【EtherCAT】3.COE协议详解

本文详细介绍CANopen over EtherCAT(COE)协议。

CANopen协议

首先强烈推荐这个视频，本文也是根据此视频翻译的：

CANopen是一种架构在控制局域网络（Controller Area Network,CAN）上的应用层通信协议，包括通信子协议及设备子协议，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线协议。

因为CANopen是最早是设计在CAN上的，对CAN不熟悉的同学可以参考下面这篇文章：

从OSI的角度来看，CAN Bus承担物理层和数据链路层的功能，而CANopen可以用在会话层，表示层或者应用层。

OSI For CANopen

CANopen通信包含以下核心概念：

通信模型：可以支持主从（Master-Slave）模式，客户端-服务器（CS）模式和生产者-消费者（Producer-Consumer）模式；通信协议：CANopen包含一系列特殊的子协议，例如用于配置节点的SDO和用于传输数据的PDO；设备状态：设备可以支持不同的状态，主节点设置从节点的状态；对象字典：每个设备都包含一个对象字典（Object Dictionary，OD），描述了CANopen节点的所有参数，可以通过SDO访问对象字典；电子数据表：EDS是存放对象字典条目的标准文件格式；设备配置文件：为特定设备定义的OD，例如用于IO模块的CIA 401和用于伺服控制的CIA 402协议。

各部分的关系如下图所示：

CANopen协议结构

通信模型

主从通信模型：一个节点充当主站，请求从站的数据，例如伺服电机的数据。这个过程可以用于诊断或者状态管理

客户端-服务器模型：客户端向服务器发送数据请求，服务器回复请求的数据。例如，当主机程序需要来自从机的OD数据时。阅读来自服务器的数据称为上传，而写入是下载。

生产者-消费者模型：生产者节点将数据广播到网络，由消费者消费数据。

理解这几个通信模型对后面的PDO，SDO的学习非常重要。

通信协议和设备状态

CAN报文的结构如下图所示：

CAN报文

在CANopen中，11位的CANID被称为通信对象标识符（COB-ID）。COB-ID分为两部分，4bit功能码和7bit的节点ID。通过COB-ID，可以确定是哪个节点正在发送/接收何种服务。

CANopen Frame

其中主要的CANopen服务类型：

网络管理NMT：用于控制CANopen服务的状态，例如，通过NMT命令（启动，停止，复位等）进行操作。同步SYNC：同步主机和从机之间的信号；紧急情况EMCY：如果设备发生致命错误，则启用紧急服务，允许它向网络的其余部分表明这一点；时间戳TIME：利用该服务分发全球网络时间，包含一个6字节的时间和日期信息；过程数据对象PDO：PDO用于在设备之间传输实时数据；服务数据对象SDO：SDO用于访问、更改CANopen对象字典中的值；心跳HeartBeat：提供节点活跃消息并确认NMT命令；

这其中CANopen命令中，最重要的是PDO和SDO。

对象字典

对象字典是一个标准化结构，其中含有描述CANopen节点行为的所有参数。通过16位的索引和8位的子索引来查找OD条目。简单地理解，对象字典其实就是一个字典，通过索引号来查询这个对象的信息。其中每个条目可能包含以下的信息：

索引：16bit的对象基地址；对象名：厂商的设备名称；对象代码：可以是数组，变量或者记录；数据类型；访问权限：读写、只读或者只写；

对于一本英汉字典，“abandon”这样的经典单词可以说是一定出现的，但是有些生僻词、专有名词可能只有在特定功能的字典才会出现。对象字典也是这样，对象字典含有标准化部分和非标准化部分，标准化部分是一些必填项，非标准化部分可以根据需求来定制。

对象字典

电子数据表和设备配置文件

那么对象字典是以何种形式存储在设备中的呢？答案是通过INI格式的一个对象字典模板文件，称为电子数据表EDS，EDS一般由厂家提供，程序员会编辑设备的EDS，并在EDS中添加了特定的参数值或改变了每个对象的描述名称，存储在设备中，称为设备配置文件（DCF）。如下图所示：

EDS和DCF

一般来说DCF是在设备集成时创建的，但是通常在初始化配置之后需要修改对象字典的值，此时就需要使用SDO了。

SDO

SDO服务允许CANopen节点通过CAN网络读取/编辑另一个节点的对象字典的值。正如在“通信模型”中提到的，SDO服务使用“客户端/服务器”模式。具体来说，一个SDO “客户端”与一个专门的SDO“服务器”发起通信。其目的可以是更新一个OD条目（称为“SDO下载”）或读取一个条目（“SDO上传”）。

SDO的客户端\服务器通信模式

SDO是如何通过CAN报文来实现的呢？

一个典型的SDO报文首先，COB-ID 605反映了“SDO接收”的使用（COB-ID 600 +节点ID）CCS（客户端命令指定符）是传输类型（例如，1：下载，2：上传）n是字节区4-7中不包含的字节数（如果e和s被设置为有效）e表示“加速传输”，且所有数据都在单个CAN帧中（如果有设置）s表示数据大小显示为n（如果有设置）索引（16位）和子索引（8位）反映了要访问的OD地址最后，节点5将相应字节4-7中包含的相关数据写入对象字典

PDO

PDO用于实时的数据传输。CANopen的PDO服务用于在CANopen节点之间有效地共享实时操作数据。例如，PDO将携带来自压力传感器的压力数据或来自温度传感器的温度数据。原则上，SDO服务也能实现共享实时操作数据，但由于单个SDO响应只能携带4个数据字节，因此一般不用SDO。

假设一个主站节点需要来自节点5的两个参数值（例如“SensTemp2”和“Torque5”）。如果通过SDO来实现，需要4个完整的CAN帧（2个请求和2个响应）。相比之下，一个PDO消息可以包含8个完整的数据字节，而且它可以在一个帧内包含多个对象参数值。因此，在SDO服务中至少需要4个报文，而在PDO服务中则可能只需要1个报文就可以完成。

PDO服务使用的是“消费者/生产者”模型。因此，生产者 "生产数据"，它使用发送PDO（TPDO）将其传送给“消费者”（主站）。反之，它可以通过“接收PDO”（RPDO）从消费者那里接收数据。

PDO报文

这个PDO的使用者知道如何解释这个PDO报文。这些“PDO 映射”通常是可配置的，并且可以在创建 DCF 或通过 SDO 服务期间进行更改。

COE协议

COE的对象字典

COE协议是完全遵循CANopen协议的，但针对EtherCAT通信做了一些扩展，索引为0x1c00~0x1c4f，用于设置存储同步管理器的类型，通信参数和PDO数据分配。

COE对象字典COE通信数据对象续表

上面这个表的数据会以xml文件存储在从站的EEPROM中，标签为objects 。

周期性数据通信

周期性数据主要通过PDO进行通信。前面提到，主站通过解析对象字典来了解EtherCAT报文的PDO分配。0x1C10~0x1C2F对象字典的内容确定报文中PDO的分配。其中，子索引0是分配的PDO数目，其他子索引是PDO映射对象的索引号，也就是前面的0x1600~0x17FF。然后根据PDO映射对象的子索引和数值，就可以知道这个PDO的具体含义了，一个配置对象如下图所示：

0x1c02配置示例

非周期性数据通信

EtherCAT主站通过读写邮箱数据SM通道来实现非周期性数据通信。