CANopen 协议通讯
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Confidential Property of Schneider Electric | Page 16
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 5针端子接头针脚定义：
• 针脚定义: • 1: CAN_GND = Ground/0 V/V• 2: CAN_L = CAN_L
• 3: (CAN_SHLD) = CAN 屏蔽可选
– 每一个连接到总线的站点都在接收其它站点的信息.然后决定他们的动作,是否回答相关指令.
– CAN 协议授权所有的站点同步访问总线.然后根据 COB-ID 给予优先权.
• COB－ID＝Comunication Object Identifier-由通讯标识码和从站地址组成
• EDS＝Electronic Data Sheet，用于描述设备通讯相关的文件
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的相关参数： 每米阻抗(r): 70 m /m
终端电阻 (Rt): 一般120 (最小 108 , 最大132 )
线缆阻抗 (Z): 一般 120 (最小108 , 最大 132 )
电缆延迟: 5 ns/m
Confidential Property of Schneider Electric | Page 11
– 同步段1个tq，传播段1~8个tq，相位段1-1~8个tq，相位段2-2个tq，采样点同步跳转宽度SJW 为1个基本时间单位。
Confidential Property of Schneider Electric | Page 7
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 电平：
在显性状态时，CAN-High线上的电压值会升高一个预定值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。而 CAN-Low线上的电压值会降低一个同样值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。于是在CAN驱动数据 总线上，CAN-High线就处于激活状态，其电压不低于3.5（2.5V+1V=3.5V)，而CAN-Low线上的电压值最多可降至 1.5V(2.5V-1V=1.5V)。
EMPTY
6
5
EMPTY
4
EMPTY
3
EMPTY
2
CAN 2.0 A and B + ISO 11898
1
CAN 2.0 A and B = ISO 11898-1 and 2
ISO 11898 + DS-102
Confidential Property of Schneider Electric | Page 4
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CAN数据帧的位填充：
– 非归零编码的一个特点是，如果传输大量连续的相同极性的位，发生的数据信号不能提供可用 于重新同步的上升沿或下降沿。 因此，使用位填充技术用于确保所有总线节点的同步。 这意味 着在传输消息期间，最多五个连续位具有相同的极性。 – CAN帧中的位填充区域包括SOF，仲裁字段，控制字段，数据字段和CRC字段。 – 理论最差情况Smax=(34 + 8 dlc - 1) : 4 = 8 + 2 dlc，dlc表示数据长度代码，CAN报文有效数 据字节数量
CANopen通讯协议培训
王兆宇2018-03-03
Confidential Property of Schneider Electric
CAN通讯的简介
历史
• CAN (Controller Aera Network，控制器局部网) 是德国Bosch公司在1983年开发的一种串行 数据通讯协议，最初应用于现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换，是一种多主 方式的串行通讯总线，介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，速率可达1Mbps，支持多达128 个节点；具有高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，保证数据通讯的可靠性。 通信机制比较简单，适合于所有机械的嵌入式网络，可以降低设备的复杂程度，在工业领域 (如汽车、电梯、医疗、船舶、纺织机械等)得到了广泛应用，是欧洲重要的网络标准
Confidential Property of Schneider Electric | Page 14
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 中继器的作用：
• 可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展 • 电气的隔离
• 拓扑方式的扩展
• 很小的延迟-与产品有关
• CANopen 硬件接线的针脚定义：
length 100m 250m 500m
32 nodes 0,25 mm² 0,34 mm² 0,75 mm²
64 nodes 0,25 mm² 0,50 mm² 0,75 mm²
100 nodes 0,25 mm² 0,50 mm² 1 mm²
Confidential Property of Schneider Electric | Page 10
Device Profile CiA DSP-402 Drives
Device Profile CiA DSP-404 Measuring devices
Device Profile CiA DSP-4xx
7
应用层 描述层 会话层 传输层 网络层 链路层 = LLC + MAC 物理层
CiA DS-301 = Communication profile CAL= CAN Application Layer
• CANopen的术语
1993年CiA发布用来描述传送机制的CAL(Communication Application Layer) 规范 1995年CiA发布DS-301通信描述文件：CANopen 2001年CiA发布DS-304，在标准CANopen总线上集成4层安全元件(CANsafe)
Confidential Property of Schneider Electric | Page 6
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CAN数据帧的位定时：
