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CAN总线的浅析CANopen协议

作者:中国单片机公共实验室 吕京建 张宏韬时间:2004-07-23来源:
摘  要: 本文分析了CAN总线的一些特点以及在国内的的应用状况,提出了引入国际上通用的CAN总线高层应用协议,以提高国内CAN系统应用水平的建议,并简要介绍了一种CAN的高层协议—CANopen协议。文章最后部分介绍了国际上一些较先进的CAN产品和开发方法。
关键词: CAN-bus协议;CANopen协议;嵌入式软件中间件

在设计嵌入式系统,尤其是分布式嵌入式系统时,解决好系统各单元间可靠、有效的通信是系统设计成败的关键,对实时性和安全可靠性要求高的网络而言就更是如此。解决这一问题有多种方案,如RS232/485串行总线、CAN、ProfitBus、FF、WorldFIP、LonWorks等各类型的现场总线,还有嵌入式以太网等。其中,尽管RS485串行总线协议的性能不高,但由于其在硬件成本以及开发简便性上的巨大优势,目前仍然是国内广泛的总线应用。
随着嵌入式系统应用的发展,RS485性能上的不足逐渐显露出来,已经不能满足设计一个高性能、高实时性系统的要求。尽管还需要实践的证明,但笔者经过多年的观察和实践,感觉到CAN总线是其中最有希望成功的。

选择CAN总线实现
通信的原因
选择CAN总线作为最佳候选者,主要是基于以下几方面原因:
CAN串行总线具有高性能
CAN的传输距离可以达到10公里;通信速率最高可达1Mbps;具有完善的错误检测机制;采用“多重访问冲突仲裁”机制的帧传输方式,可保证不丢失信息;每一帧中最多可以传输8个字节数据,可提供很高的实时性等等。性能上的优势保证了CAN可以应用在很多的领域,在汽车工业、船舶运输、机械控制、工厂自动化、楼宇自动化等都可以看到CAN的应用。
CAN在硬件成本上很具优势
除了性能外,和其它现场总线相比,CAN总线在硬件成本上也有很大优势。从硬件芯片上来说,智能节点要收发信息需要一个CAN控制器和一个CAN收发器。经过20多年的发展,CAN已经获得了国际上各大半导体制造商的大力支持,据CAN最主要的推广组织CIA(自动化CAN)统计,目前已经有20余种CAN控制器和收发器可供选择,片内集成CAN控制器的单片机更多达100余种。CAN在开发成本上的优势也很明显
目前,从广泛应用的8位/16位单片机,到DSP和32位的PowerPC、ARM等嵌入式处理器,均在芯片内部含有CAN总线硬件接口单元。因此,从硬件角度看,CAN具备其它现场总线无法比拟的高集成化优势和广泛的市场支持基础。
CAN的开发平台也比较简单,用户如果选择普通单片机加上CAN控制器进行开发,则CAN的开发平台和普通单片机的开发平台完全相同;如果选择带有片内CAN控制器的单片机进行开发,则只要换用支持该单片机的仿真器就可以了,其他开发设备完全相同。开发CAN也需要相应的驱动程序。用户可以自行根据选择的CAN控制器开发驱动程序。


图1 CANopen协议通信模型



图2  CANopen设备模型



通过采用高层协议将CAN的应用推向深化
和其他的现场总线相比,CAN只定义了物理层和数据链路层的规范(遵循OSI标准),这种设计和CAN规范定义时的历史条件有关,也可以使CAN能够更广泛地适应不同的应用条件,但必然给用户应用带来一些不便。用户在应用CAN协议时,必须自行定义高层协议。
如何将CAN协议的应用推向更深的层次,同时满足产品的兼容和互操作性?国际上通行的办法是发展基于CAN的高层应用协议,只用在应用层上,不同公司的产品才可能实现互操作,好的应用层协议更可以为用户带来系统性能的飞跃。
在CAN总线协议飞速发展的20年中,很多领域都制定了CAN在该领域应用时所采用的高层协议规范。其中,比较著名的有美国汽车工程师协会(SAE)制定的车内通信规范J1939等。这些协议和规范对CAN的推广起了很大的作用,但总体来说,协议的模块化特性都不太好,一般只能应用于特定的领域。为了能够把CAN推广到更多的领域,欧洲一些公司推出了CAL(应用层CAN)协议,尽管CAL在理论上正确,并在工业上可以投入应用,但每个用户都必须设计一个新的子协议,因为CAL 是一个真正的应用层协议。CAL 可以被看作一个应用CAN 方案的必要理论步骤,但在这一领域它不会被推广。从1993 年起,由Bosch公司领导的一个欧洲机构研究出一个协议原型,由此发展成为CANopen规范。
CANopen是一个基于CAL的子协议,采用面向对象的思想设计,具有很好的模块化特性和很高的适应性,通过扩展可以适用于大量的应用领域。在CANopen规范基本完成之后,Bosch将其移交给CIA组织,由其进行维护与发展。在1995年,CIA发表了完整版的CANopen通信子协议;仅仅用了5年的时间,它已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。
CANopen 不仅定义了应用层和通信子协议,而且为可编程系统、不同器件、接口、应用子协议定义了大量的行规,遵循这些行规开发出的CANopen设备将能够实现不同公司产品间的互操作。另外,CANopen协议是免许可证的,任何组织和个人都可以开发支持CANopen协议的设备而不用支付版税,这也是CANopen得到迅猛发展的重要原因之一。CANopen目前已在汽车工业控制系统,公共交通运输系统,医疗设备,海运电子设备和建筑自动化系统中取得了广泛的应用,是将CAN应用推向深化的理想选择。

采用CANopen协议
实现通信
CANopen协议中包含了标准的应用层规范和通信规范,其通信模型如图1所示。在CANopen的应用层,设备间通过相互交换通信对象进行通信。良好的分层和面向对象的设计思想将带给用户一个清晰的通信模型。

CANopen设备模型
一个CANopen设备模块可以被分为3部分,如图2所示。
通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。这一部分直接面向CAN控制器进行操作。
对象字典描述了设备使用的所有的数据类型,通信对象和应用对象。是一个CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间,向应用程序提供接口,应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。理解对象字典的概念是理解CANopen模型的关键。
应用程序由用户编写,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,而功能部分由用户根据应用要求实现。
CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的,为了能够实现通信,网络管理,紧急情况处理等功能,CANopen规范定义了四类标准的通信对象:


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