【单点知识】CANopen实用协议介绍

文章目录

- [0. 前言](#0. 前言)
- [1. CANopen 核心概念](#1. CANopen 核心概念)
- [2. CANopen 核心组件](#2. CANopen 核心组件)
- - [2.1 对象字典（Object Dictionary, OD）](#2.1 对象字典（Object Dictionary, OD）)
  - [2.2 通信对象（Communication Objects）](#2.2 通信对象（Communication Objects）)
- [3. 核心通信机制](#3. 核心通信机制)
- - [3.1 SDO（Service Data Object）- 服务数据对象](#3.1 SDO（Service Data Object）- 服务数据对象)
  - [2.2 PDO（Process Data Object）- 过程数据对象](#2.2 PDO（Process Data Object）- 过程数据对象)
  - [3.3 NMT（Network Management）- 网络管理](#3.3 NMT（Network Management）- 网络管理)
  - [3.4 Heartbeat（心跳报文）](#3.4 Heartbeat（心跳报文）)
- [4. CANopen COB-ID 详细解析映射表](#4. CANopen COB-ID 详细解析映射表)
- [5. 常用 SDO 命令字节解析规则表](#5. 常用 SDO 命令字节解析规则表)
- [6. 举个例子](#6. 举个例子)
- - [第 1 步：主机 → 从节点（SDO 上传请求）](#第 1 步：主机 → 从节点（SDO 上传请求）)
  - [第 2 步：从节点 → 主机（SDO 上传响应）](#第 2 步：从节点 → 主机（SDO 上传响应）)
- [7. 总结](#7. 总结)

0. 前言

📣按照国际惯例，首先声明：本文只是我自己学习的理解，虽然参考了他人的宝贵见解及成果，但是内容可能存在不准确的地方。如果发现文中错误，希望批评指正，共同进步。

本文介绍CANopen协议，并结合个人工作经验介绍一些实用的规则。

CANopen 是一种基于 CAN（Controller Area Network）总线 的高层通信协议，广泛应用于工业自动化、医疗设备、轨道交通、汽车电子等领域。它定义了标准化的通信机制、设备描述和网络管理功能，使不同厂商的设备能够互操作。

1. CANopen 核心概念

CANopen 属于 OSI 模型的 应用层协议（第 7 层），构建在 CAN 数据链路层（第 2 层）之上：

OSI 层级	CANopen 对应
应用层 (7)	CANopen 应用层（CiA 301）
表示层 (6)	-
会话层 (5)	-
传输层 (4)	-
网络层 (3)	-
数据链路层 (2)	CAN 协议（ISO 11898）
物理层 (1)	CAN 物理层（ISO 11898-2）

2. CANopen 核心组件

2.1 对象字典（Object Dictionary, OD）

对象字典是 CANopen 设备的核心数据库，采用 索引（Index）+ 子索引（Sub-index） 的 16 位寻址方式，存储设备的所有参数和通信数据。

索引范围划分：

索引范围	区域名称	内容
0x0000	-	保留
0x0001 - 0x001F	静态数据类型	标准数据类型定义
0x0020 - 0x003F	复杂数据类型	数组、结构体定义
0x0040 - 0x005F	制造商特定复杂数据类型	厂商自定义
0x0060 - 0x007F	设备子协议静态数据类型	子协议标准类型
0x0080 - 0x009F	设备子协议复杂数据类型	子协议复杂类型
0x1000 - 0x1FFF	通信子协议区域	设备类型、错误寄存器、PDO/SDO 映射等
0x2000 - 0x5FFF	制造商特定区域	厂商自定义参数
0x6000 - 0x9FFF	标准化设备子协议区域	符合 CiA 子协议（如 402 驱动器）
0xA000 - 0xFFFF	保留	未来扩展

