施耐德CANopen 协议通讯.ppt

,CANopen通讯协议培训,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric,王兆宇2017-03-03,CAN通讯的简介,历史,CAN(ControllerAeraNetwork，控制器局部网)是德国Bosch公司在1983年开发的一种串行数据通讯协议，最初应用于现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换，是一种多主方式的串行通讯总线，介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，速率可达1Mbps，支持多达128个节点；具有高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，保证数据通讯的可靠性。通信机制比较简单，适合于所有机械的嵌入式网络，可以降低设备的复杂程度，在工业领域(如汽车、电梯、医疗、船舶、纺织机械等)得到了广泛应用，是欧洲重要的网络标准CANopen的术语1993年CiA发布用来描述传送机制的CAL(CommunicationApplicationLayer)规范1995年CiA发布DS-301通信描述文件：CANopen2001年CiA发布DS-304，在标准CANopen总线上集成4层安全元件(CANsafe),Page2,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN通讯,术语,Page3,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN=ControllerAreaNetwork控制器局域网CiA=CANinAutomation协会CANopen是CAN应用层协议，它基于信息广播的通讯概念:每一个连接到总线的站点都在接收其它站点的信息.然后决定他们的动作,是否回答相关指令.CAN协议授权所有的站点同步访问总线.然后根据COB-ID给予优先权.COBIDComunicationObjectIdentifier-由通讯标识码和从站地址组成EDSElectronicDataSheet，用于描述设备通讯相关的文件CAL-CAN的应用层CAL(CANapplicationlayer)，由Cia(CANInAutomation)定义,CAN通讯的模型,模型,Page4,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen和ISO模型,CiADS-301=Communicationprofile,EMPTY,EMPTY,EMPTY,EMPTY,CAN2.0AandB+ISO11898,CAN2.0AandB=ISO11898-1and2,ISO11898+DS-102,DeviceProfileCiADSP-401I/Omodules,DeviceProfileCiADSP-402Drives,DeviceProfileCiADSP-404Measuringdevices,DeviceProfileCiADSP-4xx,CAL=CANApplicationLayer,应用层,描述层,会话层,传输层,网络层,链路层=LLC+MAC,物理层,7,6,5,4,3,2,1,CANspecifications,CAN通讯的模型,CANopen的物理层,Page5,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN的非归零编码：用两种不同的电平分别表示显性状态和隐性状态显性电平会覆盖隐性电平当同一网络的不同设备同时发显性和隐性数据，则总线显示显性电平，否则是隐性电平隐性电平的逻辑值为1，显性电平的逻辑值为0每个位可以没有上升或下降沿,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page6,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN数据帧的位填充：非归零编码的一个特点是，如果传输大量连续的相同极性的位，发生的数据信号不能提供可用于重新同步的上升沿或下降沿。因此，使用位填充技术用于确保所有总线节点的同步。这意味着在传输消息期间，最多五个连续位具有相同的极性。CAN帧中的位填充区域包括SOF，仲裁字段，控制字段，数据字段和CRC字段。理论最差情况Smax=(34+8dlc-1):4=8+2dlc，dlc表示数据长度代码，CAN报文有效数据字节数量,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page7,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN数据帧的位定时：位定时是一个复杂的话题，为了减轻用户处理这种艰难任务的负担，CANopen不仅规定了波特率，也规定了位定时的采样点，位定时分为4个部分：同步段、传播段、相位段1和相位段2采样点恰好位于相位段1和2之间。每个段由基本时间单位（tq）的整数倍构成。基本时间单位是CAN节点使用的最小时间分辨率。其长度由CAN控制器的振荡器频率的分频后产生。同步段1个tq，传播段18个tq，相位段1-18个tq，相位段2-2个tq，采样点同步跳转宽度SJW为1个基本时间单位。,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page8,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen电平：在显性状态时，CAN-High线上的电压值会升高一个预定值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。而CAN-Low线上的电压值会降低一个同样值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。于是在CAN驱动数据总线上，CAN-High线就处于激活状态，其电压不低于3.5（2.5V+1V=3.5V)，而CAN-Low线上的电压值最多可降至1.5V(2.5V-1V=1.5V)。