CANopen总线技术

在CAN总线协议飞速发展的20年中，很多领域都制定了CAN在该领域应用时所采用的高层协议规范。其中，比较著名的有美国汽车工程师协会(SAE)制定的车内通信规范J1939等。这些协议和规范对CAN的推广起了很大的作用，但总体来说，协议的模块化特性都不太好，一般只能应用于特定的领域。为了能够把CAN推广到更多的领域，欧洲一些公司推出了CAL(应用层CAN)协议，尽管CAL在理论上正确，并在工业上可以投入应用，但每个用户都必须设计一个新的子协议，因为CAL 是一个真正的应用层协议。CAL 可以被看作一个应用CAN 方案的必要理论步骤，但在这一领域它不会被推广。从1993 年起，由Bosch公司领导的一个欧洲机构研究出一个协议原型，由此发展成为CANopen规范。

CANopen是一个基于CAL的子协议，采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很高的适应性，通过扩展可以适用于大量的应用领域。在CANopen规范基本完成之后，Bosch将其移交给CIA组织，由其进行维护与发展。在1995年，CIA发表了完整版的CANopen通信子协议；仅仅用了5年的时间，它已成为全欧洲重要的嵌入式网络标准。

CANopen不仅定义了应用层和通信子协议，而且为可编程系统、不同器件、接口、应用子协议定义了大量的行规，遵循这些行规开发出的CANopen设备将能够实现不同公司产品间的互操作。另外，CANopen协议是免许可证的，任何组织和个人都可以开发支持CANopen协议的设备而不用支付版税，这也是CANopen得到迅猛发展的重要原因之一。CANopen目前已在汽车工业控制系统，公共交通运输系统，医疗设备，海运电子设备和建筑自动化系统中取得了广泛的应用，是将CAN应用推向深化的理想选择。

1. 采用CANopen协议实现通信

CANopen协议中包含了标准的应用层规范和通信规范，其通信模型如图1所示。在CANopen的应用层，设备间通过相互交换通信对象进行通信。良好的分层和面向对象的设计思想将带给用户一个清晰的通信模型。

2. CANopen设备模型

一个CANopen设备模块可以被分为3部分，如图2所示。

通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。这一部分直接面向CAN控制器进行操作。

对象字典描述了设备使用的所有的数据类型，通信对象和应用对象。是一个CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间，向应用程序提供接口，应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。理解对象字典的概念是理解CANopen模型的关键。

应用程序由用户编写，包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分由用户根据应用要求实现。

CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的，为了能够实现通信，网络管理，紧急情况处理等功能，CANopen规范定义了四类标准的通信对象：

3. 进程数据对象(PDO)

第一类通信对象为进程数据对象。PDO被映射到单一的CAN帧中，使用所有的8个字节的数据域来传输应用对象。每个PDO有一个独立的标识符并且可能只被一个节点发送，但它可以被多于一个节点接收，这种模式被称之为生产者/消费者通信模式。PDO可以通过多种模式传送，内部事件，外部时钟，远程帧请求以及从特定节点接收到同步报文都可以启动PDO发送。

4. 服务数据对象(SDO)

第二类通信对象为服务数据对象，该对象可以传输大于8个字节的配置信息。也就是说，SDO传送协议允许传送任意长度的对象。接收者将确认收到的每个段信息，发送和接收者间将建立点对点的通信，称之为客户机/服务器模式。未来，CANopen将允许快速传输SDO，不必对传送的每个段都进行确认，只要在整个对象传送完毕后进行确认即可。

5. 网络管理对象(NMT)

第三类通信对象是网络管理对象，包括节点警戒对象以及NMT对象。节点警戒对象是由NMT主节点远程请求发送的带有1字节数据的CAN帧，一个字节的数据中包含1个触发位以及7个用于表示节点状态的数据位。NMT主节点将周期性地发送节点警戒对象。发送周期(警戒时间)的长度在对象字典中规定并且可以通过SDO进行配置。另外，系统还定义了生命警戒时间，NMT主节点要在生命警戒时间过后向NMT从节点发送远程请求。这种机制保证了即使NMT主节点不在了，系统中的其他节点也可以通过用户定义的方式进行回应。

6. 特殊功能对象

CANopen还为同步，紧急状态表示以及时间标记传送定义了三个特定的对象。同步对象由同步制造者向网络进行周期性广播，该对象将提供基本的网络时钟。当设备发生严重的内部错误时，相关的一个紧急状态客户机将发送一个紧急状态对象。时间标记对象将为应用设备提供公共的时间帧参考。

要理解CANopen规范，核心是要理解CANopen的设备模型和各类型的通信对象。掌握了这两者后，通过利用各类标准的设备描述就可以开发出符合国际标准的CANopen设备了。

7. 展望

最近一段时期，国内开发、应用CAN系统的人员正在逐渐增多，对CAN协议的研究也在不断加深。在很多领域，如研制电动汽车和混合动力汽车的863重大课题，已经将CAN作为标准的车内通信协议确定下来。电力，航天等部门也在CAN方面取得了不小的应用成绩。

在CAN应用蓬勃发展的时候，我们也应当清醒地看到，尽管CAN协议在欧美已经发展了20年，应用层协议的发展也差不多有10年时间，但目前国内大多数的应用系统仍然基于CAN2.0B规范开发，还不能在应用层的水平上进一步深入，这不能不说是很遗憾的事情。另外，国内研究、开发CAN协议，尤其是CAN高层协议的组织和人员还太少，这对CAN在中国的推广是十分不利的，笔者诚切希望更多的有识之士能够加入这一行列。