关键通用对象（0x1000-0x1FFF）：

索引	对象名称	功能说明
0x1000	设备类型	标识设备类型（如 0x401 = 通用 I/O）
0x1001	错误寄存器	设备当前错误状态
0x1008	制造商设备名称	设备型号字符串
0x1009	制造商硬件版本	硬件版本信息
0x100A	制造商软件版本	软件版本信息
0x1017	生产者心跳时间	心跳报文发送间隔（ms）
0x1018	身份对象	厂商ID、产品代码、修订号、序列号
0x1400-0x15FF	RPDO 通信参数	接收 PDO 配置（ID、传输类型等）
0x1600-0x17FF	RPDO 映射参数	RPDO 数据映射到对象字典
0x1800-0x19FF	TPDO 通信参数	发送 PDO 配置（ID、传输类型、禁止时间等）
0x1A00-0x1BFF	TPDO 映射参数	TPDO 数据映射到对象字典

2.2 通信对象（Communication Objects）

CANopen 定义了 4 种基本通信对象 ，通过 CAN 帧的 COB-ID（Communication Object Identifier） 区分：

通信对象	COB-ID 范围	功能	优先级
NMT（网络管理）	0x000	节点状态管理、心跳监控	最高
SYNC（同步对象）	0x080	同步信号，协调 PDO 传输	高
TIME（时间戳）	0x100	系统时间广播	高
EMCY（紧急报文）	0x080-0x0FF	紧急错误通知	高
PDO（过程数据对象）	0x180-0x57F	实时过程数据传输	中
SDO（服务数据对象）	0x580-0x6FF	参数配置、对象字典访问	低

3. 核心通信机制

3.1 SDO（Service Data Object）- 服务数据对象

作用：用于参数配置和非实时数据访问，基于 客户端-服务器 模式。

特点：

确认通信（请求-响应机制，保证可靠传输）
传输任意长度数据（分段传输支持）
访问对象字典的任何条目

两种传输模式：

模式	数据长度	说明
快速 SDO（Expedited SDO）	≤ 4 字节	单帧传输，最高效
分段 SDO（Segmented SDO）	> 4 字节	多帧分段传输

COB-ID 分配：

客户端请求 → 服务器：0x600 + Node-ID
服务器响应 → 客户端：0x580 + Node-ID

SDO 报文结构示例（下载，客户端→服务器）：

复制代码

字节 0: [命令字节] 
        bit 7-5: 101 (发起下载请求)
        bit 1-0: 数据长度编码 (00=4字节, 01=3字节, 10=2字节, 11=1字节)
字节 1-2: 对象索引（小端序：低字节在前）
字节 3: 子索引
字节 4-7: 数据（4字节以内）

2.2 PDO（Process Data Object）- 过程数据对象

作用：用于实时、周期性过程数据传输，是 CANopen 高性能的关键。

特点：

无确认通信（广播/多播，不等待响应，低延迟）
单帧最多 8 字节 数据
传输延迟固定（确定性）
支持同步和异步触发

PDO 类型：

类型	名称	方向	COB-ID 基础
TPDO	Transmit PDO	节点 → 网络	0x180 + Node-ID (TPDO1), 0x280 (TPDO2), 0x380 (TPDO3), 0x480 (TPDO4)
RPDO	Receive PDO	网络 → 节点	0x200 + Node-ID (RPDO1), 0x300 (RPDO2), 0x400 (RPDO3), 0x500 (RPDO4)

每个节点最多支持 4 个 TPDO 和 4 个 RPDO

PDO 传输类型（Transmission Type）：

类型值	触发方式	说明
0	同步（循环）	收到 SYNC 后触发，周期性发送
1-240	同步（非循环）	每收到 N 个 SYNC 触发一次
254	异步（事件驱动）	数据变化或特定事件触发
255	异步（制造商特定）	由厂商定义触发条件
252	同步 RTR 触发	收到远程帧后同步发送

PDO 映射（Mapping）：

PDO 映射决定 PDO 数据字节对应对象字典的哪些条目。例如，将 0x6041（状态字）和 0x6064（实际位置）映射到 TPDO1：

复制代码

对象 0x1A00（TPDO1 映射参数）:
  Sub 0: 2              (映射条目数 = 2)
  Sub 1: 0x60410010     (索引 0x6041, 子索引 0x00, 长度 0x10 = 16 位)
  Sub 2: 0x60640020     (索引 0x6064, 子索引 0x00, 长度 0x20 = 32 位)

