致远电子：如何快速实现CANopen网络的组建与配置

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CANopen协议兴起于欧洲，现阶段在欧洲特别是工业发达的德国几乎所有的设备都提供CANopen的支持，我国工业还相对的落后，正处在引进国外先进设备的阶段，这就要求我们懂得CANopen通信协议，同时能够利用CANopen设备正确的组建一个适合特定应用的CANopen网络。CANopen的多种数据传输方式为各种应用提供优异的解决方案，普遍应用于数据采集与传输、电机控制、汽车电子、电池充电控制以及纺织等行业。
         
        1. CANopen从站/主站特点
          具有网络管理（Network Management：简称NMT）主机功能的设备通常被称为CANopen主站设备，通常也具有服务数据（Service Date Object：简称SDO）客户端功能。反之具有网络管理（NMT）从机功能的设备通常被称为CANopen从站设备，且其必须具备有服务数据服务器功能。这样CANopen主站设备就可以控制从站以及读写CANopen从站设备的对象字典。
         
        （1）CANopen从站特性
          CANopen从站在CANopen网络中拥有唯一的节点地址，并且能独立完成特定的功能，例如数据采集、电机控制等等。对实时性要求高的数据，通常通过实时数据过程（Process Data Object：简称PDO）进行传输，因此CANopen从站应当支持一定数量的PDO传输功能。根据CANopen协议DS301 V4.02的定义，每个从站都预定义了4个TPDO（Transmit Process Data Object：简称TPDO）和4个RPDO（Receive Process Data Object），另外从站也应具有节点/寿命保护或心跳报文以及生产紧急报文等功能。每个CANopen从站都应有一个对象字典，描述了从站所具有的应用参数和通信参数。
         
        (2) CANopen主站特性
          CANopen主站在网络所起的作用有别于CANopen从站，通常CANopen主站在网络中负责网络管理、从站参数配置以及从站数据的处理，其并不一定具有特定的功能，但也有自己的对象字典和唯一的节点地址。
           
          2. CANopen网络组建
          由于CANopen是基于CAN总线的一种应用层协议，因此其网络组建与CAN总线一致，典型的总线型结构，从站和主站都挂接在该总线上即可，在一个CANopen网络中只能有一个主站设备和若干个从站设备同时工作。CANopen网络布线时选用带屏蔽双绞线，提高总线抗干扰能力。表 1所示为CAN通信波特率与总线长度的关系。注意网络中的各节点的支线长度不易过长，波特率大于100Kbps的情况下，支线总长度不应大于30m，单个节点的支线也不应大于60cm。

       
        表1 总线长度与波特率关系

       

           
          （1）基本的CANopen网络结构
           

       

        图1 CANopen基本网络结构

         
        图1所示为CANopen网络的基本结构，在该网络中有一个CANopen主站，负责管理网络中的所有从站，每个设备都有一个独立的节点地址（NodeID）。从站与从站之间也能建立通信，通常需要事先对各个从站进行配置，使各个从站之间能够建立起独立的PDO通信。
         
        （2）复杂的CANopen网络结构
           

       

        图2 带网关设备的CANopen网络

         
        图3所示为带有网关设备的CANopen网络，与基本的CANopen网络相比，该网络中增加了一个CANopen网关设备，该网关设备可以是CANopen转DeviceNet、Profibus、Modbus或其它的设备。在CANopen网络中，我们也可把该网关设备作为一个从站设备或者是CANopen主站设备。
         
        3. CANopen网络中从站的配置
          CANopen从站设备在出厂时都设定有默认参数，并且这些参数都与节点地址绑定，例如实时数据传输PDO，其预定义连接集定义了其默认的参数有4个TPDO和4个RPDO，其COB-ID(Communication Object-ID)如表2所示。在一些应用简单的场合只需要采用默认设置即可进行正常通信，但对于一些应用比较复杂的场合，则需要对从站进行相应的配置，最常见的配置参数有PDO的COB-ID、PDO映射参数、以及节点/寿命保护等参数。

       
        表2 PDO预定义连接

       

           
          CANopen网络中，对从站的参数配置或获取都是通过SDO进行传输，因此从站和主站都必须支持SDO传输才能进行正常的配置。为了快速配置从站设备，在配置从站之前通过NMT使整个网络设备进入到预操作状态。
         
        (1)通信参数配置
          CANopen设备的通信参数包括PDO的COB-ID、传输类型、禁止时间以及映射参数等。其参数配置顺序如图 3所示。

       

        图3 通信参数配置顺序

         
        在配置PDO的通信参数时，首先禁止PDO通信，根据DS301 V4.02的定义，当COB-ID的最高位（第31位）为1时即可禁止该PDO通信，禁止PDO通信操作示例如图 4所示。需要注意的是只有在PDO禁止的情况下，相应的传输类型、映射参数以及COB-ID的值才能被改变，否则试图以任何方式去更改都会出现错误。
           
          （2）其它参数的配置
          除了通信相关的参数之外，CANopen设备还有一些与安全相关的参数，例如节点/寿命保护或者心跳报文。根据DS301 V4.02的定义，同一个CANopen从站中只可能使用节点/寿命保护或心跳报文的一种。节点/寿命保护可以实现双向保护，即主站可监控从站的状态，而从站也可监控主站是否在线。心跳报文只是一种单向的保护机制，心跳报文的消费者可以监控到心跳报文生产者的状态。在网络总线负载较大的情况下，建议使用心跳报文的保护机制来减轻总线负载。
           

       

        图4 禁止PDO通信方法

         
        （3）配置从站与从之间的通信
          CANopen网络中从站与从站可以直接进行PDO通信而不需要主站的参与，这样就提高了实时数据的实时性。将接收从站RPDO的COB-ID更改为发送从站TPDO的COB-ID，这样就建立了两个从站之间了PDO通信，在通信过程中也不需要主站的任何干预。表3所示。

       
        表3 从站与从站通信COB-ID配置

       

         

          4. 结语
          根据不同应用环境可选用不同的线缆来组建CANopen网络，在CANopen网络的布置方面，需要了解线缆的阻抗、容抗、信号延时等来匹配总线的终端电阻，减少由于信号衰减或反射而导致总线工作异常。从而组建一个抗干扰能力强、稳定可靠的CANopen网络。
         
        致远电子股份有限公司提供各种接口的CANopen接口卡、CANopen终端设备（包括数据采集，电机控制等）、CANopen分析仪、网关及网桥、OPC服务器以及基于CANopen协议的整套组网方案及应用开发。