第九章 CAN 应用层协议

1. 第九章　CAN应用层协议 • CAN基本协议的应用 • CANopen • DeviceNet • SAE J1939

2. CANopen概述 CAN和CANopen标准在OSI网络模型中的原理图

3. CAN基本协议的应用 • CAN三层协议：物理层、数据链路层、应用层 • 应用层：明确CAN消息帧的11位标识符和8字节数据如何使用 • CAN协议只对物理层和数据链路层作了描述和规定，而对于应用层则没有说明。如果每个都可以为自己的产品设计一个应用层协议。不同厂商的设备之间不能互相操作

4. CANopen概述 • 应用层协议内容 • 应用层提供一组服务和协议 • 通讯规范提供配置设备的方法和通讯数据，定义了设备之间的数据如何通讯。 • 设备规范为设备增加了设备相关的类行为

5. CAL(CAN Application Layer) • CAL（CAN Application Layer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，提供了4种应用层服务功能 • CMS (CAN-based Message Specification) • CMS提供基于变量、事件、域类型的对象，以设计和规定一个设备（节点）的功能如何被访问（例如，如何上载下载超过8字节的一组数据（域），并且有终止传输的功能）。

6. CAL(CAN Application Layer) • NMT (Network ManagemenT) • 提供网络管理（如初始化、启动和停止节点，侦测失效节点）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个NMT主节点）来实现的。

7. CAL(CAN Application Layer) • DBT (DistriBuTor) • 提供动态分配CAN ID（正式名称为COB-ID，Communication Object Identifier）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个DBT主节点）来实现的。

8. CAL(CAN Application Layer) • LMT (Layer ManagemenT) • LMT提供修改层参数的服务：一个节点（LMT Master）可以设置另外一个节点（LMT Slave）的某层参数（如改变一个节点的NMT地址，或改变CAN接口的位定时和波特率）。

9. CAL(CAN Application Layer) • CMS为它的消息定义了8个优先级，每个优先级拥有220个COB-ID，范围从1到1760。剩余的标志（0，1761-2031）保留给NMT，DBT和LMT。 COB-ID越低优先级越高。

10. CANopen协议介绍 • 通信接 口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务，不同CANopen设备间的通信是通过交换通信对象来完成的。 • 对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象，对象字典位于通信程序和应用程序之间，用于向应用程序提供接口， • 应用程序对对象字典进行操 作，即可实现CANopen通信。它包括功能部分和通信部分，通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分则根据应用要求来实现。

11. CANopen协议介绍 • CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协议，但并没有定义CMS对象的内容或者正在通讯的对象的类型。而这正是CANopen切入点。 • CANopen是在CAL基础上开发的，使用了CAL通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。 • CANopen的核心概念是设备对象字典（OD：Object Dictionary），对象字典不是CAL的一部分，而是在CANopen中实现的。

12. 对象字典(OD) • 对象字典（OD：Object Dictionary）是一个有序的对象组；每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8位的子索引，CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。 • 对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。

13. 对象字典(OD)

14. 对象字典(OD) • OD通过通信对象描述了设备的所有功能，介于应用程序和通信接口直接 • 在CANopen 网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典，而且每个节点的对象字典都具有相同的结构，但具体的内容要根据不同的设备而定，

15. 通信模型 • 包括CANopen网络上的消息帧，以及其内容和功能。 • 管理消息 • 服务数据对象 • 过程服务对象 • 特殊功能对象

16. 管理消息 • 层管理，网络管理和ID分配服务：如初始化，配置和网络管理（包括：节点保护）。 • Boot-up消息、Heartbeat消息、NMT消息 • 服务和协议符合CAL中的LMT，NMT和DBT服务部分。这些服务都是基于主从通讯模式：在CAN网络中，只能有一个LMT，NMT或DBT主节点以及一个或多个从节点。

