CAN总线开发一本全（5） -CANopen协议概述

CAN总线开发一本全（5） -CANopen协议概述

本文精翻了CiA对CANopen协议的背景知识介绍，并根据个人的理解，调整了组织方式。

引言

CAN总线外设驱动程序能够提供基本的操作硬件电路系统的服务，但在具体的应用系统中，更多是基于协议栈开发上层应用，而不是针对某个具体的芯片平台编写定制的应用程序。目前CANopen是工业自动化领域最常用的CAN协议栈标准之一，它包含了高层的交互协议和配置文件规范，用于构建高度灵活配置能力的标准化嵌入式网络。CANopen使开发人员从处理CAN硬件特定细节（如位计时和接收过滤）中解脱出来，它使用标准化的通信对象（Communication Objects, COB），处理关注时效的进程、配置过程以及管理网络。

CANopen的发展历史

1994年11月，CiA发布了CANopen规范的第一个版本，CiA 301。这是最成功的Esprit研究项目之一。CANopen成功的故事是独一无二的，因为它不是由一家大型供应商推动的，而是由许多中小型公司以及机器制造商共同推动的。

最初，CANopen规范被命名为“工业系统基于CAL的通信配置规范”。它是在Esprit（欧洲信息技术研究战略计划，European Strategic Program on Research in Information Technology）的支持下开发的。编号为7302项目的标题是ASPIC，是“使用接入总线概念的生产单元的自动化和控制系统（Automation and Control Systems for Production Units using an Installation Bus Concept）”的缩写，目标是开发控制体系结构和设备，可以将现有的制造单元以灵活和模块化的方式组合起来。由Mohammad Farsi博士（纽卡斯尔大学）和Stefan Reitmeier博士（博世）领导的研究团队决定使用由CiA开发的CAN应用层（CAL）协议作为基础。CAL是一种基于OSI（Open Systems Interconnection）的纯应用层的模型。然而，在某些方面，它仅仅是一种来自不同方向的设计人员提出的学术方法，它的主要贡献来自Tom Suters（飞利浦医疗系统），以及Konrad Etschberger教授博士和Wolfhard lawrence教授博士，他们都在德国大学从事应用科学工作。当然，其他CiA成员也提出了想法。

ASPIC项目的目标是开发一个易于实现的应用层，专门用于控制嵌入式设备。在Bosch的领导下，几家公司（Moog、ADL Automation和J.L. Automation）和研究所（纽卡斯尔大学和Reutlingen应用科学大学）定义了今天被称为CANopen的第一个版本，主要贡献者是Mohamad Farsi博士和Gerhard Gruhler教授。第一个版本已经定义了PDO（流程数据对象，Process Data Object）和SDO（服务数据对象，Service Data Object），引入了PDO的同步传输以及网络管理(NMT)和紧急消息。

在CANopen发展过程的早期，使用CAN远程帧发起数据请求的方式仍然是做常用的做法，CAN网络管理中的节点保护机制（Node Guarding）就是基于它实现的，不过节点保护机制在后来被心跳机制所取代。最初的CANopen网络也使用远程请求实现PDO。现在，CiA建议完全不要使用远程帧。

CANopen可以看作是中小供应商的应用层，它是一个不是由一个市场主导的、独立的工业通信系统。它也可以被看作是系统设计人员的解决方案，因为一些设备制造商已经选择了独立于供应商的这种方法完成设计，这些机器制造商包括了Heidelberger和Siemens Healthcare。1995年，CiA在其汉诺威博览会上展示了最早的CANopen演示方案，整合了Moog、Selectron和其他供应商的产品。

作为CiA 301发布的CANopen规范，是最成功的Esprit研究项目之一。该规范被移交给CiA进行进一步的开发和维护。一开始，一些公司在现实应用中实现了高层协议。后来，经过进行一些审查和更新，CANopen逐渐成为一个稳定的规范。3.0版本是第一个用于产品和系统的版本。这个版本从1996年到1999年有效，一些应用程序至今仍在使用这个版本。

表x CANopen发展大事记

时间	事件
1993年	Bosch领导的Esprit项目开始启动对CANopen的早期开发。
1994年	发布基于CAL的通信规范，作为CANopen的最初版本 1.0
1995年	发布CiA 301，CANopen应用层和通信规范 2.0
1996年	发布CiA 301，CANopen应用层和通信规范 3.0
1999年	发布CiA 301，CANopen应用层和通信规范 4.0（EN 50325-4）
2007年	发布CiA 301，CANopen应用层和通信规范 4.2（仅面向CiA成员）
2011年	发布CiA 301，CANopen应用层和通信规范 4.2（面向公众）

CANopen的底层

CANopen的数据链路层基于ISO 11898-1的CAN总线。CiA 301中指定了CANopen位计时规范，允许数据速率从10k bsp调整到1M bps。虽然所有指定的CAN-ID寻址模式都基于11位的CAN-ID，但CANopen也支持29位的CAN-ID。CANopen根据ISO 11898-2对物理层进行了抽象，但同时，CANopen也并不排除其他可能使用的物理层。

CANopen的数据链路层基于ISO 11898-1的CAN总线。尽管大多数寻址模式都基于基本帧格式，但CANopen也支持扩展帧格式。直到CANopen版本CiA 301 V4.2, CANopen只支持经典的CAN。从CiA 301 V5.0版本开始，CANopen是基于CAN FD的。

表x罗列了CANopen位时间对应总线最大长度和设备间电缆接线最大长度。总线网络中的所有CANopen设备必须至少支持定义的比特率之一 ，当然，CANopen设备可以支持更多的比特率。采样点的位置必须尽可能接近87.5%的位时间周期中。

表x CANopen位时间对应总线最大长度和设备间电缆接线最大长度 <

比特率	总线长度	设备间电缆接线最大长度	设备间电缆接线累计最大长度