CANopen基本原理及其应用（一）—CAN及其高层协议概述

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（Controller Area Network）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。而且，基于CAN总线的工业自动化应用中，越来越需要一个开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。

应用层（Application layer）：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（Communication profile）：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（Device proflile）：为设备（类）增加符合规范的行为



下面的章节将介绍基于CAN的高层协议：CAL协议和基于CAL协议扩展的CANopen协议。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：



1、CAL 协议

CAL（CAN Application Layer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，最早由Philips医疗设备部门制定。现在CAL由独立的CAN用户和制造商集团CiA（CAN in Automation）协会负责管理、发展和推广。

CAL提供了4种应用层服务功能：

CMS (CAN-based Message Specification)

CMS提供了一个开放的、面向对象的环境，用于实现用户的应用。CMS提供基于变量、事件、域类型的对象，以设计和规定一个设备（节点）的功能如何被访问（例如，如何上载下载超过8字节的一组数据（域），并且有终止传输的功能）。

CMS从MMS (ManufacturingMessage Specification)继承而来。MMS是OSI为工业设备的远程控制和监控而制定的应用层规范。

NMT (Network ManagemenT)

提供网络管理（如初始化、启动和停止节点，侦测失效节点）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个NMT主节点）来实现的。

DBT (DistriBuTor)

提供动态分配CAN ID（正式名称为COB-ID，Communication Object Identifier）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个DBT主节点）来实现的。

LMT (Layer ManagemenT)

LMT提供修改层参数的服务：一个节点（LMTMaster）可以设置另外一个节点（LMT Slave）的某层参数（如改变一个节点的NMT地址，或改变CAN接口的位定时和波特率）。

CMS为它的消息定义了8个优先级，每个优先级拥有220个COB-ID，范围从1到1760。剩余的标志（0，1761-2031）保留给NMT，DBT和LMT，见下表

注意这是CAN2.0A标准，11位ID范围[0，2047]，由于历史原因限制在[0，2031]。如果使用CAN2.0B标准，29位ID并不改变这个描述；表中的11位映射到29位COB-ID中的最高11位，以至于表中的COB-ID范围变得增大许多



映射到CAL服务和对象的COB-ID(11位CAN标识符)

2、CANopen

CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协议，但并没有定义CMS对象的内容或者正在通讯的对象的类型（它只定义了how，没有定义what）。而这正是CANopen切入点。

CANopen是在CAL基础上开发的，使用了CAL通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展：或简单或复杂。

CANopen的核心概念是设备对象字典（OD：Object Dictionary），在其它现场总线（Profibus，Interbus-S）系统中也使用这种设备描述形式。注意：对象字典不是CAL的一部分，而是在CANopen中实现的。

具体的CANopen知识，请关注下一次的知识更新。