CANopen协议开发梳理总结笔记教程

0、提醒

CANOpen使用时，需要清楚什么是大端和小端，这对于CANOpen数据发送及解析时，有很大的帮助。且学习开发CANOpen时，需要具备一定的CAN基础。

1、CANOpen协议介绍

①、什么是CANOpen协议

CANOpen协议是一种架构在控制局域网络（Controller Area Network, CAN）上的高层通信协议，它广泛应用于工业自动化、机械工程和汽车电子等领域。CANOpen协议通过对象字典、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）等机制，为机器人、运动控制、过程控制、楼宇自动化、交通运输等行业提供了一种标准化的通信解决方案。

CANOpen协议的标准由非营利组织CiA（CAN in Automation）进行起草、审核及维护工作。

CANOpen协议本身是一个单一的标准，它定义了设备间的通信协议和接口规范。

CANOpen协议支持从10kbps到1Mbps的波特率，具体包括10k、20k、50k、125k、250k、500k、800k和1Mbps。

简单来说，CANOpen协议是一个基于CAN协议的的一个应用层协议。

②、CANOpen协议的特性

开放性：CANOpen是一个公开的标准，任何公司都可以使用它来开发产品，无需支付许可费用。

网络管理：CANOpen协议定义了网络管理功能，如节点自诊断、网络监控等，使得网络维护更加方便。

对象字典：CANOpen使用对象字典来描述设备的功能和状态，使得设备之间的通信更加标准化。

服务：CANOpen定义了一系列的服务，如NMT（Network Management）、TPDO（Time-Triggered Protocol Data Object）、RPDO（Real-Time Protocol Data Object）等，以满足不同的应用需求。

PDO（Process Data Object）：PDO是CANOpen中用于快速传输过程数据的数据对象，可以实时地传输控制和状态信息。

SDO（Service Data Object）：SDO用于访问设备的对象字典，可以读取或写入设备的状态和配置信息。

紧急消息：CANOpen还定义了紧急消息，用于在发生严重故障时立即通知网络中的其他设备。

心跳消息：心跳消息用于监测网络中设备的运行状态，如果一段时间内没有收到某个设备的心跳消息，网络管理系统会认为该设备已经离线。

CANOpen常用缩写

③、CANOpen协议应用场景

在CANOpen协议中，对于不同类型的CANopen 设备和应用场景分别有不同的子协议，如CiA301、CiA401、CiA402、CiA421、CiA423、CiA424、CiA426、CiA430、CiA433等众多子协议构成了CANopen协议。

2、CANOpen字典

CANOpen字典（Object Dictionary, OD）是CANopen协议的核心组成部分，它是一个有序的对象组，用于描述CANopen节点的所有参数，包括通讯数据的存放位置。

CANOpen字典的结构由索引和子索引组成：

索引：每个对象采用一个16位的索引值来寻址，范围在0x0000到0xFFFF之间。

子索引：在某些索引下，为了访问数据结构中的单个元素，定义了一个8位的子索引，范围是0x00到0xFF之间。

CANOpen的SDO模式下的数据传输时，也是按如下格式进行发送和接收。其中字典中的部分索引可能没有子索引。

3、CANOpen通信

CANOpen通信有两种模式，分别是SDO通信、和PDO通信，如下图所示为CANOpen通信的设备模型图。

①、SDO通信

SDO 全称为服务数据对象，其通过对象索引和子索引与CANOpen字典建立联系，通过SDO可以读取对象数据，在允许的情况下，也可以修改写入对象数据。

SDO 传输方式遵循客户端—服务器模式（CS），即一应一答方式。由 CAN 总线网络中的 SDO 客户端发起，SDO 服务器作出应答。

SDO 传输报文由COB-ID和数据段组成，数据段采用小端模式，即低位在前，高位在后排列。所有的 SDO 报文数据段都必须是 8 个字节。

SDO发送数据的COB-ID都是0x600+节点ID

SDO接收数据的COB-ID都是0x580+节点ID

SDO读数据报文格式

SDO写数据报文格式

②、PDO通信

PDO 全称为过程数据对象，其用来传输实时的数据，是 CANopen 中最主要的数据传输方式。通过SDO配置PDO后，可以实现设备端的数据周期性自动上传到服务器，也可以实现控制发送的数据小于8字节，由于PDO发送的数据无返回，因此可以极大的提升数据传输速度。

按照接收与发送的不同，PDO又分为TPDO和RPDO，其中RPDO用于服务器给设备端发送控制数据，TPDO为设备端周期性上传数据到服务器。

PDO 的传输遵循的是生产者消费者模型，即 CAN 总线网络中生产者产生的 TPDO 可根据COB-ID 由网络上一个或者多个消费者 RPDO 接收。每个PDO由通信参数和映射参数共同决定最终传输的方式及内容。

如下是所使用的电机控制器中实现 PDO 的传输的4 个 RPDO 和4 个 TPDO。注意，不同控制器的PDO数量可能不一致，需要根据实际产品进行手册参考。

PDO使用时，需要进行映射配置操作，如下所示为PDO映射操作的流程图。

因PDO映射内容较多，因此将在下一篇博客中详细介绍PDO映射操作。

3、CANOpen应用

①、设置CiA402模式

发送：601 2B 02 20 01 00 00 00 00 (设置为 CiA402 模式)