17. Boot-up消息 • 1： Start_Remote_node (0x01) • 2：Stop_Remote_Node (0x02) • 3： Enter_Pre-Operational_State (0x80) • 4： Reset_Node (0x81) • 5：Reset_Communication (0x82) • 6：设备初始化结束，自动进入Pre_Operational状态，发送Boot-up消息 • 通知NMT主节点已经到就绪状态

18. Boot-up消息 • NMT-slave节点发布Boot-up报文通知NMT-Master节点它已经从initialising状态进入pre-operational状态。

19. Heartbeat消息 • Heartbeat协议是为了解决错误控制，显示节点当前状态而引入的。Heartbeat消息周期性地由节点发出，表示该节点目前仍然在工作。

20. NMT消息 • 由NMT主节点发送，迫使从节点状态转换。使用2B数据单帧，第一个数据字节是命令，第二个字节是目标节点的ID

21. NMT消息 • 只有NMT-Master节点能够传送NMT Module Control报文。NMT Module Control消息不需要应答。NMT消息格式如下：

22. NMT消息 • 通过节点保护服务，NMT主节点可以检查每个节点的当前状态，当这些节点没有数据传送时这种服务尤其有意义。

23. 服务数据对象（SDO） • SDO提供客户访问服务器的对象字典(OD)的功能 • 访问者被称作客户 (client)，对象字典被访问且提供所请求服务的CANopen设备别称作服务器(server)。 • 通过SDO服务，可以访问对象字典的条目，这些条目可能包含有任意长度的数据和数据类型。 • 客户的CAN报文和服务器的应答CAN报文总是包含8字节数据（尽管不是所有的数据字节都一定有意义）。一个客户的请求一定有来自服务器的应答。

24. 服务数据对象（SDO） • SDO有2种传送机制：􀁺 • 加速传送（Expedited transfer）：最多传输4字节数据 􀁺 • 分段传送（Segmented transfer） ： 传输数据长度大于4字节

25. 服务数据对象（SDO） • 为了进行标准的分段／DH速传送，SDO定义了6个确认服务(SDO下载，SDO上传，启动SDO上传，启动SDO下载，下载SDO段和上传SDO段)和一个非确认服务(中止SDO传送)。如：启动SDO下载协议与对象字典的关系

26. 服务数据对象（SDO） • 一个节点向其它节点发送SDO时，所使用报文CAN—ID为600h+Node—ID　例如． 将值0x31FF写入节点0x01的索引为0x6012，子索引为2的对象字典中，对应的字节赋值，如图2所示。根据SDO协议，连接对象报文的标识符(COB—ID)为600h+01h=601h。Byte0为2B，表示客户向服务器发出下载请求。采用加速传送方式，并且显示字节长度。Bytel和2表示索引和子索引分别为6012h和2h。Byte3为02h，表示传送的数据为2个字节。Byte4和5表示传送数据值为0x31FF。

27. 服务数据对象（SDO） • 通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节），SDO使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）。 • SDO通过CAL中多元域的CMS对象来实现，允许传送任何长度的数据 • 协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个SDO需要两个ID）。SDO请求和应答报文总是包含8个字节

28. 过程数据对象PDO • 用来传输实时数据， 数据从一个生产者传到一个或多个消费者。数据传送限制在1到8个字节 • PDO通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的CAN ID定义，假定生产者和消费者知道这个PDO的数据内容。 • 每个PDO在对象字典中用2个对象描述：PDO通信参数和PDO映射参数,所謂PDO的映射，就是將PDO的數據指向對象字典的某個位置 • PDO消息的内容是预定义的

29. 过程数据对象PDO • PDO訪問：由於PDO都是用來傳送較短且實時性較高的控制數據和狀態數據，因此，PDO數據在傳送時，是不會像SDO一樣，在數據包裡指定要對哪個Index進行操作，PDO在進行數據交換之前，要先設定好是對哪個Index操作的，這個動作就是PDO Mapping，映射好了PDO的數據對象，則PDO的數據就會被從站自動指向對象字典裡的某個Index  Sub-index上，這樣就加快了數據交換的效率。

