CANopen協議開發梳理總結筆記教程

0、提醒

????????CANOpen使用時，需要清楚什么是大端和小端，這對于CANOpen數據發送及解析時，有很大的幫助。且學習開發CANOpen時，需要具備一定的CAN基礎。

1、CANOpen協議介紹

①、什么是CANOpen協議

????????CANOpen協議是一種架構在控制局域網絡（Controller Area Network, CAN）上的高層通信協議，它廣泛應用于工業自動化、機械工程和汽車電子等領域。CANOpen協議通過對象字典、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）等機制，為機器人、運動控制、過程控制、樓宇自動化、交通運輸等行業提供了一種標準化的通信解決方案。

????????CANOpen協議的標準由非營利組織CiA（CAN in Automation）進行起草、審核及維護工作。

????????CANOpen協議本身是一個單一的標準，它定義了設備間的通信協議和接口規范。

????????CANOpen協議支持從10kbps到1Mbps的波特率，具體包括10k、20k、50k、125k、250k、500k、800k和1Mbps。

????????簡單來說，CANOpen協議是一個基于CAN協議的的一個應用層協議。

②、CANOpen協議的特性

????????開放性：CANOpen是一個公開的標準，任何公司都可以使用它來開發產品，無需支付許可費用。

????????網絡管理：CANOpen協議定義了網絡管理功能，如節點自診斷、網絡監控等，使得網絡維護更加方便。

????????對象字典：CANOpen使用對象字典來描述設備的功能和狀態，使得設備之間的通信更加標準化。

????????服務：CANOpen定義了一系列的服務，如NMT（Network Management）、TPDO（Time-Triggered Protocol Data Object）、RPDO（Real-Time Protocol Data Object）等，以滿足不同的應用需求。

????????PDO（Process Data Object）：PDO是CANOpen中用于快速傳輸過程數據的數據對象，可以實時地傳輸控制和狀態信息。

????????SDO（Service Data Object）：SDO用于訪問設備的對象字典，可以讀取或寫入設備的狀態和配置信息。

????????緊急消息：CANOpen還定義了緊急消息，用于在發生嚴重故障時立即通知網絡中的其他設備。

????????心跳消息：心跳消息用于監測網絡中設備的運行狀態，如果一段時間內沒有收到某個設備的心跳消息，網絡管理系統會認為該設備已經離線。

????????CANOpen常用縮寫

③、CANOpen協議應用場景

????????在CANOpen協議中，對于不同類型的CANopen 設備和應用場景分別有不同的子協議，如CiA301、CiA401、CiA402、CiA421、CiA423、CiA424、CiA426、CiA430、CiA433等眾多子協議構成了CANopen協議。

2、CANOpen字典

????????CANOpen字典（Object Dictionary, OD）是CANopen協議的核心組成部分，它是一個有序的對象組，用于描述CANopen節點的所有參數，包括通訊數據的存放位置。

????????CANOpen字典的結構由索引和子索引組成：

????????索引：每個對象采用一個16位的索引值來尋址，范圍在0x0000到0xFFFF之間。

????????子索引：在某些索引下，為了訪問數據結構中的單個元素，定義了一個8位的子索引，范圍是0x00到0xFF之間。

????????CANOpen的SDO模式下的數據傳輸時，也是按如下格式進行發送和接收。其中字典中的部分索引可能沒有子索引。

3、CANOpen通信

????????CANOpen通信有兩種模式，分別是SDO通信、和PDO通信，如下圖所示為CANOpen通信的設備模型圖。

①、SDO通信

????????SDO 全稱為服務數據對象，其通過對象索引和子索引與CANOpen字典建立聯系，通過SDO可以讀取對象數據，在允許的情況下，也可以修改寫入對象數據。

