从CANopen到CANopen FD的技术升级

2019年11月21日，在SPS 2019庆祝30周年展会上，CiA组织通过两个网桥连接的网络展示了从经典CANopen到CANopen FD的移植。那么CANopen FD的出现带来哪些变化？这里重点介绍一下CANopen FD的特性。
自1991年颁布了CAN 2.0技术规范起，CiA便一直致力于CAN协议的推广，其中包括CAN底层（CAN数据链路层、CAN物理层）设计及CAN的应用层（CANopen）。CANopen协议在CiA 301中明确规定其PDO、SDO、NMT网络管理等协议的规范，并使用经典CAN数据链路层，而在SPS展会中CiA展示了CiA 1301中指定的CANopen FD协议。相比CANopen使用经典CAN数据链路层，数据段提供8字节有效负载，CANopen FD是基于CAN FD，数据段有效负载提升到64字节，解决了某些应用中出现数据段不够用的问题。
一、CANopen协议升级到CANopen FD的相同之处
1.   NMT网络管理协议
网络管理系统（NMT）负责启动网络和监控设备。工程师将CANopen FD网络管理系统设计成一种主/从系统。在CANopen FD网络中只允许存在一个活动的NMT主机，所有CANopen FD设备都具有NMT从机功能，并且由NMT主机来启动、监控、重启，同时分配给唯一的节点ID 。
为了方便管理设备，所有设备都内置一个内部状态机，状态之间的转变由内部事件或者主机外部触发。
NMT从站状态机由初始化状态，预操作状态，操作状态和停止状态组成，其状态转换方式如图1所示。
图 1 NMT网络管理示意图
控制设备状态的NMT指令，通过具有最高优先级的CAN标识符来发送。CANopen FD设备一旦接收到控制设备状态的NMT指令，则必须进行转换。如图2所示，NMT协议映射到具有两个字节数据长度的单个CAN FD数据帧。第一个字节确定要发出去的指令，即指令说明符；第二个字节指定CANopen FD设备的节点ID 。
图 2 NMT协议示意图
2.   错误控制协议
在CANopen FD网络中通过错误控制协议（如图3启动协议、如图4心跳协议）可以监视CANopen FD设备是否仍在网络中，并且处于预期的NMT FSA状态，同时也可以检测到新加入网络的CANopen FD设备。所有的CANopen FD设备都是基于相同的CAN FD信息，并具有CANopen FD设备的CAN-ID700H+节点ID 。
注意：CANopen FD不支持CAN远程框架，因此不支持CANopen节点/生命防护。
图 3 启动协议示意图
图 4 心跳协议示意图
3.   紧急通讯对象协议（EMCY）
当CANopen FD设备内部发生错误时，会由紧急错误生产者发送EMCY，从而触发中断报警。每次发生错误事件只会发送一次EMCY，并且以广播的方式发送给所有支持EMCY功能的设备上，进而针对错误进行调整。没有新错误发生时，将不再发送EMCY报文如图5所示。
图 5 紧急通讯对象协议EMCY示意图
4.   SYNC同步协议
与CANopen相同，CANopen FD设备中，SYNC同步协议是由生产者定期发送，用于网络同步。所有CANopenFD设备都可以作为SYNC的生产者。通常情况下，SYNC协议用作总线负载管理。SYNC报文提供1字节的SYNC计数器值。每次发送SYNC，对应计数器就会加1 。同时，SYNC的传输周期是可以配置的，计数器初值为1，最大值可在数据对象同步计数器溢出寄存器（1019H）进行配置，如图6所示。

图 6 SYNC同步协议示意图
5.   时间戳协议
时间戳协议可以使CANopen FD系统调整到唯一的网络时间。由CANopen FD主站设备发出，用于同步所有从站的内部时钟。时间戳被映射到一个6字节长度的CAN单帧。如图7所示，默认情况下，该CAN帧具有标识符100h 。这六字节长度的数据提供“时间“”信息，该信息是以午夜之后的毫秒数和自1984年1月1日以来的天数。
图 7 时间戳协议示意图
二、CANopen到CANopen FD的改变之处
     1.   USDO协议
USDO用于CANopen FD系统中的配置和诊断任务。但是，过程数据也可以通过USDO服务进行传输。USDO具有以下特性：

