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CAN 及 CANopen 详解
第一部分:CAN 硬件介绍
CAN:最早的现场总线、最广泛应用的现场总线
CANopen:CIA 定义的最为成功的 CAN 应用层协议,在基于 CAN 的自动化系统中居于领
导地位,欧洲标准 EN-50325-4
CAN+CANopen:机器自动化(MA)领域最为成功的总线解决方案,在欧美广泛被应用
CAN总线系统解决方案即是利用 CAN 总线的优点及其特长为机器自动化设备提供高效、
可靠、性价比高的解决方案。作为机器自动化领域总线解决方案倡导者,CAN 总线系统解
决方案更能满足您对性价比的要求。
现场总线(Fieldbus)技术从提出到现在有二十多年了,作为工业数据总线,它主要
解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现
场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,通过模拟变数字实现了不同公司产品间
的互操作性问题,使用户有了更大的选择权,尤其它解决了流行几十年的传统系统过于封
闭、难以维护的缺点。
采用现场总线控制技术,可大大简化系统集成的工作量、为控制系统的安装调试节省
大量的费用,而系统的可靠性、稳定性却得到大幅提高,配合现场总线技术的各类总线诊
技术进一步提高了整个系统的性能。强大的通讯功能又使得系统更加开放透明。
CAN 现场总线技术是集自动控制技术、通讯技术、传感技术、计算机技术、诊断技术、
微电子技术、网络技术等于一体,是个革命性的技术,正被广泛应用于自动化各个领域。
目前广泛使用的其它现场总线还有 Profibus、DeviceNet、ControlNet、HART、FF 等等,
但是 CAN 总线是所有现场总线中最早出现的,也是最适合于机器自动化领域的现场总线,
如今它已经广泛应用于汽车、飞机、轮船、印刷、纺织、电子等等加工领域,是目前应用
领域最为广泛的现场总线。
现场总线是一种革命性的通讯控制技术,因其具有很多普通控制方式不具有的优点,
所以才得到了迅速的推广应用,与老的控制方式比较起来它主要的优势如下:
n 节约布线成本,减少布线时间,减小出错机率(对于大型设备尤为突出,如果当
驱动器、变频器、传感器等放置到现场的话,可以节省大量的电缆费用);
n 减小施工难度,缩短施工周期
n 降低系统总成本(从安装、系统维护、升级方面大幅降低系统成本)
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n 可靠性更高,抗干扰能力更强(比传统 485 通讯方式更为可靠,更不易受干扰)
n 走线少、全数字信息交互(模拟量通常易受干扰)
n 信息量更大(节点数据信息、状态信息、异常信息等均可方便提供)
n 实时性更高(比传递 485 通讯速度大大提高,是 485 通讯速度的 100 倍左右,且
避免了 485 通讯方式的多控制器之间交换方式,直接由一个 PLC 来协调处理,实
时性大为提高)
n 可维护性更强(可以很方便检测出系统故障所在,且几乎所有的 CAN 从站都具有
故障诊断能力,便于排查及处理)
n 开发性更加(目前全球范围内生产总线产品设备的厂家达上千家,客户可以任意
选择适合字节的设备)
CAN 总线除了具有一般总线所具有的优点外,还专门根据机械自动化的特点,根据其
需求提供了一些非常具有优势的技术特点:
n 高速的数据传输速率高达 1Mbit/s;
n CAN 协议最大的特点是废除了传统的站地址编码,代之以对数据通信数据块进行
编码,可以多主方式工作;
n CAN 采用非破坏性仲裁技术,当两个节点同时向网络上传送数据时,优先级低的
节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据,有效避
免了总线冲突;
n 任何一个节点均可自动发送报文,不需主站询问;
n 可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文
n 可靠的错误处理和检错机制
ü 可选择对网络进行三种操作:无处理、停止故障从站、停止整个网络
ü CAN 节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线
的联系,以使总线上其它操作不受影响
n 发送的信息遭到破坏后可自动重发
n 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能
n 报文不包含源地址或目标地址,仅用标识符来指示功能信息优先级信息
n CAN可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播集中方式传送和接受数据;
n 采用不归零码(NRZ—Non-Return-to-Zero)编码/解码方式,并采用位填充
(插入)技术;
n 革命化的报文传输方式:
n SDO
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主要用来在设备之间传输低优先级的数据,典型是用来对从设备进行配
置、管理;
n PDO
Ø 一次性可传送 8 个字节的数据,没有其它协议预设定(意味着数据内容
已预先定义),主要用来传输需要高频率交换的数据。PDO 的传输方式打破
了现有的数据问答式传输理念,采用全新的数据交换模式,设备双方在传输
前先在各个设备定义好数据接收和发送区域,在数据交换时直接发送相关的
