99年保密協(xié)議的造謠者【CANOpen協(xié)議的分析與研究】

　　摘要：CANopen是CAN上的高層通信協(xié)議，本文通過對CANopen協(xié)議的四種的通訊模式的分析，比較過程數(shù)據(jù)對象PDO模式和服務(wù)數(shù)據(jù)對象模式在實(shí)現(xiàn)消息機(jī)制上的異同，并利用CANopen通信模型構(gòu)造了電梯控制系統(tǒng)的基本框架模型，總結(jié)了CANopen協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合。
　　關(guān)鍵詞：CAN；CANopen；PDO；SDO
　　中圖分類號：TP271　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　1　概述
　　
　　CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路(ControlArea Network，CAN)上的高層通訊協(xié)議，包括通訊子協(xié)定及設(shè)備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用，也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總線。CANopen是開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議：這個(gè)協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性，能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。
　　應(yīng)用層(Application layer)：為網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)有效設(shè)備都能夠提供一組有用的服務(wù)與協(xié)議。
　　通訊描述(Communication profile)：提供配置設(shè)備、通訊數(shù)據(jù)的含義，定義數(shù)據(jù)通訊方式。
　　設(shè)備描述(Device proflile)：為設(shè)備(類)增加符合規(guī)范的行為。
　　CANopen主要應(yīng)用在汽車、工業(yè)控制、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域，目前由CIA負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。
　　
　　2　CANopen通訊模式
　　
　　CANopen網(wǎng)絡(luò)中的通訊是通過消息機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，CANopen通訊模型定義了4種報(bào)文(通訊對象)：
　　2.1　過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data Object)
　　2.1.1　用來傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者。數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個(gè)字節(jié)(例如，一個(gè)PDO可以傳輸最多64個(gè)數(shù)字I/O值，或者4個(gè)16位的AD值)。
　　2.1.2　PDO通訊沒有協(xié)議規(guī)定。PDO數(shù)據(jù)內(nèi)容只由它的CAN ID定義，假定生產(chǎn)者和消費(fèi)者知道這個(gè)PDO的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
　　2.1.3　每個(gè)PDO在對象字典中用2個(gè)對象描述。
　　2.1.4　PDO通訊參數(shù)：包含哪個(gè)COB－ID將被PDO使用，傳輸類型，禁止時(shí)間和定時(shí)器周期。
　　2.1.5　 PDO映射參數(shù)：包含一個(gè)對象字典中對象的列表，這些對象映射到PDO里，包括它們的數(shù)據(jù)長度(in bits)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者必須知道這個(gè)映射，以解釋PDO內(nèi)容。
　　2.1.6　DO消息的內(nèi)容是預(yù)定義的(或者在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)配置的)：映射應(yīng)用對象到PDO中是在設(shè)備對象字典中描述的。如果設(shè)備(生產(chǎn)者和消費(fèi)者)支持可變PDO映射，那么使用SDO報(bào)文可以配置PDO映射參數(shù)。
　　
　　2.1.7　可以有多種傳送方式：
　　a同步(通過接收SYNC對象實(shí)現(xiàn)同步)
　　b非周期：由遠(yuǎn)程幀預(yù)觸發(fā)傳送，或者由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件預(yù)觸發(fā)傳送。
　　2.1.8　周期：傳送在每1到240個(gè)SYNC消息后觸發(fā)。
　　2.1.9　異步
　　a由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送。
　　b由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
　　表2－1給出來了由傳輸類型定義的不同PDO傳輸模式，傳輸類型為PDO通訊參數(shù)對象的一部分，由8位無符號整數(shù)定義。
　　
　　2　管理報(bào)文
　　
　　層管理，網(wǎng)絡(luò)管理和ID分配服務(wù)：如初始化，配置和網(wǎng)絡(luò)管理(包括：節(jié)點(diǎn)保護(hù))。
　　服務(wù)和協(xié)議符合CAL中的LMT，NMT和DBT服務(wù)部分。這些服務(wù)都是基于主從通訊模式：在CAN網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個(gè)LMT，NMT或DBT主節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。
　　
　　3　服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO(Service Data Object)
　　
　　通過使用索引和子索引(在CAN報(bào)文的前幾個(gè)字節(jié))，SDO使客戶機(jī)能夠訪問設(shè)備(服務(wù)器)對象字典中的項(xiàng)(對象)。
　　SDO通過CAL中多元域的CMS對象來實(shí)現(xiàn)，允許傳送任何長度的數(shù)據(jù)(當(dāng)數(shù)據(jù)超過4個(gè)字節(jié)時(shí)分拆成幾個(gè)報(bào)文)。
　　協(xié)議是確認(rèn)服務(wù)類型：為每個(gè)消息生成一個(gè)應(yīng)答(一個(gè)SDO需要兩個(gè)ID)。SDO請求和應(yīng)答報(bào)文總是包含8個(gè)字節(jié)(沒有意義的數(shù)據(jù)長度在第一個(gè)字節(jié)中表示，第一個(gè)字節(jié)攜帶協(xié)議信息)。SDO通訊有較多的協(xié)議規(guī)定。
　　
　　4　預(yù)定義報(bào)文或者特殊功能對象同步(SYNC)
　　4.1　在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)同步(尤其在驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中)
　　在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)當(dāng)前輸入值準(zhǔn)同時(shí)保存，隨后傳送(如果需要)，根據(jù)前一個(gè)SYNC后接收到的報(bào)文更新輸出值。
　　4.1.1　主從模式：SYNC主節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送SYNC對象，SYNC從節(jié)點(diǎn)收到后同步執(zhí)行任務(wù)。
