CANOpen 概览 -- 协议栈层次、通信对象与对象字典

1. CANOpen 是什么

CANOpen 是基于 CAN 总线的高层应用层协议，由 CiA（CAN in Automation）国际用户组织定义（标准文档 CiA 301）。它定义了一套完整的通信规则，使得不同厂商的设备可以在同一 CAN 网络上互操作。

1.1 为什么需要 CANOpen？

纯 CAN 只提供"传输管道"——它定义了如何发送 8 字节的帧。但它不规定：

• 帧的含义是什么？
• 如何配置设备参数？
• 如何管理网络中的节点状态？
• 如何保证实时性？

CANOpen 回答了这些问题 —— 它在 CAN 帧之上定义了一套语义层协议。

1.2 开源实现

本系列教程基于 CANopenNode 进行集成与学习。

2. CANOpen 协议栈分层

┌──────────────────────────────────────────┐
│           应用层 (Application)           │  ← 用户业务逻辑
├──────────────────────────────────────────┤
│           CANOpen 应用层 (CiA 301)       │  ← 本系列核心
│  ┌────────────────────────────────────┐  │
│  │ 通信对象 (NMT/SDO/PDO/EMCY/SYNC)  │  │
│  │ 对象字典 (Object Dictionary)       │  │
│  │ 设备行规 (Profiles: CiA 401/402)   │  │
│  └────────────────────────────────────┘  │
├──────────────────────────────────────────┤
│           CAN 2.0A/B (数据链路层)        │  ← 模块 1 前半部分
│  (帧格式、仲裁、位填充、错误检测)        │
├──────────────────────────────────────────┤
│           物理层 (ISO 11898)             │  ← 模块 1 前半部分
│  (差分信号、终端电阻、拓扑)              │
└──────────────────────────────────────────┘

CANOpen 不修改 CAN 的物理层和数据链路层 —— 它完全运行在应用层。

3. 核心通信对象

CANOpen 定义了 6 种核心通信对象：

3.1 NMT（Network Management）

控制节点的状态转换：

                     Reset Application
                          |
                          v
       +--------+     Initialization     +-------------+
       | Stopped| <--------------------- |             |
       +--------+                        |             |
          ^                              |             |
          | NMT Stop                      v             |
          |                       +-------------+      |
          |          NMT Start    | Pre-Operational|   |
          +---------------------- |             |      |
                                  +-------------+      |
                                       |               |
             NMT Enter Operational     |               |
                                       v               |
                                 +-------------+       |
                                 | Operational |       |
                                 +-------------+       |

3.2 SDO（Service Data Object）

用于非实时的参数配置和对象字典访问：

主站 (Client)                    从站 (Server)
     │                               │
     │── SDO Upload Request (0x600+N)─→│  请求读取对象字典条目
     │←── SDO Upload Response (0x580+N)─│  返回数据
     │                               │
     │── SDO Download Request (0x600+N)─→│  请求写入对象字典条目
     │←── SDO Download Response (0x580+N)─│  确认写入

• Expedited 模式：数据 <= 4 字节，1 个请求 + 1 个响应
• Segmented 模式：数据 > 4 字节，需要多个分段传输

3.3 PDO（Process Data Object）

用于实时数据传输，无需请求/响应：

PDO 是广播式的，发送后无需确认。多个消费者可以同时接收同一 PDO。

3.4 EMCY（Emergency Message）

设备发生故障时立即发送，具有高优先级（COB-ID 0x080+N）：

Byte 0-1: Error Code (如 0x2310 = 电流过大)
Byte 2:   Error Register (全局错误状态)
Byte 3-7: 厂商特定信息

3.5 SYNC

周期性发送出的同步报文，用于触发同步 PDO：

• COB-ID：0x080（默认）
• 作用：确保多个节点在同一时刻发送/接收 PDO，实现运动控制的同步

3.6 Heartbeat

节点周期性报告自身状态：

数据 Byte 0:
  0x00 = Boot-up（节点启动完成）
  0x04 = Stopped
  0x05 = Operational
  0x7F = Pre-Operational

主站监控 Heartbeat，如果超时未收到，判定节点故障。

4. COB-ID 详解

COB-ID（Communication Object Identifier）= CAN ID 在 CANOpen 中的称呼。

CANOpen 预定义了默认的 COB-ID 分配表：

为什么 NMT 的优先级最高？ 因为 NMT 使用 COB-ID 0x000，这是最小的 CAN ID，在仲裁中始终获胜。这确保了主站可以随时控制任何节点，即使总线很繁忙。

5. 对象字典（Object Dictionary）简介

对象字典是 CANOpen 设备的参数数据库，是一个 16-bit 索引 + 8-bit 子索引的二维表：

5.1 索引分区

5.2 核心对象（0x1000-0x1018）

5.3 子索引示例

以 0x1018（Identity Object）为例：

0x1018:
  Sub 0: 4          (子索引数量 = 4)
  Sub 1: Vendor ID (厂商 ID)
  Sub 2: Product Code (产品代码)
  Sub 3: Revision Number (版本号)
  Sub 4: Serial Number (序列号)

通过 SDO 读取 0x1018 的各个子索引，可以获取设备的身份信息。这正是 CANOpen LSS（Layer Setting Services）识别节点的方式。

6. 完整通信示例

以下是一个典型的 CANOpen 网络启动流程：

时间 →

[主站] 上电
  │
  ├── 监控 0x700+ 地址（Heartbeat）
  │
[从站 Node 1] 上电
  │
  ├── 发送 Boot-up: 0x701 [0x00]  (Heartbeat, 状态=Boot-up)
  │
[主站] 收到 Boot-up
  │
  ├── 通过 SDO 配置从站参数:
  │     0x601#4000100000000000  (SDO 读取 0x1000 设备类型)
  │     0x601#2317100001000000  (SDO 写入 0x1017 心跳时间)
  │     0x601#2B40180002000000  (SDO 写入 PDO 映射)
  │
  ├── 发送 NMT Start: 0x000 [0x01 0x01]  (启动 Node 1)
  │
[从站 Node 1] 进入 Operational
  │
  ├── 开始周期性发送 TPDO: 0x181 [8 bytes 数据]
  │
[主站] 接收 PDO，处理数据
  │
  ├── 发送 RPDO: 0x201 [8 bytes 控制命令]
  │
[从站 Node 1] 执行控制命令

这个流程包含了 NMT、SDO、PDO、Heartbeat 四种通信对象的协同工作。

7. 后续模块预告

8. 关键知识点总结

★ Insight ─────────────────────────────────────

• CANOpen 的"生产者/消费者"模型与传统"主从"模型的根本区别：PDO 是广播式的，任何节点都可以是生产者或消费者，这比主从模型更灵活。
• COB-ID 预定义分配表的设计精妙之处：它不仅分配了 ID，还通过 ID 的数值大小自然实现了优先级分层 —— NMT（管理）> EMCY（紧急）> PDO（实时）> SDO（配置）。
• 对象字典是 CANOpen 的灵魂 —— 所有配置、状态、参数都在这个统一的二维表中，SDO 是访问这张表的"查询语言"。理解了对象字典，就理解了 CANOpen 的一半。 ─────────────────────────────────────────────────

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