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Protocolo CANopen. Edinson Dario Sozoranga Universidad Nacional de Chimborazo Electrónica y Telecomunicaciones Riobamba, Ecuador [email protected] Resumen. – La tecnología CAN es un protocolo de comunicaciones ampliamente usado en entornos y sistemas con requisitos de tiempo real, desarrollado por la compañía Robert Bosch GmbH en 1986, surgido por la necesidad de conectar cada vez más y más dispositivos electrónicos en el interior de los coches. Una vez desarrollado este protocolo surgió una variación llamado el CANopen el cual ccomprende protocolos de capa superior y especificaciones de perfil. CANopen se ha desarrollado como una red integrada estandarizada con capacidades de configuración altamente flexibles. Fue diseñado originalmente para sistemas de control de máquinas orientados al movimiento, como los sistemas de manejo. Hoy se usa en varios campos de aplicación, como equipos médicos, vehículos todo terreno, electrónica marítima, aplicaciones ferroviarias o automatización de edificios. Keywords— CAN, protocolo, CANopen, mensajes CAN.

I.

INTRODUCCIÓN

Originalmente, CAN (Controller Area Network, por sus siglas en inglés) fue desarrollado por Bosch en 1986 para redes en vehículos. Previo a eso, los fabricantes automotrices conectaban dispositivos electrónicos en los vehículos utilizando sistemas de cableado de punto a punto. Sin embargo, conforme los fabricantes comenzaron a utilizar más y más dispositivos electrónicos en los vehículos, los arneses de estos subían en su peso y costo general. Al reemplazar el cableado por redes de comunicación en los vehículos, se logró reducir el costo del cable, su complejidad y su peso. CAN, un sistema de bus serial de alta integridad destinado para comunicar dispositivos inteligentes, emergió como la red estándar para vehículos. La industria automotriz adoptó rápidamente CAN y, en 1993, se convirtió en el estándar internacional conocido como ISO 11898. Desde 1994, se han estandarizado varios protocolos de alto nivel a partir de CAN, como CANopen y DeviceNet, y su uso se ha extendido a otras industrias[ CITATION CAN18 \l 12298 ]. CANopen es una parte de la capa de aplicación de la red de comunicaciones que utilizando los recursos de CAL y el resto de capas permite intercambiar los mensajes dentro de la red. El objetivo principal de CANopen es poder definir las tramas de los objetos de cada nodo para el correcto intercambio de información entre dispositivos. El concepto central de CANopen es el diccionario de objetos. Para cada nodo de la red existe un diccionario de objetos que contiene todos los parámetros que describen el dispositivo y su comportamiento en la red. Nos permite describir completamente y de forma estándar la funcionalidad de cada dispositivo y su configuración a través del intercambio de mensajes de diferentes tipos [ CITATION CAN18 \l 12298 ]. II.

METODOLOGIA

A. CANopen CANopen es una aplicación estandarizada para sistemas de automatización industrial distribuida y fue definida basada en CAN, así como en CAL. CANopen es un estándar de CiA (CAN in Automation) y ha llegado a ser extensamente utilizado desde su lanzamiento. En Europa es considerado el estándar por defecto para la implementación de sistemas industriales basados en CAN. CANopen esta basado en el llamado “perfil de comunicación”, que especifica los mecanismos subyacentes de comunicación y si definición. La funcionalidad de un tipo de dispositivo en particular esta definida en el perfil del dispositivo. El elemento central de CANopen es la descripción de la funcionalidad, parámetros y datos de un dispositivo por medio de un “Diccionario de objetos” (OD). El diccionario de objetos está dividido en una sección de especificaciones generales acerca del dispositivo tales como identificación del dispositivo, nombre del fabricante y parámetros de comunicación, y en otra sección

que describe la funcionalidad, parámetros y datos específicos del dispositivo. Una entrada (objeto) del diccionario de objetos es identificada por un índice de 16 bits y un subíndice de 8 bits. Las entradas del diccionario de objetos están implementadas para proveer los objetos de aplicación de un dispositivo, tales como por ejemplo entrada y salida de señales, parámetros del dispositivo, funciones del dispositivo o variables estandarizadas de red. La siguiente figura muestra el modelo básico de un dispositivo CANopen con la interfaz de comunicación para conectar el dispositivo a la red, el proceso de aplicación y el diccionario de objetos que actúa como interfaz entre la red y el proceso de aplicación [ CITATION MAR17 \l 12298 ].

