CANopen, an overview
水位电极
CANopen 是基于CAN 的高层网络协议，是具有高度灵活配置能力的标准化嵌入式网络。CANopen 一开始是被设计为面向电机控制的机械控制网络，比如储运系统。如今，他已经被使用在许许多多的领域当中，医疗设备、越野车辆、海事电子设备、公共运输系统、楼宇自动化等等。CANopen 一开始是在Bosch 主持的Esprit 项目中开发的。1995年，CANopen 定义被提交到CAN in Automation (CiA)国际用户和工厂组织。现今，他已经成为国际标准CENELEC EN 50325-4。 现在，CANopen 是基于CAN(Controller Area Network)的分布式自动化系统标准应用。其特点包括： • 基于生产者-消费者机制，传输具有严格时
间要求的数据
• 标准化的设备描述（数据，参数，功能，程序）由被叫做“对象字典”("object dictionary")的形式实现。通过基于客户端-服务器（client-server ）机制的标准传输协议(SDO 协议) 访问设备中的这些“对象” • 标准化的设备监视（node guarding/heartbeat ），网络管理（NMT messages,
boot-up messages ）和错误控制（emergency messages ）服务 • 支持同步操作（SYNC messages ）的标准化系统服务，中央时间戳消息 • 通过总线，远程配置波特率和设备ID 号的标准化功能
• 通过被叫做“预定义连接集”（ "predefined connection set"）的形式实现标准
大球泥化的CAN-ID 分配（根据node-ID ） CiA 成员开发生成的标准化profile 文件（设备，接口和应用profile ）简化了集成CANopen 网络系统的系统设计工作。目前市场上有很多成品设备、工具以及协议栈，且价格合理。对于系统设计者，能够重复使用应用软件是非常重要的。这不但需要通信的兼容性还需要保证设备的互用性和互换性。在CANopen 设备和接口profile 中定义的应用对象实现了CANopen 设备的互换性。通过profile 描述增加通用功能，CANopen 为生产厂商定义其设备功能提供了足够的灵
活性和开放性。
CiA301“CANopen 应用层和通信Profile ”，目前的版本是4.1，描述了基本CANopen 通信原则和基本CANopen 通信服务。CiA302“附加应用层功能” 定义了对扩展的通信机制的描述。CiA302定义了基于CiA301通信机制的重要扩展，比如“智能”设备。特别是可编程控制器，像PLC ，HMI 或者CANopen 配置和管理工具。CiA303描述了标准的和建议使用的线缆、管脚分配、标准化的LED 状态显示和SI 单元。
德国思泰电子有限公司(SYS TEC electronic GmbH)是一家在德国拥有自主产品的高科技开发公司。思泰电子（SYS TEC ）致力于CAN 及CANopen 产品开发始于1995年，并且拥有CANopen 协议栈原码、软件工具和CAN/CANopen 相关的硬件产品，比如CAN 总线接口、CANopen PLC 和I/O 设备以及32为单片机组件。
CiA305定义了“layer setting services”（LSS）。LSS是用来远程配置node-ID和CAN 总线比特率的。CiA306定义了配置网络或设备时使用的电子数据表单（EDS）。CiA311 包含了对用来描述CANopen设备的XML图解的描述。还有一些是对框架和应用程序profile的定义，比如CiA304（“安全相关通信框架”）和CIA307（“海事电子设备框架”）
以CiA301和CiA302作为CANopen基础，还有许多附加定义，包括对设备的定义（比如：I/O，倾角计和编码器）、对应用的定义（比如：电梯）。这些被称作设备profile和应用profile，定义了强制和可选的数据字典入口，用来访问设备功能。将所有可能的功能和变体定义在一个标准设备/应用中会使得维护和实现都相当的困难。为此，所有的Profile 都可以包含“生产商定义对象”作为标准对象入口的补充。通过这些被称为“生产商定义profile范围”的对象，就可以实现和访问扩展的（即不包含在标准profile定义中的）功能，数据和参数（比如，为了产品测试，扩展I/O过滤）。当然，使用设备profile的目的是实现同类产品的互换性。应用profile的定义为将不同厂商提供的遵循各自定义规范的设备集成在系统中提供便利。比较知名的设备profile应该说是CiA401（“通用I/O模块的设备Profile”）。他定义了模拟量（/数字量）输入输出接口和参数意义。CiA401定义了将近2040个数字量输入输出通道和255个模拟量输入输出通道的对象字典入口。通过特定对象字典入口还可以实现参数化的输入输出响应动作。设备profile还可能包含附加的错误代码、数据类型、设备状态机、甚至更多附加信息。CAN in Automation组织会不断的维护和更新所有的定义。根据生产需要，新的定义会由被叫做“兴趣小组”
