时序、异常与互操作

现场 80% 问题：地址换算、字节序、超时、485 接线，而不是“功能码不会写”

1. 超时与重试

超时：无响应（线断、地址错、波特率错、DE 脚）
异常响应：有应答但 FC|0x80（地址/功能不支持等）

2. 字节序 / 字序（Float 重灾区）

寄存器内字节：规范示例常为 大端（高字节在前）。
跨两寄存器的 float/int32，厂商可能：

验证方法：写已知浮点或对比厂商调试软件读数，固化到点表。

3. 数量上限

• 单次读寄存器常见 ≤125
• 单次读线圈受字节打包与 PDU 限制
• 超限 → 异常 03 或设备直接不理

大块数据：拆成多帧或用设备专用 FC。

4. 多主站与网关

• 纯 RS-485 RTU：不要多个无协调主站同时轮询
• TCP 多 Client：注意设备连接数上限
• 网关：确认是“透传映射”还是“点表重映射”

5. 互操作 Checklist

• 波特率/校验/停止位一致
• 终端电阻与接地
• 从站地址唯一
• 0-based vs 4xxxx 已换算
• FC 与表类型匹配
• float 字序已验证
• 超时与轮询不打架
• TCP Unit ID 符合网关/直连场景

下一篇：06-开源库与工具对比.md

开源库与工具对比

本地克隆见：../开源项目/
许可证以各仓库文件为准

1. 总览

官方/文档：

• libmodbus：https://libmodbus.org/
• 规范：https://www.modbus.org/modbus-specifications

2. libmodbus 要点

• modbus_new_rtu / modbus_new_tcp
• modbus_read_registers、modbus_write_registers 等
• 上下文 modbus_t 抽象后端
• LGPL 许可（以仓库为准）——链入闭源需注意义务

3. pymodbus 要点

• 同步/异步 API
• 可轻松起 Simulator（从站） 做 CI
• 适合先验证点表，再落到 C++/libmodbus

4. 选型建议

下一篇：07-ROS2与Modbus集成.md

ROS 2 与 Modbus 集成

目标：把 Modbus 设备（IO、电缸、仪表、简易驱动）纳入 ROS 2 / ros2_control
本地相关仓库：../开源项目/modbus_hardware_interface、ros2_modbus、modbus_rtu

1. 在机器人栈中的位置

1
2
3
4
5
6
7
8
9

Controller Manager (ros2_control)
        │
 Hardware Interface（读写 double state/command）
        │
 Modbus Client（libmodbus / 自研）
        │
  TCP:502 或  RTU:/dev/ttyUSB0
        │
     现场设备

Modbus 不适合替代 EtherCAT 做高动态多轴同步；适合外围与慢回路。

2. 三条常见接入路线

3. ros2_control 映射要点

配置中通常要声明：

• 服务器 IP/端口或串口参数
• 每个 State/Command interface 对应的：表类型、地址、数量、缩放/转换

注意：

• read()/write() 周期与 Modbus 超时匹配
• 失败时硬件接口应有明确降级（保持、报错、禁用）
• float 多寄存器转换集中在一处，写单测

4. 推荐落地步骤

1. 用 pymodbus 或 modpoll 按点表读通
2. 固定缩放与字序
3. 选 A/B/C 路线接入 ROS
4. 先只读状态，再开放写命令
5. 加 ACL/网络隔离（尤其 TCP）

5. 安全提醒

• 急停、安全扭矩关闭：不要只靠 Modbus 写线圈
• 命令寄存器要防：上电默认值、Retain 式误写、连接闪断重连后的脏写

下一篇：08-调试与排障.md

调试与排障

口诀：先物理层 → 再链路参数 → 再地址/FC → 最后字节序与业务缩放

1. 工具

2. 分层排障

物理 / 串口

链路参数

协议

TCP

3. 最小 Python 试读（示意）

1
2
3
4
5
6

from pymodbus.client import ModbusTcpClient
client = ModbusTcpClient('192.168.1.10', port=502)
assert client.connect()
rr = client.read_holding_registers(0, 10, slave=1)  # API 随版本略有差异
print(rr.registers if not rr.isError() else rr)
client.close()

（以你克隆的 pymodbus 版本文档为准。）

4. 本地项目入口

下一篇：09-规范与资料索引.md

规范与资料索引

整理日期：2026-09-03
正式规范以 Modbus Organization 为准

1. 官方规范

站点提示：极旧的 1996 Serial 规范仅用于遗留；新实现用 V1.02。

2. 与本仓库文档映射

3. 实现与教程

• libmodbus 参考手册：https://libmodbus.org/reference/
• pymodbus 文档：以仓库 doc/ / ReadTheDocs 为准
• Wireshark Modbus 支持：TCP 502 解码

本目录为工程向整理，不替代官方 PDF 正文。

CANopen 总览与工作原理

CANopen = 基于 CAN 的标准化嵌入式网络高层协议
由 CiA（CAN in Automation）维护 · 经典版 CANopen CC（CiA 301 / EN 50325-4）
演进版：CANopen FD（CiA 1301，基于 CAN FD）