30. 过程数据对象PDO

31. 过程数据对象PDO • 同步（通过接收SYNC对象实现同步） • 非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的对象特定事件预触发传送。 • 周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。 • 异步 • 由远程帧触发传送。 • 由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。

32. 预定义消息或者特殊功能对象 • 同步：用来同步网络中节点，基于主从概念 • 时间戳：为设备提供一个时间标准 • 紧急事件：紧急事件由设备的内部错误触发，每个错误事件只发送一次，不重复发生。

33. 预定义的连接设置 • 为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的缺省标识符（CAN-ID）分配表。这些标志符在预操作状态下可用，通过动态分配还可修改 • 缺省ID分配表是基于11位CAN－ID，包含一个4位的功能码部分和一个7位的节点ID(Node-ID)部分。

34. 预定义报文或者特殊功能对象

35. CANopen标识符分配 • 使用预定义的主从连接集。ID是缺省的，不需要配置。如果节点支持，PDO数据内容也可以配置。 • 上电后修改PDO的ID（在预操作状态），使用（预定义的）SDO在节点的对象字典中适当位置进行修改。 • 使用CAL DBT服务：节点或从节点最初由它们的配置ID指称。节点ID可以由设备上的拨码开关配置

36. 注意事项 • (1)在开发过程中不必要将CANopen协议中的各项内容都一一编写，只要根据应用的具体要求按照CANopen协议编写即可。对象字典都要通过软件实现，这是实现CANopen的关键。 • (2)组建对象字典时并没有必要把协议规定的所有项都包括进去，另外还要留出足够的空间，使得用户可以根据以后的具体需要向对象字典中添加功能项。 • (3)一般应用中，如果CANopen网络不复杂，使用预定义的标识符分配就能满足要求。对于特别大的系统，如果要制定标识符分配，这需要大量的软件编程。 • (4)对于CANopen网络中必须实现的管理功能，一般由一个节点来实现，但也可以由几个节点分别承担。尤其对于SYNC报文传输和标识符的分配，分开来实现会更好。

37. DeviceNet • 设备层现场总线DeviceNet • DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将PLC、传感器、光电开关、操作员终端、电动机、轴承座、变频器和软启动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线树立、将控制功能下载到现场设备的理想解决方案

38. DeviceNet • DeviceNet不仅可以作为设备级的网络，还可以作为控制级的网络，通过DeviceNet提供的服务还可以实现以太网上的实时控制。较之其它的一些现场总线， DeviceNet不仅可以接入更多、更复杂的设备，还可以为上层提供更多的信息和服务 • DeviceNet最初由Rockwell公司设计，目前由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）致力于支持DeviceNet产品和规范的进一步开发。此外，Rockwell， GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推广

39. DeviceNet • DeviceNet的主要特点： ★ 采用基于CAN的多主方式工作 ★ 逐位仲裁模式的优先级对等通信建立了用于数据传输的生产者/消费者传输模型 ★ DeviceNet的直接通信距离最远为500m，通信速率最高可达500kb/s ★ DeviceNet上可容纳64个节点地址，每个节点支持的I/O数量无限制 ★ 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，检错效果好 ★ 通信介质为独立双绞总线，信号与电源承载于同一电缆 ★ 支持设备的热插拔，无需网络断电 ★ DeviceNet的接入设备可选择光隔离设计，由外部供电设备与由总线供电的设备共享总线电缆

40. DeviceNet • DeviceNet协议规范 —沿用了CAN协议标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，定义了不同的报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和故障隔离的方法

41. DeviceNet • 物理层和介质 • 物理层规范定义了DeviceNet的总线拓扑结构以及网络元件，具体包括接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接和电源分配 • 采用的典型拓扑结构是干线－分支结构 • 线缆包括（干线）和细缆（分支线），总线线缆采用五线制电缆，包括了2条信号线，2条24V电源线和一条屏蔽线，支持总线供电 • 设备连接可选用开放/封装端头两种 • 提供125/250/500Kbps三种可选的通讯波特率，最大拓扑距离为500米，每个网络段最大可达64个节点

