工业通信协议解析，CANopen FD相比CANopen强在哪？核心技术升级与场景应用

摘要：随着工业自动化、智能制造和高端设备对数据传输速率和带宽要求的不断提高，传统的CAN总线在某些场景下已显现出性能瓶颈。为应对这一挑战，CANopen FD应运而生——它将经典CANopen协议的稳定性与CAN FD物理层的高性能完美结合，为现代嵌入式系统提供了强

随着工业自动化、智能制造和高端设备对数据传输速率和带宽要求的不断提高，传统的 CAN 总线在某些场景下已显现出性能瓶颈。为应对这一挑战，CANopen FD 应运而生 —— 它将经典 CANopen 协议的稳定性与 CAN FD 物理层的高性能完美结合，为现代嵌入式系统提供了强大的通信解决方案。

一、CANopen FD 的起源与发展

CANopen FD 并非全新的独立技术，而是对经典 CANopen 协议的重大演进。

1. 来源基础

CANopen FD 基于CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate）物理层协议栈开发。CAN FD 本身是对传统 CAN2.0（经典 CAN）的底层增强，在保留 CAN 总线稳定可靠特性的同时，通过 “比特率切换” 技术和更大的数据帧，显著提升了数据传输速率与效率。

2. 推出机构与时间

该技术由国际组织CiA（CAN in Automation）主导开发和标准化，核心规范《CiA 1301 - CANopen FD application layer and communication profile》于 2017 年左右正式发布，标志着 CANopen 协议进入高速、大容量数据传输时代。

二、使用范围与应用案例

CANopen FD 主要应用于对数据吞吐量、实时性、网络负载有更高要求的场合，凡是经典 CANopen 可应用的领域，需提升性能时均可升级至 CANopen FD。典型应用案例包括：

• 高端工业自动化：多轴机器人协作、精密数控机床（CNC）等场景中，需在多个驱动器与控制器间进行微秒级高速同步数据交换，CANopen FD 的 64 字节数据帧可高效传输多轴的位置、速度和力矩指令。

• 先进医疗设备：CT 扫描仪、核磁共振（MRI）设备等，内部模块需高速传输大量传感器原始数据或控制参数，CANopen FD 能有效减少通信延迟，提升设备性能。

• 特种与工程车辆：现代农用机械、消防车、挖掘机等集成大量传感器、执行器和控制器，CANopen FD 可轻松承载 GPS、摄像头、雷达、液压系统等子系统的高频数据流。

• 实验室与测试设备：数据采集和高速测试平台中，需实时记录与传输大量测试数据，CANopen FD 的高带宽特性使其成为理想选择。

三、协议栈内容与 CANopen 的区别

CANopen FD 继承了 CANopen 的对象字典（Object Dictionary）、网络管理（NMT）、心跳（Heartbeat）等核心概念，但在通信对象的实现与能力上有显著增强，主要区别如下：

1. 物理层基础：波特率与数据容量的革命性提升

这是两者最根本的区别，直接决定总线性能上限。

（1）波特率（Baud Rate）

• CANopen（基于经典 CAN）：采用单一固定波特率，整个数据帧（仲裁、数据、应答）以同一速率传输（如 125kbps、250kbps、500kbps，最高 1Mbps），速率受总线长度严格限制（速率越高，总线长度要求越短）。

• CANopen FD（基于 CAN FD）：采用 **“比特率切换（Bit Rate Switching）” 技术 **，实现双波特率传输：

◦ 仲裁段波特率（Nominal Bit Rate）：帧的仲裁场、控制场等部分使用较低且稳定的波特率（如 500kbps 或 1Mbps），确保网络稳定性与长距离传输能力，兼容经典 CAN；

◦ 数据段波特率（Data Bit Rate）：数据场和 CRC 场动态切换至更高波特率（如 2Mbps、5Mbps 甚至更高），数据传输完成后切换回常规速率。

• 优势：兼顾传输距离与速度，在保证网络稳定性的前提下，大幅提升有效数据传输效率。

（2）数据帧容量（Data Frame Capacity）

• CANopen：每帧最多承载 8 字节有效数据；

• CANopen FD：每帧最多承载 64 字节有效数据，容量为前者的 8 倍。

2. SDO（服务数据对象）的升级 ——USDO（通用服务数据对象）

这是 CANopen FD 在协议栈上的核心革新之一：

• CANopen：SDO 用于点对点配置与参数读写，传输效率低，不支持路由；

• CANopen FD：引入全新的 USDO 服务，具备四大优势：

a. 高效传输：针对 64 字节长帧优化，传输大块数据时开销更小；

b. 路由能力：天生支持跨网段路由，复杂网关网络中节点通信配置更简单；

c. 广播与组播：支持向多个节点同时发送请求，可高效批量配置设备或查询数据；

d. 并行通信：一个 USDO 服务器可同时处理多个客户端的请求。

3. PDO（过程数据对象）的增强

PDO 用于传输实时、周期性的过程数据：

• CANopen：每个 PDO 消息最多映射 8 字节对象字典数据，数据超 8 字节时需用多个 PDO，增加总线负载与配置复杂度；

• CANopen FD：每个 PDO 消息最多映射 64 字节数据，单个 PDO 即可传输复杂设备（如伺服驱动器）的所有关键状态信息，或同时更新多个传感器数值，大幅提升总线效率与实时性。

4. EMCY（紧急报文）的扩展

EMCY 用于设备故障时向网络广播错误信息：

• CANopen：紧急报文受限于 8 字节，诊断信息有限；

• CANopen FD：紧急报文可携带 64 字节数据，故障时能上报更详细的诊断代码与现场数据，助力快速定位问题根源。

四、总结

CANopen FD 并非对 CANopen 的颠覆，而是顺应技术发展需求的强大升级：它保留了 CANopen 成熟可靠的应用层设计哲学，同时通过双波特率机制与更大数据帧，充分释放 CAN FD 物理层的潜能。对于受传统 CAN 总线带宽限制的新一代高性能嵌入式系统而言，CANopen FD 是理想的通信协议选择。