??? 摘? 要： 闡述了CANopen應(yīng)用層協(xié)議的通訊機(jī)制，分析了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并通過實(shí)際應(yīng)用案例的講解與剖析，指導(dǎo)用戶快速建立一個(gè)運(yùn)行可靠的CANopen系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)總線；CAN-bus；CANopen
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??? 隨著現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus技術(shù)逐漸深入到國(guó)內(nèi)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也基于國(guó)內(nèi)廠家的產(chǎn)品設(shè)備與國(guó)際工控市場(chǎng)的接軌需求，基于主流應(yīng)用層協(xié)議——CANopen的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)也逐漸增多，其在車輛工業(yè)、工程機(jī)械、船舶海運(yùn)等需要大量分布式傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行業(yè)都有大量應(yīng)用。
?????????????????????????????????????????? CANopen協(xié)議
????????????????????????????????????????? CANopen的發(fā)展
?? ?20世紀(jì)80年代，由于汽車行業(yè)的需要而出現(xiàn)了CAN-bus。CAN-bus只定義了OSI通信模型中的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而沒有定義應(yīng)用層，因此各個(gè)廠商都可以定義自己的應(yīng)用層協(xié)議，這樣不利于工業(yè)的發(fā)展。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在CAN-bus的應(yīng)用層相繼出現(xiàn)了CANopen、DeviceNet、J1939等應(yīng)用層協(xié)議。
?? ?CANopen協(xié)議是在20世紀(jì)90年代末由CIA（CAN-in-Automation）組織在CAL（CAN Application Layer）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，一經(jīng)推廣便在歐洲得到了廣泛的承認(rèn)。經(jīng)過對(duì)CANopen協(xié)議規(guī)范文本的幾次修改，使得CANopen協(xié)議在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性上都得到了提高，并且CIA不斷地在各個(gè)行業(yè)推出標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議描述文本，使得CANopen在各個(gè)行業(yè)中更快速地發(fā)展與推廣。
?????????????????????????????????????????? 對(duì)象字典OD
??? CANopen協(xié)議最核心的概念就是對(duì)象字典(Object Dictionary)，整個(gè)設(shè)備的功能都是通過對(duì)象字典來描述的。在一個(gè)特定的CANopen設(shè)備中必須擁有通信參數(shù)描述區(qū)(0x1000~0x1FFF)和設(shè)備功能描述區(qū)(0x2000~0x5FFF 或0x6000~0x9FFF)，其他的區(qū)域僅僅表示數(shù)據(jù)類型。
??? 對(duì)象字典分為主索引（16位）與子索引（8位），通過電子數(shù)據(jù)表格(EDS)來描述。設(shè)備子協(xié)議為對(duì)象字典中的每個(gè)對(duì)象描述了它的功能、名字、索引和子索引、數(shù)據(jù)類型以及這個(gè)對(duì)象是必需的還是可選的，這個(gè)對(duì)象是只讀、只寫或者可讀寫等。
???????????????????????????????????????? CANopen通信
??? CANopen協(xié)議定義了四種通信對(duì)象，分別為管理報(bào)文對(duì)象、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO(Service Data Object)、過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO(Process Data Object)、預(yù)定義報(bào)文或者特殊功能對(duì)象。
?? ?一個(gè)CANopen設(shè)備必須支持一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)（管理報(bào)文，administrative messages），需要至少一個(gè)SDO，每個(gè)生產(chǎn)或消費(fèi)過程數(shù)據(jù)的設(shè)備需要至少一個(gè)PDO，所有其它的通信對(duì)象是可選的。一個(gè)CANopen設(shè)備中CAN-bus通信接口、對(duì)象字典和應(yīng)用程序之間的聯(lián)系如圖 1所示。
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?????????????????????????????????? CANopen節(jié)點(diǎn)開發(fā)
