CANopen

CANopen设备都需要具备对象字典，用来设置设备组态及进行非即时的通信。对象字典的entry定义如下：

• 索引（Index）：对象16比特的地址。
• 对象名称（Object name）：一个代表对象的symbolic type，可以是数组、纪录或只是一个变量。
• 名称（Name）：描述此entry的字符串。
• 形态（Type）：变量的数据形态。
• 属性（Attribute）：提供此entry是否可读／可写的数据，有下列四种：可读/写、唯读、唯写、唯读常数。
• 必须（Mandatory）/可选（Optional）字段定义属于特定设备规范下的设备，是否必须实现某些对象。

在CANopen标准中定义了对象字典中的基本数据型态，包括逻辑值、整数及浮点数。也定义了复合对象：如数组、记录及字符串。复合对象用一个8比特的数值作为其子索引（subindex）。记录或数组中子索引0的位置记录此数据结构的元素个数，数据型态为UNSIGNED8。

例如在CiA301标准中，设备通信的参数放在索引范围0x1000 - 0x1FFF（通信行规区）。此区域的前几项如下：

若配合适当的工具，可以用编辑电子数据表（electronic data sheet, EDS)文件的方式规划一个设备，并且将变量的数值上传到设备中。EDS文件的格式通常会是INI档。

CANopen的物理层CANbus每次发送的数据量不大，其中包括11比特的ID、远程传输请求（RTR）比特及大小不超过8字节的数据。CANopen将CANbus 11比特的ID分为4比特的功能码及7比特的CANopen节点ID。7比特的ID共有128种不同的组合，其中ID 0不使用，因此一个CANopen网络上最多允许127台设备。CANbus在CAN 2.0 B规格中允许29比特的ID，因此若配合CAN 2.0 B使用，CANopen网络上可以超过127台设备，不过在实际运用中，大多数的CANopen网络上设备数量均低于此数值。

CANopen将CANbus的11比特ID称为通信对象ID（COB-ID）。当传输数据出现碰撞时，CANbus的仲裁机制会使COB-ID最小的消息继续发送，不用等待或重传。COB-ID的前4个比特是CANopen的功能码，因此数值小的功能码表示对应的功能重要，允许的延迟时间较短。

以下是一个标准的CANopen页框（frame）：

在CANopen标准中，部份COB-ID被保留作网络管理及SDO通信用。而在设备初始化后，有些功能码和COB-ID会映射到标准的功能，不过后续仍可以规划为其他用途。

CANopen设备间的通信可分为以下三种通信模型。

• 在主从（master/slave模型）中，一个CANopen设备为master，负责发送或接收其他设备（称为slave）的数据。NMT协定就使用了master/slave模型。

• 客户端/服务器（client/server）模型定义在SDO协定中，SDO client将对象字典的索引及子索引发送给SDO server，因此会产生一个或数个需求数据（对象字典中，索引及子索引对应的内容）的SDO封包。

• 生产者／消费者（producer/consumer）模型用在Heartbeat and Node Guarding协定。由一个生产者送出数据给消费者，同一个生产者的数据可能给一个以上的消费者。又可分为二种：
  • push-model：生产者会自动送出数据给消费者。
  • pull-model：消费者需送出请求消息，生产者才会送出数据。

NMT（网络管理, Network management）协议是用来发布（设备内部）状态机的状态变更命令（如启动设备或停止设备）、以及监测远程设备启动及故障情形。

NMT master使用的模块控制协定可变更设备的状态。其COB-ID为0，其功能码及节点ID均为0，因此网络上的所有节点均会处理这个消息。在此消息的数据部份会有此消息实际针对节点的ID，此ID也可为0，表示所有节点都要变更为指定的状态。

心跳协定（Heartbeat protocol）是用心跳机制来监控网络中的节点及确认其正常工作。心跳消息的生产者（一般是slave设备）周期性的送出功能码1110、ID为本身节点ID的消息，消息的数据部份有一个表示节点状态的比特。而心跳消息的消费者负责接收上述数据，若在指定时间（于设备的对象字典中定义）内，消费者均未收到消息，可采取相关行动（例如显示错误或重置该设备）。

其格式为：

      COBID + DATA (status of node)  

CANopen设备需要在bootup时自动从Initializing状态切换至Pre-operational状态，设备会在切换完成后送出一个心跳消息，这就是心跳协定。

