CanOpen通信协议python实现

1. CANOpen——在ISO层级中位置和诞生

CAN（Controller Area Network）现场总线仅仅定义了第1层（物理层，见ISO11898-2标准）、第2层（数据链路层，见ISO11898-1标准），而在实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件（Software）或固件（Firmware），只要了解如何调用相关的接口和寄存器，即可完成对CAN的控制。

但CAN没有规定应用层。也就是没有规定与实际应用相关的逻辑，比如开关量输入输出，模拟量输入输出。所以本身对于应用来说，是不完整的。这就像铁矿石（物理层）冶炼成铁锭（数据链路层），然后针对具体应用，再加工做成汽车、轮船、钢筋、坦克、钢结构建筑等等。CANOPEN协议是基于CAN总线协议建立的应用层协议。

CANopen协议是在20世纪90年代末，由总部位于德国纽伦堡的CiA组织——CAN-in-Automation，（http://www.can-cia.org ）在CAL（CAN Application Layer）的基础上发展而来。
由于CANopen协议的创始人团队也是CAN-bus的创始人团队，此协议充分发挥了CAN-bus所具备的所有优势，特别是CiA组织的主席蔡豪格（Holger Zeltwanger）先生对于CANopen协议坚持开放、免费、非盈利的原则。一经推出便在欧洲得到了广泛的认可与应用。时至今日已经成为全世界最为流行的CAN应用层协议。让我们记住这位可爱的德国老人。

2、CANOpen——协议帧

CANOPEN协议的基本通信单元叫做“通信对象”。常用的通信对象有NMT、SYNC、EMERGENCY、TIME STAMP、SDO、PDO这几个，他们结构相同，包括funciton Code、Node-ID、DLC(数据长度）、DATA（数据）四部分构成，本质上都是通过封装CAN总线协议的数据帧实现的。他们的不同体现在DATA这个部分，有的对象DATA部分可以完全用来传输数据，有的对象针对DATA部分进一步做了划分和要求。报文传输采用CAN标准帧格式。即11bit的ID域，以尽量减小传输时间；

3、CANOpen——对象

CANopen总线协议也分为两种基本的数据传输机制：通过进程数据对象(PDO)对小型的数据进行高速数据交换以及通过服务数据对象（SDO）对对象字典进行访问。后者主要用于在设备配置过程中传输参数以及传输大数据块。

4、CANOpen——网络管理NMT（Network management)

一个CANopen网络中为了保证可靠、可控，必须要NMT网络管理，就像一个军队一样，要令行禁止，才能达到稳定、高效的目标。如图 6.1所示。指挥员（NMT主机，CANOPEN主站）通过发号施令，士兵（NMT从机）进行自由俯卧训练，这样整个训练都是有序的。

所以每个CANopen从节点的CANopen协议栈中，必须具备NMT管理的相应代码，这是节点具备CANopen协议的最基本的要素。

5、CANOpen——NMT节点状态

6、CANOpen——NMT节点上线报文

任何一个CANopen从站上线后，为了提示主站它已经加入网络（便于热插拔），或者避免与其他从站Node-ID冲突。这个从站必须发出节点上线报文（boot-up），如图所示，节点上线报文的ID为700h+Node-ID，数据为1个字节0。生产者为CANopen从站。

7、CANOpen——NMT节点状态与心跳报文

为了监控CANopen节点是否在线与目前的节点状态。CANopen应用中通常都要求在线上电的从站定时发送状态报文（心跳报文），以便于主站确认从站是否故障、是否脱离网络。
如图所示，为心跳报文发送的格式，CANID与节点上线报文相同为700h+Node-ID，数据为1个字节，代表节点目前的状态，04h为停止状态，05h为操作状态，7Fh为预操作状态。
CANopen从站按其对象字典中1017h中填写的心跳生产时间（ms）进行心跳报文的发送，而CANopen主站（NMT主站）则会按其1016h中填写的心跳消费时间进行检查，假设超过诺干次心跳消费时间没有收到从站的心跳报文，则认为从站已经离线或者损坏。

