CANopen应用层与现场总线应用技术

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：CANopen应用层详细定义了通信服务和其他相关的通信协议。CANopen规范中所定义的基本通信服务构成了应用程序与CANopen应用层之间的接口。3）响应：应用程序对CANopen软件报告的事件或任务做出的应答。通信单元提供数据传输所需的所有机制和通信对象，符合CANopen规范的数据可以利用这些机制通过CAN接口进行传输。CANopen协议已经将对象字典进行了分配，见表4-25。

CANopen应用层详细定义了通信服务和其他相关的通信协议。通信对象、过程参数和配置参数一起保存在设备的对象字典中。通信对象中的标识符可以通过“预定义主/从连接集”或应用子协议中定义的“预连接”来分配。通信协议由各种不同的CAN报文来实现。由于大多数的通信对象都可以被“破坏”或“生成”，所以通信对象的优先级必须根据实际的应用来分配。通信对象的分配方式与应用对象的动态分配方式相结合，使得系统集成商有了更多的方式进行参数配置，也就是说，在设计通信参数方面的自由度变得更大。

CANopen规范中所定义的基本通信服务构成了应用程序与CANopen应用层之间的接口。基本服务有以下4种：

1）请求：应用程序请求CANopen软件的一种通信服务。

2）指示：CANopen软件向应用程序报告某一事件或应执行的任务。

3）响应：应用程序对CANopen软件报告的事件或任务做出的应答。

4）确认：CANopen软件向应用程序确认CANopen软件已经执行了任务。

CANopen应用层的服务类型分为2种，一种是仅在一个设备中执行的服务，比如局部服务和提供者启动的服务；另一种是多个设备通过网络进行通信的服务，比如确认和未确认的服务。

1.基本原理

由于CAN只对物理层和数据链路层进行了定义，因此，为了能让设备之间通过CAN进行通信，用户还需要进行一些与应用相关的定义。首先，将网络中可用的CAN标识符分配给每个设备。这样才能知道哪些消息的优先级高，哪些消息的优先级低，设备之间是否具有优先顺序，或CAN标识符中是否包含预设功能。其次，为了不让系统中出现功能不同但CAN报文相同的情况，用户还要做出一些相关的定义。

除了上述定义外，传输的数据内容也要定义，主要包括数据内容的传输格式以及数据读取规则。

通信单元由CAN收发器、CAN控制器以及CANopen协议栈组成。协议栈中包括实现通信的通信对象（如过程数据对象（PDO）和服务数据对象（SDO））和状态机。通信单元提供数据传输所需的所有机制和通信对象，符合CANopen规范的数据可以利用这些机制通过CAN接口进行传输。

在CANopen设备的应用单元中，对设备的基本功能进行了定义或描述。例如，在I/O设备中，可以访问设备的数字或模拟输入/输出接口；在驱动控制系统中，可以实现轨迹发生器或速度控制模块的控制。

对象字典是应用单元与通信单元之间的接口，实际上是设备的所有参数列表。应用单元和通信单元都可访问这个参数列表。对对象字典中的词目进行读或写。例如，为通信对象配置不同的CAN标识符。如果应用对象是一个调节器，那么对象字典中的词目就是调节器的参数。

2.通信对象

CANopen应用层详细描述了各种不同类型的通信对象（COB），这些通信对象都是由一个或多个CAN报文实现的。通信对象分为以下4种类型：

1）过程数据对象（PDO消息），用来传输实时数据。

2）服务数据对象（SDO服务器消息和SDO客户端消息），用来读/写其他CANopen设备的对象字典。

3）预定义对象（同步、时间和紧急报文）。(www.chuimin.cn)

4）网络管理对象，用来控制NMT状态机（NMT消息）和监测设备（心跳、启动报文）。

（1）过程数据对象

在许多集中式控制系统中，各种设备都可能会定时传输其所有的过程数据。通常情况下，控制主机会通过轮询的方法来查询从机的过程数据，按照一定的顺序进行查询。从机则把各自过程数据应答给控制主机。

在CANopen中，过程数据被分为几个单独的段，每个段最多为8个字节，这些段就是过程数据对象（PDO）。过程数据对象由一个CAN报文构成，过程数据对象的优先级由对应的CAN标识符决定。过程数据对象分接收过程数据对象（RPDO）和发送过程数据对象（TPDO）两种。

（2）服务数据对象

CANopen设备为用户提供了一种访问内部设备数据的标准途径，设备数据由一种固定的结构（即对象字典）管理，同时也能通过这个结构来读取。对象字典中的条目可以通过服务数据对象（SDO）来访问，此外，一个CANopen设备必须提供至少一个SDO服务器，该服务器被称为默认的SDO服务器。而与之对应的SDO客户端通常在CANopen管理器中实现。因此，为了让其他CANopen设备或配置工具也能访问默认SDO服务器，CANopen管理器必须引入一个SDO管理器。

被访问对象字典的设备必须具有一个SDO管理器，这样才能保证正确地解释标准的SDO传输协议，并确保正确地访问对象字典。SDO之间的数据交换通常都是由SDO客户端发起的，它可以是CANopen网络中任意一个设备中的SDO客户端。

3.对象字典

在对象字典中，CANopen设备的所有对象都是以标准化方式进行描述的。对象字典是所有数据结构的集合，这些数据结构涉及设备的应用程序、通信以及状态机。对象字典利用对象来描述CANopen设备的全部功能，并且它也是通信接口与应用程序之间的接口。

对象字典中的对象可以通过一个已知的16位索引来识别，对象可以是一个变量、一个数组或一种结构；数组和结构中的单元又可以通过8位子索引进行访问（不允许嵌套结构）。

CANopen协议已经将对象字典进行了分配，见表4-25。

表4-25 对象字典的结构

这样用户就可以通过同一索引和子索引获得所有设备中的通信对象，以及用于某种设备类别的对象（设备、应用或接口子协议）。而制造商相关的属性则保存在事先保留的索引范围内（即制造商定义的范围），而且索引的结构也已固定。

4.网络管理系统

网络管理系统（NMT）负责启动网络和监控设备。为了节约网络资源（尤其是CAN标识符和总线带宽），将CANopen网络管理系统设计成一种主/从机系统。对于那些出于安全原因要求在网络中包含多个NMT主机的应用而言，可以采用一个“动态主机”（Flying NMT Master）。当活动的NMT主机出现故障时，另一个设备将会自动承担NMT主机的义务。

在CANopen网络中只允许有一个活动的NMT主机，通常为中央控制器（即应用主机）。原则上每一种设备（包括传感器）均可执行NMT主机功能。如果网络中有多个设备都具有NMT主机功能，则只有一个能配置成主机。有关配置NMT主机的详细信息可在用于编程CANopen设备的“框架规范”（CiA 302）中找到。

CANopen应用层与现场总线应用技术

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