总述

设备模型(对象字典)

通讯(通讯对象 通讯模型)

协定(服务资料对象 (SDO) 协定 进程数据对象 (PDO) 协定)

总述

CANopen是一种架构在控制局域网路（Control Area Network, CAN）上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线。

CANopen 实作了OSI模型中的网络层以上（包括网络层）的协定。CANopen 标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。 CANopen 支援网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。一般而言资料链结层及实体层会用CAN来实作。除了 CANopen 外，也有其他的通讯协定（如EtherCAT）实作 CANopen 的设备子协定。

CANopen由非营利组织CiA（CAN in Automaion）进行标准的起草及审核工作，基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301. 中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。

设备模型

以下是所有 CANopen 设备都要具备的功能：

通讯单元 处理和网络上其他模组通讯所需要的通讯协定。 设备的启动及重置由状态机 (state machine)控制。状态机需包括以下的几个状态：Initialization, Pre-operational, Operational 及 Stopped。当接收到网络管理 (NMT) 通讯对象，状态机会转换到对应的状态。 对象字典 (Object Dictionary) 是一个有 16 位元索引 (Index) 的变量阵列。每个变量可以（但非必须）有 8 位元的子索引 (Subindex)。变量可用来调整设备的组态，也可以对应设备量测的资料或设备的输出。 当状态机设定为 operational　之后，设备的应用 (application) 部份就会实现设备预期的机能。此部份可以由对象字典中的变量调整其设定，而资料由通讯层传收或接收。

对象字典

CANopen 设备都需要具备对象字典，用来设定设备组态及进行非即时的通讯。对象字典的entry 定义如下：

索引 (Index)：对象 16 位元的位址。 对象名称 (Object name)：一个代表对象的 symbolic type，可以是阵列、纪录或只是一个变量。 名称 (Name)：描述此 entry 的字串。 形态 (Type)：变量的资料形态。 属性 (Attribute)：提供此 entry 是否可读/可写的资料，有下列四种：可读/写、只读、唯写、只读常数。 必须 (Mandatory)/可选 (Optional)字段定义属于特定设备规范下的设备，是否必须实现某些对象。 在 CANopen 标准中定义了对象字典中的基本资料型态，包括逻辑值、整数及浮点数。也定义了复合对象：如阵列、记录及字串。复合对象用一个 8 位元的数值作为其子索引(subindex)。记录或阵列中子索引 0 的位置记录此数据结构的元素个数，资料型态为 UNSIGNED8。

例如在 CiA301 标准中，设备通讯的参数放在索引范围 0x1000 - 0x1FFF (通讯行规区)。此区域的前几项如下：

索引　对象名称　名称　形态　属性　M/O

0x1000　VAR　device type　UNSIGNED32　只读　M

0x1001　VAR　error register　UNSIGNED8　只读　M

...　　　　　

0x1008　VAR　manufacturer device name　Vis-String　常数　O

...　　　　　　若配合适当的工具，可以用编辑电子资料表（electronic data sheet, EDS)档案的方式规划一个设备，并且将变量的数值上传到设备中。EDS 档案的格式通常会是INI档。

通讯

通讯对象

CANopen 的物理层 CANbus 每次传送的数据量不大，其中包括 11 位元的 ID、远端传输请求（RTR）位元及大小不超过8位元的资料。CANopen 将 CANbus 11 位元的 ID 分为 4 位元的功能码及 7 位元的 CANopen 节点 ID。7 位元的 ID 共有 128 种不同的组合，其中 ID 0 不使用，因此一个 CANopen 网络上最多允许 127 台设备。CANbus 在 CAN 2.0 B 规格中允许 29 位元的 ID，因此若配合 CAN 2.0 B 使用，CANopen 网络上可以超过127 台设备，不过在实际运用中，大多数的 CANopen 网络上设备数量均低于此数值。

CANopen 将 CANbus 的 11 位元 ID 称为通讯对象 ID (COB-ID)。当传输数据发生冲突时，CANbus 的仲裁机制会使 COB-ID 最小的讯息继续传送，不用等待或重传。COB-ID 的前 4 个位元是 CANopen 的功能码，因此数值小的功能码表示对应的功能重要，允许的延迟时间较短。

以下是一个标准的 CANopen 页框：

　功能码　节点 ID　RTR　资料长度　资料

长度　4 位元　7 位元　1 位元　4 位元　0-8 字节　在 CANopen 标准中，部份 COB-ID 被保留作网络管理及 SDO 通讯用。而在设备初始化后，有些功能码和 COB-ID 会对映到标准的功能，不过后续仍可以规划为其他用途。

