I. Estructura del Protocolo

1. Capa Física

El protocolo CANopen se basa en la tecnología de bus CAN. Su capa física define cómo se transmiten las señales en el bus, incluyendo las características eléctricas y los medios de transmisión. El medio de transmisión comúnmente utilizado es el cable de par trenzado, que resiste eficazmente las interferencias electromagnéticas y garantiza una transmisión de señal estable.

En cuanto a las características eléctricas, el bus CAN utiliza transmisión de señal diferencial. La señal lógica se representa mediante la diferencia de voltaje entre dos líneas (CAN_H y CAN_L). Por ejemplo, cuando CAN_H es aproximadamente 2V mayor que CAN_L, representa un "1" lógico (recesivo); cuando CAN_H es aproximadamente 2V menor que CAN_L, representa un "0" lógico (dominante). Esta transmisión diferencial mejora significativamente la capacidad antiinterferencias, haciéndola adecuada para entornos industriales.

2. Capa de Enlace de Datos

a. Tipos de Trama:

La capa de enlace de datos de CANopen se encarga del entramado, la detección de errores y su manejo. Define cuatro tipos de tramas: trama de datos, trama remota, trama de error y trama de sobrecarga. Las tramas de datos transportan datos reales y constan de un campo de arbitraje, un campo de control, un campo de datos, un campo CRC, un campo ACK y un campo de fin de trama. El campo de arbitraje determina la prioridad de acceso al bus; un identificador más bajo corresponde a una mayor prioridad. Cuando varios nodos intentan enviar datos simultáneamente, el mecanismo de arbitraje garantiza que el nodo con mayor prioridad pueda ocupar el bus primero.

b. Detección y Manejo de Errores:

La capa de enlace de datos de CANopen tiene una fuerte capacidad de detección de errores. Se utiliza la Verificación de Redundancia Cíclica (CRC) para verificar la integridad del campo de datos. Si se detecta un error, el nodo receptor envía una trama de error. Al recibir la trama de error, el nodo emisor retransmite la trama de datos para garantizar una transmisión confiable.

3. Capa de Aplicación

a. Diccionario de Objetos:

El diccionario de objetos es el núcleo de la capa de aplicación de CANopen. Es una colección organizada de objetos, cada uno con un índice y subíndice únicos. Contiene todos los parámetros comunicables, información de configuración y estado operativo del dispositivo. Por ejemplo, en un accionamiento de motor, el diccionario de objetos puede incluir la velocidad del motor, los límites de par y los modos de operación. Acceder y manipular el diccionario de objetos permite que diferentes dispositivos intercambien datos y coordinen funciones.

b. Objetos de Comunicación:

CANopen define varios objetos de comunicación, como Objetos de Datos de Proceso (PDOs) y Objetos de Datos de Servicio (SDOs). Los PDOs se utilizan para la transmisión rápida de datos en tiempo real. Al mapear datos del diccionario de objetos a PDOs, los datos pueden transmitirse por el bus sin un análisis complejo del protocolo, mejorando la eficiencia. Por ejemplo, en el control de articulaciones de robots, los PDOs pueden transmitir rápidamente datos de posición y velocidad del motor. Los SDOs se utilizan para leer/escribir en el diccionario de objetos, permitiendo la configuración del dispositivo y el ajuste de parámetros. Por ejemplo, los SDOs pueden configurar remotamente la velocidad o aceleración del motor.

II. Resumen de Comunicación

1. Métodos de Comunicación

a. Comunicación Maestro-Esclavo:

En una red CANopen, generalmente hay un nodo maestro (por ejemplo, un PLC) y múltiples nodos esclavos (por ejemplo, sensores, actuadores). El nodo maestro gestiona la comunicación de la red, enviando comandos y consultando datos. Los nodos esclavos responden según las instrucciones del maestro. Por ejemplo, un nodo maestro puede enviar un comando para leer la temperatura de un sensor, y el sensor devuelve la temperatura actual a través del bus CAN.

b. Comunicación Multi-Maestro:

