CANopen

一、介绍

CANopen 是一种基于控制器局域网（CAN）的高层通信协议，它为不同厂商生产的设备在同一个网络中协同工作提供了标准化的解决方案。简单来说，CANopen 就像是一种“语言”，让各种支持 CANopen 的设备能够在 CAN 总线上“交流”，实现数据的传输和设备的控制，广泛应用于工业自动化、电梯、机器人、医疗设备等众多领域。

二、发展历史

• 起源：CANopen 最早起源于 20 世纪 90 年代，当时随着工业自动化的发展，需要一种高效、可靠且开放的通信协议来实现不同设备之间的互联互通。CAN 总线作为一种低成本、高可靠性的串行通信总线已经得到了广泛应用，但缺乏统一的高层协议。于是，CiA（CAN in Automation）组织应运而生，该组织致力于制定基于 CAN 总线的应用层协议，CANopen 就是其中最具代表性的成果之一。
• 发展与完善：在随后的几十年里，CANopen 不断发展和完善。CiA 组织持续对 CANopen 协议进行修订和扩展，增加了新的功能和应用规范，以适应不断变化的市场需求。如今，CANopen 已经成为全球范围内广泛应用的工业通信协议之一。

三、技术原理

（一）CAN 总线基础

CANopen 是基于 CAN 总线的，所以先了解一下 CAN 总线。CAN 总线是一种串行通信总线，采用差分信号传输数据，具有很强的抗干扰能力。它采用多主通信模式，总线上的任何节点都可以主动发送数据，通过标识符来区分不同的消息优先级。

（二）对象字典

对象字典是 CANopen 的核心概念之一，它就像是一个设备的“数据库”，存储了设备的所有参数、状态信息和功能代码。对象字典中的每个对象都有一个唯一的索引和子索引，通过这些索引可以方便地访问和修改对象的值。例如，一个电机驱动器的对象字典中可能包含电机的转速、转矩、温度等参数。

（三）通信协议

CANopen 定义了多种通信协议，主要包括以下几种：

1. 服务数据对象（SDO）：用于在节点之间进行参数配置和数据传输。SDO 可以实现对对象字典中任意对象的读写操作，就像给设备的“数据库”进行数据的存取一样。
2. 过程数据对象（PDO）：用于实时数据的快速传输，例如传感器的测量值、执行器的控制命令等。PDO 不需要像 SDO 那样进行复杂的请求 - 响应过程，能够实现数据的高效传输，保证系统的实时性。
3. 网络管理（NMT）：负责管理整个 CANopen 网络的节点状态，包括节点的启动、停止、复位等操作。NMT 消息可以确保网络中的所有节点协调工作，避免出现冲突和错误。

四、应用场景

（一）工业自动化

在工业自动化领域，CANopen 被广泛应用于各种生产设备和控制系统中。例如，在自动化生产线上，传感器、执行器、控制器等设备可以通过 CANopen 网络连接在一起，实现数据的实时采集和设备的协同控制。通过 CANopen 协议，工程师可以方便地对设备进行参数配置和监控，提高生产效率和产品质量。

（二）电梯行业

在电梯系统中，CANopen 用于连接电梯的各个部件，如轿厢控制器、门机控制器、安全传感器等。通过 CANopen 网络，这些部件可以实时交换数据，实现电梯的安全运行和智能控制。例如，轿厢控制器可以通过 CANopen 接收来自安全传感器的信号，及时采取相应的措施，保障乘客的安全。

（三）机器人领域

机器人通常由多个关节和传感器组成，需要高效的通信协议来实现各个部件之间的协调工作。CANopen 可以满足机器人对实时性和可靠性的要求，实现机器人关节的精确控制和传感器数据的快速传输。通过 CANopen 网络，机器人可以更加灵活地执行各种任务，提高工作效率和精度。

（四）医疗设备

在医疗设备中，CANopen 也有广泛的应用。例如，一些大型医疗设备如 CT 扫描仪、核磁共振仪等，内部的各个模块可以通过 CANopen 网络进行通信和协同工作。同时，CANopen 的可靠性和安全性也能够保障医疗设备的稳定运行，为患者的诊断和治疗提供可靠的支持。