CAN&CANopen通信协议全面解析：从基础到高级应用

不知秋880

4365人浏览 · 2025-12-25 14:33:38

不知秋880 · 2025-12-25 14:33:38 发布

前言

在现代工业自动化和汽车电子领域，CAN总线技术因其高可靠性和实时性得到了广泛应用。而CANopen作为基于CAN总线的高层协议，进一步提升了设备间的互操作性和系统集成效率。本文将深入浅出地介绍CANopen协议的核心概念和技术细节。

一、CAN总线基础回顾

1.1 CAN协议概述

CAN（Controller Area Network）是一种串行总线系统，最初于80年代初为汽车应用而开发，现已成为ISO11898-1国际标准。它具有多主控能力、广播通信、先进的错误检测机制等特性，广泛应用于汽车电子、工业自动化、医用设备等领域。

1.2 CAN协议架构

根据OSI七层模型，CAN通信协议主要包含物理层和数据链路层。值得注意的是，CAN标准本身没有规定应用层协议，这就需要像CANopen这样的高层协议来定义报文标识符和数据字节的使用规范。

图1.1 OSI七层模型

CAN物理层主要标准包括：

ISO 11898-2（高速）：数据传输速率高达1Mbit/s，终端电阻120Ω
ISO 11898-3（低速容错）：数据传输速率125kbit/s，具备故障容错能力
SAE J2411（单线）：适用于要求较低的场合

二、CANopen协议核心概念

2.1 CANopen简介

CANopen是基于CAN的分布式自动化系统高层协议，它实现了不同制造商设备之间的标准化通信。该协议由设备配置文件定义应用层，并提供了完整的通信机制和网络管理功能。

CANopen设备在逻辑上分为三个部分：通信接口、对象字典和应用层，这种分层结构确保了协议的灵活性和可扩展性。

图2.1 CANopen设备模型

应用层

设备配置文件，如：CiA401(通用I/O模块), CiA402(运动控制器和驱动)

CiA301，CANopen应用层和通讯概况，CiA302，可编程CANopen设备框架

数据链路层

物理层

2.2 网络拓扑与节点寻址

CANopen系统采用主从式网络结构，有且只有一个主站，最多可连接127个从站。每个设备都有独立的Node-ID（范围1~127），节点号必须唯一。主站负责启动/停止和监测CAN总线，确保网络正常运行。

三、对象字典：CANopen的核心组件

3.1 对象字典概述

对象字典（OD）是所有CANopen设备最重要的部分，它是应用程序和CAN总线之间的接口。OD以索引和子索引的方式有序管理参数，索引范围分为几个重要区域：

索引范围	用途	描述
1000h~1FFFh	通信对象子协议区	定义设备通信行为
2000h~5FFFh	制造商特定子协议区	制造商自定义应用参数
6000h~9FFFh	标准化设备子协议区	遵循行业标准规范

表3. 1 对象字典概述

3.2 通信对象子协议区

该区域定义了所有和通信有关的对象参数，如下表3.2所示，1000h~1029h为通用通讯对象，所有CANopen节点都必须具备这些索引，否则将无法加入CANopen网络。其他索引根据实际情况进行分配与定义。

索引范围Index range	描述Description
1000h~1029h	通用通讯对象
1200h~12FFh	SDO参数对象
1300h~13FFh	安全对象
1400h~1BFFh	PDO参数对象
1F00h~1F11h	SDO管理对象
1F20h~1F27h	配置管理对象
1F50h~1F54h	程序控制对象
1F80h~1F89h	网络管理主机对象

表3. 2 通讯对象子协议区

3.3 关键通信对象

通用通信对象子协议区（1000h~1029h）包含了所有CANopen节点必须实现的索引，这些是设备加入CANopen网络的基础。其中一些重要索引包括：

1000h：设备类型
1001h：错误寄存器
1008h：制造商设备名称
1018h：身份标识对象（包含厂商ID、产品代码等）

Index索引	Object对象	Name名字
1000h	VAR变量	Device type设备类型
1001h	VAR变量	Error register错误寄存器
1002h	VAR变量	Manufacturer status register制造商状态寄存器
1003h	ARRAY数组	Pre-defined error field预定义错误场
1005h	VAR变量	COB-ID Sync message同步报文COB标识符
1006h	VAR变量	Communication cycle period同步通信循环周期（单位us）
1007h	VAR变量	Synchronous windows length同步窗口长度(单位us)
1008h	VAR变量	Manufacturer device name制造商设备名称
1009h	VAR变量	Manufacturer hardware version制造商硬件版本
100Ah	VAR变量	Manufacturer software version制造商软件版本
100Ch	VAR变量	Guard time守护时间（单位ms）
100Dh	VAR变量	Life time factor寿命因子（单位ms）
1010h	VAR变量	Store parameters保存参数
1011h	VAR变量	Restore default parameters恢复默认参数
1012h	VAR变量	COB-ID time stamp时间报文COB标识符（发送网络时间）
1013h	VAR变量	High resolution time stamp高分辨率时间标识
1014h	VAR变量	COB-ID emergency紧急报文COB标识符
1015h	VAR变量	Inhibit time emergency紧急报文禁止时间（单位100us）
1016h	ARRAY数组	Consumer heartbeat time消费者心跳时间间隔(单位ms)
1017h	VAR变量	Producer heartbeat time生产者心跳时间间隔（单位ms）
1018h	RECORD记录	Identity object厂商ID标识对象
1019h	VAR变量	Sync.counter overflow value同步计数溢出值
1020h	ARRAY数组	Verify configuration验证配置
1021h	VAR变量	Store EDS存储EDS
1022h	VAR变量	Storage format存储格式
1023h	RECORD记录	OS command操作系统命令
1024h	VAR变量	OS command mode操作系统命令模式
1025h	RECORD记录	OS debugger interface操作系统调试接口
1026h	ARRAY数组	OS prompt操作系统提示
1027h	ARRAY数组	Module list模块列表
1028h	ARRAY数组	Emergency consumer紧急报文消费者
1029h	ARRAY数组	Error behavior错误行为