8、CANOpen——NMT节点状态切换命令

NMT网络管理中，最核心的就是NMT节点状态切换命令，这是NMT主站所进行网络管理的“命令”报文。使用者必须牢记这些命令。
CANID均为000h，具备最高的CAN优先级。数据为2个字节：
 第1个字节代表命令类型：
01h为启动命令（让节点进入操作状态）；
02h为停止命令（让节点进入停止状态）；
80h为进入预操作状态（让节点进入预操作状态）；
81h为复位节点应用层（让节点的应用恢复初始状态，比如列车门都恢复打开状态）；
82h为复位节点通讯（让节点的CAN和CANopen通讯重新初始化，一般用于总线收到干扰，导致节点总线错误被动，或者总线关闭时）。
 第二个字节代表被控制的节点Node-ID，
如果要对整个网络所有节点同时进行控制，则这个数值为0即可。

9、CANOpen——PDO对象(Process data object)

PDO对象称为“过程数据对象”，用于无连接的数据传输，即A站发送数据给B站后，不需要等待B站给出确认收到的应答。当然B站也可以应答一些信息给A站，这个有点像网络通信中的UDP协议，即应答不是强制要求的，B站可以回答，也可以不回答。
PDO对象的DATA部分可以完全用来传输数据，没有进步做要求。一个PDO最大可传输8字节数据。

PDO分为TPDO（发送PDO）和(接收RPDO)，发送和接收是以CANopen节点自身为参考（如果CAN主站或者其他从站就相反）。TPDO和RPDO分别有4个数据对象，每种数据对象就是1条CAN报文封装。

10、CANOpen——SDO对象(Service data object）

SDO称“服务数据对象”，主要用于CANopen主站对从节点的参数配置，是一个有应答的通信对象，即主站发送RSDO给从站后，从站如果接收到，必须发送TSDO给主站进行应答。

SDO的通讯原则非常单一，发送方（客户端）发送CAN-ID为600h+Node-ID的报文，其中Node-ID为接收方（服务器）的节点地址，数据长度均为8字节；接收方（服务器）成功接收后，回应CAN-ID为580h+Node-ID的报文。这里的Node-ID依然是接收方（服务器）的节点地址，数据长度均为8字节。

11、CANOpen——快速SDO协议（Expedited SDO protocol）

最常用最常见的SDO协议是快速SDO，所谓快速，就是1次来回就搞定。前提是读取和写入的值不能大于32位。如图所示，为快速SDO协议的示意图。命令中直接包含了要读写的索引、子索引、数据。可谓直接命中。快速SDO的难点在于CS命令符的记忆。
通过快速SDO，可以直接对CANopen节点的对象字典中的值进行读取和修改，所以在做参数配置之外，也经常作为关键性数据传输之用。比如CANopen控制机器人的电机转动角度时，就使用SDO来传输，保证可靠到达。

12、CANOpen——特殊协议（Special protocols）

一.同步协议（Sync protocol）
同步（SYNC），该报文对象主要实现整个网络的同步传输。
在同步协议中，有2个约束条件：
 同步窗口时间：索引1007h约束了同步帧发送后，从节点发送PDO的时效，即在这个时间内发送的PDO才有效，超过时间的PDO将被丢弃；
 通讯循环周期：索引1006h规定了同步帧的循环周期。

二.时间戳协议（Time-stamp protocol）
时间标记对象（Time Stamp），NMT主机发送自身的时钟，为网络各个节点提供公共的时间参考，即网络对时。
三.紧急报文协议（Emergency protocol）
紧急事件对象（Emergency），是当设备内部发生错误，触发该对象，发送设备内部错误代码，提示NMT主站。紧急报文属于诊断性报文，一般不会影响CANopen通讯.

13、CANOpen——对象字典OD（Object dictionary)

CANopen对象字典（OD: Object Dictionary）是CANopen协议最为核心的概念。所谓的对象字典就是一个有序的对象组，描述了对应CANopen节点的所有参数，包括通讯数据的存放位置也列入其索引，这个表变成可以传递形式就叫做EDS文件（电子数据文档Electronic Data Sheet）

每个对象采用一个16位的索引值来寻址，这个索引值通常被称为索引，其范围在0x0000到0xFFFF之间。为了避免数据大量时无索引可分配，所以在某些索引下也定义了一个8 位的索引值，这个索引值通常被称为子索引，其范围是0x00到0xFF之间。 每个索引内具体的参数，最大用32位的变量来表示，即Unsigned32，四个字节。

