I. Estrutura do Protocolo

1. Camada Física

O protocolo CANopen é baseado na tecnologia de barramento CAN. Sua camada física define como os sinais são transmitidos no barramento, incluindo características elétricas e meios de transmissão. O meio de transmissão comumente utilizado é o cabo de par trançado, que resiste efetivamente a interferências eletromagnéticas e garante a transmissão estável de sinais.

Em termos de características elétricas, o barramento CAN utiliza transmissão de sinal diferencial. O sinal lógico é representado pela diferença de tensão entre duas linhas (CAN_H e CAN_L). Por exemplo, quando CAN_H está aproximadamente 2V acima de CAN_L, representa um "1" lógico (recessivo); quando CAN_H está aproximadamente 2V abaixo de CAN_L, representa um "0" lógico (dominante). Essa transmissão diferencial aumenta significativamente a capacidade de resistência a interferências, tornando-a adequada para ambientes industriais.

2. Camada de Enlace de Dados

a. Tipos de Quadros:

A camada de enlace de dados do CANopen é responsável pelo enquadramento, detecção e tratamento de erros. Ela define quatro tipos de quadros: quadro de dados, quadro remoto, quadro de erro e quadro de sobrecarga. Os quadros de dados transportam dados reais e consistem em um campo de arbitragem, campo de controle, campo de dados, campo CRC, campo ACK e campo de fim de quadro. O campo de arbitragem determina a prioridade de acesso ao barramento; um identificador mais baixo corresponde a uma prioridade mais alta. Quando vários nós tentam enviar dados simultaneamente, o mecanismo de arbitragem garante que o nó com maior prioridade possa ocupar o barramento primeiro.

b. Detecção e Tratamento de Erros:

A camada de enlace de dados do CANopen possui uma forte capacidade de detecção de erros. A Verificação de Redundância Cíclica (CRC) é usada para verificar a integridade do campo de dados. Se um erro for detectado, o nó receptor envia um quadro de erro. Ao receber o quadro de erro, o nó transmissor retransmite o quadro de dados para garantir uma transmissão confiável.

3. Camada de Aplicação

a. Dicionário de Objetos:

O dicionário de objetos é o núcleo da camada de aplicação do CANopen. É uma coleção organizada de objetos, cada um com um índice e subíndice únicos. Ele contém todos os parâmetros comunicáveis, informações de configuração e status operacional do dispositivo. Por exemplo, em um acionamento de motor, o dicionário de objetos pode incluir velocidade do motor, limites de torque e modos de operação. Acessar e manipular o dicionário de objetos permite que diferentes dispositivos troquem dados e coordenem funções.

b. Objetos de Comunicação:

O CANopen define vários objetos de comunicação, como Objetos de Dados de Processo (PDOs) e Objetos de Dados de Serviço (SDOs). Os PDOs são usados para a transmissão rápida de dados em tempo real. Ao mapear dados do dicionário de objetos para PDOs, os dados podem ser transmitidos pelo barramento sem análise complexa de protocolo, melhorando a eficiência. Por exemplo, no controle de juntas de robôs, os PDOs podem transmitir rapidamente dados de posição e velocidade do motor. Os SDOs são usados para leitura/escrita no dicionário de objetos, permitindo a configuração do dispositivo e ajuste de parâmetros. Por exemplo, os SDOs podem definir remotamente a velocidade ou aceleração de um motor.