??? 主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)之間的主要區(qū)別在于主節(jié)點(diǎn)具有管理報(bào)文(NMT)以及服務(wù)數(shù)據(jù)客戶端(client)等功能，有了這些功能，主節(jié)點(diǎn)就可以管理CANopen網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于開發(fā)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)設(shè)備來說有著較大的區(qū)別，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理并且能加載所有節(jié)點(diǎn)的EDS文件，例如主節(jié)點(diǎn)可以管理任意一個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入特定的工作狀態(tài)、配置從節(jié)點(diǎn)的參數(shù)、完成與從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換等功能。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說從節(jié)點(diǎn)屬于被動(dòng)設(shè)備，受主站管理，從節(jié)點(diǎn)只需要支持PDO、SDO服務(wù)器、預(yù)定義或特殊功能對(duì)象。
????????????????????????????????????? CANopen組網(wǎng)通信
??? 在一個(gè)完整的CANopen網(wǎng)絡(luò)中可有兩種組網(wǎng)方式。
?? ?(1)CANopen網(wǎng)絡(luò)中，需要一個(gè)CANopen主節(jié)點(diǎn)設(shè)備和至少一個(gè)CANopen從節(jié)點(diǎn)設(shè)備；
?? ?(2)CANopen網(wǎng)絡(luò)中，至少需要兩個(gè)CANopen從節(jié)點(diǎn)，由于CANopen可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作方式，即對(duì)CANopen從節(jié)點(diǎn)配置正確的情況下，CANopen網(wǎng)絡(luò)中沒有主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間也能夠建立通信并完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換過程。
?? ?對(duì)于第一種組網(wǎng)方式需要一個(gè)CANopen主站，現(xiàn)階段能提供的CANopen主站有很多種可以選擇，例如工業(yè)電腦、PLC、工控主機(jī)等。主站的開發(fā)方式可以選擇帶CANopen API函數(shù)的主站卡、帶OPC服務(wù)器的主站卡或者帶CANopen主節(jié)點(diǎn)的PLC，如圖2所示。
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??????????????????????????????????????? CANopen節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
??? 對(duì)于一個(gè)現(xiàn)有的CANopen網(wǎng)絡(luò)，由于功能上的需求，需要把不具有CANopen協(xié)議的串行設(shè)備（如RS232/RS485等設(shè)備)添加到CANopen網(wǎng)絡(luò)，這種情況下就需要用到網(wǎng)關(guān)設(shè)備（不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備），其聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖2所示。
??????????????????????????????????????????? 從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
??? 設(shè)計(jì)CANopen從節(jié)點(diǎn)的方案非常多，例如51MCU+SJA1000+CTM8251T(PCA8251T)、LPC2119＋CTM-8251T、FPGA＋SJA1000＋CTM8251T等方案。如果用戶所設(shè)計(jì)的CANopen從節(jié)點(diǎn)設(shè)備功能相對(duì)簡(jiǎn)單，可選用價(jià)格較便宜的51單片機(jī)的方案。如果用戶設(shè)計(jì)的CANopen從節(jié)點(diǎn)的功能比較復(fù)雜，代碼可能占有大量的CODE和RAM空間，因此建議選擇LPC2119方案。如果要求設(shè)備運(yùn)行速度快，則可選FPGA方案。這些節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案中都需要對(duì)CANopen協(xié)議有深入的了解，并編寫出符合CANopen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的代碼。
??? 為了簡(jiǎn)化CANopen從節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，用戶可以選擇由廣州致遠(yuǎn)電子有限公司所生產(chǎn)的CANopen從站模塊，該模塊支持用戶二次開發(fā)，并且已經(jīng)固化了CANopen從節(jié)點(diǎn)的核心代碼(符合CANopen規(guī)范標(biāo)準(zhǔn))，提供API函數(shù)供用戶使用，可使從節(jié)點(diǎn)的性能更加穩(wěn)定、開發(fā)速度更快、使用更方便。
??????????????????????????????????????????? 主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
??? 在CANopen主節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)需要管理最多127個(gè)的從節(jié)點(diǎn)，所以對(duì)于主站的硬件資源要求較高，主節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)通常有以下幾種方案。
