OSI七层模型、CAN、CiA、CANopen、CiA301CiA402和EtherCAT介绍

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本文介绍了CAN（Controller Area Network）总线及其在汽车自动化中的应用，包括CANopen协议，该协议基于OSI模型的高层通讯。CiA301、CiA401和CiA402是CANopen的不同子协议，分别对应不同的设备类型。同时，文章提到了以太网技术，包括以太网/IP和EtherCAT，它们在工业自动化中的作用，并指出EtherCAT与CANopen如何在不同OSI层协同工作以实现控制指令的传输。

1 OSI网络通信模型

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2 CAN

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。
CAN（Controller Area Network）现场总线仅仅定义了OSI 7 层网络模型的第 1 层（物理层，见 ISO11898-2 标准）、第 2 层（数据链路层，见 ISO11898-1 标准）。在实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件（ Software）或固件（Firmware）。

3 CiA

CiA（CAN in AUTOMATION）协会是1992年，在德国 Erlangen注册的有关推广CAN和CAN协议的非营利组织。

4 CAL

CAL（CAN Application Layer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，最早由飞利浦(Philips)公司医疗设备部门制定。现在CAL由CiA 协会负责管理、发展和推广。

5 CANopen

CANopen协议，是20 世纪 90 年代末，由CiA 协会（http://www.can-cia.org ）在 CAL（CAN Application Layer）的基础上制定的一种架构在控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）上的高层通讯协议标准（CANopen实作了OSI 7层模型中的网络层以上（包括网络层）的协定）。
CANopen协议制定了相当于 OSI 模型中第五层（会话层）、第六层（表示层）和第七层（应用层）的技术规范。

6 CiA301、CiA402和CANopen的关系

一、在 CANopen协议中，从基本的 CiA 301 规范开始，对于不同类型的CANopen 设备有不同的子协议，如下图。
1、CiA 301 series:基础协议
2、CiA 401 series: IO 设备
3、CiA 402 series:运动设备（包括伺服驱动器、逆变器、步进电机驱动器等）
4、CiA 421 series: Train vehicle control system 列车车辆控制系统
5、CiA 423 series: Diesel engine control system 柴油机控制系统
6、CiA 424 series: Door control system 门控制系统
7、CiA 426 series: Exterior light control system 外部灯控制系统
8、CiA 430 series: Auxiliary equipment control system 辅助设备控制系统
9、CiA 433 series: Interior light control system 内部灯控制系统
CiA301、CiA401、CiA402、CiA421、CiA423、CiA424、CiA426、CiA430、CiA433等众多子协议构成了CANopen协议。

二、CiA301协议、CiA401协议和CiA402协议在OSI七层通讯模型中的位置：
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7 Ethernet（以太网）、EtherNet/IP和EtherCAT

7.1 Ethernet（以太网）

以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。
以太网是一套标准，制定了相当于 OSI 模型中第一层（物理层）和第二层（数据链路程）的技术规范。
在物理层上，以太网采用 RJ45 接口和双铰线，光纤，电磁波等方式来传递信号。
在数据链路层上，每个通信节点（主机的网络接口）都有 48 位(bit)全局唯一的 MAC 地址。通信数据流被切分并打包成帧(Frame)来发送，每帧都包含来源节点和目的节点的 MAC 地址。

7.2 EtherNet/IP

EtherNet/IP 是“通用工业协议 (CIP) 的名称，通过标准以太网（IEEE 802.3 和 TCP/IP 协议套件）实现。” 它是由 Allen-Bradley（现在的罗克韦尔自动化）为工业自动化和过程控制应用开发的，并于 2001 年发布。
EtherNet/IP 使用标准以太网的物理、数据链路、网络和传输层，以及基于 TCP/IP 和 UDP 的通用工业协议 (CIP)。作为唯一完全基于以太网标准(IEEE 802.3)的工业以太网协议，它是独一无二的。这意味着 EtherNet/IP 使用与标准以太网网络相同的硬件，使其易于使用、价格低廉且 IT 人员熟悉。
EtherNet/IP协议制定了相当于 OSI 模型中第一层（物理层）、第二层（数据链路程）和第三层（网络层）的技术规范。

7.3 EtherCAT

EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）于 2003 年推出，由 Beckhoff 开发，现在由EtherCAT 技术集团(ETG) 管理。与 EtherNet/IP 一样，EtherCAT 建立在以太网物理层上。但是，EtherCAT 不是使用 TCP/IP 来传输和路由消息，而是使用“动态处理”（也称为“动态通信”）方法。
在这种方法中，EtherCAT 主站发送通过每个节点或从站（通常是驱动器或 I/O 设备）的报文（数据包）。EtherCAT 的一个独特功能是联网的从站只能从电报中读取或提取他们需要的相关信息，并且可以在电报传输到下一个从站之前将数据添加到电报中。电报通过所有连接的从站，然后返回到主站。
EtherCAT协议制定了相当于OSI 模型中第一层（物理层）、第二层（数据链路程）和第三层（网络层）的技术规范。
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8 EtherCAT和CiA301/CiA402联合使用解析

EtherCAT协议属于七层OSI网络通信模型的第一层（物理层）、第二层（数据链路程）和第三层（网络层），物理连接为网线和EtherCAT模块。
CiA301/CiA402协议属于七层OSI网络通信模型的第五层（会话层）、第六层（表示层）和第七层（应用层）。
第四层（传输层TCP/UDP）。根据CiA301/CiA402协议内容，编写应用程序业务逻辑代码（C/C++语言）；根据EtherCAT协议，编写应用程序通讯代码（C/C++语言）。最终应用程序通过网线和EtherCAT模块将控制指令传送给8400变频器，以控制伦茨电机运行。其中，衔接应用程序业务逻辑代码和通讯代码的过程就发生七层OSI网络通信模型的第四层（传输层TCP/UDP）。