1. CANopen 是什么

CANopen 是一套跑在 CAN（Controller Area Network） 之上的应用层与通信行规：

• 物理层 / 数据链路层：通常按 ISO 11898-2 / ISO 11898-1
• 应用层：对象字典、NMT、SDO、PDO、SYNC、EMCY、Heartbeat 等（CiA 301）
• 设备/应用行规：如驱动器 CiA 402、I/O CiA 401 等

设计目标一句话：在可靠、低成本的 CAN 总线上，用统一的对象模型与通信对象，实现可配置、可互操作的设备网络。

官方概述：CiA — CANopen

2. 为什么需要 CANopen（而不只是裸 CAN）

裸 CAN 只保证：

• 帧优先级仲裁
• CRC / ACK
• 多主广播

不规定：

• 节点如何上线、复位、启停
• 参数如何读写
• 周期过程数据如何组织
• 错误如何上报
• 不同厂商设备如何互换

CANopen 补齐的是应用语义：

1
2

裸 CAN：能把字节送到总线上
CANopen：约定“这些字节表示什么、谁在什么状态、如何配置、如何同步”

3. 设备内部三层结构

CiA 将一个 CANopen 设备抽象为三部分：

1
2
3
4
5
6
7
8
9

┌─────────────────────────────────────────┐
│              Application                 │  控制逻辑 / IO / 电机算法
├─────────────────────────────────────────┤
│           Object Dictionary              │  参数与过程数据的统一入口
├─────────────────────────────────────────┤
│         CANopen Protocol Stack           │  NMT/SDO/PDO/EMCY/...
├─────────────────────────────────────────┤
│              CAN Controller              │  ISO 11898
└─────────────────────────────────────────┘

对象字典是理解 CANopen 的钥匙：主站配置从站、读诊断、映射 PDO，本质上都是在访问 OD。

4. 通信对象（COB）一览

详细见 03-SDO与PDO通信.md、02-NMT与错误控制.md。

5. 主站 / 从站角色

CANopen 网络通常有：

• NMT Master：负责网络启停、监视节点（Heartbeat Consumer）
• NMT Slave：受控设备（驱动器、IO、传感器）
• SDO Client / Server：配置时 Client 读写 Server 的 OD
• PDO Producer / Consumer：过程数据发布者与消费者

注意：一个节点可同时具备多种角色（例如主站既是 NMT Master，也消费从站 TPDO）。

6. 典型上电与运行时序（概念）

1
2
3
4
5
6
7

1. 上电 / 复位
2. 节点进入 Initialization → Pre-Operational
3. （可选）LSS 配置 Node-ID / 波特率
4. 主站用 SDO 配置通信参数、PDO 映射、应用参数
5. 主站发 NMT Start → Operational
6. 周期：SYNC（可选）+ PDO 交换过程数据
7. 并行：Heartbeat 监视；异常时 EMCY

7. CANopen CC vs CANopen FD vs CoE

对机器人工程师：

• 学 CANopen 对象模型 + CiA 402，在 CAN 总线和 EtherCAT（CoE）两边都能复用。
• 差别主要在带宽、拓扑、同步精度与主站实现，不是对象语义本身。

8. 关键规范地图（先记住这些）

正式 PDF 多数需 CiA 会员登录下载：
CiA Technical Documents

9. 术语速查

下一篇：01-对象字典与预定义连接集.md

对象字典与预定义连接集

CANopen 的“统一地址空间”：一切配置、诊断、过程数据映射都围绕 Object Dictionary
通信对象默认 CAN-ID 由 预定义连接集（Pre-defined Connection Set） 决定

1. 对象字典（Object Dictionary）

每个 CANopen 设备维护一张对象字典：

• Index：16-bit（常写为 4 位十六进制，如 0x6040）
• SubIndex：8-bit（如 0x00）
• 每个条目有：数据类型、访问属性（ro/wo/rw）、默认值、可选 PDO 映射标志等

1
2
3
4
5

访问形式： Index : SubIndex
例子：
  0x1017:00  Producer Heartbeat Time
  0x6040:00  Controlword（CiA 402）
  0x6064:00  Position actual value

