工业控制：CANOpen（控制器局域网络）协议快速学习

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。
• 本文介绍了为什么CAN通信需要终端负载电阻。

协议介绍

CAN总线协议

接线方式

• 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。

• 其接线方式如下图所示：可以看到，H线和L线不是完全无连接的，而是通过终端负载电阻连接在了一起。
  

• 我们直观的感觉，差分通信，只需要发送端和接收端的H线和L线分别对应连接，然后检测二者压差即可。 为什么需要一个终端负载电阻将H线和L线连接起来呢？

• 假设没终端负载电阻，则连接方式如下：H接H，L接L。

• 现在我们需要检测压差，我们只需要将H和L线上电压送入比较器，比较高低即可，这是没有问题的。

• 我们看CAN芯片原理图发现，当输出显性电平时，Q1和Q2打开，H线电压为VCC，L线电压为GND；当输出隐形电平时，Q1和Q2截止，此时该芯片对总线上输出为开漏状态，这也保证了输出隐形电平的节点不会影响别的节点输出显性电平。
  

• 因此当所有节点都处于空闲状态时，每个节点都输出为开漏状态，而不是输出一个固定的驱动电压。此时H线和L线上电压是不确定的，二者也不一定相等，因此无法满足空闲状态时H线和L线电压相等的需求。

• 并且每个节点在对总线上电压进行检测时，都是尽量地小电流进行取样，这也导致H线上高电平时的电量不容易被消耗掉，即H线上电压下降缓慢，限制了通信速率。

• 因此我们在H和L间加上 $120\Omega$ 电阻，使得H和L线组成一个回路，不仅保证了隐性状态时H和L线上电压相等，还使得H线上的电压可以快速从高电平切换到低电平，并且当存在外界电磁干扰时能量也可以被电阻消耗掉，一举多得。

通信协议

• 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COB_ID

• CANOpen给把原本CAN协议的11位ID分为两部分使用，选其中7位作为节点的NODE_ID（因此网络最多有127个节点），剩下4位用作表示帧不同的功能码，用来表示是SDO、PDO还是其他的。如下：
  
  
• 由于CAN协议可以设置过滤器，只过滤出ID为某些特定的位，因此在网络中可以实现一个节点发送的某个信息，只送达给指定的节点，而其他节点则不会收到。
• 由于只有4位作为功能码，因此CANOpen网络中最多只能存在4个PDO。

CANOpen的NMT

• 每个节点都有自己的状态，上电后，节点处于初始化状态；初始化完成之后，进入可操作态；如下：

  /**
   * Internal network state of the CANopen node
   */
  typedef enum {
        
        
      CO_NMT_UNKNOWN = -1,          /**< -1, Device state is unknown (for heartbeat consumer) */
      CO_NMT_INITIALIZING = 0,      /**< 0, Device is initializing */
      CO_NMT_PRE_OPERATIONAL = 127, /**< 127, Device is in pre-operational state */
      CO_NMT_OPERATIONAL = 5,       /**< 5, Device is in operational state */
      CO_NMT_STOPPED = 4            /**< 4, Device is stopped */
  } CO_NMT_internalState_t;
  

  代码对应的逻辑：
  

• CANOpen网络中，存在一个可以发送NMT命令的节点为主机。主机可以控制节点进入复位状态。

• NMT对应的功能ID为0000，当给所有节点发送NMT命令时，对应的COB_ID为000_0000，因此NMT指令对应的CAN_ID为11位的0。

• NMT的指令码在CAN帧的数据段，如下。
  
  

• 例如：主机要发送NMT控制NODE_ID为10的节点复位，则发送出去的CAN帧如下：CAN_ID为000表示NMT信息，NMT的指令码为0X82，表示复位连接；目标NODE_ID为0X0A，表示对象是10的节点复位。
  

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

• 有一些通用的对象字典，可以见附录。
• 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）

• SDO用于节点间非实时信息的发送和接收。比如主机去读节点0X0A的对象字典中0X1000寄存器的数据，过程如下：
  
  
• SDO的帧格式如下图，按照帧格式分析上面的读取过程：主机发送帧ID为60A，其中高4位为功能码1100，表示R_SDO，即需要节点接收的SDO帧。低7位0A表示NODE_ID，即需要0A节点接收。接着是8个字节的数据段。第一个字节是command，查下表，40表示该SDO是用于请求数据返回的。接着2个字节Index L和Index H，即0X1000，表示想返回的对象字典索引是0X1000。接着是1个字节的子索引Sub-index，00表示子索引为0。接着4个字节是数据，由于没有数据上发，因此4个字节全为0X00。
• 来自0A节点的响应SDO，帧ID为58A，其中高4位表示功能码1011，表示该帧为T_SDO，即来自节点发送的SDO。低7位0A表示NODE_ID，即节点0A发送的SDO。接着是8个字节的数据段。第一个字节表示command，43表示返回4字节数据。接着2个字节Index L和Index H，即0X1000，表示返回的对象字典索引是0X1000。接着是1个字节的子索引Sub-index，00表示子索引为0。接着4个字节是数据。
  
• 当写入参数时，过程和上面类似，只是数据段内第一个字节的command由读取的40变成了23，如下写入0X1001的过程：
  
  
• 可以看到，返回的帧中的command为80，表示SDO错误。具体的错误索引为1001，子索引为00，错误码为后面的4个字节：06 01 00 02，可以按照下述链接中看错误码意义：https://microcontrol-umic.github.io/CANopen-Master-Library/group__SDO__ERR.html
  
• 可以发现我们的错误是尝试写入一个只读寄存器。

参考

• 一文读懂CAN
• CAN协议
• CAN终端电阻的作用

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。

在CAN协议中，帧中的ID是发送者的ID还是接收者的ID？

• 在CAN（Controller Area Network）协议中，帧中的ID（标识符）既不是发送者的ID，也不是接收者的ID。
• 相反，ID表示的是消息的内容和优先级。CAN协议采用基于消息的通信方式，而不是基于节点的通信方式。
• ID用于标识消息的内容。每个消息类型都有一个唯一的ID，不同ID的消息表示不同的内容。例如，一个ID可以表示发动机转速，另一个ID可以表示温度传感器数据。

通用的对象字典地址：

• 如下：