Figura 1.- Modelo de un dispositivo CANopen. Con redes CANopen es posible conectar hasta 127 nodos. CANopen recomienda el uso de velocidades de transmisión y longitudes del bus de acuerdo al estándar de capa física CIA DS 102. B. Caracteristicas generales de CANopen CAL proporciona todos los servicios de gestión de red y mensajes del protocolo, pero no define los contenidos de los objetos CMS ni los tipos de objetos. Es decir, define cómo pero no qué. Aquí es donde CANopen entra en juego. CANopen está por encima de CAL y utiliza un subconjunto de sus servicios y protocolos de comunicación. Proporciona una implementación de un sistema de control distribuido utilizando los servicios y protocolos de CAL. El concepto central de CANopen es el diccionario de objetos (OD, Device Object Dictionary). Es un concepto utilizado por otros buses de campo. No forma parte de CAL. C. Diccionario de objetos Uno de los temas centrales de CANopen es el diccionario de objetos (OD), que es esencialmente una tabla que almacena la configuración y procesa datos. Es un requisito para todos los dispositivos CANopen implementar un diccionario de objetos. El estándar CANopen define un índice de bits de 16 bits y un subíndice de 8 bits. Es decir, está permitido tener hasta 65536 índices y hasta 256 subentradas en cada índice. El estándar define que ciertas direcciones y rangos de direcciones deben contener parámetros específicos. Por ejemplo, el estándar define que el índice 1008h, subíndice 00h, debe contener el nombre del dispositivo. Como tal, cualquier maestro CANopen puede leer este índice desde una red de esclavos CANopen para identificar de forma única a cada esclavo por su nombre. Algunos índices del diccionario de objetos, como el tipo de dispositivo (1000h) son obligatorios, y otros, como la versión de software del fabricante (100Ah) son opcionales. La colección de índices obligatorios representa el diccionario de objetos mínimo, que se requiere para marcar un dispositivo compatible con CANopen[ CITATION REA15 \l 12298 ][ CITATION TYP16 \l 12298 ]. El diccionario de objetos es el método por el cual se puede comunicar un dispositivo CANopen. Por ejemplo, uno podría escribir un verdadero en el índice en la sección específica del fabricante del diccionario de objetos (2000h-5FFFh), que el dispositivo podría interpretar como una señal de habilitación para adquirir datos de una entrada de voltaje. Por el contrario, el maestro también puede querer leer información del diccionario de objetos para obtener los datos adquiridos o para averiguar cómo está configurado el dispositivo actualmente. Los dos mecanismos de comunicación para acceder al diccionario de objetos son Objetos de datos de servicio (SDO) y Objetos de datos de proceso (PDO), que se explicarán más adelante en este documento. Los tipos de datos básicos incluidos en el diccionario de objetos son: booleano, vacío (marcador de posición), entero sin signo, entero con signo, coma flotante y carácter. Se pueden construir tipos de datos más complejos, como cadenas, fecha y hora a partir de los tipos de datos básicos. Estos tipos de datos se pueden usar para definir tipos de datos personalizados específicos de CANopen, como el registro de parámetros PDO / SDO y el parámetro de mapeo PDO. Se recomienda al usuario que revise la especificación CANopen para obtener más detalles sobre los componentes de tipos de datos complejos y personalizados[ CITATION TYP16 \l 12298 ].

