA 301標(biāo)準(zhǔn)草案,支持快速且標(biāo)準(zhǔn)地開發(fā)你的CANopen主站或從站設(shè)備,包括NMT主站(網(wǎng)絡(luò)管理)、LSS主站(層設(shè)置服務(wù))或SDO客戶端。
產(chǎn)品及方案
- CAN卡(USB,PCI,PCIe,MiniPCIe等多種接口類型)
- 通訊協(xié)議板卡(CO,ECAT,DP,PN,DN,EIP,Modbus,CC,IO-Link等多種協(xié)議)
- 通訊協(xié)議網(wǎng)關(guān)(CO,ECAT,DP,PN,DN,EIP,Modbus,CC,IO-Link等多種協(xié)議)
- 通訊協(xié)議IO模塊(CO,ECAT等多種協(xié)議)
- 通訊協(xié)議嵌入式模塊(CO,ECAT,PN,EIP,Modbus,CC-Link等多種協(xié)議)
- 通訊協(xié)議協(xié)議棧(CO,IO-Link,ECAT,PN,EIP等多種協(xié)議)
- “新”以太網(wǎng)開發(fā)方案(TSN IPcore,HSR/PRP IPcore,網(wǎng)管/非網(wǎng)管以太網(wǎng)IPcore,同步IPcore等)
- “新”以太網(wǎng)硬件解決方案(TSN板卡,TSN交換機(jī),TSN評估套件,HSR/PRP板卡,HSR/PRP交換機(jī))
- 工控機(jī)(涵蓋多種性能、尺寸和安裝方式選擇)