Введение в CANopen

CANopen - это открытая промышленная сеть созданная на основе Controller Area Network (CAN). Стандарт CAN (ISO 11898) описывает два нижних уровня эталонной модели ISO/OSI, CANopen описывает остальные пять. Документ The CANopen Application Layer and Communication Profile (CiA DS 301) определяет каким образом устройства обмениваются данными и описывает интерфейс к нижележащим уровням сети.

Основная область применения СANopen - встроенные роспределенные системы управления реального времени (embedded networks). СANopen фактически является стандартом и наиболее широко применяемым протоколом при создании современных систем управления в машиностроении (обрабатывающие станки различного назначения, термпопласт-автоматы, полиграфическое оборудование), железнодорожном транспорте (DIN 25002-2), специальном транспорте, сложном медицинском оборудовании, лифтах.  CANopen не применяется в АСУТП. 

Общая схема связи устройств в CANopen

Протокол CANopen определяет несколько методов передачи сообщений по сети CAN. Эти сообщения называются объектами связи (communication objects). CANopen поддерживает синхронизованную передачу сообщений, которая обеспечивается объектами Sync и Time Stamp. Асинхронные сообщения (или события) могут пересылаться в любой момент времени. В целом CANopen определяет четыре типа сообщений (communication objects):

• сообщения управления сетью, например Layer Management (LMT) и Network Management (NMT) сообщения
• так называемые Service Data Objects (SDO)
• так называемые Process Data Objects (PDO)
• Предопределенные сообщения (Sync Object, Time Stamp Object, Emergency Object)

Инициализация и управление сетью

Сервис управления сетью используется для контроля состояния устройств в сети CANopen. В рамках сервиса управления сетью доступны следущие функции:

• динамическое или статическое распределние идентификаторов CAN для SDO/PDO соединений и сервиса обработки ошибок,
• управление состоянием работы устройств и котроль режимов соединений в устройствах
• периодический опрос устройств для определения сбоев в устройствах
• вместо опроса каждое устройство может периодически посылать сообщение о том, что оно функционирует нормально

Механизм передачи данных

CANopen определяет два совершенно разных механизма передачи данных.

Service Data Object (SDO) механизм обычно используется для конфигурирования устройств низкой приоритетности. Отдельные параметры устройства адресуются при помощи 16 битного адреса и 8 битного подадреса. С помощью SDO можно передавать данные длиной больше восьми байт используя механизм фрагментации. Функциональность SDO:

• передача данных любого размера,
• чтение и запись любых данных с подтверждением,
• быстрая передача данных длиной до 4 байт,
• обрыв соединения с любого конца с передачей ошибки через сеть.

Все параметры устройства объеденены в object dictionary (словрь объектов), и все объекты в object dictionary могут быть прочитаны или изменены удаленно при помощи SDO.

Process Data Object (PDO) механизм используется для предачи с высокой скоростью высокоприоритетных данных, так как PDO сообщения не содержат никаких дополнительных протокольных данных. При помощи PDO можно передавать только данные длина которых меньше 8 байт. Формат данных PDO может быть фиксированным или может быть сконфигурирован при помощи SDO. PDO сообщения могут быть переданы одним узлом сразу нескольким другим узлам одновременно.

События

CANopen поддерживает несколько способов передачи данных реального времени.

При возникновении какого-либо события можно послать PDO сообщение. Например, устройство дискретного ввода-вывода может отсылать состояние своих выводов в сеть при их изменении. Такой способ позволяет минимизировать загрузку сети и увеличить ее пропускную способность.

Возможен синхронный режим передачи данных. В этом режиме устройства синхронизируют передачу данных в сеть с часами Master устройства. Этот режим особенно полезен когда контуры управления замыкаются через сеть (так называемые сетевые системы управления).

Кроме перечисленных выше способов передачи данных, можно использовать передачу по запросу (polling). В любой момент можно использовать PDO сообщение для инициации передачи данных устройством. Эта схема использует RTR бит CAN кадра.