Figura 2: Estructura del Diccionario de Objetos D. Formato de mensaje CANOpen El formato del mensaje para una trama CANopen se basa en el formato de trama CAN. En el protocolo CAN, los datos se transfieren en tramas que consisten en una ID CAN de 11 o 29 bits, bits de control como el bit de transferencia remota (RTR), el campo de longitud de datos de 4 bits y de inicio, y 0 a 8 bytes de datos. La COB-ID, comúnmente conocida en CANopen, consta de la CAN-ID y los bits de control. En CANopen, la ID de CAN de 11 bits se divide en dos partes: un código de función de 4 bits y una ID de nodo de CANopen de 7 bits. La limitación de tamaño de 7 bits restringe la cantidad de dispositivos en una red CANopen a 127 nodos [ CITATION REA15 \l 12298 ].

Figura 3: formato de marco CANOpen III.

PROTOCOLOS CANOPEN

Existen varios protocolos que conforman el protocolo CANOpen:  Protocolo SDO (objeto de datos de servicio) El protocolo CANopen también especifica que cada nodo en la red debe implementar un servidor que maneje las solicitudes de lectura / escritura en su diccionario de objetos.  Protocolo PDO (objeto de datos de proceso) Los datos de proceso representan datos que pueden cambiar con el tiempo, como las entradas (es decir, los sensores) y las salidas (es decir, las unidades de motor) del controlador de nodo. Los datos del proceso también se almacenan en el diccionario de objetos.  Protocolo NMT (gestión de red) Los servicios de administración de red incluyen la capacidad de cambiar el estado de un esclavo entre inicialización, preoperativo, operativo y detenido.  Protocolos de funciones especiales. CANopen ofrece tres protocolos específicos para generar un comportamiento de red especial:

 El protocolo SYNC permite el comportamiento síncrono de la red.  El protocolo de sello de tiempo se utiliza para el ajuste de un tiempo de red único.  El protocolo de emergencia se puede utilizar para informar a otros participantes de la red sobre errores internos del dispositivo.  Protocolo de control de errores Los protocolos de control de errores permiten el monitoreo de una red CANopen[ CITATION TYP16 \l 12298 ]. IV. CONCLUSIONES CANopen es un protocolo de comunicación para la capa 7 (capa de usuario en el modelo ISO/OSI), que cuenta con un alto grado de flexibilidad para la configuración y utiliza CAN como medio de transporte de la capa 2. Originalmente desarrollado para aplicaciones de movimiento, actualmente es el protocolo utilizado en una amplia variedad de tareas, tales como la ingeniería médica, la navegación naval, los ferrocarriles y la automatización de edificios. V. AGRADECIMIENTOS Agradezco al buen desempeño del tutor que nos imparte esta materia de Comunicaciones Industriales, lo cual con su método de enseñanza adquirimos los conocimientos necesarios para ampliar nuestros horizontes e interesarnos más acerca de lo que se necesita conocer en esta catedra. VI. [1] [2] [3] [4]

REFERENCIAS

CANopen, «CIA OPEN,» 12 AGOSTO 2018. [En línea]. Available: https://www.can-cia.org/canopen/. M. DEFAZ, «ESTUDIO DEL PROTOCOLO CAN,» QUITO, 2017. R. T. AUTOMATION, «REAL TIME AUTOMATION,» 12 ENERO 2015. [En línea]. Available: https://www.rtautomation.com/technologies/canopen/. T. HIL, «TYPHOON HIL,» 12 JULIO 2016. [En línea]. Available: https://www.typhoonhil.com/documentation/typhoon-hil-schematic-editor-library/References/canopen_protocol.html.

BIOGRAFIA Edinson Darío Sozoranga Valarezo, Nací en El Oro-Ecuador el 19 de diciembre de 1991. Realicé mis estudios secundarios en el Instituto Superior Tecnológico “Ocho de Noviembre” de la ciudad de Piñas donde obtuve el título de Bachiller en Ciencias. Estoy cursando el décimo semestre de electrónica y telecomunicaciones en la Universidad Nacional de Chimborazo....