通讯模型

CANopen 设备间的通讯可分为以下三种通讯模型。

在 master/slave 模型中，一个 CANopen 设备为 master，负责传送或接收其他设备（称为 slave）的数据。NMT 协定就使用了 master/slave 模型。 主从（client/server）模型定义在 SDO 协定中，SDO client 将对象字典的索引及子索引传送给 SDO server，因此会产生一个或数个需求数据（对象字典中，索引及子索引对应的内容）的 SDO 封包。 生产者/消费者（producer/consumer）模型用在 Heartbeat and Node Guarding 协定。由一个生产者送出数据给消息者，同一个生产者的数据可能给一个以上的消息者。又可分为二种： push-model：生产者会自动送出数据给消费者。 pull-model：消费者需送出请求讯息，生产者才会送出数据。

协定

NMT 协定NMT（网络管理, Network management）协定会定义（设备内部）状态机的状态变更命令（如启动设备或停止设备）、侦测远端设备 bootup及故障情形。

NMT master 使用的模组控制协定可变更设备的状态。其 COB-ID 为 0，其功能码及节点 ID 均为 0，因此网络上的所有节点均会处理这个讯息。在此讯息的资料部份会有此讯息实际针对节点的ID，此 ID 也可为 0，表示所有节点都要变更为指定的状态。

心跳协定（Heartbeat protocol）是用来监控网络中的节点及确认其正常工作。心跳讯息的生产者（一般是 slave 设备）周期性的送出功能码 1110、ID 为本身节点 ID 的讯息，讯息的资料部份有一个表示节点状态的位元。而心跳讯息的消费者负责接收上述资料，若在指定时间（于设备的对象字典中定义）内，消费者均未收到讯息，可采取相关行动（例如显示错误或重置该设备）。

其格式为：

COBID + DATA(status of node) CANopen 设备需要在 bootup 时自动从 Initializing 状态切换至 Pre-operational 状态，设备会在切换完成后送出一个心跳讯息，这就是心跳协定。

有一种 pull model 的 NMT 协定，称作节点监控（Node guarding）协定，也可以作从机的监控。

服务资料对象 (SDO) 协定

服务资料对象(SDO)可用来存取远端节点的对象字典，读取或设定其中的资料。提供对象字典的节点称为SDO server，存取对象字典的节点称为SDO client。SDO 通讯一定由SDO client 开始，并提供初始化相关的参数。

在CANopen的术语中，上传是指由 SDO server 中读取资料，而下载是指设定 SDO server 的资料。

进程数据对象 (PDO) 协定

进程数据对象 (PDO) 协定可用来在许多节点之间交换即时的资料。可透过一个 PDO ，传送最多 8 字节（64位元）资料给一设备，或由一设备接收最多 8 字节（64位元）的资料。一个 PDO 可以由对象字典中几个不同索引的资料组成，规划方式则是透过对象字典中对应 PDO mapping 及 PDO 参数的索引。

PDO 分为两种：传送用的 TPDO 及接收用的 RPDO。一个节点的 TPDO 是将资料由此节点传输到其他节点，而 RPDO 则是接收由其他节点传输的资料。一个节点分别有 4 个 TPDO 及 4 个 RPDO 。

PDO 可以用同步或异步的方式传送：同步的 PDO 是由 SYNC 讯息触发，而异步的 PDO 是由节点内部的条件或其他外部条件触发。例如若一个节点规划为允许接受其他节点产生的 TPDO 请求，则可以由其他节点送出一个没有资料但有设定 RTR 位元的 TPDO（TPDO 请求），使该节点送出需求的资料。

借由 RPDO 也可以使两种设备同时启动。

CANopen 专有名词

PDO 程序资料对象 - 对应实际物理量的输入及输出。资料的单位可能是 RPM, V, Hz, mAmp...。

SDO 服务资料对象 - 一般来说是组态设定的资料，如节点位置、节点ID、通讯速度、位移、增益等。……

COB-ID - CAN 对象编号

CAN ID - CAN Identifier. 是在每个 CAN 讯息前面的讯息识别码，共 11 位元。

EDS - 电子资料档（Electronic data sheet）是 INI 格式的档案。

DCF - 设备组态档案（Device configuration file），是加强版的 EDS，可以设定节点 ID 及通讯速度。