AN1202 - Einführung in CANopen

1 AN1201. Einf hrung in CANopen Die Einf hrung in CANopen beschreibt die grundlegenden Kommuni- kationsmechanismen und die Verwendung der Identifier. Autor: Uwe Koppe MicroControl GmbH & Co. KG. Einf hrung in CANopen Systemhaus f r Automatisierung Inhaltsverzeichnis 1 Was ist CANopen ? .. 3. Objektverzeichnis.. 4. 2 Kommunikations-Mechanismen.. 5. Service Data Objects .. 5. Process Data Objects .. 6. PDO-Mapping .. 7. Netzwerk-Management .. 8. Node-Guarding und Heartbeat .. 9. Emergency-Botschaften .. 9. 3 Identifier-Verteilung.. 10. 4 Ger tebeschreibung - EDS und DCF .. 12. 5 Fazit .. 13. 6 Referenzen .. 14. 7 Dokument Versionen .. 15. AN1201 Rev. 02 Seite 2. Einf hrung in CANopen Systemhaus f r Automatisierung 1 Was ist CANopen ?

2 Das CANopen Protokoll ist ein standardisiertes Schicht-7 Protokoll f r den CAN Bus. Durch das Protokoll CANopen wird einerseits das Wie der Kommunikation festgelegt, also mit welchen Telegrammen ( Identi- fier) die Ger te angesprochen werden k nnen. In CANopen sind Mecha- nismen zum Austausch von Prozessdaten in Echtzeit ebenso implementiert wie die bertragung gro er Datenmengen oder das Sen- den von Alarm-Telegrammen. Andererseits wird durch CANopen das Was der Kommunikation festgelegt, das hei t ein Parameter zur Einstel- lung eines Ger tes wird ber eine definierte Schnittstelle angesprochen (Ger teprofil oder Applikationsprofil). Diese sogenannten CANopen -Profile sind in Tabellenform (Objektver- zeichnis) organisiert.

3 Allen Ger teprofilen gemeinsam ist das sogenannte Kommunikationsprofil durch welches grundlegende Ger tedaten abge- fragt bzw. eingestellt werden k nnen. Zu diesen Daten z hlen beispiels- weise die Ger tebezeichnung, Hardware- und Software-Version, Fehlerstatus, verwendete CAN Identifier und viele weitere Parameter. Die Ger teprofile beschreiben die besonderen F higkeiten bzw. Parmeter ei- ner Klasse von Ger ten. Bislang wurden Ger teprofile definiert f r digi- tale bzw. analoge E/A-Ger te, Antriebe, Sensoren und Regler, Programmierbare Steuerungen, Encoder, Medizintechnik, ffentlicher Nahverkehr, Batterien und Extrusionsanlagen, um nur einige zu nennen. I. SO/. OSISc hic ht7 CANopenAppl i cat ionL. ayer G.

4 Ge er . rt e t ep pr o rf oi l f ie l e A. Ap pp pl i lk a i kt ai to i on ns p sr po r of i fl e i le Ci A. Ci 4xx A4xx Ci CiA4xx A4xx CANopenAppli cati onLay er&. Communic ationPr ofi le Ci A301. I. SO/. OSISc hic ht2 CAN Dat aLi nkL. ayer I. SO/. OSISc hic ht1 CAN Phy sic alL. ayer Abb. 1: Struktur der CANopen Ger teprofile AN1201 Rev. 02 Seite 3. Systemhaus f r Automatisierung Einf hrung in CANopen Die Ger teprofile setzen auf dem Kommunikationsprofil /1/ auf (siehe Ab- bildung 1). Der modulare Aufbau und das standardisierte Format hat f r den Anwender zwei Vorteile: Erstens mu er sich bei der Anlagenkonzep- tion nur mit den Profilen auseinandersetzen, die f r die Applikation rele- vant sind ( digitale E/A Baugruppen).

5 Zweitens kann man aus einer Vielzahl von am Markt verf gbaren Ger ten eine Auswahl treffen, die alle in identischer Weise angesprochen werden und Prozessinformationen lie- fern. Objektverzeichnis Das Objektverzeichnis beschreibt den kompletten Funktionsumfang (Parameter) eines CANopen -Ger tes und ist in Tabellenform organisiert. Im Objektverzeichnis sind nicht nur die standardisierten Datentypen und Objekte des CANopen -Kommunikationsprofils sowie der Ger teprofile enthalten, sondern gegebenenfalls auch hersteller-spezifische Objekte und Datentypen. Die Adressierung der Eintr ge erfolgt mit Hilfe eines 16- Bit-Indizes (Reihenadresse der Tabelle, maximal 65536 Eintr ge) und ei- nes 8-Bit-Subindizes (Spaltenadresse der Tabelle, maximal 256 Eintr ge).

