第九章 can应用层协议

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1、第九章 CAN应用层协议nCAN基本协议的应用nCANopennDeviceNetnSAE J1939CANopen概述CAN和CANopen标准在OSI网络模型中的原理图CAN基本协议的应用nCAN三层协议：物理层、数据链路层、 应用层 n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nCAN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n应用层协议内容n应用层提供一组服务和协议n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。n设备规范

2、为设备增加了设备相关的类行为CAL(CAN Application Layer)nCAL（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nCMS (CAN-based Message Specification)nCMS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)nNMT (Network ManagemenT)n提供网络管理（如初始化、启动和停止节点 ，侦测

3、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)nDBT (DistriBuTor)n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)nLMT (Layer ManagemenT)nLMT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 N

4、MT地址，或改变CAN接口的位定时和波特 率）。CAL(CAN Application Layer)nCMS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n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。n 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，n应用程序对对象字典进行操 作，即可实现

5、CANopen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nCAL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。 nCANopen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。nCANopen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)n对象字典（OD：Obje

6、ct Dictionary）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 。n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)nOD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n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n包括CANopen网络上的消息帧，以及其 内容和功能。n管理消息n服务数据对象n过

7、程服务对象n特殊功能对象管理消息n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）。 nBoot-up消息、Heartbeat消息、NMT消息n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n1： Start_Remote_node (0x01) n2：Stop_Remote_Node (0x02) n3： Enter_Pre-Operational_State (0x80) n4： Reset_Node (0x81) n5：

8、Reset_Communication (0x82) n6：设备初始化结束，自动进入 Pre_Operational状态，发送Boot-up消息 n通知NMT主节点已经到就绪状态Boot-up消息nNMT-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nHeartbeat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n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

9、数据字节 是命令，第二个 字节是目标节点 的IDNMT消息n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n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）nSDO提供客户访问服务器的对象字典(OD)的功能n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)。n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

10、据和数据类型。n客户的CAN报文和服务器的应答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）nSDO有2种传送机制： n加速传送（Expedited transfer）：最多传输4字节数据 n分段传送（Segmented transfer） ： 传输数据长度大于4字节n 服务数据对象（SDO）n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

11、系服务数据对象（SDO）n一个节点向其它节点发送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）n通过使用索引和子索引（在CAN报文的前

12、几个字节） ，SDO使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中 的项（对象）。n 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n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PDOn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nPDO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。n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

13、的某個位置 nPDO消息的内容是预定义的过程数据对象PDOnPDO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PDOn同步（通过接收SYNC对象实现同步） n非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的

14、对象特定事件预触发传送。 n周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。 n异步 n由远程帧触发传送。n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n同步：用来同步网络中节点，基于主从 概念n时间戳：为设备提供一个时间标准n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 n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n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

15、)部分。预定义报文或者特殊功能对象CANopen标识符分配 n使用预定义的主从连接集。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。 n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。n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 n(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。n(2)组建对象字典时并没有必要把协议规定

16、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 对象字典中添加功能项。n(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。n(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。 DeviceNetn设备层现场总线DeviceNetnDeviceNet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 制功能下载到现场设备的理想解决方案DeviceNetnDeviceNet不仅可以作为设备级的网络，还可以作为控制级的网络 ，通过DeviceNet提供的服务还可以实现以太网上的实时控制。较 之