????????SDO 傳輸方式遵循客戶端—服務器模式（CS），即一應一答方式。由 CAN 總線網絡中的 SDO 客戶端發起，SDO 服務器作出應答。

????????SDO 傳輸報文由COB-ID和數據段組成，數據段采用小端模式，即低位在前，高位在后排列。所有的 SDO 報文數據段都必須是 8 個字節。

????????SDO發送數據的COB-ID都是0x600+節點ID

????????SDO接收數據的COB-ID都是0x580+節點ID

SDO讀數據報文格式

SDO寫數據報文格式

②、PDO通信

????????PDO 全稱為過程數據對象，其用來傳輸實時的數據，是 CANopen 中最主要的數據傳輸方式。通過SDO配置PDO后，可以實現設備端的數據周期性自動上傳到服務器，也可以實現控制發送的數據小于8字節，由于PDO發送的數據無返回，因此可以極大的提升數據傳輸速度。

????????按照接收與發送的不同，PDO又分為TPDO和RPDO，其中RPDO用于服務器給設備端發送控制數據，TPDO為設備端周期性上傳數據到服務器。

????????PDO 的傳輸遵循的是生產者消費者模型，即 CAN 總線網絡中生產者產生的 TPDO 可根據COB-ID 由網絡上一個或者多個消費者 RPDO 接收。每個PDO由通信參數和映射參數共同決定最終傳輸的方式及內容。

????????如下是所使用的電機控制器中實現 PDO 的傳輸的4 個 RPDO 和4 個 TPDO。注意，不同控制器的PDO數量可能不一致，需要根據實際產品進行手冊參考。

????????PDO使用時，需要進行映射配置操作，如下所示為PDO映射操作的流程圖。

????????因PDO映射內容較多，因此將在下一篇博客中詳細介紹PDO映射操作。

3、CANOpen應用

①、設置CiA402模式

????????發送：601 2B 02 20 01 00 00 00 00 (設置為 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//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//成功會返回數據：60 02 20 01 00 00 00 00

②、循環同步位置模式

????????發送：601 2F 60 60 00 08 00 00 00 (循環同步位置模式)

//2F 60 60 00 08 00 00 00 (循環同步位置模式)
#define WRITE_1_BYTE         0x2F   
#define WRITE_60_RUN_MODE    0x6060
#define CYCLIC_SYNC_POS_MODE 0x08//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//成功會返回數據： 60 60 60 00 00 00 00 00

③、電機準備

????????發送： 601 2B 40 60 00 06 00 00 00 (設置 6040h為 0x6，使電機準備)

//2B 40 60 00 06 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE           0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE    0x6040
#define MOTOR_READY            0x06//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回數據：60 40 60 00 00 00 00 00

③、電機鎖軸使能

????????發送： 601 2B 40 60 00 0F 00 00 00 (設置 6040h為 0xF，使電機使能)

//2B 40 60 00 0F 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE          0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE   0x6040 
#define MOTOR_ENABLE          0x7F//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回數據：60 40 60 00 00 00 00 00

④、電機松軸失能

????????發送： 601 2B 40 60 00 07 00 00 00 (設置 6040h為 0x7，使電機失能)

//2B 40 60 00 07 00 00 00
#define WRITE_2_BYTE           0x2B
#define WRITE_60_CTRL_STATE    0x6040    
#define MOTOR_DISABLE          0x07//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回數據：60 40 60 00 00 00 00 00

⑤、設置電機目標位置

????????發送： 601 23 7A 60 00 10 27 00 00 (設置目標位置 607Ah為 10000)

//目標位置    :   23 7A 60 00 10 27 00 00 (設置 607Ah為 10000)
#define WRITE_4_BYTE         0x23   
#define WRITE_60_POSITION    0x607Aint pos = 90;//90度
int pos_pulse = (int)(pos * 10000.0 / 360);//數值單位轉換（角度值數據轉換為脈沖）
char data[8] = { 0 };//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回到數據
//例如：60 7A 60 00 00 00 00 00

⑥、讀取電機實際位置

????????發送：601 40 63 60 00 00 00 00 00

#define READ_60_CMD      0x40
#define READ_60_POSITION 0x6063//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回到讀取到的位置數據
//例如：43 63 60 00 F1 2D C0 01

⑦、讀取電機實際速度

????????發送：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//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回到讀取到的速度數據
//例如：43 6C 60 00 7C F6 FF FF

⑧、讀取電機實際電流

????????發送：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//將數據按規定填充到CAN的8字節數據區
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);
//正常會返回到讀取到的電流數據
//例如：4B 78 60 00 FC FF 00 00