本文簡單介紹CiA 1301——從經典CANopen到CANopen FD的技術升級。

 

2019年11月21日，在SPS 2019慶祝30周年展會上，CiA組織通過兩個網橋連接的網絡展示了從經典CANopen到CANopen FD的移植。那么，CANopen FD的出現帶來哪些變化？本文重點介紹一下CANopen FD的特性。

 

自1991年頒布了CAN 2.0技術規范起，CiA便一直致力于CAN協議的推廣，其中包括CAN底層（CAN數據鏈路層、CAN物理層）設計及CAN的應用層（CANopen）。CANopen協議在CiA 301中明確規定其PDO、SDO、NMT網絡管理等協議的規范，并使用經典CAN數據鏈路層，而在SPS展會中CiA展示了CiA 1301中指定的CANopen FD協議。相比CANopen使用經典CAN數據鏈路層，數據段提供8字節有效負載，CANopen FD是基于CAN FD，數據段有效負載提升到64字節，解決了某些應用中出現數據段不夠用的問題。

 

CANopen協議升級到CANopen FD的相同之處

 

1、NMT網絡管理協議

 

網絡管理系統（NMT）負責啟動網絡和監控設備。工程師將CANopen FD網絡管理系統設計成一種主/從系統。在CANopen FD網絡中只允許存在一個活動的NMT主機，所有CANopen FD設備都具有NMT從機功能，并且由NMT主機來啟動、監控、重啟，同時分配給唯一的節點ID。

 

為了方便管理設備，所有設備都內置一個內部狀態機，狀態之間的轉變由內部事件或者主機外部觸發。

 

NMT從站狀態機由初始化狀態，預操作狀態，操作狀態和停止狀態組成，其狀態轉換方式如圖1所示 。

 

圖1 NMT網絡管理示意圖

 

控制設備狀態的NMT指令，通過具有最高優先級的CAN標識符來發送。CANopen FD設備一旦接收到控制設備狀態的NMT指令，則必須進行轉換。如圖2所示，NMT協議映射到具有兩個字節數據長度的單個CAN FD數據幀。第一個字節確定要發出去的指令，即指令說明符；第二個字節指定CANopen FD設備的節點ID。 

 

圖2 NMT協議示意圖

 

2、錯誤控制協議

 

在CANopen FD網絡中通過錯誤控制協議（如圖3啟動協議、如圖4心跳協議）可以監視CANopen FD設備是否仍在網絡中，并且處于預期的NMT FSA狀態，同時也可以檢測到新加入網絡的CANopen FD設備。所有的CANopen FD設備都是基于相同的CAN FD信息，并具有CANopen FD設備的CAN-ID700H+節點ID。

 

注意：CANopen FD不支持CAN遠程框架，因此不支持CANopen節點/生命防護。

 

圖3 啟動協議示意圖

 

圖4 心跳協議示意圖

 

3、緊急通訊對象協議（EMCY）

 

當CANopen FD設備內部發生錯誤時，會由緊急錯誤生產者發送EMCY，從而觸發中斷報警。每次發生錯誤事件只會發送一次EMCY，并且以廣播的方式發送給所有支持EMCY功能的設備上，進而針對錯誤進行調整。沒有新錯誤發生時，將不再發送EMCY報文如圖5所示。

 

圖5 緊急通訊對象協議EMCY示意圖

 

4、SYNC同步協議

 

與CANopen相同，CANopen FD設備中，SYNC同步協議是由生產者定期發送，用于網絡同步。所有CANopenFD設備都可以作為SYNC的生產者。通常情況下，SYNC協議用作總線負載管理。SYNC報文提供1字節的SYNC計數器值。每次發送SYNC，對應計數器就會加1。同時，SYNC的傳輸周期是可以配置的，計數器初值為1，最大值可在數據對象同步計數器溢出寄存器（1019H）進行配置，如圖6所示。

 

圖6 SYNC同步協議示意圖

 

5、時間戳協議

 

時間戳協議可以使CANopen FD系統調整到唯一的網絡時間。由CANopen FD主站設備發出，用于同步所有從站的內部時鐘。時間戳被映射到一個6字節長度的CAN單幀。如圖7所示，默認情況下，該CAN幀具有標識符100h。這六字節長度的數據提供“時間“”信息，該信息是以午夜之后的毫秒數和自1984年1月1日以來的天數。

 

圖7 時間戳協議示意圖

 

  CANopen到CANopen FD的改變之處

 

1、USDO協議

 