– 位定时是一个复杂的话题，为了减轻用户处理这种艰难任务的负担，CANopen不仅规定了波特 率，也规定了位定时的采样点， – 位定时分为4个部分：同步段、传播段、相位段1和相位段2 – 采样点恰好位于相位段1和2之间。 – 每个段由基本时间单位（tq）的整数倍构成。 基本时间单位是CAN节点使用的最小时间分辨率。 其长度由CAN控制器的振荡器频率的分频后产生。
Confidential Property of Schneider Electric | Page 2
CAN通讯
术语
• CAN=Controller Area Network 控制器局域网 • CiA=CAN in Automation 协会 www.can-cia.org • CANopen 是CAN应用层协议，它基于信息广播的通讯概念 :
BTR 0 at 16MHz (80C200) 00h 00h 00h 01h 03h 09h 18h 31h
BTR 1 at 16MHz (80C200) 14h 16h 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch
CAN通讯
模型-物理层
• CiA DS-102 设计时建议 • CANopen设备应至少支持波特率20K，并且支持的越多越好 • 超过200米长度的CANopen线缆建议加光电隔离 • 超过1Km建议使用CANopen repeater-重发器。
Confidential Property of Schneider Electric | Page 12
CAN通讯
模型-物理层
• CiA DS-102 Bit-rates
Bit-rate / bus length 1 Mbit/s 25m 800 kbit/s 50m 500 kbit/s 100m 250 kbit/s 250m 125 kbit/s 500m 50 kbit/s 1000m 20 kbit/s 2500m 10 kbit/s 5000m
Length of time Location of quantum (tq) sample point 125 ns 125 ns 125 ns 250 ns 500 ns 1,25 µ s 3,125 µ s 6,25 µ s 6 tp 8 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp
CAN通讯的模型
CANopen的物理层
• CAN的非归零编码：
– 用两种不同的电平分别表示显性状态和隐性状态显性电平会覆盖隐性电平 – 当同一网络的不同设备同时发显性和隐性数据，则总线显示显性电平，否则是隐性电平
– 隐性电平的逻辑值为1，显性电平的逻辑值为0
– 每个位可以没有上升或下降沿
Confidential Property of Schneider Electric | Page 5
• 4: CAN_H = CAN_H • 5: (CAN_V+) = CAN 外部电源正可选
Confidential Property of Schneider Electric | Page 17
CAN通讯的模型
CANopen的数据链路层
总线访问
CAN数据帧的结构
错误处理
Confidential Property of Schneider Electric | Page 18
Confidential Property of Schneider Electric | Page 13
Nominal bit time (tbit) 1µ s 1,25 µ s 2µ s 4µ s 8µ s 20 µ s 50 µ s 100 µ s
Number of time quants per bit 8 10 16 16 16 16 16 16
• 拓扑
• 直线拓扑，总线的末端需加两个120欧姆的终端电阻
• 总线最大个数128
– 主站1+从站127
Confidential Property of Schneider Electric | Page 9
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的线径和通讯长度的关系
电缆阻抗: – – – 32 站: 64 站: 100 站: <21 <18,5 <16
CAN通讯的链路层
CANopen的数据链路层
• CAN的高低电平是一个差分信号
在受到干扰时，因为CAN_H和CAN_L是差分信号，所以Vdiff不变
Confidential Property of Schneider Electric | Page 8
CAN通讯
模型-物理层
• 硬件接线
• 使用屏蔽双绞线，三根线，CAN_H,CAN_L和CAN_GND • 通讯长度与通讯速度的关系如下图所示 • 可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展
RJ45使用1,2和3脚而SUB-D9接头采用2,3和7
Confidential Property of Schneider Electric | Page 15
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 5针迷你接头针脚定义：
• 针脚定义:
• 1: (CAN_SHLD) = CAN 屏蔽层可选 • 2: (CAN_V+) = CAN 外部电源正可选 • 3: CAN_GND = Ground/0V/V• 4: CAN_H = CAN_H • 5: CAN_L = CAN_L
• CAL-CAN 的应用层 CAL (CAN application layer )，由Cia(CAN In Automation)定义
Confidential Property of Schneider Electric | Page 3
CAN通讯的模型
ຫໍສະໝຸດ Baidu模型
CANopen和ISO模型
Device Profile CiA DSP-401 I/O modules
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的支线长度限制
• 最大支线长度计算公式： • 未连接终端电阻支线电缆的最大长度Ld和累计支线长度Ldi的经验法则:
• • t PROPSEG : • tP: 位周期的数据传输段的长度 每个长度单位的特定线路延迟
• 例: 波特率= 500 kbit/s: • t PROPSEG = 12 * 125ns = 1500 ns; t P = 5 ns/m
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 5针端子接头针脚定义：
• 针脚定义: • 1: CAN_GND = Ground/0 V/V• 2: CAN_L = CAN_L
• 3: (CAN_SHLD) = CAN 屏蔽可选
– 每一个连接到总线的站点都在接收其它站点的信息.然后决定他们的动作,是否回答相关指令.