II. Visão Geral da Comunicação

1. Métodos de Comunicação

a. Comunicação Mestre-Escravo:

Em uma rede CANopen, geralmente há um nó mestre (por exemplo, PLC) e vários nós escravos (por exemplo, sensores, atuadores). O nó mestre gerencia a comunicação da rede, enviando comandos e consultando dados. Os nós escravos respondem de acordo com as instruções do mestre. Por exemplo, um nó mestre pode enviar um comando para ler a temperatura de um sensor, e o sensor retorna a temperatura atual via barramento CAN.

b. Comunicação Multi-Mestre:

O CANopen também suporta comunicação multi-mestre, onde vários nós mestres podem competir pelo controle do barramento simultaneamente. Neste modo, cada nó mestre pode enviar dados ativamente. Quando vários nós transmitem ao mesmo tempo, o mecanismo de arbitragem determina qual nó tem prioridade para ocupar o barramento. Por exemplo, em um sistema de controle distribuído, vários controladores podem atuar como nós mestres e enviar independentemente comandos de controle para nós escravos com base em requisitos reais.

c. Velocidade de Comunicação:

O CANopen suporta várias velocidades de comunicação, incluindo 10 Kbps, 20 Kbps, 50 Kbps, 100 Kbps, 125 Kbps, 250 Kbps, 500 Kbps e 1 Mbps. Os usuários podem selecionar uma velocidade apropriada de acordo com os cenários de aplicação. Normalmente, velocidades mais altas (por exemplo, 500 Kbps ou 1 Mbps) são escolhidas para aplicações de curta distância e alta demanda em tempo real, como controle de movimento de robôs de alta velocidade, enquanto velocidades mais baixas (por exemplo, 100 Kbps ou 125 Kbps) são preferidas para redes de longa distância ou altamente carregadas para garantir estabilidade.

2. Mecanismo de Comunicação PDO

a. Mapeamento PDO:

Os PDOs transmitem dados do dicionário de objetos pelo barramento através de mapeamento. Os usuários podem configurar o mapeamento PDO para selecionar quais dados do dicionário de objetos transmitir. Por exemplo, em um sistema de controle de movimento, a posição, velocidade e torque do motor podem ser mapeados para PDOs para transmissão rápida de dados em tempo real.

b. Transmissão Síncrona e Assíncrona:

Os PDOs podem ser transmitidos de forma síncrona ou assíncrona. Na transmissão síncrona, todos os nós enviam ou recebem PDOs ao receber um sinal de sincronização, adequado para operações coordenadas de múltiplos nós, como controle de movimento multi-eixo. A transmissão assíncrona permite que os nós enviem ou recebam PDOs independentemente, proporcionando flexibilidade para aplicações menos críticas em termos de tempo.

3. Mecanismo de Comunicação SDO

a. Operação de Leitura:

Quando um nó mestre precisa ler um parâmetro do dicionário de objetos de um escravo, ele envia uma solicitação de leitura SDO contendo o índice e subíndice do objeto. O escravo responde com os dados solicitados. Por exemplo, para ler uma configuração de frequência de um acionamento, o mestre envia uma solicitação de leitura SDO, e o acionamento retorna a frequência atual.

b. Operação de Escrita:

O nó mestre envia uma solicitação de escrita SDO com o índice, subíndice e dados a serem escritos. O escravo escreve os dados no local correspondente do dicionário de objetos e responde para confirmar o sucesso. Por exemplo, o mestre pode definir a abertura de uma válvula via uma solicitação de escrita SDO.

III. Cenários de Aplicação

1. Linhas de Produção Automatizadas:

Nas linhas de produção automatizadas de automóveis, eletrônicos e outros setores, o CANopen conecta robôs, sensores e atuadores. O controle preciso de comunicação permite processos eficientes de montagem, inspeção de qualidade e outros, melhorando a eficiência de produção e a qualidade do produto.

2. Logística e Armazenamento Inteligente:

Em armazéns inteligentes, veículos de transporte, empilhadeiras e esteiras utilizam o CANopen para operação coordenada. O sistema pode agendar transporte, armazenamento e triagem em tempo real, melhorando a utilização do espaço, reduzindo custos e aumentando a inteligência operacional.

3. Sistemas de Controle de Elevadores:

O CANopen garante a operação segura e o despacho eficiente de elevadores. Controladores de cabine, controladores de portas e unidades de exibição de andares trocam informações em tempo real via CANopen, permitindo operação suave, parada precisa e diagnóstico de falhas, proporcionando uma experiência segura e confortável para os passageiros.