14、CANOpen——通讯对象子协议区（Communication profile area）

通讯对象子协议区（Communication profile area）定义了所有和通信有关的对象参数，如表 5.2所示，标绿色底纹的索引范围1000h to 1029h为通用通讯对象，所有CANopen节点都必须具备这些索引，否则将无法加入CANopen网络。其他索引根据实际情况进行分配与定义。

15、CANOpen——通用通讯对象（General communication objects）

由于通用通讯对象十分重要，NMT主站（CANopen主站）在启动时，通常都全部或者部分读取所有从站中通用通讯对象中的索引，所以所有的通用通讯对象都必须在CANopen从站中实现，使用者也必须熟知这些索引地址与其含义。

16、CANOpen——子协议
一、制造商特定子协议（Manufacturer-specific Profile）
对象字典索引2000h to 5FFFh为制造商特定子协议，通常是存放所应用子协议的应用数据。而上文所描述的通讯对象子协议区（Communication profile area）是存放这些应用数据的通信参数。比如广州致远电子的XGate-COP10从站模块规定了：
 RPDO的通讯参数存放在1400h to 15FFh ，映射参数存放在1600h to 17FFh ，数据存放为2000h 之后厂商自定义区；
 TPDO的通讯参数存放在1800h to 19FFh ，映射参数存放在1A00h to 1BFFh ，数据存放为2000h 之后厂商自定义区。
对于在设备子协议中未定义的特殊功能，制造商也可以在此区域根据需求定义对象字典对象。因此这个区域对于不同的厂商来说，相同的对象字典项其定义不一定相同。
二. 标准化设备子协议(Standardized profile area)
标准化设备子协议，为各种行业不同类型的标准设备定义对象字典中的对象。目前已有十几种为不同类型的设备定义的子协议，例如 DS401、DS402、DS406等，其索引值范围为0x6000～0x9FFF。同样，这个区域对于不同的标准化设备子协议来说，相同的对象字典项其定义不一定相同。

17、一些为python调试代码

from ctypes import *
if 1:dll = windll.LoadLibrary('./ControlCAN.dll')nDeviceType = 21 #* USBCAN-2E-U *nDeviceInd = 0#* 索引号0 *nReserved = 0nCANInd = 1 #can通道号class _VCI_INIT_CONFIG(Structure):_fields_ = [("AccCode", c_ulong), ("AccMask", c_ulong), ("Reserved", c_ulong), ("Filter", c_ubyte),("Timing0", c_ubyte), ("Timing1", c_ubyte), ("Mode", c_ubyte)]class _VCI_CAN_OBJ(Structure):_fields_ = [("ID", c_uint), ("TimeStamp", c_uint), ("TimeFlag", c_ubyte), ("SendType", c_ubyte),("RemoteFlag", c_ubyte), ("ExternFlag", c_ubyte), ("DataLen", c_ubyte), ("Data", c_ubyte*8),("Reserved", c_ubyte*3)]vic = _VCI_INIT_CONFIG()vic.AccCode = 0x00000000vic.AccMask = 0xffffffffvic.Filter = 0vic.Timing0 = 0x00vic.Timing1 = 0x1cvic.Mode = 0vco = _VCI_CAN_OBJ()vco.ID = 0x00000001vco.SendType = 0vco.RemoteFlag = 0vco.ExternFlag = 0vco.DataLen = 8vco.Data = (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)vco2 = _VCI_CAN_OBJ()#ubyte_array8 = c_ubyte*8#ubyte_array3 = c_ubyte*3vco2.ID = 0x00000001vco2.SendType = 0vco2.RemoteFlag = 0vco2.ExternFlag = 0vco2.DataLen = 8vco2.Data = (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)ret = dll.VCI_OpenDevice(nDeviceType, nDeviceInd, nReserved)print("opendevice:",ret)ret = dll.VCI_SetReference(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, 0, pointer(c_int(0x060007)))print("setrefernce1:",ret)ret = dll.VCI_SetReference(nDeviceType, nDeviceInd, 0, 0, pointer(c_int(0x060007)))print("setrefernce0:",ret)  #注意，SetRefernce必须在InitCan之前ret = dll.VCI_InitCAN(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, pointer(vic))print("initcan1:",ret)ret = dll.VCI_InitCAN(nDeviceType, nDeviceInd, 0, pointer(vic))print("initcan0:",ret)ret = dll.VCI_StartCAN(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd)print("startcan1:",ret)ret = dll.VCI_StartCAN(nDeviceType, nDeviceInd, 0)print("startcan0:",ret)
rx_n = 0
while 1:ret = dll.VCI_Receive(nDeviceType, nDeviceInd, 0, pointer(vco2), 1, -1)# 发送1帧if ret > 0:rx_n +=1show = 'RXD n: {}\t ID:  {}\t len:  {}\t data：{}'.format(rx_n,hex(vco2.ID), vco2.DataLen, [hex(i) for i in list(vco2.Data[0:vco2.DataLen])])print(show)# ret = dll.VCI_Transmit(nDeviceType, nDeviceInd, 0, pointer(vco2), 1)  # 发送两帧# print("transmit:", ret)# ret = 0if vco2.ID&0xf80 == 0x600 and vco2.DataLen==8 and (vco2.Data[0]==0x23 or vco2.Data[0] == 0x2f or vco2.Data[0] == 0x2b or vco2.Data[0] == 0x27):vco.ID = 0x580+vco2.ID&0x07fData = [0,0,0,0,0,0,0,0]Data[0] = 0x60Data[1] = vco2.Data[1]Data[2] = vco2.Data[2]Data[3] = vco2.Data[3]vco.Data = tuple(Data)show = 'TXD n: {}\t ID:  {}\t len:  {}\t data：{}'.format(rx_n, hex(vco.ID), vco.DataLen,[hex(i) for i in list(vco.Data[0:vco.DataLen])])print(show)ret = dll.VCI_Transmit(nDeviceType, nDeviceInd, 0, pointer(vco), 1)  # 发送两帧print("transmit:", ret)

