CANOpen网络管理与特殊协议解刨

在CANopen创立之初，即使在CAN总线应用最广泛的汽车电子行业，网络中的CAN节点数量和需要通讯的信息都是比较少的。人们使用CAN取代RS485，主要是看重其可以突发发送的实时性优势，而在多节点、长距离应用中，CAN总线和RS485比起来并无优势，比如同样的波特率下，CAN的通信距离只能达到RS485的0.6-0.8倍，而多节点通信CAN无法进行任意的突发发送，不得不遵循RS485那样的轮询通信机制，否则会导致拥堵，如图1所示。就像这个十字路口的汽车，如果车只有10辆，即使没有交通灯，根本不会拥堵。而如果有100辆，如果任意行驶，就会发生严重拥堵。

 

 

图1 CAN的突发优势和多节点拥堵

 

CANopen的创始人是非常了解CAN总线这个特征，所以在设计CANopen时，对其定义为小网络、控制信号的实时通讯：

 

• 报文传输采用CAN标准帧格式。即11bit的ID域，以尽量减小传输时间；

 

 

• 网络控制报文均采用数据最小字节数。比如心跳报文，只有1个字节数据；

 

• 实时更新的过程数据无需接收方报文应答。即采用生产消费模型，降低总线负载；

 

• 需要接收方确认的配置参数一般都是采用快速单字传输。即1个报文最多传送1个32字节的参数变量，避免了分帧引起的实时性降低。

 

以上这些定义都是为了节约时间开销，最大限度保证实时性。同时为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的缺省标识符（CAN帧ID）分配表，以减少使用者与维护者的学习时间，快速上手。

 

网络管理（NMT）与特殊协议（Special protocols）报文ID分类

 

虽然CANopen的通讯发挥了CAN的特色，所有节点通信地位平等，运行时允许自行发送报文，但CANopen网络为了稳定可靠可控，都需要设置一个网络管理主机NMT-Master（Network Management-Master），就像一个交响乐团的指挥家，所有节点的启动、停止都是有他进行指挥，如图2所示。

 

图2 NMT-Master就像交响乐指挥家

 

NMT主机一般是CANopen网络中具备监控的PLC或者PC（当然也可以是一般的功能节点），所以也成为CANopen主站。相对应的其他CANopen节点就是NMT从机(NMT-slaves)。

 

NMT主机和NMT从机之间通讯的报文就称为NMT网络管理报文。管理报文负责层管理、网络管理和ID分配服务。例如，初始化、配置和网络管理（其中包括节点保护）。网络管理中，同一个网络中只允许有一个主节点、一个或多个从节点，并遵循主从模式。

 

另外，为了协调各个节点的同步、心跳、时间、错误提示等通讯控制，CANopen还定义了一系列特殊协议（Special protocols）报文。如表 1所示，为CANopen预定义报文（Pre-defined CAN-IDs）的NMT报文和特殊协议报文。

 

表1 NMT与特殊协议的CAN-ID定义

 

Object对象	Specification规范	CAN-ID
NMT网络管理命令	CiA301	000h
Global failsafe command全局故障安全命令	CiA304	001h
Flying master动态主站	CiA302-2	071h to 076h
Indicate active interface标示活动接口	CiA302-6	07Fh
Sync同步报文	CiA301	080h
Emergency紧急报文	CiA301	081h to 0FFh（080h +node-ID）
Time stamp时间戳报文	CiA301	100h
Safety-relevant data objects安全相关数据对象	CiA301	101h to 180h

 

CAN-ID就是这类报文的COB-ID，其中读者必须需要记住的是绿色底纹的这些常用的CAN-ID含义，在研发和应用CANopen中，这三类是最为常用的NMT与特殊协议报文。

 

USBCAN-E-P与PCI-5010-P主站卡可为PC机拓展出CANOpen通讯接口，实现CANOpen协议的数据通信。作为CANOpen网络的管理者，实现全部的CANOpen网络管理（NMT）功能。

 

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