CANopen基本原理及其应用（二）——对象字典和通讯机制

1、对象字典OD

对象字典（OD：Object Dictionary）是CANopen协议核心部分，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，同时定义了一个8位的子索引，对象字典的结构参照下表。不要被对象字典中索引值低于0x0FFF的‘data types’项所迷惑，它们仅仅是一些数据类型定义。一个节点的对象字典的有关范围在0x1000到0x9FFF之间。

CANopen对象字典通用结构



CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。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。

一个节点的对象字典是在电子数据文档（EDS：Electronic Data Sheet）中描述或者记录在纸上。不必要也不需要通过CAN-bus“审问”一个节点的对象字典中的所有参数。如果一个节点严格按照在纸上的对象字典进行描述其行为，也是可以的。节点本身只需要能够提供对象字典中必需的对象（而在CANopen规定中必需的项实际上是很少的），以及其它可选择的、构成节点部分可配置功能的对象。

CANopen由一系列称为子协议的文档组成。

通讯子协议（communication profile），描述对象字典的主要形式和对象字典中的通讯子协议区域中的对象，通讯参数。同时描述CANopen通讯对象。这个子协议适用于所有的CANopen设备。

还有各种设备子协议（device profile），为各种不同类型设备定义对象字典中的对象。设备子协议为对象字典中的每个对象描述了它的功能、名字、索引和子索引、数据类型，以及这个对象是必需的还是可选的，这个对象是只读、只写或者可读写等等

注意：一个设备的通讯功能、通讯对象、与设备相关的对象以及对象的缺省值由电子数据文档（EDS：ElectronicData Sheet）中提供。

单个设备的对象配置的描述文件称作设备配置文件（DCF：DeviceConfiguration File），它和EDS有相同的结构。二者文件类型都在CANopen规范中定义。

设备子协议定义了对象字典中哪些OD对象是必需的，哪些是可选的；必需的对象应该保持最少数目以减小实现的工作量。

可选项――在通讯部分和与设备相关部分――可以根据需要增加以扩展CANopen设备的功能。如果需要的项超过了设备子协议中可以提供的，在设备子协议中已预留由足够空间提供给厂商的特定功能使用。

对象字典中描述通讯参数部分对所有CANopen设备（例如在OD中的对象是相同的，对象值不必一定相同）都是一样的。对象字典中设备相关部分对于不同类的设备是不同的。

2、CANopen通讯

前面说明了CANopen中对象字典的概念，现在我们来介绍在CANopen网络中的通讯消息，它们的内容和功能，换句话：CANopen通讯模式。

注意：请区分对象字典中的对象（使用对象字典索引和子索引）和通讯对象（或者消息，使用COB-ID）。

CANopen通讯模型定义了4种报文（通讯对象）：

2.1.管理报文

◆ 层管理，网络管理和ID分配服务：如初始化，配置和网络管理（包括：节点保护）。

2.2.服务数据对象SDO(Service Data Object)

◆ 通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节），SDO使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）。

◆协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个SDO需要两个ID）。SDO请求和应答报文总是包含8个字节（没有意义的数据长度在第一个字节中表示，第一个字节携带协议信息）。SDO通讯有较多的协议规定。

2.3.过程数据对象PDO（Process Data Object）

◆用来传输实时数据， 数据从一个生产者传到一个或多个消费者。数据传送限制在1到8个字节（例如，一个PDO可以传输最多64个数字I/O值，或者4个16位的AD值）。

◆ PDO通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的CAN ID定义，假定生产者和消费者知道这个PDO的数据内容。

◆ 每个PDO在对象字典中用2个对象描述：

●PDO通讯参数：包含哪个COB-ID将被PDO使用，传输类型，禁止时间和定时       器周期。

●PDO映射参数：包含一个对象字典中对象的列表，这些对象映射到PDO里，       包括它们的数据长度（in bits）。生产者和消费者必须知道这个映射，       以   解释PDO内容。

◆ PDO消息的内容是预定义的（或者在网络启动时配置的）：

映射应用对象到PDO中是在设备对象字典中描述的。如果设备（生产者和消费者）支持可变PDO映射，那么使用SDO报文可以配置PDO映射参数。

◆PDO可以有多种传送方式：

●同步（通过接收SYNC对象实现同步）

■ 非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的对象   特          定事件预触发传送。

       ■ 周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。

●异步   

■ 由远程帧触发传送。

■ 由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。

下表给出来了由传输类型定义的不同PDO传输模式，传输类型为PDO通讯参数对象的一部分，由8位无符号整数定义。



◆一个PDO可以指定一个禁止时间，即定义两个连续PDO传输的最小间隔时间，避免由于高优先级信息的数据量太大，始终占据总线，而使其它优先级较低的数据无力竞争总线的问题。禁止时间由16位无符号整数定义，单位100us。

◆一个PDO可以指定一个事件定时周期，当超过定时时间后，一个PDO传输可以被触发（不需要触发位）。事件定时周期由16位无符号整数定义，单位1ms。

2.3、预定义报文或者特殊功能对象

◆同步（SYNC）

●在网络范围内同步（尤其在驱动应用中）：在整个网络范围内当前输入值准同时保存，随后传送（如果需要），根据前一个SYNC后接收到的报文更新输出值。

●主从模式：SYNC主节点定时发送SYNC对象，SYNC从节点收到后同步执行任务。

●在SYNC报文传送后，在给定的时间窗口内传送一个同步PDO。

●CANopen建议用一个最高优先级的COB-ID以保证同步信号正常传送。SYNC报文可以不传送数据以使报文尽可能短。

◆时间标记对象（Time Stamp）

●为应用设备提供公共的时间帧参考。

●用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

◆紧急事件（Emergency）

● 设备内部错误触发。

●用CAL中存储事件类型的CMS对象实现。

◆节点/寿命保护（Node/Life guarding）。

●主从通讯模式

●NMT主节点监控节点状态：称作节点保护（Node guarding）。

●节点也可以（可选择）监控NMT主节点的状态：称作寿命保护（Life guarding）。当NMT从节点接收到NMT主节点发送的第一个Node Guard报文后启动寿命保护。

●检测设备的网络接口错误（不是设备自身的错误）：通过应急指示报告。

● 根据NMT节点保护协议实现： NMT主节点发送远程请求到一个特定节点，节点给出应答，应答报文中包含了这个节点的状态。

◆Boot-UP

●主从通讯模式

● NMT从节点通过发送这个报文，向NMT主节点说明该节点已经由初始化状态进入预操作状态。

CANopen设备模型



上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输。它们采用二种不同的数据传输机制实现：

◆SDO 用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的是用来配置CANopen网络上的设备。

◆PDO 用来传输8字节或更少数据，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。

一个CANopen设备必须支持一定数量的网络管理服务（管理报文，administrative messages），需要至少一个SDO。每个生产或消费过程数据的设备需要至少一个PDO。所有其它的通讯对象是可选的。一个CANopen设备中CAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的联系如图3-1所