42. DeviceNet • 数据链路层 • 遵循CAN协议规范，并由CAN控制器芯片实现 • CAN是基于广播方式的协议，支持多主形式传输。传输的帧被分配一个标识符，每个节点根据标识符确定是否接收这些帧 • 提供数据帧、出错帧、远程帧和过载帧等多种帧格式，数据帧每帧信息都有CRC校验和其它校验措施，数据传输误码率极低，有严重故障的节点可自动从网络上切除 • 采用非破坏性逐位仲裁的方法解决共享介质总线访问冲突问题。网络上每个节点拥有一个唯一的标识符，这个标识符的值决定了仲裁中优先级的大小，优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜的一方

43. DeviceNet • 数据通信方式 • 循环（Cyclic）方式：适用于一些模拟设备，可以根据设备的信号发生的速度，灵活设定循环进行数据通信的时间间隔 • 状态改变（Change of State）方式：适用于离散的设备，采用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信 • 选通（Strobed）方式：利用8B的报文广播，64个二进制位的值对应网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备 • 查询（Polled）方式：I/O报文直接依次发送到各个从设备

44. DeviceNet的网络通信 • DeviceNet 是一个基于连接的通信网络系统。一个DeviceNet 的连接提供了多个应用之间的路径。当建立连接时，与连接相关的传送会被分配一个连接ID（CID）。如果连接包含双向交换那么应当分配两个连接ID值。

45. DeviceNet报文 • I/O报文：适用于实时性要求较高和面向控制的数据，它提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径，通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换，连接标识符提供了I/O报文的相关信息，在I/O报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须先进行设定，设定的内容包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址，IO數據通常不需要響應，用於控制數據的傳輸 • 显式报文：顯示連接是Request/Response型的通訊，即主站發一筆命令，從站必須回復一筆響應，才算完成一次通訊，适用于两个设备间多用途的点对点报文传递，常用于节点的配置、问题诊断等，

46. CAN标识符使用 • DeviceNet建立在标准CAN2.0A协议之上，并使用11位标准报文标识符，可分成4个单独的报文组

47. DeviceNet对象模型 • DeviceNet应用层协议是以面向对象的方式进行描述的，对协议本身所要完成的功能进行抽象和定义，把协议功能划分为多个模块，每个模块抽象出它所具有的产品数据功能属性、所能完成的功能和动作以及与其他模块对象的接口(Interface)，并把模块对象化。 • DeviceNet通过抽象的对象模型来描述网络中所有可见的数据和功能，一个DeviceNet设备可以定义成为一个对象的集合 • 一个对象代表设备内一个部件的抽象描述。对象由它的数据或属性、功能或服务以及它所定义的行为决定。

48. DeviceNet对象模型

49. DeviceNet与CANopen区别 • 传输距离 • CANopen网络可实现远距离传输(≤10 km)，工作速率可调(1 Mb/s≥ 通讯速率≥ 5 kb/s)，因此，在实际应用中，要考虑到传输距离的限制而选择总线协议。如果用devicenet进行远距离传输，要使用网络中继器，现在市场上已经有很多这两种总线系统的中继器产品.

50. DeviceNet与CANopen区别 • 标识符分配 • CANopen支持CAN2.0 A11位和CAN2.0 B29位标识符，而且报文的优先级只能通过它的大小来区分，通常节点地址比较小的COB-ID报文的优先级最高。如果要传送需要快速响应的事件，则要通过预定义和特殊功能对象，如同步(SYNC)，时间标记对象(time stamp)，紧急事件(emergency)，PDO 用来传输实时数据，优先级大于SDO，因为SDO的数据量大，通常用于设备初始化组态。而DeviceNET只用了CAN2.0 A的11位标识符去分组定义报文的优先级，这种信息组设计方法使总线优先级可任意分布，而不仅和节点地址有关。还取决与它是I/O还是显示报文，报文的组号等。