CAN的高低电平是一个差分信号在受到干扰时，因为CAN_H和CAN_L是差分信号，所以Vdiff不变,CAN通讯,模型-物理层,Page9,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,硬件接线使用屏蔽双绞线，三根线，CAN_H,CAN_L和CAN_GND通讯长度与通讯速度的关系如下图所示可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展拓扑直线拓扑，总线的末端需加两个120欧姆的终端电阻总线最大个数128主站1+从站127,CAN通讯,模型-物理层,Page10,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,通讯线的线径和通讯长度的关系电缆阻抗:32站:2164站:18,5100站:16,CAN通讯,模型-物理层,Page11,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,通讯线的相关参数：每米阻抗(r):70m/m终端电阻(Rt):一般120(最小108,最大132)线缆阻抗(Z):一般120(最小108,最大132)电缆延迟:5ns/m,CAN通讯,模型-物理层,Page12,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,通讯线的支线长度限制最大支线长度计算公式：未连接终端电阻支线电缆的最大长度Ld和累计支线长度Ldi的经验法则:tPROPSEG:位周期的数据传输段的长度tP:每个长度单位的特定线路延迟例:波特率=500kbit/s:tPROPSEG=12*125ns=1500ns;tP=5ns/m,CAN通讯,模型-物理层,Page13,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CiADS-102Bit-rates,CAN通讯,模型-物理层,Page14,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CiADS-102设计时建议CANopen设备应至少支持波特率20K，并且支持的越多越好超过200米长度的CANopen线缆建议加光电隔离超过1Km建议使用CANopenrepeater-重发器。,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page15,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen中继器的作用：可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展电气的隔离拓扑方式的扩展很小的延迟-与产品有关,CANopen硬件接线的针脚定义：RJ45使用1,2和3脚而SUB-D9接头采用2,3和7,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page16,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen5针迷你接头针脚定义：,针脚定义:1:(CAN_SHLD)=CAN屏蔽层可选2:(CAN_V+)=CAN外部电源正可选3:CAN_GND=Ground/0V/V-4:CAN_H=CAN_H5:CAN_L=CAN_L,CAN通讯的模型,CAN的物理层,Page17,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen5针端子接头针脚定义：,针脚定义:1:CAN_GND=Ground/0V/V-2:CAN_L=CAN_L3:(CAN_SHLD)=CAN屏蔽可选4:CAN_H=CAN_H5:(CAN_V+)=CAN外部电源正可选,CAN通讯的模型,CANopen的数据链路层,Page18,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,总线访问CAN数据帧的结构错误处理,CAN通讯的链路层,CANopen的数据链路层,Page19,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,ISO11898进行了标准化，CAN的数据链路层是其核心内容数据链路层的服务由逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）中实现，LLC提供：数据接收过滤，过载通知和管理恢复MAC负责：数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串/并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。,CAN通讯的链路层,广播方式,Page20,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN广播发送方式广播通信的CAN概念意味着网络的每个站可以监听发送站的帧（这里：站2）。收到帧后，每个节点决定广播的消息接受还是不接受。数据接收过滤是在每个CAN节点中实现。CAN广播发送的处理方式与司机接听交通台的广播的情况是类似的。每个司机根据自己要走的路和广播发送的路况信息决定广播的数据是否采用。,CAN通讯的链路层,RTR,Page21,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN的RTR远程传输请求（RTR）就像是提问题。具有答案的节点将在第二次通信中产生所请求的数据。该数据帧也可以由对该对象感兴趣的其他消费者接收。远程帧和数据帧由称为标识符的特定字段标识。,CAN通讯的链路层,多主访问,Page22,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN多总线访问CAN协议允许从不同节点同时进行总线访问。如果多个节点访问总线，则需要进行仲裁。CAN中使用的总线访问方法是一种非破坏性的逐位仲裁，称为具有冲突检测和消息优先级仲裁（CSMA/CD+AMP）的载波侦听多路访问。消息优先级在CAN标识符中解码。当总线处于空闲状态时，几个节点可以开始传输帧。每个节点在完整消息期间从总线逐位读回，并将发送的比特值与接收的比特值进行比较。