【5A文】通信功能与总线接口附件-CANopen协议简介与应用开发

CANopen协议简介与应用开发,要 点： CANopen协议简介； CANopen协议具体应用开发。,CANopen协议是建立在CAN基础上的通信网络技术，是欧洲CiA组织定义的几种CAN高层协议标准之一，因其开放性和低成本等优势，发布后不久就得到了广大厂商和用户的亲睐。在欧洲，在众多基于CAN的工业系统中，CANopen协议是事实上占据领导地位的标准。目前CANopen协议已经在运动控制、车辆工业、电机驱动、工程机械、船舶海运、楼宇自动化等行业得到广泛的应用。,一 CANopen协议简介,协议特性 基于多种网络通信模式，适合对时间要求苛刻的通讯场合。 以对象字典的形式来定义标准设备描述文件，并通过SDO(服务数据对象) 报文存取。 包含标准的设备监护服务信息（节点监视/心跳）、网络管理信息以及紧急信息对象。 支持同步、异步传输模式。 提供预定义连接集，简化系统配置工作。 在实际应用中，一般以主从式结构模式为主。,1.1 主节点主要的功能 控制从节点运行状态； 通过SDO对对象字典的参数进行读取和修改； 监视从节点的运行状况和是否发生错误(即进行节点保护)； 由从节点中获得相应的信息和运行状态；启动和终止SDO通讯； 发送SYNC报文； 提供分配特定标识符等网络管理的服务。,1.2 从节点功能 负责底层的网络通讯和控制任务，每个从节点只完成属于自己范围内的特定任务。 进行实时数据的传输，即PDO (过程数据对象)的通讯。 响应主节点发送的管理信息帧。 对自己负责的底层设备进行数据采集和控制。,1.3 从节点架构 CAN驱动：CAN控制器初始化，报文收发处理。 通信对象：收发和解析各种报文对象，实现数据交互过程。 对象字典：存储节点所有信息，向通信对象和应用程序提供接口。 应用程序：实现节点的功能，如控制、数据采集等，用户自定义。,1、 CAN驱动程序 CAN控制器初始化程序； CAN中断处理程序； CAN报文发送程序。,2、对象字典 对象字典就是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时也定义了一个8位的索引值，这个索引值通常被称为子索引。 每个CANopen设备都有一个对象字典，对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数，对象字典通常用电子数据文档（EDS）来记录这些参数。,通信子协议 SYNC报文参数设置（1005H、1006H、1007H） SDO报文参数设置 客户端SDO（1200H-127FH） 服务器SDO（1280H-12FFH） 接收PDO报文参数设置 PDO通信参数（1400H-15FFH） PDO映射参数（1600H-17FFH） 发送PDO报文参数设置 PDO通信参数（1800H-19FFH） PDO映射参数（1A00H-1BFFH） 设备子协议 与特定设备相关的参数，用于存储设备的相关参数。（6000H-9FFFH）,对象的结构,Index： 指出该对象在对象字典中的位置 Object：指明该对象的类型 Name：对象的名称 Type： 指明该对象的数据类型 Attrib： 对象的属性值 M/O： 说明该对象是强制实现的还是可选的,从节点对象字典实现 由于从节点需要实现的对象字典项不是很多，也不复杂，所以可以直接采用二维数组的形式来实现。例如：,对象字典实现 将所有对象集合起来，得到对象字典； const indextable ObjDict_objdict = (subindex*)ObjDict_Index1000,sizeof(ObjDict_Index1000)/sizeof(ObjDict_Index10000), 0x1000, (subindex*)ObjDict_Index1001,sizeof(ObjDict_Index1001)/sizeof(ObjDict_Index10010), 0x1001, (subindex*)ObjDict_Index1003,sizeof(ObjDict_Index1003)/sizeof(ObjDict_Index10030), 0x1003, ；,扫描函数 根据对象字典的实现方式，相应的扫描函数实现如下： const indextable * ObjDict_scanIndexOD (UNS16 wIndex, UNS32 * errorCode, ODCallback_t *callbacks) int i; *callbacks = NULL; switch(wIndex) case 0x1000: i = 0;break; case 0x1001: i = 1;break; case 0x1003: i = 2;*callbacks = ObjDict_Index1003_callbacks; break; case 0x1005: i = 3;*callbacks = ObjDict_Index1005_callbacks; break； case 0x1008: i = 4;break; case 0x1009: i = 5;break; case 0x100A: i = 6;break; case 0x1010: i = 7;break; case 0x1011: i = 8;break; ,存取函数 由getODentry（）和setODentry（）函数来实现，思路如下： 通过扫描函数定位到指定对象的入口； 检查对应对象的访问权限，若越权返回错误码； 若权限正确，允许访问，根据调用的函数，将指定内容copy进指定对象，或将指定对象里的内容copy到目标地址（注意检查是否越界）； 返回。,3、报文对象 报文格式 基于CAN总线的报文格式 11位标识符（或29位）+1-8byte数据 标识符格式 Node-ID由系统集成商定义，例如通过设备上的拨码开关设置。