CANopen también admite comunicación multi-maestro, donde múltiples nodos maestros pueden competir por el control del bus simultáneamente. En este modo, cada nodo maestro puede enviar datos activamente. Cuando varios nodos transmiten al mismo tiempo, el mecanismo de arbitraje determina qué nodo tiene prioridad para ocupar el bus. Por ejemplo, en un sistema de control distribuido, varios controladores pueden actuar como nodos maestros y enviar comandos de control a nodos esclavos de forma independiente según los requisitos reales.

c. Velocidad de Comunicación:

CANopen admite varias velocidades de comunicación, incluyendo 10 Kbps, 20 Kbps, 50 Kbps, 100 Kbps, 125 Kbps, 250 Kbps, 500 Kbps y 1 Mbps. Los usuarios pueden seleccionar una velocidad adecuada según los escenarios de aplicación. Normalmente, se eligen velocidades más altas (por ejemplo, 500 Kbps o 1 Mbps) para aplicaciones de corta distancia y alta capacidad de respuesta en tiempo real, como el control de movimiento de robots de alta velocidad, mientras que se prefieren velocidades más bajas (por ejemplo, 100 Kbps o 125 Kbps) para redes de larga distancia o con alta carga para garantizar la estabilidad.

2. Mecanismo de Comunicación PDO

a. Mapeo PDO:

Los PDOs transmiten datos del diccionario de objetos a través del bus mediante mapeo. Los usuarios pueden configurar el mapeo PDO para seleccionar qué datos del diccionario de objetos transmitir. Por ejemplo, en un sistema de control de movimiento, la posición, velocidad y par del motor pueden mapearse a PDOs para una transmisión rápida de datos en tiempo real.

b. Transmisión Síncrona y Asíncrona:

Los PDOs pueden transmitirse de forma síncrona o asíncrona. En la transmisión síncrona, todos los nodos envían o reciben PDOs al recibir una señal de sincronización, adecuada para operaciones coordinadas de múltiples nodos, como el control de movimiento multi-eje. La transmisión asíncrona permite que los nodos envíen o reciban PDOs de forma independiente, proporcionando flexibilidad para aplicaciones menos críticas en tiempo.

3. Mecanismo de Comunicación SDO

a. Operación de Lectura:

Cuando un nodo maestro necesita leer un parámetro del diccionario de objetos de un esclavo, envía una solicitud de lectura SDO que contiene el índice y subíndice del objeto. El esclavo responde con los datos solicitados. Por ejemplo, para leer un ajuste de frecuencia de un accionamiento, el maestro envía una solicitud de lectura SDO, y el accionamiento devuelve la frecuencia actual.

b. Operación de Escritura:

El nodo maestro envía una solicitud de escritura SDO con el índice, subíndice y datos a escribir. El esclavo escribe los datos en la ubicación correspondiente del diccionario de objetos y responde para confirmar el éxito. Por ejemplo, el maestro puede establecer la apertura de una válvula mediante una solicitud de escritura SDO.

III. Escenarios de Aplicación

1. Líneas de Fabricación Automatizadas:

En líneas de producción automatizadas de automoción, electrónica y otros sectores, CANopen conecta robots, sensores y actuadores. El control de comunicación preciso permite procesos eficientes de ensamblaje, inspección de calidad y otros, mejorando la eficiencia de producción y la calidad del producto.

2. Logística y Almacenamiento Inteligente:

En almacenes inteligentes, los transbordadores, apiladoras y transportadores utilizan CANopen para operaciones coordinadas. El sistema puede programar el transporte, almacenamiento y clasificación en tiempo real, mejorando la utilización del espacio, reduciendo costos y aumentando la inteligencia operativa.

3. Sistemas de Control de Ascensores:

CANopen garantiza la operación segura y el despacho eficiente de ascensores. Los controladores de cabina, puertas y unidades de visualización de pisos intercambian información en tiempo real a través de CANopen, permitiendo una operación fluida, paradas precisas y diagnóstico de fallos, proporcionando una experiencia segura y cómoda para los pasajeros.