CAN总线应用层协议

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1、CAN总线应用层协议 CAN总线基本协议的应用 CANopen DeviceNet SAE J1939CANopen协议概述CAN和CANopen标准在OSI网络模型中的原理图CAN总线基本协议的应用 CAN三层协议：物理层、数据链路层、 应用层 应用层：明确CAN消息帧的11位标识符 和8字节数据如何使用 CAN协议只对物理层和数据链路层作了描述 和规定，而对于应用层则没有说明。如果每 个都可以为自己的产品设计一个应用层协议 。不同厂商的设备之间不能互相操作CANopen概述 应用层协议内容 应用层提供一组服务和协议 通讯规范提供配置设备的方法和通讯数据，定 义了设备之间的数据如何通讯。 设

2、备规范为设备增加了设备相关的类行为CAL(CAN Application Layer) CAL（CAN Application Layer）协议是目 前基于CAN的高层通讯协议中的一种，提 供了4种应用层服务功能 CMS (CAN-based Message Specification) CMS提供基于变量、事件、域类型的对象，以 设计和规定一个设备（节点）的功能如何被访 问（例如，如何上载下载超过8字节的一组数 据（域），并且有终止传输的功能）。 CAL(CAN Application Layer) NMT (Network ManagemenT) 提供网络管理（如初始化、启动和停止节点，

3、侦测失效节点）服务。这种服务是采用主从通 讯模式（所以只有一个NMT主节点）来实现的 。CAL(CAN Application Layer) DBT (DistriBuTor) 提供动态分配CAN ID（正式名称为COB-ID， Communication Object Identifier）服务。这种 服务是采用主从通讯模式（所以只有一个DBT 主节点）来实现的。CAL(CAN Application Layer) LMT (Layer ManagemenT) LMT提供修改层参数的服务：一个节点（LMT Master）可以设置另外一个节点（LMT Slave ）的某层参数（如改变一个节点的

4、NMT地址， 或改变CAN接口的位定时和波特率）。CAL(CAN Application Layer) CMS为它的消息定义了8个优先级，每个优先级拥有220 个COB-ID，范围从1到1760。剩余的标志（0，1761- 2031）保留给NMT，DBT和LMT。 COB-ID越低优先级越 高。CANopen协议介绍通信接 口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务，不同 CANopen设备间的通信是通过交换通信对象来完成的。 对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象，对 象字典位于通信程序和应用程序之间，用于向应用程序提供接口， 应用程序对对象字典进行操 作，即可实现CA

5、Nopen通信。它包括功 能部分和通信部分，通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分则根据应用要求来实现。 CANopen协议介绍 CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协 议，但并没有定义CMS对象的内容或者正在通 讯的对象的类型。而这正是CANopen切入点。 CANopen是在CAL基础上开发的，使用了CAL 通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统 的一种实现方案。 CANopen的核心概念是设备对象字典（OD： Object Dictionary），对象字典不是CAL的一 部分，而是在CANopen中实现的。 对象字典(OD)对象字典（OD：Object D

6、ictionary）是一个有序的 对象组；每个对象采用一个 16位的索引值来寻址，为 了允许访问数据结构中的单 个元素，同时定义了一个8 位的子索引，CANopen网 络中每个节点都有一个对象 字典。 对象字典包含了描述这个设 备和它的网络行为的所有参数。 对象字典(OD)对象字典(OD) OD通过通信对象描述了设备的所有功能，介于应用程序 和通信接口直接 在CANopen 网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字 典，而且每个节点的对象字典都具有相同的结构，但具体 的内容要根据不同的设备而定， 通信模型 包括CANopen网络上的消息帧，以及其 内容和功能。 管理消息 服务数据对象 过程服务对

7、象 特殊功能对象管理消息 层管理，网络管理和ID分配服务：如初始化，配置和网络 管理（包括：节点保护）。 Boot-up消息、Heartbeat消息、NMT消息 服务和协议符合CAL中的LMT，NMT和DBT服务部分。这 些服务都是基于主从通讯模式：在CAN网络中，只能有一 个LMT，NMT或DBT主节点以及一个或多个从节点。 Boot-up消息1： Start_Remote_node (0x01) 2：Stop_Remote_Node (0x02) 3： Enter_Pre-Operational_State (0x80) 4： Reset_Node (0x81) 5：Reset_Commu

8、nication (0x82) 6：设备初始化结束，自动进入 Pre_Operational状态，发送Boot-up消息 通知NMT主节点已经到就绪状态Boot-up消息 NMT-slave节点发布Boot-up报文通知NMT- Master节点它已经从initialising状态进入pre- operational状态。 Heartbeat消息 Heartbeat协议是为了解决错误控制，显示节点当 前状态而引入的。Heartbeat消息周期性地由节点 发出，表示该节点目前仍然在工作。NMT消息 由NMT主节点发 送，迫使从节点 状态转换。使用 2B数据单帧，第 一个数据字节是 命令，第二个字