Node-ID范围是1127（0不允许被使用）。,CANopen协议定义了四种报文对象，分别是： 网络管理报文对象NMT 服务数据对象SDO 过程数据对象PDO 预定义报文或特殊功能对象,1.4 NMT 管理报文（Network Management）主要负责层管理、网络管理和ID分配服务，例如，初始化、配置和网络管理（其中包括节点保护）。 网络管理中，同一个网络中只允许有一个主节点、一个或多个从节点，并遵循主从模式。,NMT状态机,从节点内必须实现一个状态机，其状态转换由主节点控制，不同的状态对应不同的报文对象可用性，目的是使主节点可以控制从节点在总线上的通信行为。,Initialisation：从节点上电后自动进入该状态，主要完成节点的硬件初始化，通信参数和应用参数的重置，成功后自动进入Pre-Operational状态。,Pre-Operational：在此状态中，从节点SDO被允许，主节点通过SDO完成从节点通信参数的设置，如从节点的PDO参数映射设置。主节点发送start_remote_node命令使从节点进入Operational状态。 Operational：在此状态中，从节点完成自己的正常工作，采集数据，控制设备，与主节点通信，所有报文对象类型都被允许。 Stopped：当从节点发生错误时，或主节点检测到从节点出错了，通过发送stop_remote_node命令使从节点进入此状态，除了接受NMT报文，其他报文对象都被禁止，以此消除对总线的不良影响。若主节点检测到错误节点恢复正常，仍可通过NMT报文让其正常运行。,只有NMT-Master节点能够传送NMT 状态控制报文（通常都是主节点）。所有从设备必须支持NMT模块控制服务。NMT 状态控制消息不需要应答。NMT消息格式如右图：,第一个字节表示从节点收到命令后需要进入的状态，第二个字节是接收命令的从节点ID，若为0，此时所有节点都接收该命令,实现 定义一个状态数组 包含所有的报文类型 状态改变函数 原子操作 状态报文可用性设置 状态转换,实现（续） 状态转换最终还需要报文的解析来实现报文可用性的控制。 canDispatch() UNS16 cob_id = UNS16_LE(m-cob_id); switch(cob_id 7) 检查COB_ID对应的报文对象在目前节点状态下是否可用； 若可用，则进入相应的报文处理函数； 不可用则跳出； ,NMT节点保护 通过节点保护服务，NMT主节点可以检查每个节点的当前状态，当这些节点没有数据传送时这种服务尤其有意义。 数据部分包括一个触发位（bit7），触发位必须在每次节点保护应答中交替置“0”或者“1”。触发位在第一次节点保护请求时置为“0”。位0到位6（bits06）表示节点状态，可为下表中的数值。,NMT心跳报文 从节点可被配置为产生周期性的被称作心跳报文的报文。 当一个Heartbeat节点启动后它的Bootup报文是其第一个心跳报文。 Heartbeat消费者通常是主节点，它为每个Heartbeat节点设定一个超时值，当超时发生时采取相应动作。 一个节点不能够同时支持Node Guarding和Heartbeat协议！,1.5 SDO SDO是服务数据对象接口(Service Data Object)的缩写，顾名思义提供服务数据的访问接口，所谓服务数据指一些实时性要求不高的数据，一般是指节点配置参数，因此，SDO一般用来配置和获得节点的配置参数，充当OD对外的接口，其优先级只比心跳(Heartbeat)高。,SDO基于CS模式，所有报文都需要确认。通常从节点作为SDO服务器，主节点作为客户端。客户端通过索引和子索引，访问服务器上的任意对象字典，SDO的上传与下载，是从server的角度去理解的， 上传：client对server的OD进行读操作； 下载：client对server的OD进行写操作。,传送机制： 加速传送：最多传送4Byte数据 分段传送：传送数据大于4Byte 报文基本结构：,SDO 命令字包含如下信息： 下载/上传（Download / Upload） 请求/应答（Request /Response） 分段/加速传送（Segmented / Expedited ） CAN帧数据字节长度 用于后续每个分段的交替清零和置位的触发位 SDO中实现了5个请求/应答协议：启动域下载 ，域分段下载，启动域上传 ，域分段上传和域传送中止。,命 令 字 细 节,命 令 字 细 节 （ 续 ）,实现方案SDO线程 借鉴操作系统多线程机制的一套SDO服务处理方法，每个SDO线程表示的是与网络上其他节点建立的一个SDO链接，相当于在两个节点间建立一个SDO通讯路径，其中每个节点都拥有一个对这个路径的描述，在通讯过程中双方通过这个路径来交流，SDO通讯结束则释放该线程，每个节点可以同时与多个节点建立多个这样的路径且互不影响，就如同操作系统的多线程机制一样。,一次SDO访问是这样完成的： SDO发起节点(client)收集足够的信息，建立一个SDO线程，将收集的信息以特定格式放入参数表，形成一帧SDO请求，发送出去； server收到这帧请求，为它建立一个SDO线程，将这帧请求解析以获得足够信息来初始化这个SDO线程对应的参数表； 程序按照参数表的描述去执行server的功能收集数据，然后将收集到的数据形成SDO应答帧返回给client； 如果此次请求结束则释放该线程，否则等待下一帧请求到来；client在收到应答后判断该请求是否还有后续请求，无则释放此SDO线程； 如果在这个过程中，server 和client所在节点有收到其他节点的SDO请求或需要通过SDO请求其它节点，则新建SDO线程来实现，跟上面的步骤一样。,1.6 PDO PDO(Process Data Object )被用来传输实时数据，数据从一个生产者传到一个或多