　　4.1.2　在SYNC報(bào)文傳送后，在給定的時(shí)間窗口內(nèi)傳送一個(gè)同步PDO。
　　4.1.3　用CAL中基本變量類型的CMS對象實(shí)現(xiàn)。
　　4.1.4　CANopen建議用一個(gè)最高優(yōu)先級的COB－ID以保證同步信號正常傳送。SYNC報(bào)文可以不傳送數(shù)據(jù)以使報(bào)文盡可能短。
　　4.2　時(shí)間標(biāo)記對象(Time Stamp)
　　4.2.1　為應(yīng)用設(shè)備提供公共的時(shí)間幀參考。
　　4.2.2　用CAL中存儲事件類型的CMS對象實(shí)現(xiàn)。
　　4.3　緊急事件(Emergency)
　　4.3.1　設(shè)備內(nèi)部錯(cuò)誤觸發(fā)。
　　4.3.2　用CAL中存儲事件類型的CMS對象實(shí)現(xiàn)。
　　4.4　節(jié)點(diǎn)/壽命保護(hù)(Node/Life guarding)。
　　4.4.1　主從通訊模式
　　4.4.2　NMT主節(jié)點(diǎn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)：稱作節(jié)點(diǎn)保護(hù)(Node guarding)。
　　4.4.3　節(jié)點(diǎn)也可以(可選擇)監(jiān)控NMT主節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)：稱作壽命保護(hù)(Life guarding)。當(dāng)NMT從節(jié)點(diǎn)接收到NMT主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的第一個(gè)Node Guard報(bào)文后啟動(dòng)壽命保護(hù)。
　　4.4.4　檢測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口錯(cuò)誤(不是設(shè)備自身的錯(cuò)誤)：通過應(yīng)急指示報(bào)告。
　　4.4.5　根據(jù)NMT節(jié)點(diǎn)保護(hù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)：NMT主節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程請求到一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)給出應(yīng)答，應(yīng)答報(bào)文中包含了這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。
　　
　　4.5　Boot－UP
　　4.5.1　主從通訊模式
　　4.5.2　NMT從節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送這個(gè)報(bào)文，向NMT主節(jié)點(diǎn)說明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)由初始化狀態(tài)進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)。
　　一個(gè)CANopen設(shè)備必須支持一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)(管理報(bào)文，administrative messages)，需要至少一個(gè)SDO。每個(gè)生產(chǎn)或消費(fèi)過程數(shù)據(jù)的設(shè)備需要至少一個(gè)PDO。所有其它的通訊對象是可選的。一個(gè)CANopen設(shè)備中CAN通訊接口、對象字典和應(yīng)用程序之間的聯(lián)系如圖2所示
　　
　　3　CANopen高層協(xié)議應(yīng)用
　　
　　CANopen協(xié)議中設(shè)備子協(xié)議中包括電梯控制系統(tǒng)應(yīng)用協(xié)議。在CANopen協(xié)議電梯控制系統(tǒng)應(yīng)用協(xié)議中詳細(xì)的規(guī)定了電梯控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的物理參數(shù)，節(jié)點(diǎn)ID分配，電梯虛擬設(shè)備定義，對象目錄以及系統(tǒng)錯(cuò)誤處理。
　　通過CANopen協(xié)議在電梯控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，可以為任何電梯應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的、即插即用的電梯控制系統(tǒng)。符合CANopen電梯控制系統(tǒng)應(yīng)用協(xié)議規(guī)范的電梯控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大254層樓數(shù)，最多8臺電梯并聯(lián)的電梯應(yīng)用。
　　
　　4　總結(jié)
　　
　　基于CAN總線的CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊具有以下特點(diǎn)：
　　(1)使用對象字典(OD：Object Dictionary)對設(shè)備功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述。
　　(2)使用ASCII文檔：電子數(shù)據(jù)文檔(EDS)和設(shè)備配置文件(DCF)對設(shè)備及其配置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述。
　　(3)CANopen網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理基于CAL中CMS服務(wù)。
　　(4)系統(tǒng)boot―up和節(jié)點(diǎn)保護(hù)(NodeGuarding)的標(biāo)準(zhǔn)基于CAL中NMT服務(wù)。
　　(5)定義了整個(gè)系統(tǒng)的同步操作。
　　(6)定義了節(jié)點(diǎn)特定的應(yīng)急報(bào)文。
　　為與CANopen通訊協(xié)議和相應(yīng)的設(shè)備子協(xié)議保持一致，以使制造商的產(chǎn)品能夠用于任何CANopen網(wǎng)絡(luò)，以下3種層次的兼容性要求需要滿足(對日益增長的設(shè)備兼容性的要求)：
　　一致性：
　　設(shè)備連接到CANopen網(wǎng)絡(luò)后不能影響其他設(shè)備的通訊：應(yīng)用層的一致性。
　　互用性：
　　設(shè)備能夠同網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)：通訊協(xié)議的一致性。
　　互換性：
　　設(shè)備能夠代替另外一個(gè)同類設(shè)備：設(shè)備子協(xié)議的一致性。
　　1993年由Bosch領(lǐng)導(dǎo)的歐洲CAN－bus協(xié)會開始研究基于CAN－bus通訊系統(tǒng)管理方面的原型，由此發(fā)展成為CANopen協(xié)議。這是一個(gè)基于CAL的子協(xié)議用于產(chǎn)品部件的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制。其后CANopen協(xié)議被移交給CiA協(xié)會，由CiA協(xié)會管理維護(hù)與發(fā)展。至2000年CANopen協(xié)議已成為全歐洲最重要的嵌入式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
　　在CiA的努力推廣下CAN技術(shù)在汽車電子控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)确矫婢�得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究CANopen協(xié)議具有廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用需求。
　　
　　
　　(本文責(zé)任編輯　黃漢)

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