– CAN 协议授权所有的站点同步访问总线.然后根据 COB-ID 给予优先权.
• COB－ID＝Comunication Object Identifier-由通讯标识码和从站地址组成
• EDS＝Electronic Data Sheet，用于描述设备通讯相关的文件
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的相关参数： 每米阻抗(r): 70 m /m
终端电阻 (Rt): 一般120 (最小 108 , 最大132 )
线缆阻抗 (Z): 一般 120 (最小108 , 最大 132 )
电缆延迟: 5 ns/m
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– 同步段1个tq，传播段1~8个tq，相位段1-1~8个tq，相位段2-2个tq，采样点同步跳转宽度SJW 为1个基本时间单位。
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CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 电平：
在显性状态时，CAN-High线上的电压值会升高一个预定值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。而 CAN-Low线上的电压值会降低一个同样值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V）。于是在CAN驱动数据 总线上，CAN-High线就处于激活状态，其电压不低于3.5（2.5V+1V=3.5V)，而CAN-Low线上的电压值最多可降至 1.5V(2.5V-1V=1.5V)。
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CAN 2.0 A and B + ISO 11898
1
CAN 2.0 A and B = ISO 11898-1 and 2
ISO 11898 + DS-102
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CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CAN数据帧的位填充：
– 非归零编码的一个特点是，如果传输大量连续的相同极性的位，发生的数据信号不能提供可用 于重新同步的上升沿或下降沿。 因此，使用位填充技术用于确保所有总线节点的同步。 这意味 着在传输消息期间，最多五个连续位具有相同的极性。 – CAN帧中的位填充区域包括SOF，仲裁字段，控制字段，数据字段和CRC字段。 – 理论最差情况Smax=(34 + 8 dlc - 1) : 4 = 8 + 2 dlc，dlc表示数据长度代码，CAN报文有效数 据字节数量
CANopen通讯协议培训
王兆宇2018-03-03
Confidential Property of Schneider Electric
CAN通讯的简介
历史
• CAN (Controller Aera Network，控制器局部网) 是德国Bosch公司在1983年开发的一种串行 数据通讯协议，最初应用于现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换，是一种多主 方式的串行通讯总线，介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，速率可达1Mbps，支持多达128 个节点；具有高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，保证数据通讯的可靠性。 通信机制比较简单，适合于所有机械的嵌入式网络，可以降低设备的复杂程度，在工业领域 (如汽车、电梯、医疗、船舶、纺织机械等)得到了广泛应用，是欧洲重要的网络标准
Confidential Property of Schneider Electric | Page 14
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 中继器的作用：
• 可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展 • 电气的隔离
• 拓扑方式的扩展
• 很小的延迟-与产品有关
• CANopen 硬件接线的针脚定义：
length 100m 250m 500m
32 nodes 0,25 mm² 0,34 mm² 0,75 mm²
64 nodes 0,25 mm² 0,50 mm² 0,75 mm²
100 nodes 0,25 mm² 0,50 mm² 1 mm²
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Device Profile CiA DSP-402 Drives
Device Profile CiA DSP-404 Measuring devices
Device Profile CiA DSP-4xx
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应用层 描述层 会话层 传输层 网络层 链路层 = LLC + MAC 物理层
CiA DS-301 = Communication profile CAL= CAN Application Layer
• CANopen的术语
1993年CiA发布用来描述传送机制的CAL(Communication Application Layer) 规范 1995年CiA发布DS-301通信描述文件：CANopen 2001年CiA发布DS-304，在标准CANopen总线上集成4层安全元件(CANsafe)
Confidential Property of Schneider Electric | Page 6
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CAN数据帧的位定时：
