I. هيكل البروتوكول

1. الطبقة الفيزيائية

يعتمد بروتوكول CANopen على تقنية ناقل CAN. تحدد الطبقة الفيزيائية كيفية إرسال الإشارات على الناقل، بما في ذلك الخصائص الكهربائية ووسائط الإرسال. الوسيط الشائع الاستخدام هو كابل زوج مجدول، الذي يقاوم التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال ويضمن إرسال إشارات مستقر.

من حيث الخصائص الكهربائية، يستخدم ناقل CAN إرسال إشارة تفاضلية. يتم تمثيل الإشارة المنطقية عن طريق فرق الجهد بين خطين (CAN_H و CAN_L). على سبيل المثال، عندما يكون CAN_H أعلى بحوالي 2V من CAN_L، فإنه يمثل "1" منطقي (متنحي)؛ عندما يكون CAN_H أقل بحوالي 2V من CAN_L، فإنه يمثل "0" منطقي (مسيطر). يعزز هذا الإرسال التفاضلي بشكل كبير القدرة على مقاومة التداخل، مما يجعله مناسبًا للبيئات الصناعية.

2. طبقة ربط البيانات

أ. أنواع الإطارات:

طبقة ربط البيانات في CANopen مسؤولة عن تأطير البيانات، واكتشاف الأخطاء، ومعالجتها. تحدد أربعة أنواع من الإطارات: إطار البيانات، إطار التحكم عن بعد، إطار الخطأ، وإطار التحميل الزائد. تحمل إطارات البيانات البيانات الفعلية وتتكون من حقل التحكيم، حقل التحكم، حقل البيانات، حقل CRC، حقل ACK، وحقل نهاية الإطار. يحدد حقل التحكيم أولوية الوصول إلى الناقل؛ حيث يتوافق المعرف الأقل مع أولوية أعلى. عندما تحاول عدة عقد إرسال بيانات في وقت واحد، تضمن آلية التحكيم أن العقدة ذات الأولوية الأعلى يمكنها احتلال الناقل أولاً.

ب. اكتشاف الأخطاء ومعالجتها:

تمتلك طبقة ربط البيانات في CANopen قدرة قوية على اكتشاف الأخطاء. يتم استخدام فحص التكرار الدوري (CRC) للتحقق من سلامة حقل البيانات. إذا تم اكتشاف خطأ، ترسل العقدة المستقبلة إطار خطأ. عند استلام إطار الخطأ، تقوم العقدة المرسلة بإعادة إرسال إطار البيانات لضمان نقل موثوق.

3. طبقة التطبيق

أ. قاموس الكائنات:

قاموس الكائنات هو جوهر طبقة تطبيق CANopen. إنه مجموعة منظمة من الكائنات، لكل منها فهرس وفهرس فرعي فريد. يحتوي على جميع المعلمات القابلة للاتصال، معلومات التكوين، وحالة تشغيل الجهاز. على سبيل المثال، في محرك قيادة، قد يتضمن قاموس الكائنات سرعة المحرك، حدود عزم الدوران، وأنماط التشغيل. يتيح الوصول إلى قاموس الكائنات وتعديله لأجهزة مختلفة تبادل البيانات وتنسيق الوظائف.

ب. كائنات الاتصال:

يحدد CANopen عدة كائنات اتصال، مثل كائنات بيانات العملية (PDOs) وكائنات بيانات الخدمة (SDOs). تُستخدم PDOs للإرسال السريع للبيانات في الوقت الفعلي. من خلال تعيين البيانات من قاموس الكائنات إلى PDOs، يمكن نقل البيانات عبر الناقل دون تحليل بروتوكول معقد، مما يحسن الكفاءة. على سبيل المثال، في التحكم في مفاصل الروبوت، يمكن لـ PDOs نقل بيانات موضع وسرعة المحرك بسرعة. تُستخدم SDOs لقراءة/كتابة قاموس الكائنات، مما يسمح بتكوين الجهاز وضبط المعلمات. على سبيل المثال، يمكن لـ SDOs تعيين سرعة المحرك أو التسارع عن بُعد.

II. نظرة عامة على الاتصال

1. طرق الاتصال

أ. اتصال رئيسي-تابع:

في شبكة CANopen، يوجد عادة عقدة رئيسية واحدة (مثل PLC) وعدة عقد تابعة (مثل أجهزة الاستشعار، المشغلات). تدير العقدة الرئيسية اتصال الشبكة، وإرسال الأوامر والاستعلام عن البيانات. تستجيب العقد التابعة وفقًا لتعليمات الرئيسي. على سبيل المثال، قد ترسل العقدة الرئيسية أمرًا لقراءة درجة الحرارة من جهاز استشعار، ويعيد جهاز الاستشعار درجة الحرارة الحالية عبر ناقل CAN.