数据到对方的数据接收区即可,减少了问答式的询问时间,从而极大的提高
了总线通讯的效率,从而得到了极高的总线利用率
开放的现场总线标准中 CANopen 是最著名和成功的一种,已经在欧洲和美国获得广泛
的 认 可 和大量应用。1992 年 在 德 国成立了“自动化 CAN 用户和制造商协
会”(CiA,CANinAutomation),开始着手制定自动化 CAN 的应用层协议 CANopen。此后,协
会成员开发出一系列 CANopen 产品,在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等
领域获得大量应用。目前 CANopen 协议已经欧洲最重要的工业现场总线标准 EN-50325-4。
ED 系列伺服是标准的 CAN 从站设备,严格遵循 CANopen 2.0A/B 协议,任何支持该协
议的上位机均可以与其进行通讯。ED 伺服内部使用了一种严格定义的对象列表,我们把它
称作对象辞典,这种对象辞典的设计方式基于 CANopen 国际标准,所有的对象有明确的功
能定义。这里说的对象(Objects)类似我们常说的内存地址,有些对象如速度和位置等可
以由外部控制器修改,有些对象却只能由驱动器本身修改,如状态、错误信息。这些对象
如下:
Index Sub Bits 属性 含义
例如: 6040 00 16(=0x10) RW 设备状态控制字
2509 00 8(=0x08) R 主从电子齿轮比参数
设置
2509 02 32(=0x20) W 映射的从轴速度
2509 03 16(=0x10) MW 电子齿轮比分子
2509 04 16(=0x10) MW 电子齿轮比分母
2509 05 8(=0x08) W 齿轮模式
对象的属性有下面几种:
1. RW(读写):对象可以被读也可以被写入
2. RO(只读):对象只能被读
3. WO(只写): 只 能 写入
4. M(可映射):对象可映射,类似间接寻址
5. S(可存储):对象可存储在 Flash-ROM 区,掉电不丢失
CAN 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式,CAN 层的定义与开放系统互连模型
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OSI 一致,每一层与另一设备上相同的那一层通讯,实际的通讯发生在每一设备上相邻的
两层而设备只通过模型物理层的物理介质互连,CAN 的规范定义了模型的最下面两层数据
链路层和物理层。CAN 总线物理层没有严格规定,能够使用多种物理介质例如双绞线光纤
等,最 常 用的就是双绞线信号,使用差分电压传送(常用总线收发器), 两 条 信 号 线被称为
CAN_H 和 CAN_L ,静态时均是 2.5V 左右,此时状态表示为逻辑 1, 也可以叫做隐位,用
CAN_H 比 CAN_L 高表示逻辑 0 ,称为显位,此时通常电压值为 CAN_H = 3.5V 和 CAN_L=
1.5V,竞争时显位优先。
标准 CAN 从站 CAN 通讯接口图:
■注意:
1、所有从站的 2、7 脚直接相接即可,采用串连的方式接线,不能采用星型连接方
式;
2、PLC 端和最后一个负载端需要借 120欧姆的终端电租;
3、对于我们 5020-CAN、ED400、CANopen I/O 设备是 6、9 脚不需要外部 24V 电源
供电的,但 ED100、ED200 是需要外接 24V 电源的;
4、通讯电缆请采用屏蔽线,并做好接地处理(短距离通讯时 3 脚地线可以不接,
但是长距离、高波特率通讯时建议把 3 脚接地);
5、各种波特率所能够通讯的最长距离:
CAN_V+
CAN_V
-
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通讯速度 通讯距离
1Mbit/s25M
800Kbit/s50M
500Kbit/s100M
250Kbit/s250M
125Kbit/s500M
50Kbit/s600M
25Kbit/s800M
10Kbit/s1000M
通讯连接范例:
第二部分:协议介绍
1、模型介绍
从OSI网络模型的角度来看同,现场总线网络一般只实现了第1层(物理层)、第2层(数据
链路层)、第7层(应用层)。因为现场总线通常只包括一个网段,因此不需要第3层(传输层)
和第4层(网络层),也不需要第5层(会话层)第6层(描述层)的作用。
CAN(Controller Area Network)现场总线仅仅定义了第1层、第2层(见ISO11898标准);
实际设计中,这两层完全由硬件实现,设计人员无需再为此开发相关软件(Software)或固件
(Firmware)。
同时,CAN只定义物理层和数据链路层,没有规定应用层,本身并不完整,需要一个高层协
议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。而且,基于CAN总线的工业自动化应
用中,越来越需要一个开放的、标准化的高层协议:这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、
互换性,能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式,提供设备功能描述方式,执
屏蔽线
伺服
伺服
变频器
远程I/O
伺服
HMI
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