– 位定时是一个复杂的话题，为了减轻用户处理这种艰难任务的负担，CANopen不仅规定了波特 率，也规定了位定时的采样点， – 位定时分为4个部分：同步段、传播段、相位段1和相位段2 – 采样点恰好位于相位段1和2之间。 – 每个段由基本时间单位（tq）的整数倍构成。 基本时间单位是CAN节点使用的最小时间分辨率。 其长度由CAN控制器的振荡器频率的分频后产生。
Confidential Property of Schneider Electric | Page 2
CAN通讯
术语
• CAN=Controller Area Network 控制器局域网 • CiA=CAN in Automation 协会 www.can-cia.org • CANopen 是CAN应用层协议，它基于信息广播的通讯概念 :
BTR 0 at 16MHz (80C200) 00h 00h 00h 01h 03h 09h 18h 31h
BTR 1 at 16MHz (80C200) 14h 16h 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch 1Ch
CAN通讯
模型-物理层
• CiA DS-102 设计时建议 • CANopen设备应至少支持波特率20K，并且支持的越多越好 • 超过200米长度的CANopen线缆建议加光电隔离 • 超过1Km建议使用CANopen repeater-重发器。
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CAN通讯
模型-物理层
• CiA DS-102 Bit-rates
Bit-rate / bus length 1 Mbit/s 25m 800 kbit/s 50m 500 kbit/s 100m 250 kbit/s 250m 125 kbit/s 500m 50 kbit/s 1000m 20 kbit/s 2500m 10 kbit/s 5000m
Length of time Location of quantum (tq) sample point 125 ns 125 ns 125 ns 250 ns 500 ns 1,25 µ s 3,125 µ s 6,25 µ s 6 tp 8 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp 14 tp
CAN通讯的模型
CANopen的物理层
• CAN的非归零编码：
– 用两种不同的电平分别表示显性状态和隐性状态显性电平会覆盖隐性电平 – 当同一网络的不同设备同时发显性和隐性数据，则总线显示显性电平，否则是隐性电平
– 隐性电平的逻辑值为1，显性电平的逻辑值为0
– 每个位可以没有上升或下降沿
Confidential Property of Schneider Electric | Page 5
• 4: CAN_H = CAN_H • 5: (CAN_V+) = CAN 外部电源正可选
Confidential Property of Schneider Electric | Page 17
CAN通讯的模型
CANopen的数据链路层
总线访问
CAN数据帧的结构
错误处理
Confidential Property of Schneider Electric | Page 18
Confidential Property of Schneider Electric | Page 13
Nominal bit time (tbit) 1µ s 1,25 µ s 2µ s 4µ s 8µ s 20 µ s 50 µ s 100 µ s
Number of time quants per bit 8 10 16 16 16 16 16 16
• 拓扑
• 直线拓扑，总线的末端需加两个120欧姆的终端电阻
• 总线最大个数128
– 主站1+从站127
Confidential Property of Schneider Electric | Page 9
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的线径和通讯长度的关系
电缆阻抗: – – – 32 站: 64 站: 100 站: <21 <18,5 <16
CAN通讯的链路层
CANopen的数据链路层
• CAN的高低电平是一个差分信号
在受到干扰时，因为CAN_H和CAN_L是差分信号，所以Vdiff不变
Confidential Property of Schneider Electric | Page 8
CAN通讯
模型-物理层
• 硬件接线
• 使用屏蔽双绞线，三根线，CAN_H,CAN_L和CAN_GND • 通讯长度与通讯速度的关系如下图所示 • 可以使用CANopen中继器完成总线长度的扩展
RJ45使用1,2和3脚而SUB-D9接头采用2,3和7
Confidential Property of Schneider Electric | Page 15
CAN通讯的模型
CAN的物理层
• CANopen 5针迷你接头针脚定义：
• 针脚定义:
• 1: (CAN_SHLD) = CAN 屏蔽层可选 • 2: (CAN_V+) = CAN 外部电源正可选 • 3: CAN_GND = Ground/0V/V• 4: CAN_H = CAN_H • 5: CAN_L = CAN_L
• CAL-CAN 的应用层 CAL (CAN application layer )，由Cia(CAN In Automation)定义
Confidential Property of Schneider Electric | Page 3
CAN通讯的模型
ຫໍສະໝຸດ Baidu模型
CANopen和ISO模型
Device Profile CiA DSP-401 I/O modules
CAN通讯
模型-物理层
• 通讯线的支线长度限制
• 最大支线长度计算公式： • 未连接终端电阻支线电缆的最大长度Ld和累计支线长度Ldi的经验法则:
• • t PROPSEG : • tP: 位周期的数据传输段的长度 每个长度单位的特定线路延迟
• 例: 波特率= 500 kbit/s: • t PROPSEG = 12 * 125ns = 1500 ns; t P = 5 ns/m