ب. اتصال متعدد الرئيسيات:

يدعم CANopen أيضًا اتصالًا متعدد الرئيسيات، حيث يمكن لعدة عقد رئيسية التنافس على التحكم في الناقل في وقت واحد. في هذا الوضع، يمكن لكل عقدة رئيسية إرسال البيانات بنشاط. عندما ترسل عدة عقد في نفس الوقت، تحدد آلية التحكيم العقدة التي لها الأولوية في احتلال الناقل. على سبيل المثال، في نظام تحكم موزع، يمكن لعدة وحدات تحكم أن تعمل كعقد رئيسية وإرسال أوامر تحكم إلى العقد التابعة بشكل مستقل بناءً على المتطلبات الفعلية.

ج. سرعة الاتصال:

يدعم CANopen سرعات اتصال مختلفة، بما في ذلك 10 كيلوبت/ثانية، 20 كيلوبت/ثانية، 50 كيلوبت/ثانية، 100 كيلوبت/ثانية، 125 كيلوبت/ثانية، 250 كيلوبت/ثانية، 500 كيلوبت/ثانية، و 1 ميغابت/ثانية. يمكن للمستخدمين اختيار سرعة مناسبة وفقًا لسيناريوهات التطبيق. عادةً ما يتم اختيار سرعات أعلى (مثل 500 كيلوبت/ثانية أو 1 ميغابت/ثانية) للتطبيقات قصيرة المدى وعالية الوقت الفعلي مثل التحكم في حركة الروبوت عالية السرعة، بينما تفضل سرعات أقل (مثل 100 كيلوبت/ثانية أو 125 كيلوبت/ثانية) للشبكات طويلة المدى أو ذات الحمل الثقيل لضمان الاستقرار.

2. آلية اتصال PDO

أ. تعيين PDO:

تنقل PDOs بيانات قاموس الكائنات عبر الناقل من خلال التعيين. يمكن للمستخدمين تكوين تعيين PDO لاختيار بيانات قاموس الكائنات المراد نقلها. على سبيل المثال، في نظام تحكم الحركة، يمكن تعيين موضع المحرك، السرعة، وعزم الدوران إلى PDOs لنقل بيانات الوقت الفعلي بسرعة.

ب. الإرسال المتزامن وغير المتزامن:

يمكن إرسال PDOs بشكل متزامن أو غير متزامن. في الإرسال المتزامن، ترسل جميع العقد أو تستقبل PDOs عند استقبال إشارة مزامنة، وهو مناسب للعمليات متعددة العقد المنسقة مثل التحكم في الحركة متعدد المحاور. يسمح الإرسال غير المتزامن للعقد بإرسال أو استقبال PDOs بشكل مستقل، مما يوفر مرونة للتطبيقات الأقل أهمية من حيث الوقت.

3. آلية اتصال SDO

أ. عملية القراءة:

عندما تحتاج العقدة الرئيسية إلى قراءة معلمة من قاموس كائنات التابع، ترسل طلب قراءة SDO يحتوي على فهرس وفهرس فرعي للكائن. يستجيب التابع بالبيانات المطلوبة. على سبيل المثال، لقراءة إعداد تردد من محرك، ترسل العقدة الرئيسية طلب قراءة SDO، ويعيد المحرك التردد الحالي.

ب. عملية الكتابة:

ترسل العقدة الرئيسية طلب كتابة SDO مع الفهرس، الفهرس الفرعي، والبيانات المراد كتابتها. يكتب التابع البيانات إلى موقع قاموس الكائنات المقابل ويستجيب لتأكيد النجاح. على سبيل المثال، يمكن للرئيسي تعيين فتح صمام عبر طلب كتابة SDO.

III. سيناريوهات التطبيق

1. خطوط التصنيع الآلي:

في خطوط الإنتاج الآلي للسيارات، الإلكترونيات، وغيرها، يربط CANopen الروبوتات، وأجهزة الاستشعار، والمشغلات. يتيح التحكم الدقيق في الاتصال إجراء عمليات التجميع، فحص الجودة، وغيرها بكفاءة، مما يحسن كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.

2. الخدمات اللوجستية والمستودعات الذكية:

في المستودعات الذكية، تستخدم المكوكات، الرافعات، والناقلات CANopen للتشغيل المنسق. يمكن للنظام جدولة النقل، التخزين، والفرز في الوقت الفعلي، مما يحسن استخدام المساحة، ويقلل التكاليف، ويعزز ذكاء العمليات.

3. أنظمة التحكم في المصاعد:

يضمن CANopen التشغيل الآلي والفعال للمصاعد. تتبادل وحدات التحكم في الكابينة، وحدات التحكم في الأبواب، ووحدات عرض الطوابق المعلومات في الوقت الفعلي عبر CANopen، مما يتيح تشغيلًا سلسًا، توقفًا دقيقًا، وتشخيص الأعطال، مما يوفر تجربة آمنة ومريحة للركاب.