● USDO用于CANopen FD系統中的配置和診斷任務。但是，過程數據也可以通過USDO服務進行傳輸。USDO具有以下特性：

● USDO服務可以在單個或多個USDO服務器之間確認通信；

● USDO客戶端可以訪問CANopen FD設備中所有的對象字典條目；

● USDO可以提供USDO服務器對象字典中一個或幾個子索引的讀寫訪問權限；

● USDO具有路由功能，可以實現CANopen FD網絡邊界上的數據傳輸； 

● USDO客戶端和USDO服務器可以連接到不同的CAN物理層；

● USDO客戶端和USDO服務器之間可以傳輸任意長度的數據內容。

 

如圖8所示，是USDO已確認的單播、廣播通信。

 

圖8 USDO單播、廣播通信

 

USDO協議“目的地地址”確定USDO是以點對點連接還是以多路或廣播方式進行通信。命令說明符決定USDO傳輸的類型。會話ID用作交易編號，使客戶端能夠區分對同一USDO服務器的USDO訪問。與傳統的CANopen SDO中一樣，索引和子索引標識在USDO服務器的對象字典中訪問的數據元素。除了經典的SDO，USDO還按大小和數據類型描述要傳輸的數據，這使數據接收者能夠執行一致性檢查。如圖9所示，為加速USDO協議傳輸。

 

圖9 加速USDO協議傳輸

 

對于較長的數據對象，如類型為域的數據，超過了7字節，加速USDO傳輸方式效率并不是很高。類似于CANopen協議，CANopen FD協議中為了提高USDO傳輸的效率，引入一種擴展USDO傳輸方式：即塊傳輸。這種USDO傳輸方式效率更高、速度更快。這種塊傳輸的基本原理就是將數據劃分為幾個單一的包，在連續的請求或者應答中逐塊傳輸這些包。如圖10所示，是USDO塊傳輸方式。

 

圖10 USDO塊傳輸方式

 

USDO客戶端告知USDO服務器目標索引和子索引以及預期的數據類型和長度。USDO服務器確認其請求后，給出其可以處理的最大塊的大小（連續塊消息的數量）。USDO客戶端就會發出第一塊的各個分段，知道服務器確認接收結束。

 

2、PDO協議

 

過程數據對象（PDO）在CANopen FD中用于廣播高優先級控制和狀態信息。一個PDO由一個CAN數據幀組成，并可以通信多達64個字節的數據。但是，CAN FD數據幀的數據長度從8字節之后呈非線性規律。因此，當PDO生產者使用填充字節將PDO填充到下一個支持的CAN FD幀長度時，PDO的消費者可能會收到比預期更多的數據。如圖11所示。

 

圖11 PDO協議示意圖

 

CANopen FD與嵌入式網絡、工業物聯網

 

現如今，工業物聯網在逐步發展崛起，慢慢走向成熟。嵌入式也在向云應運程序中集成發展，大數據時代需要更多的數據來進行更準確更安全的算法分析。CANopen FD底層基于CAN FD提供了長達64字節的有效負載，能夠更好的滿足大數據時代的安全性能要求。

 

CANopen FD能夠更好的滿足未來工業互聯網的發展需求，其中重要的原因還是歸功于新的USDO協議的出現。由于USDO特性靈活，CANopen FD/IOT網關可以輕松的訪問網絡中的任何數據，并且通過路由功能可以進行遠程網絡CANopen FD設備連接和訪問。

 

CANopen FD減輕了開發人員處理CAN硬件特定細節的負擔，例如位時序和驗收過濾。CANopen FD提供了標準化的通信對象COB，用來配置及網絡管理數據。

 

CANFDSM-100——串口轉CANFD轉換模塊

 

在實際應用中，工程師經常會使用串口來收發數據或進行調試。這樣，對于CANopen FD設備的問題，我們會需要實現串口轉CANFD，幫助我們更好的實現數據的傳輸和轉換。如圖12所示， 是廣州致遠電子研發 的一款串口轉 CAN（FD）模塊CANFDSM-100，內置微處理器。該模塊支持透明轉換、透明帶標識符轉換、格式轉換、Modbus轉換四種模式。同時，該模塊集成1路CANFD接口和1路UART接口。在CAN通訊方面，可以在40Kbps~1Mbps之間任意可編程；在CANFD通訊方面，可以在1Mbps~5Mbps之間任意可編程。滿足工業級要求，支持在線固件升級等。

 

圖12 CANFDSM-100示意圖

 

USBCANFD系列CAN FD接口卡

 

在CANopen FD設備的使用過程中，經常會通過抓取底層的CAN FD報文來進行數據分析或者故障排除等。如圖13所示是ZLG致遠電子開發的高性能CANFD接口卡，集成1-2路CANFD接口，每個接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護電路，使接口卡避免由于地環流的損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。PC通過USB2.0端口連接USBCANFD接口卡，從而能與CAN(FD)網絡進行數據收發，構成CAN(FD)-bus控制節點。

 

圖13 USBCANFD-200U接口卡示意圖

 

 

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