9、 节是目标节点的 IDNMT消息 只有NMT-Master节点能够传送NMT Module Control报文 。NMT Module Control消息不需要应答。NMT消息格式如下： NMT消息 通过节点保护服务，NMT主节点可以检查每个节点的当前 状态，当这些节点没有数据传送时这种服务尤其有意义。 服务数据对象（SDO） SDO提供客户访问服务器的对象字典(OD)的功能 访问者被称作客户 (client)，对象字典被访问且提供所请求服务的 CANopen设备别称作服务器(server)。 通过SDO服务，可以访问对象字典的条目，这些条目可能包含有任意长度的数据和数据类型。 客户的CAN报

10、文和服务器的应答CAN报文总是包含8字节数据（尽管不是所有的数据字节都一定有意义）。一个客户的请求一定 有来自服务器的应答。服务数据对象（SDO）SDO有2种传送机制： 加速传送（Expedited transfer）：最多传输4字节数据 分段传送（Segmented transfer） ： 传输数据长度大于4字节 服务数据对象（SDO）为了进行标准的分段DH速传送，SDO定义了6个确认服务(SDO下载， SDO上传，启动SDO上传，启动SDO下载，下载SDO段和上传SDO段)和一 个非确认服务(中止SDO传送)。如：启动SDO下载协议与对象字典的关 系服务数据对象（SDO）一个节点向其它节点

11、发送SDO时，所使用报文CANID为600h+Node ID 例如 将值0x31FF写入节点0x01的索引为0x6012，子索引为2的 对象字典中，对应的字节赋值，如图2所示。根据SDO协议，连接对象 报文的标识符(COBID)为600h+01h=601h。Byte0为2B，表示客户向 服务器发出下载请求。采用加速传送方式，并且显示字节长度。 Bytel和2表示索引和子索引分别为6012h和2h。Byte3为02h，表示传 送的数据为2个字节。Byte4和5表示传送数据值为0x31FF。服务数据对象（SDO） 通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节）， SDO使客户机能够访问设备（服务

12、器）对象字典中的项（ 对象）。 SDO通过CAL中多元域的CMS对象来实现，允许传送任 何长度的数据 协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个 SDO需要两个ID）。SDO请求和应答报文总是包含8个字 节过程数据对象PDO 用来传输实时数据， 数据从一个生产者传到一个或多个 消费者。数据传送限制在1到8个字节 PDO通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的CAN ID 定义，假定生产者和消费者知道这个PDO的数据内容。 每个PDO在对象字典中用2个对象描述：PDO通信参数和 PDO映射参数,所謂PDO的映射，就是將PDO的數據指向對象字典的某個位置 PDO消息的内容是预定义的过程数据对

13、象PDO PDO訪問：由於PDO都是用來傳送較短且實時性較高的控制 數據和狀態數據，因此，PDO數據在傳送時，是不會像SDO 一樣，在數據包裡指定要對哪個Index進行操作，PDO在進 行數據交換之前，要先設定好是對哪個Index操作的，這 個動作就是PDO Mapping，映射好了PDO的數據對象，則 PDO的數據就會被從站自動指向對象字典裡的某個Index Sub-index上，這樣就加快了數據交換的效率。过程数据对象PDO过程数据对象PDO同步（通过接收SYNC对象实现同步） 非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的对象 特定事件预触发传送。 周期：传送在每1到240个SYN

14、C消息后触发。 异步 由远程帧触发传送。由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。 预定义消息或者特殊功能对象 同步：用来同步网络中节点，基于主从概 念 时间戳：为设备提供一个时间标准 紧急事件：紧急事件由设备的内部错误触 发，每个错误事件只发送一次，不重复发 生。预定义的连接设置 为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制 性的缺省标识符（CAN-ID）分配表。这些标志符在预操 作状态下可用，通过动态分配还可修改 缺省ID分配表是基于11位CANID，包含一个4位的功能 码部分和一个7位的节点ID(Node-ID)部分。预定义报文或者特殊功能对象CANopen标识符分配 使用预定

15、义的主从连接集。ID是缺省的，不需要 配置。如果节点支持，PDO数据内容也可以配置。 上电后修改PDO的ID（在预操作状态），使用（预 定义的）SDO在节点的对象字典中适当位置进行修 改。 使用CAL DBT服务：节点或从节点最初由它们的配 置ID指称。节点ID可以由设备上的拨码开关配置注意事项 (1)在开发过程中不必要将CANopen协议中的各项内容都一一编 写，只要根据应用的具体要求按照CANopen协议编写即可。对象 字典都要通过软件实现，这是实现CANopen的关键。(2)组建对象字典时并没有必要把协议规定的所有项都包括进去，另外还要留出足够的空间，使得用户可以根据以后的具体需要向 对

16、象字典中添加功能项。(3)一般应用中，如果CANopen网络不复杂，使用预定义的标识符分配就能满足要求。对于特别大的系统，如果要制定标识符分 配，这需要大量的软件编程。(4)对于CANopen网络中必须实现的管理功能，一般由一个节点 来实现，但也可以由几个节点分别承担。尤其对于SYNC报文传输和标识符的分配，分开来实现会更好。 DeviceNet 设备层现场总线DeviceNet DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于 CAN技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高 性能的通信网络。它通过一根电缆将PLC、传感器、光 电开关、操作员终端、电动机、轴承座、变频器和软 启动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统 减少现场I/O接口和布线树立、将控制