有一种pull model的NMT协定，称作节点监控（Node guarding）协定，也可以作从机的监控。

服务数据对象（SDO）可用来访问远程节点的对象字典，读取或设置其中的数据。提供对象字典的节点称为SDO server，访问对象字典的节点称为SDO client。SDO通信一定由SDO client开始，并提供初始化相关的参数。

在CANopen的术语中，上传是指由SDO server中读取数据，而下载是指设置SDO server的数据。

由于对象字典中的数据长度可能超过8个字节，无法只用一个CAN页框传输，SDO也支持长消息的分割（segmentation）和合并（desegmentation）。这样的对象有二种：SDO下载/上传（SDO download/upload）及SDO区块下载/上传（SDO Block download/upload）。CANopen协定较新版本支持SDO区块传输，可以允许传输大量的数据，且传输的overhead可以较低。

负责处理SDO数据传输的COB ID可在对象字典中设置。在对象字典的索引0x1200至0x127F可设置SDO server的COB ID，最多可设置到127个。而SDO client可以在对象字典的索引0x1280至0x12FF中设置。不过预定义链接（pre-defined connection set）定义在开机后（Pre-operational状态）可用来设置设备组态的SDO。接收用的COB ID为0x600 +节点ID，而发送用的COB为0x580 +节点ID。

以下用SDO下载来说明SDO的协定，SDO client在要启始下载时，会送出CAN消息，其ID为接收端SDO channel的COB ID，而CAN页框的数据字段内容如下：

• ccs是SDO传输时client指令的识别码，可分为以下几种：
  • 0：SDO区域下载
  • 1：启始下载
  • 2：启始上传
  • 3：SDO区域上传
  • 4：中断SDO传输
• n为此消息中实际数据的长度，只有在e和s设置时有效
• e若设为1，表示是快速传输（expedited transfer），目前消息即包括了所有要传输的数据。若设为0，表示要传输的数据无法用一个消息发送，会分割为数个消息。
• s若设为1，且e也设为1，表示数据长度记录在n。若e设为0，表示实际完整数据的长度会放在此消息中的数据字段中。
• 索引是要访问数据的对象字典索引。
• 子索引是要访问变量的子索引。
• 数据在快速传输（e=1）时是要上传的数据，若s=1且e=0，则是实际数据的长度。

（PDO）协定可用来在许多节点之间交换即时的数据。可通过一个PDO，发送最多8字节（64比特）数据给一设备，或由一设备接收最多8字节（64比特）的数据。一个PDO可以由对象字典中几个不同索引的数据组成，规划方式则是通过对象字典中对应PDO mapping及PDO参数的索引。

PDO分为两种：发送用的TPDO及接收用的RPDO。一个节点的TPDO是将数据由此节点传输到其他节点，而RPDO则是接收由其他节点传输的数据。一个节点分别有4个TPDO及4个RPDO。

PDO可以用同步或异步的方式发送：同步的PDO是由SYNC消息触发，而异步的PDO是由节点内部的条件或其他外部条件触发。例如若一个节点规划为允许接受其他节点产生的TPDO请求，则可以由其他节点送出一个没有数据但有设置RTR比特的TPDO（TPDO请求），使该节点送出需求的数据。　

借由RPDO也可以使两个或两个以上的设备同时启动。只要将其RPDO对应到相同的TPDO即可。

同步协定使用生产者/消费者模型。同步生产者（Sync-Producer）会定时产生同步信号供同步消费者（Sync-Consumer）使用。当同步消费者收到信号，即可进行已规划好的同步工作。[4]

同步信号会定时产生，若有 PDO 是由同步信号引发，通过 PDO 发送时间及同步信号发送周期之间的调整，可以使传感器定期的取様，而致动器也可以根据最新的输入信号产生对应的输出。

在对象字典中，同步对象的索引为0x1005，可通过编辑此对象启动同步协定。

一般而言，时间标记对象的内容是从1984年1月1日午夜之后到现在之间经过的时间，单位为毫秒。为一个48比特（6字节）的数值。

不过有些应用会要求时间要非常精确，这种情形会需要精准的同步，尤其是在大型网络，通信速度受限时更是如此。此时需要将各设备的时钟同步，精准度要到毫秒的等级。这个要求可通过高分辨率的同步信号达成，在同步信号中也包括了另一种时间标记，可供各设备调整时钟用。

同步信号中的时间标记型态为unsigned32，单位为1毫秒，因此时间标记会在每72分钟归零重新计数。

以下是在master初始化2个压力传感器（ID分别为1和2）中，通信的数据。