?? ?(1)工業(yè)電腦＋PCI CANopen主站卡，這種方案簡(jiǎn)單方便，可通過主站卡提供的API函數(shù)或OPC服務(wù)器輕松完成主站的設(shè)計(jì)或組態(tài)；
?? ?(2)嵌入式工控主機(jī)（WinCE或linux），這種方案也可以利用供應(yīng)商提供的CANopen主站函數(shù)庫(kù)或CANopen主站卡來實(shí)現(xiàn)CANopen主節(jié)點(diǎn)功能；
?? ?(3)PLC（CANopen主節(jié)點(diǎn)），這種方案對(duì)用戶來說也是比較簡(jiǎn)單的方案，只需要用戶對(duì)PLC進(jìn)行編程，可以完成CANopen主節(jié)點(diǎn)的組態(tài)應(yīng)用，但費(fèi)用較高。
?? ?用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行方案選擇，用最少的時(shí)間和費(fèi)用完成最穩(wěn)定的主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶的最佳選擇。
?????????????????????????????????????????? 節(jié)點(diǎn)抗干擾設(shè)計(jì)
??? ESD脈沖、電源瞬變、總線浪涌等現(xiàn)象是影響網(wǎng)絡(luò)通信、損壞設(shè)備的主要原因。設(shè)計(jì)CAN-bus電路時(shí)，可以選擇微型封裝的專用ESD保護(hù)元件PESDxCAN，以對(duì)抗ESD及其他電壓突變脈沖?？梢园惭bCAN-bus共模扼流圈BZ82793，以確保設(shè)備的電磁兼容性，抑制耦合干擾。同時(shí)，外置CAN-bus總線防雷器可以降低雷電、大電流浪涌對(duì)野外安裝設(shè)備的損壞幾率。
??????????????????????????????????? CANopen在紡織機(jī)械中的應(yīng)用
??? 改革開放30年來，國(guó)內(nèi)針織行業(yè)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的手搖橫機(jī)已經(jīng)無法滿足復(fù)雜花型編制的要求，也無法提高生產(chǎn)效率。全自動(dòng)電腦橫機(jī)是國(guó)內(nèi)毛衫企業(yè)發(fā)展壯大的必然趨勢(shì)。它可以大大提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
??? 由于CANopen協(xié)議的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適合用作紡織機(jī)械的通信協(xié)議，可參考CANopen標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議描述文本DS414。NetEPC-8900集成了CANopen協(xié)議主站函數(shù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)管理多達(dá)127個(gè)節(jié)點(diǎn)的CANopen網(wǎng)絡(luò)，TinyARM模塊帶有CANopen從節(jié)點(diǎn)的函數(shù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)絕大部分工業(yè)控制要求。應(yīng)用CANopen協(xié)議構(gòu)成的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)可使整個(gè)系統(tǒng)完全自動(dòng)工作，無需人工參與，可以大大減少企業(yè)人力資源成本，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。其方案如圖 3所示。
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??? 基于NetEPC-8900的全自動(dòng)電腦橫機(jī)采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的NetEPC-8900為控制主機(jī)，通過CANopen網(wǎng)絡(luò)連接CANopen節(jié)點(diǎn)（TinyARM T23系列）來實(shí)現(xiàn)。工作人員在監(jiān)控服務(wù)器上生成需要生產(chǎn)服飾的花型文件；通過以太網(wǎng)下載到NetEPC-8900上；NetEPC-8900解析花型文件后，通過CANopen節(jié)點(diǎn)(TinyARM T23系列)的PWM信號(hào)控制搖床電機(jī)工作，通過CANopen節(jié)點(diǎn)（TinyARM T23系列）的I/O信號(hào)控制選針器工作，通過CANopen節(jié)點(diǎn)（TinyARM T23系列）的D/A信號(hào)控制卷布電機(jī)和壓針電機(jī)工作；通過CANopen節(jié)點(diǎn)(TinyARM T23系列)控制紗嘴三角系統(tǒng)動(dòng)作。NetEPC-8900通過連接LCD顯示器指示橫機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息。工作人員也可以通過監(jiān)控服務(wù)監(jiān)控生產(chǎn)的衣服產(chǎn)量。
?? ?現(xiàn)階段的中國(guó)在工業(yè)領(lǐng)域與歐洲、美國(guó)等其他先進(jìn)國(guó)家存在較大的差距。CANopen作為先進(jìn)的通信協(xié)議在歐洲等其他的發(fā)達(dá)國(guó)家都已得到了廣泛應(yīng)用，在中國(guó)的推廣與應(yīng)用還處于起步階段，在我國(guó)正大力發(fā)展工業(yè)的時(shí)代，CANopen有著重大的發(fā)展前景與機(jī)遇。
?? ?廣州致遠(yuǎn)電子有限公司提供CANopen主站卡、CANopen數(shù)據(jù)采集模塊、CANopent協(xié)議網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品，并提供CANopen軟件支持與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。