//2B 02 20 01 00 00 00 00   (CiA402 模式)
#define WRITE_2_BYTE        0x2B
#define WRITE_60_CTRL_PARAM 0x2002
#define CTRL_MODE_SELECT    0x01
#define CIA402_MODE         0x00

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = WRITE_2_BYTE;
data[1] = WRITE_60_CTRL_PARAM & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_CTRL_PARAM >> 8 & 0xFF;
data[3] = CTRL_MODE_SELECT;
data[4] = CIA402_MODE;

serve_motor_send_data(0x601, data);
//成功会返回数据：60 02 20 01 00 00 00 00

②、循环同步位置模式

发送：601 2F 60 60 00 08 00 00 00 (循环同步位置模式)

//2F 60 60 00 08 00 00 00 (循环同步位置模式)
#define WRITE_1_BYTE         0x2F   
#define WRITE_60_RUN_MODE    0x6060
#define CYCLIC_SYNC_POS_MODE 0x08

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = {0};   
data[0] = WRITE_1_BYTE;
data[1] = WRITE_60_RUN_MODE & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_RUN_MODE >> 8 & 0xFF;
data[3] = 0x00;
data[4] = CYCLIC_SYNC_POS_MODE;

serve_motor_send_data(0x601, data);
//成功会返回数据： 60 60 60 00 00 00 00 00

③、电机准备

发送： 601 2B 40 60 00 06 00 00 00 (设置 6040h为 0x6，使电机准备)

//2B 40 60 00 06 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE           0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE    0x6040
#define MOTOR_READY            0x06

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = WRITE_2_BYTE;
data[1] = WRITE_60_CTRL_STATE & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_CTRL_STATE >> 8 & 0xFF;
data[3] = 0x00;
data[4] = MOTOR_READY;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回数据：60 40 60 00 00 00 00 00

③、电机锁轴使能

发送： 601 2B 40 60 00 0F 00 00 00 (设置 6040h为 0xF，使电机使能)

//2B 40 60 00 0F 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE          0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE   0x6040 
#define MOTOR_ENABLE          0x7F

 //将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = WRITE_2_BYTE;
data[1] = WRITE_60_CTRL_STATE & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_CTRL_STATE >> 8 & 0xFF;
data[3] = 0x00;
data[4] = MOTOR_ENABLE;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回数据：60 40 60 00 00 00 00 00

④、电机松轴失能

发送： 601 2B 40 60 00 07 00 00 00 (设置 6040h为 0x7，使电机失能)

//2B 40 60 00 07 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE           0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE    0x6040    
#define MOTOR_DISABLE          0x07

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = WRITE_2_BYTE;
data[1] = WRITE_60_CTRL_STATE & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_CTRL_STATE >> 8 & 0xFF;
data[3] = 0x00;
data[4] = MOTOR_DISABLE;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回数据：60 40 60 00 00 00 00 00

⑤、设置电机目标位置

发送： 601 23 7A 60 00 10 27 00 00 (设置目标位置 607Ah为 10000)

//目标位置    :   23 7A 60 00 10 27 00 00 (设置 607Ah为 10000)
#define WRITE_4_BYTE         0x23   
#define WRITE_60_POSITION    0x607A

int pos = 90;//90度
int pos_pulse = (int)(pos * 10000.0 / 360);//数值单位转换（角度值数据转换为脉冲）
char data[8] = { 0 };

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
data[0] = WRITE_4_BYTE;
data[1] = WRITE_60_POSITION & 0xFF;
data[2] = WRITE_60_POSITION >> 8 & 0xFF;
data[3] = 0x00;
data[4] = pos_pulse & 0xFF;
data[5] = pos_pulse >> 8 & 0xFF;
data[6] = pos_pulse >> 16 & 0xFF;
data[7] = pos_pulse >> 24 & 0xFF;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回到数据
//例如：60 7A 60 00 00 00 00 00

⑥、读取电机实际位置

发送：601 40 63 60 00 00 00 00 00

#define READ_60_CMD      0x40
#define READ_60_POSITION 0x6063

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = READ_60_CMD;
data[1] = READ_60_POSITION & 0xFF;
data[2] = READ_60_POSITION >> 8 & 0xFF;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回到读取到的位置数据
//例如：43 63 60 00 F1 2D C0 01

⑦、读取电机实际速度

发送：601 40 6C 60 00 00 00 00 00

//40 6C 60 00 00 00 00 00
#define READ_60_CMD    0x40
#define READ_60_SPEED  0x606C

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = READ_60_CMD;
data[1] = READ_60_SPEED & 0xFF;
data[2] = READ_60_SPEED >> 8 & 0xFF;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回到读取到的速度数据
//例如：43 6C 60 00 7C F6 FF FF

⑧、读取电机实际电流

发送：601 40 78 60 00 00 00 00 00

//40 78 60 00 00 00 00 00
#define READ_60_CMD 0x40
#define READ_60_CURRENT 0x6078

//将数据按规定填充到CAN的8字节数据区
char data[8] = { 0 };
data[0] = READ_60_CMD;
data[1] = READ_60_CURRENT & 0xFF;
data[2] = READ_60_CURRENT >> 8 & 0xFF;

servo_motor_send_data(0x601, data);
//正常会返回到读取到的电流数据
//例如：4B 78 60 00 FC FF 00 00