3.3 NMT（Network Management）- 网络管理

作用：管理所有节点的通信状态。

NMT 状态机：
初始化
预运行
运行
停止

状态说明：

状态	功能
初始化（Initializing）	上电初始化，不可通信
预运行（Pre-operational）	可配置参数（SDO），但禁止 PDO 通信
运行（Operational）	全功能运行，SDO + PDO
停止（Stopped）	仅响应 NMT 命令，停止所有通信

NMT 命令报文（COB-ID = 0x000）：

复制代码

字节 0: 命令字
        0x01 = 启动节点 (Start Remote Node)
        0x02 = 停止节点 (Stop Remote Node)
        0x80 = 进入预运行 (Enter Pre-operational)
        0x81 = 节点复位 (Reset Node)
        0x82 = 通信复位 (Reset Communication)
字节 1: Node-ID (0 = 广播所有节点)

3.4 Heartbeat（心跳报文）

作用：监控节点在线状态，替代传统的 Node Guarding。

机制：

每个节点周期性发送心跳报文（COB-ID = 0x700 + Node-ID）
消费者（主站/监控节点）监听心跳超时
单个字节状态：0x04（停止）、0x05（运行）、0x7F（预运行）

心跳时间配置：

对象 0x1017：生产者心跳时间（本节点发送间隔）
对象 0x1016：消费者心跳时间（监控其他节点）

4. CANopen COB-ID 详细解析映射表

功能码 (Function Code)	通信对象	COB-ID 范围（十六进制）	COB-ID 计算公式	Node-ID 范围	方向	说明
0x0	NMT	`0x000`	固定	---	主站 → 从站（广播或单播）	网络管理命令（启动/停止/复位节点）
0x0	Heartbeat	`0x700 -- 0x77F`	`0x700 + NodeID`	1--127	从站 → 网络（广播）	周期性发送节点状态（0x04=Stopped, 0x05=Operational, 0x7F=Pre-op）
0x1	SYNC	`0x080`	固定	---	主站 → 网络（广播）	同步信号，用于触发同步 PDO 传输
0x2	TIME	`0x100`	固定	---	主站 → 网络（广播）	广播系统时间（6 字节：ms + days）
0x1--0xF	EMCY	`0x080 -- 0x0FF`	`0x080 + NodeID`	1--127	从站 → 网络（广播）	紧急错误报文（高优先级），含错误码和寄存器
0x3--0xA	TPDO1--4	`0x180--0x27F` `0x280--0x37F` `0x380--0x47F` `0x480--0x57F`	`0x180 + (n−1)×0x100 + NodeID` （n=1~4）	1--127	从站 → 网络	实时过程数据输出（最多 4 个 TPDO）
0xB--0xE	RPDO1--4	`0x200--0x2FF` `0x300--0x3FF` `0x400--0x4FF` `0x500--0x5FF`	`0x200 + (n−1)×0x100 + NodeID` （n=1~4）	1--127	网络 → 从站	实时过程数据输入（最多 4 个 RPDO）
0xC	SDO Tx	`0x580 -- 0x5FF`	`0x580 + NodeID`	1--127	服务器 → 客户端	SDO 响应（上传数据、确认、错误）
0xD	SDO Rx	`0x600 -- 0x67F`	`0x600 + NodeID`	1--127	客户端 → 服务器	SDO 请求（下载、上传请求）

主站（Master）：指 CANopen 网络中的控制节点（通常是 PC、PLC 或运动控制器），负责发送 NMT 命令、SYNC 信号、SDO 请求，并协调整个网络的运行。
从站（Slave）：指 CANopen 网络中的被控设备（如伺服驱动器、I/O 模块、传感器），响应主站命令，通过 PDO 发送/接收实时数据，并提供对象字典供 SDO 访问。
网络（Network）：指由一个主站和多个从站通过 CAN 总线连接构成的 CANopen 通信系统，所有节点共享同一物理总线并遵循统一协议规则。
客户端（Client）：在 SDO 通信中，指主动发起读写请求的一方（通常是主站），用于访问从站的对象字典，因此 SDO 客户端 ≈ 主站的 SDO 功能模块。
服务器（Server）：在 SDO 通信中，指被动响应请求的一方（即每个从站），负责提供或接收对象字典中的数据，因此 SDO 服务器 ≈ 从站的 SDO 服务功能。