6 Somit lassen sich zusammengeh rige Objekte leicht gruppieren. Die Struktur dieses CANopen Objektverzeichnisses ist in der folgenden Tabelle dargestellt: Index (hex) Objekt 0000 nicht verwendet 0001 - 001F statische Datentypen 0020 - 003F komplexe Datentypen 0040 - 005F herstellerspezifische Datentypen 0060 - 007F profilspezifische statische Datentypen 0080 - 009F profilspezifische komplexe Datentypen 00A0 - 0 FFF reserviert 1000 - 1 FFF Kommunikationsprofil (CiA 301 & 302). 2000 - 5 FFF Herstellerspezifische Parameter 6000 - 9 FFF Parameter aus standardisierten Profilen (CiA 4xx). A000 - AFFF Netzwerk Variablen B000 - FFFF reserviert Tabelle 1: Aufbau Objektverzeichnis Seite 4 Rev. 02. Einf hrung in CANopen Systemhaus f r Automatisierung 2 Kommunikations-Mechanismen Die Kommunikation zwischen den Teilnehmern entspricht berwiegend dem Client-Server-Modell.

7 Die bertragung der Prozessdaten erfolgt nach dem Producer-Consumer-Modell. Service Data Objects Service Data Objects (SDOs) werden f r nderungen im Objektverzeich- nis und f r Statusabfragen verwendet. Jedes CANopen Ger t verf gt ber mindestens einen SDO Kanal, dem zwei CAN-Identifier zugeordnet sind. Mit diesem Protokoll lassen sich Daten beliebiger L nge bertragen, wo- bei die Daten gegebenenfalls auf mehrere CAN-Nachrichten aufgeteilt (segmentiert) werden. In der ersten CAN-Nachricht des SDO sind vier der acht verf gbaren Bytes mit Protokollinformationen belegt. F r Zugriffe auf Objektverzeichniseintr ge mit bis zu 4 Byte L nge ( Integer16, Inte- ger32, Float) gen gt folglich eine einzige CAN-Nachricht (Expedited Transfer).

8 Bei Datenl ngen gr er 4 Byte erfolgt eine segmentierte ber- tragung, bei der alle auf die erste CAN-Nachricht folgenden Segmente des SDO jeweils 7 Byte Nutzdaten enthalten k nnen. Das letzte Segment ent- h lt eine Ende-Kennung. Ein SDO wird immer best tigt bertragen, das hei t der Empfang einer jeden Nachricht wird durch den Empf nger quit- tiert. Mit Einf hrung der CANopen Spezifikation ist auch ein beschleu- nigter SDO-Transfer m glich (Block Transfer). Bei diesem wird nicht mehr jedes Segment best tigt, sondern es wird nur noch der Empfang einer Gruppe von Segmenten quittiert. Somit erh lt man einen enormen Band- breitenzuwachs f r die bertragung von gro en Datenmengen. SDO Cl ient (. Steuer ung/SPS).

9 SDO Reques t CAN- Bus SDO Res pons e Ger t1. Ger tN. SDO Ser ver Abb. 2: SDO Client-Server Struktur AN1201 Rev. 02 Seite 5. Systemhaus f r Automatisierung Einf hrung in CANopen Process Data Objects F r die bertragung von Prozessdaten steht der Mechanismus des Process Data Object (PDO) zur Verf gung. Jedes CANopen -Ger t, welches Pro- zessdaten produziert und / oder konsumiert verf gt deshalb ber minde- stens ein PDO. Bei einem PDO stehen dem Anwender alle 8 Datenbytes einer CAN-Botschaft zur Verf gung. Die bertragung einer PDO erfolgt unbest tigt, da letztendlich die CAN-Verbindungsschicht die fehlerfreie bertragung einer Nachricht sicherstellt. Au erdem sind best tigte Dien- ste in zeitkritischen Applikationen nicht w nschenswert, weil sie die Bus- bandbreite signifikant reduzieren.

10 Somit sind PDOs "CAN pur", ohne den geringsten Protokoll-Overhead durch CANopen ! Die bertragung der Prozessdaten kann auf verschiedene Arten durchge- f hrt werden: Ereignis Die Aussendung der PDO wird durch ein externes oder internes Ereignis gesteuert. Dieses Ereignis kann der Pegelwechsel eines digitalen Ein- ganges sein oder aber der Ablauf eines Zeitgebers in dem Ger t. PDO PDO. Pr oduc er I. D Dat en Consumer E. rei gni s Abb. 3: Ereignis-gesteuerte PDO. Synchron Bei der synchronen bertragung werden durch einen Busteilnehmer Syn- chronisationstelegramme gesendet (Botschaft ohne Dateninhalt), auf de- ren Empfang hin ein PDO-Producer die Prozessdaten bertr gt. SYNC. PDO PDO. Pr oduc er I. D Dat en Consumer Abb.