（IG）的成员共同开发。GI是为所有想参加者提供的平台。CAN in Automation欢迎每一个为其提高定义的质量和可用性献计献策。
通用I/O 模块 CiA 401
CiA 402
电机控制和驱动
(伺服控制器，步进电机控制器，变频器)
变送器及闭环控制器 CiA 404
检查井盖
可编程控制器 CiA 405
旋转及线性编码器 CiA 406
比例阀和液压传送 CiA 408
倾角计 CiA 410
X射线对中仪(医疗设备) CiA 412
卡车用网关 CiA 413
纱丝供给单元(纺织机械) CiA 414
筑路工程机械 CiA 415
门控系统 CiA 416
电梯控制系统 CiA 417
醚基汽油
电池模块 CiA 418
充电器 CiA 419
挤出机下游设备 CiA 420
市政车辆 - CleANopen CiA 422
医疗诊断附加模块 CiA 425
表格 1 CANopen 设备和应用 Profile 定义(摘录)
Structure of a CANopen network
在CANopen网络中，每一个设备都有一个节点号（Node-ID)。Node-ID范围从1到127。Node-ID 0 被保留，用来访问网络上的所有节点，因而不能将它赋予任何节点。根据这一机制，理论上CANopen网络支持最多127个节点。在实际应用中，这一数字常常是被CAN收发器限制。由于这一限制，一般在同一网络上最多可有100~110个CAN节点。
CiA400定义的CANopen网关可以实现网络扩展，增加网络节点。符合CiA400的CANopen网关使得CANopen多层网络和CANopen消息路由成为可能。CAN-桥或中继的方式不能扩展CANopen网络。因为这些设备仅仅是对CAN-总线物理层的扩展。
比较其他基于CAN-总线的协议（比如：DeviceNet），CANopen具有优化的和参数化的数据通信机制。CAN标识符（COB-ID）和PDO消息中的数据镜像可以在运行时配置。这样就可以减少网络节点数量，从而降低通信开销。CANopen通过SYNC对象支持同步数据传输。
CANopen网络工作的必备的两个条件是：
•所有节点必须工作在相同比特率下爬梯安全装置
•每一个节点都只有一个唯一的node-ID
由于没有现成的机制来自动保证这些条件，因此作为系统集成者必须保证这两个条件。一般来说，node-ID是直接通过开关键在设备上配置的。对于网络上未配置节点（比如：IP67传感器，没有外部开关键），node-ID也可以通过CANopen Manager或适合的CANopen配置工具的“Layer Setting Service”进行远程配置。
Object Dictionary (OD) and Electronic Data Sheet (EDS)
CANopen的一个最重要特征是标准化的设备描述。这被叫做“数据字典”，用来提供对设备所有重要数据、参数和功能的访问（无论远程或本地）。这种访问是基于一种index 和sub-index的逻辑地址体系实现的。对于每一个CANopen设备，对象字典结构都是相同的，这为通信参数、制造商定义对象和设
备对象提供了一套标准化的地址空间。这种统一的对象字典结构和标准化的通讯参数对象使得“新”设备的集成变得十分的容易。从“外部”看来，比如通过CAN总线，各种类型的CANopen设备都提供相同的结构。
每个对象字典被进一步细分为4096个入口数据区。其中从0x1000到0x1FFF被称作通讯数据区（由CiA301详细定义），从0x2000 to 0x5FFF包含的是生产商定义对象，从0x6000 到0x9FFF是设备描述区，从0xA000 到0xAFFF保留给网络变量。网络变量数据区是动态的入口区域（或者说是动态的通道），在与程序控制器（比如PLC）交换数据时使用。在程序控制器中，数据类型和个数不是静态的而是依赖于用户程序。一般来说，网络变量是在网络配置过程中生成的，比如使用CANopen配置工具。
对于每一个对象字典中的对象来说都有相应的值，该值可以用SDO读写。一个对象字典入口可以直接代表设备的一个属性或是一个功能（比如，设备启动，数字输入状态）。访问该对象时需要知道数据类型和“值”所代表的意义。因此，每一个CANopen设备生产厂商需要提供“电子数据表单”（EDS）来描述每一个对象字典入口的地址（index/sub-index），参数名，数据类型，访问类型和默认值。一般，EDS以ASCII格式文件提供。EDS文件也被用来作为建立设备配置的模板。在建立设备配置的过程中，EDS文件中的默认值由用户期望的配置参数值替代（比如，PDO COB-ID，PDO mapping 等等）。对设备的配置也被存储为一个文件，“设备配置文件”（DCF）。因此，DCF也可以被看作为填写了有效设备配置数据的EDS文件。