from ctypes import *dll = windll.LoadLibrary('./ControlCAN.dll')
nDeviceType = 21 #* USBCAN-2E-U *
nDeviceInd = 0#* 索引号0 *
nReserved = 0
nCANInd = 1 #can通道号class _VCI_INIT_CONFIG(Structure):_fields_ = [("AccCode", c_ulong), ("AccMask", c_ulong), ("Reserved", c_ulong), ("Filter", c_ubyte),("Timing0", c_ubyte), ("Timing1", c_ubyte), ("Mode", c_ubyte)]
class _VCI_CAN_OBJ(Structure):_fields_ = [("ID", c_uint), ("TimeStamp", c_uint), ("TimeFlag", c_ubyte), ("SendType", c_ubyte),("RemoteFlag", c_ubyte), ("ExternFlag", c_ubyte), ("DataLen", c_ubyte), ("Data", c_ubyte*8),("Reserved", c_ubyte*3)]
#ubyte_array8 = c_ubyte*8
#ubyte_array3 = c_ubyte*3
vic = _VCI_INIT_CONFIG()
vic.AccCode = 0x00000000
vic.AccMask = 0xffffffff
vic.Filter = 0
vic.Timing0 = 0x00
vic.Timing1 = 0x1c
vic.Mode = 0vco = _VCI_CAN_OBJ()
vco.ID = 0x00000001
vco.SendType = 0
vco.RemoteFlag = 0
vco.ExternFlag = 0
vco.DataLen = 8
vco.Data = (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)ret = dll.VCI_OpenDevice(nDeviceType, nDeviceInd, nReserved)
print("opendevice:",ret)
ret = dll.VCI_SetReference(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, 0, pointer(c_int(0x060007)))
print("setrefernce0:",ret)  #注意，SetRefernce必须在InitCan之前
ret = dll.VCI_InitCAN(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, pointer(vic))
print("initcan0:",ret)
ret = dll.VCI_StartCAN(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd)
print("startcan0:",ret)
while 1:# print("transmit:",ret)ret = dll.VCI_Receive(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, pointer(vco), 1, -1)#if ret > 0:show = 'ID:{},len:{},data：{}'.format(hex(vco.ID),vco.DataLen,vco.Data)print(show)ret = dll.VCI_Transmit(nDeviceType, nDeviceInd, nCANInd, pointer(vco), 1)  #