表3. 3 通用通信对象

3.4 制造商特定子协议

对象字典索引2000h to 5FFFh为制造商特定子协议，通常是存放所应用子协议的应用数据。而上文所描述的通讯对象子协议区(Communication profile area)是存放这些应用数据的通信参数。比如EPEC的部分子协议定义如下：

图3. 1 EPEC部分制造商特定子协议示意图

3.5 对象字典和EDS文件实例

对于对象字典和 EDS 文件的实现，需要使用专用的 EDS 生成工具，并且能通过 CiA 的EDS 测试工具进行一致性测试，EPEC中创建和导入EDS文件可以使用Multitool在对象字典页面中实现：

图3. 2 EPEC_EDS导入和导出示意图

四、过程数据对象（PDO）详解

4.1 PDO基本特性

PDO用于传输高优先级的控制信息和状态信息，每个CAN帧包含8字节数据。PDO采用生产消费模式，支持单点向多点通信，无需接收节点回应确认，具有较高的实时性。

PDO的触发模式包括：

异步传输：由特定事件触发（定时传输、数据变化等）
同步传输：通过同步报文实现精确时间控制
远程帧触发：较少使用

4.2 PDO的COB-ID规则

在CiA301规范下，PDO的CAN-ID有明确的预定义规则：

PDO类型	CAN-ID范围	计算公式
TPDO1	181h~1FFh	180h + Node-ID
RPDO1	201h~27Fh	200h + Node-ID
TPDO2	281h~2FFh	280h + Node-ID
...	...	...

每个节点最多可定义4个TPDO和4个RPDO，超出时需要采用虚拟节点加偏移量的方式扩展。

PDO分为TPDO（发送PDO）和RPDO（接收PDO），发送和接收是以自身作为参考，可以看到TPDO和RPDO分别有4个数据对象，每种数据对象就是1条CAN报文封装，如果需要配置超过4条，比如说第5条TPDO5，和EPEC控制器中对PDO的COB-ID的定义类似，需要打破预定义的规则。比方说将Node-ID为2的节点号定义成1A2h，这里PDO中COB-ID中的低7位不再是表示Node-ID，但事实上PDO的COB-ID和Node-ID无必然规则上的联系。

五、服务数据对象（SDO）深入解析

5.1 SDO通信机制

SDO是CANopen网络中用于配置和管理节点参数的一种对象类型。它通过请求-响应机制实现数据的读取和写入。SDO适用于配置节点参数、读取设备状态和进行故障诊断等场景。SDO的数据传输是基于请求和响应的，需要节点之间进行交互。

发送方（客户端）发送CAN-ID为600h+Node-ID的报文，其中Node-ID为为接收方（服务器）的节点地址，数据长度为8字节；

接收方（服务器）成功接收后，回应CAN-ID为580h+Node-ID的报文，这里的Node-ID依然是接收方（服务器）的节点地址，数据长度均为8字节。

CANopen的主节点通常作为Client客户端发送方，从节点作为Server服务器端，SDO客户端可以通过索引和子索引访问SDO服务器上的对象字典，这称为CS架构（Client-Server架构）

字节位置	占用长度	内容描述
字节 0	1字节	命令字：用于标识操作类型（读/写）和传输模式（快速）。
字节 1-2	2字节	对象字典索引：指定要访问的参数地址。
字节 3	1字节	对象字典子索引：指定参数的子项。
字节 4-7	4字节	数据区：用于存放要读取或写入的实际用户数据。

表5. 1 SDO结构示意

0	1	2	3	4	5	6	7
CS命令	索引		子索引	数据Data（高位在后）

表5. 2 SDO结构示意

5.2 SDO协议类型

快速SDO协议适用于不超过32位的数据传输，单次通信即可完成数据交换。其命令字包括：

2Fh/2Bh/27h/23h：分别表示写入1/2/3/4字节
40h：读取请求
60h：写入成功应答
80h：异常响应

图5. 1 快速SDO示意图

普通SDO协议用于大数据量的分段传输，支持任意长度的数据交换。协议采用分段传输机制，通过交替的命令字控制传输过程。

图5. 2 普通SDO下载协议示意图

六、网络管理（NMT）与设备监控

6.1 NMT状态机

CANopen定义了完整的网络管理服务，NMT主节点能够控制其他节点的状态。NMT消息具有最高优先级（CAN-ID 0），包含命令符和目标节点ID。

设备状态包括：

初始化：设备上电初始化阶段
预操作：允许SDO通信，禁止PDO通信
操作：全面通信状态
停止：仅允许NMT通信

NMT的信息包含了2个字节

1.命令符字节（启动/停止/预操作）

2.被改变通讯状态的Node-ID

EPEC的NMT指令如下表6.2所示：

COB-ID	Command（byte0）	Node-ID（byte1）
000	1h 启动	00h（全部节点）
000	2h 停止	01h
000	80h 预操作	...
000	81h 重置node	7Fh
000	82h 重置communications