虽然说对象字典对于一个CANopen设备来说是必须的，但实际上只有其中的一部分入口是必须的。他们是[1000sub00]、[1001sub00]、[1018sub00]和[1018sub01]，这些入口用于在网络上识别设备。
访问类型1000h device type Variable DWORD ro
1001h error register Variable BYTE ro
1002h manufacturer status register Variable DWORD ro
1003h pre-defined error field Array DWORD rw
dc-ac
1005h COB-ID of Sync object Variable DWORD rw
1006h communication cycle period Variable DWORD rw
1007h synchronous window length Variable DWORD rw
1008h device name Variable string const
1009h hardware version Variable string const
100Ah software version Variable string const
100Ch guard time Variable WORD rw
100Dh life time factor Variable BYTE rw
1010h store parameters Array DWORD rw
1011h restore default parameters Array DWORD rw 1012h COB-ID of Time Stamp object Variable DWORD rw 1013h High-resolution time stamp Variable DWORD rw 1014h COB-ID of emergency object Variable DWORD rw 1015h Inhibit time for emergency object Variable WORD rw 1016h consumer heartbeat time Array DWORD rw 1017h producer heartbeat time Variable WORD rw 1018h identity object Record DWORD ro
1200h ... 127Fh 1st ... 128th server SDO Record
SDO
parameter
rw
1280h ... 12FFh 1st ... 128th client SDO Record
SDO
parameter
rw
1400h ... 15FFh 1st ... 512th receive PDO Record
PDO
parameter
rw
1600h ... 17FFh 1st ... 512th receive PDO mapping Array
PDO
mapping
rw
1800h ... 19FFh 1st ... 512th transmit PDO Record
PDO
parameter
rw
1A00h ... 1BFFh 1st ...512th transmit PDO mapping Array
PDO
mapping
rw
表格 2 用于通讯的对象字典入口（摘录）
Data communication services
CAnopen主要提供两种数据传输的方法。过程数据对象（PDO）用来依从生产者-消费者原则快速地交换过程数据（process data）。服务数据对象（SDO）依从客户-服务原则，用来访问对象字典从而实现对设备的配置（比如，远程设备配置，固件下载等等）。
不像其他的现场总线协议（比如Profibus），CANopen并不必须周期循环地传输所有的过程数据，也不必须有一个Master来触发过程数据的传输。这也就是为什么基于CANopen的网络具有以相对较低的比特率实时传输数据的能力。
传输过程数据对象（TPDO）支持许多种触发条件，事件触发，周期触发或远程申请（RTR）。TPDOs的行为（传输类型，时间等）完全通过配置对象字典中的通讯参数
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