5. 常用 SDO 命令字节解析规则表

命令码（Hex）	二进制（bit7--bit0）	方向	操作类型	数据长度	功能说明
0x23	`0010 0011`	客户端 → 服务器	下载（Download）	4 字节	写入 4 字节数据（如 UINT32、FLOAT）
0x27	`0010 0111`	客户端 → 服务器	下载（Download）	3 字节	写入 3 字节数据（较少用）
0x2B	`0010 1011`	客户端 → 服务器	下载（Download）	2 字节	写入 2 字节数据（如 UINT16、INT16）
0x2F	`0010 1111`	客户端 → 服务器	下载（Download）	1 字节	写入 1 字节数据（如 UINT8、布尔值）
0x40	`0100 0000`	客户端 → 服务器	上传请求（Upload Request）	---	请求读取某对象字典条目（无数据）
0x43	`0100 0011`	服务器 → 客户端	上传响应（Upload Response）	4 字节	返回 4 字节数据
0x47	`0100 0111`	服务器 → 客户端	上传响应	3 字节	返回 3 字节数据
0x4B	`0100 1011`	服务器 → 客户端	上传响应	2 字节	返回 2 字节数据
0x4F	`0100 1111`	服务器 → 客户端	上传响应	1 字节	返回 1 字节数据
0x80	`1000 0000`	服务器 → 客户端	中止传输（Abort）	4 字节	传输失败，后4字节为错误码（如 `0x06010000`）

6. 举个例子

🎯 场景设定

目标操作 ：主机读取从节点（NodeID = 3）的 "制造商设备名称" （对象字典索引 0x1008，子索引 0x00）
通信方式：SDO 上传（Upload）------ 快速传输（≤4 字节）
物理层：CAN 总线，标准帧（11-bit ID）

🔁 交互过程：SDO 上传（读取设备名称）

注：0x1008 通常是字符串，但若长度 ≤4 字节（如 "DRV1"），可用快速上传；否则需分段。此处假设值为 "MOT"（3 字节），用快速传输。

第 1 步：主机 → 从节点（SDO 上传请求）

项目	值
COB-ID	`0x600 + NodeID = 0x600 + 3 = 0x603`
CAN 数据帧（8 字节）	`[40, 08, 10, 00, 00, 00, 00, 00]`

🔍 报文解析：

字节	值（Hex）	含义
0	`40`	命令字节 = `0x40` → 上传请求（Upload Request）
1--2	`08 10`	索引 = `0x1008`（小端序：低字节在前）
3	`00`	子索引 = `0x00`
4--7	`00 00 00 00`	无数据（上传请求不带数据）

✅ 协议语义：

"NodeID=3，请将对象字典中 0x1008:00 的值发给我。"

第 2 步：从节点 → 主机（SDO 上传响应）

项目	值
COB-ID	`0x580 + NodeID = 0x580 + 3 = 0x583`
CAN 数据帧（8 字节）	`[47, 08, 10, 00, 4D, 4F, 54, 00]`

🔍 报文解析：

字节	值（Hex）	含义
0	`47`	命令字节 = `0x47` → 上传响应，3 字节数据
1--2	`08 10`	索引 = `0x1008`
3	`00`	子索引 = `0x00`
4--6	`4D 4F 54`	ASCII: `'M' 'O' 'T'` → 设备名称 = `"MOT"`
7	`00`	填充字节（无意义）

✅ 协议语义：

"这是你要的 0x1008:00 的值：'MOT'（3 字节）。"

7. 总结

CANopen 通过 标准化的对象字典、灵活的 PDO/SDO 通信、完善的网络管理，在保持 CAN 总线实时性和可靠性的基础上，提供了工业级的设备互操作性。其