USDO服务可以在单个或多个USDO服务器之间确认通信；
USDO客户端可以访问CANopen FD设备中所有的对象字典条目；
USDO可以提供USDO服务器对象字典中一个或几个子索引的读写访问权限；
USDO具有路由功能，可以实现CANopen FD网络边界上的数据传输；
USDO客户端和USDO服务器可以连接到不同的CAN物理层；
USDO客户端和USDO服务器之间可以传输任意长度的数据内容。

如图8所示，是USDO已确认的单播、广播通信。

图 8 USDO单播、广播通信
USDO协议“目的地地址”确定USDO是以点对点连接还是以多路或广播方式进行通信。命令说明符决定USDO传输的类型。会话ID用作交易编号，使客户端能够区分对同一USDO服务器的USDO访问。与传统的CANopen SDO中一样，索引和子索引标识在USDO服务器的对象字典中访问的数据元素。除了经典的SDO，USDO还按大小和数据类型描述要传输的数据，这使数据接收者能够执行一致性检查。如图9所示，为加速USDO协议传输。
图 9 加速USDO协议传输
对于较长的数据对象，如类型为域的数据，超过了7字节，加速USDO传输方式效率并不是很高。类似于CANopen协议，CANopen FD协议中为了提高USDO传输的效率，引入一种扩展USDO传输方式：即块传输。这种USDO传输方式效率更高、速度更快。这种块传输的基本原理就是将数据划分为几个单一的包，在连续的请求或者应答中逐块传输这些包。如图10所示，是USDO块传输方式。
图 10 USDO块传输方式
USDO客户端告知USDO服务器目标索引和子索引以及预期的数据类型和长度。USDO服务器确认其请求后，给出其可以处理的最大块的大小（连续块消息的数量）。USDO客户端就会发出第一块的各个分段，知道服务器确认接收结束。
2. PDO协议

过程数据对象（PDO）在CANopen FD中用于广播高优先级控制和状态信息。一个PDO由一个CAN数据帧组成，并可以通信多达64个字节的数据。但是，CAN FD数据帧的数据长度从8字节之后呈非线性规律。因此，当PDO生产者使用填充字节将PDO填充到下一个支持的CAN FD帧长度时，PDO的消费者可能会收到比预期更多的数据。如图11所示。

图 11 PDO协议示意图
三、CANopen FD与嵌入式网络、工业物联网
现如今，工业物联网在逐步发展崛起，慢慢走向成熟。嵌入式也在向云应运程序中集成发展，大数据时代需要更多的数据来进行更准确更安全的算法分析。CANopen FD底层基于CAN FD提供了长达64字节的有效负载，能够更好的满足大数据时代的安全性能要求。
CANopen FD能够更好的满足未来工业互联网的发展需求，其中重要的原因还是归功于新的USDO协议的出现。由于USDO特性灵活，CANopen FD/IOT网关可以轻松的访问网络中的任何数据，并且通过路由功能可以进行远程网络CANopen FD设备连接和访问。
CANopen FD减轻了开发人员处理CAN硬件特定细节的负担，例如位时序和验收过滤。CANopen FD提供了标准化的通信对象COB，用来配置及网络管理数据。
四、CANFDSM-100——串口转CANFD转换模块
在实际应用中，工程师经常会使用串口来收发数据或进行调试。这样，对于CANopen FD设备的问题，我们会需要实现串口转CANFD，帮助我们更好的实现数据的传输和转换。如图12所示，是广州致远电子研发的一款串口转 CAN（FD）模块CANFDSM-100，内置微处理器。该模块支持透明转换、透明带标识符转换、格式转换、Modbus转换四种模式。同时，该模块集成1路CANFD接口和1路UART接口。在CAN通讯方面，可以在40Kbps~1Mbps之间任意可编程；在CANFD通讯方面，可以在1Mbps~5Mbps之间任意可编程。满足工业级要求，支持在线固件升级等。
图 12 CANFDSM-100示意图
五、USBCANFD系列CAN FD接口卡
在CANopen FD设备的使用过程中，经常会通过抓取底层的CAN FD报文来进行数据分析或者故障排除等。如图13所示是广州致远电子有限公司开发的高性能CANFD接口卡，集成1-2路CANFD接口，每个接口具备独立的2500VDC电气隔离保护电路，使接口卡避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。PC通过USB2.0端口连接USBCANFD接口卡，从而能与CAN(FD)网络进行数据收发，构成CAN(FD)-bus控制节点。
【从CANopen到CANopen FD的技术升级】 图 13 USBCANFD-200U接口卡示意图