根据定义，具有主导值的位将覆盖具有隐性值的位（这必须由收发器提供）。,CAN通讯的链路层,Producer-consumer,Page23,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN的生产者和消费者该写入对象服务将数据帧从一个节点（生产者）发送到一个或多个接收节点（消费者）。这并不意味着一个节点将接受消息，这意味着某些站点对此信息感兴趣。这项服务是经典的CAN通信服务。第二通信服务是请求特定消息。此读取对象服务由一个或多个消费者启动。因此，这些节点将传输所谓的远程帧。拥有所请求信息的节点将传送相应的数据帧。,CAN通讯的链路层,总线仲裁,Page24,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN的总线仲裁,CAN通讯的数据帧,4种数据帧,Page25,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN的4种数据帧数据帧：这些帧将数据从生产者传输到消费者，而不保证将被处理。远程帧：这些请求帧由客户端发送到服务器以请求传输数据帧（标识符将具有与请求相同的值）。错误帧：当站检测到总线上存在错误时，会发送这些帧。过载帧：这些帧被发送以要求连续帧之间的额外的时间间隔（数据或请求）。,CAN通讯的模型,帧结构以及CAN2.0A和CAN2.0B,Page26,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CAN数据帧结构帧起始和帧结束-表示帧开始或结束仲裁段-表示帧的优先级控制段-表示数据的字节数及保留位的段数据段-数据的内容，可发送08个字节的数据CRC段-用于检验数据的正确与否ACK-表示确认正常接收的段CAN的2.0A和2.0BCAN针对ID参数规定了两种不同的格式。其中标准消息格式用了11位的ID，而扩展消息格式用了29位的ID。CAN2.0A-只规定了标准消息格式（扩展消息会被认为是错误）CAN2.0Bactive-能处理标准和扩展消息格式CAN2.0Bpassive-处理标准消息，忽略扩展消息CAN控制器必须完全支持11位信息包括收、发，和必须支持接收扩展帧,CAN通讯的模型,CANopen的应用层,Page27,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,CANopen的4种标准服务CANopen的对象字典CANopen的标识符CANopen的CIA405功能块CIA402的流程,CANopen通讯的模型,模型-应用层,Page28,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,4种标准服务1.网络管理：参数设置，启动，监视(主/从)2.实时小容量过程数据(8字节)传送：SDO=ServiceDataObject(客户端-服务器)4.管理同步(SYNC),时基参数，致命错误的预定义信息：SFO=SpecialFunctionObjectCANopen定义：数据怎样传输：DS-301通信描述文件适用于所有产品、定义每种信息COB-ID标示符的分配什么样的数据：DS-4XX产品描述文件对每个产品家族进行详细规定(discreteI/O,analogueI/O,variablespeeddrives,encoders,etc.)这些功能通过设备对象词典OD=ObjectDictionary进行描述,CANopen通讯的模型,DS301DS4XX,Page29,ConfidentialPropertyofSchneiderElectric|,DS301描述OD和通信配置文件区域中的对象的一般结构：索引1000到1FFF。适用于所有CANopen产品。DS-4xx设备模型:描述各种类型产品（离散量I/O模块，模拟I/O，变频器，测量仪器）的相关对象。标准对象：索引6000到9FFF具体对象：索引20005FFF一些对象是强制性的，其他对象是可选的。它们可以在只读模式或读/写模式下访问。,PDO用于实时传输少量的过程数据（=8bytes）一个PDO可以由对象字典中几个不同索引的数据组成，规划方式则是透过对象字典中对应PDOmapping及PDO参数的索引。此服务不需确认。PDO分为两种：传送用的TPDO及接收用的RPDO。一个节点的TPDO是将数据由此节点传输到其他节点，而RPDO则是接收由其他节点传输的数据。PDO可以用同步或异步的方式传送：同步的PDO是由SYNC信号触发，而异步的PDO是由节点内部的条件或其他外部条件触发。例如若一个节点规划为允许接受其他节点产生的TPDO请求，则可以由其他节点送出一个没有数据但有设置RTR位元的TPDO（TPDO请求），使该节点送出需求的数据。,PDO详细描述,PDO,每个发送或接收PDO在对象字典中由两个对象描述。PDO通信参数指示如何传输或发送的：使用的COB-ID使用的发送/接收模式对于发送PDO，2个消息之间的最小时间（禁止时间）PDO映射参数指示传输哪些数据：对象字典OD中的对象列表每个对象的大小,PDO详细描述,PDO通讯内容和工作方式,PDO详细描述,TPDO,TPDO的地址0 x180019FF,PDO详细描述,TPDO,TPDO的地址0 x1A001BFF,PDO详细描述,RPDO,RPDO的地址0 x140015FF,PDO详细描述,TPDO,RPDO的地址0 x160017FF,PDO的的触发方式：事件触发：当数据变化时，立刻发送出去，不需要等待主机轮询才发送，所以实时性好，而且避免重复数据占用大量总线占用资源，就像数据压缩了一样。事件驱动类型的RPDO可立即处理收到的数据。远程请求或轮询：此方式就像485通信一样，主控主动远程请求或者轮询，子设备才发送PDO。因为市面上有一些不支持远程帧的CAN控制器，不建议使用。同步传输：CAN总线上有一个设备作为SYNC信号的生产者，其他设备作为消费者。生产者和消费者都又SYNC计数功能，消费者计数到一定时（1240），自动发送PDO。if(同步传输即：IX.）或输出（发送PDO;即：QW.）。接收到的异步错误消息（EMCY）被记录在每个节点的缓冲区中。网络状态由网络管理（NMT）控制。节点保护功能可用于CANopen以及进程数据的同步通信。,CIA405的功能块,功能块的说明一,Page5