1.1 索引分区（必须背）

来源要点见 CiA 对内部设备架构的说明：
CiA — CANopen

1.2 通信区常见对象（1000h 起）

2. EDS 与 DCF（CiA 306）

用途：

• 配置工具导入 EDS，生成网络工程
• 主站/协议栈用 DCF/EDS 生成对象字典代码或运行时配置
• 测试与诊断工具读取设备描述

官方系列说明：
CiA 306 — Electronic Device Description

现代也常见 XML/XDD 等描述格式（工具链相关）；经典工程仍大量使用 EDS/DCF。

3. 预定义连接集（Pre-defined Connection Set）

为降低“从零配置”成本，CiA 301 定义了基于 Node-ID 的默认 COB-ID：

公式形态（概念）：COB-ID = 功能码基址 + Node-ID

3.1 常用默认 COB-ID（11-bit）

具体数值以设备 EDS / CiA 301 为准；上表用于快速心算与抓包对照。

3.2 为什么要改默认 COB-ID？

• 多主站/复杂拓扑避免冲突
• 多轴优化 PDO 布局
• 与网关、桥接设备对接
• 安全相关对象（如 SRDO）另有规则

改法：通过 SDO 写对应通信参数对象（如 1800h 的 COB-ID 子索引）。

4. 位速率与线缆（工程要点）

CiA 301 允许约 10 kbit/s ~ 1 Mbit/s。经验关系：

实践注意：

• 两端 120Ω 终端电阻
• 双绞屏蔽、单点接地策略
• 所有节点波特率必须一致（可用 LSS 统一切换）
• 高波特 + 长线 = 最先出问题的组合

5. Identity Object（1018h）为何重要

1018h 通常包含：

• Vendor-ID
• Product code
• Revision number
• Serial number

用途：

• LSS 选择性切换（按身份定位未配置节点）
• 资产盘点与固件匹配
• 主站启动时校验“接的是不是预期设备”

6. 与应用行规的衔接

通信区（1xxxh）回答：“怎么通信”
行规区（6xxxh）回答：“通信的是什么应用量”

例如 CiA 402：

详情见 04-CiA402伺服控制.md。

下一篇：02-NMT与错误控制.md

NMT 与错误控制

NMT（Network Management）决定节点能否收发过程数据
Heartbeat / Node Guarding / EMCY 决定“节点还活着吗、出了什么错”

1. NMT 状态机（从站视角）

经典状态：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

    上电/复位
        │
        ▼
  Initialization
        │
        ▼
Pre-Operational  ◀── NMT Enter Pre-Operational
   │         │
   │         └──▶ Stopped  ◀── NMT Stop
   │                │
   └── NMT Start ──▶ Operational

主站常用 NMT 命令（概念）：

• Start Remote Node
• Stop Remote Node
• Enter Pre-Operational
• Reset Node
• Reset Communication

NMT 帧优先级高（默认 COB-ID 0x000），可针对单节点或全网广播。

NMT / SYNC / EMCY / Heartbeat 的字节级格式见：
10-NMT-SYNC-TIME-EMCY-Heartbeat报文格式.md

2. 推荐启动顺序（工程模板）

1
2
3
4
5
6
7
8

1. 总线通、波特率一致、终端电阻正确
2. 节点上电 → Pre-Operational（或先 LSS 配 Node-ID）
3. 主站确认节点在线（Heartbeat / 主动探测）
4. SDO 写通信参数、PDO 映射、应用参数
5. （可选）存盘 1010h
6. NMT Start → Operational
7. 开始 SYNC + PDO 周期任务
8. 持续监视 Heartbeat / EMCY / 应用状态字

常见错误：未配置完就 Start，导致 PDO 映射不对、控制字无效、驱动拒动。

3. Heartbeat（推荐）

3.1 Producer Heartbeat

节点周期性发送自身 NMT 状态（默认 COB-ID 0x700 + Node-ID）。

关键对象：

• 1017h Producer Heartbeat Time（单位通常为 ms；0 表示关闭）

3.2 Consumer Heartbeat

监视者配置要监视的 Node-ID 与超时：

• 1016h Consumer Heartbeat Time（数组：Node-ID + 超时）

超时动作由应用决定：停轴、切安全态、告警、尝试复位等。

现代工程优先 Heartbeat，弱化 Node Guarding。

4. Node Guarding（遗留）

主站轮询从站，从站应答并翻转 toggle bit。
缺点：增加总线负载、实现复杂、易与 Heartbeat 混用出错。
新设计尽量只用 Heartbeat。

5. EMCY（Emergency）

设备检测到内部错误时发送紧急对象：

• 默认 COB-ID：0x080 + Node-ID
• 内容通常含：错误码、错误寄存器（1001h）相关信息、厂商特定字段

主站应：

1. 记录 EMCY
2. 结合 1001h / 1003h 与厂商手册解读
3. 决定是否 Stop / Reset / 切安全扭矩关闭

EMCY 不是可靠的“安全通道”；功能安全需 SRDO / 安全协议（如相关 Safety 规范）。

6. SYNC 与 TIME（特殊功能对象）

同步相关对象示例：

• 1005h COB-ID SYNC
• 1006h Communication cycle period
• 1007h Synchronous window length（若支持）

多轴运动控制里，SYNC 常与 CiA 402 的插补/周期模式配合；精度受 CAN 抖动限制，高要求场景常转向 EtherCAT DC。

7. LSS（CiA 305）简述

当设备出厂 Node-ID=0xFF（未配置）或需现场改波特率时，用 LSS：

• 请求帧：0x7E5
• 响应帧：0x7E4
• 可按 Identity（1018h）选择性配置单个从站

官方说明：
CiA 305 — Layer Setting Services

8. 故障模式速查

下一篇：03-SDO与PDO通信.md

SDO 与 PDO 通信

SDO = 配置/诊断通道（准可靠、请求-响应、非实时）
PDO = 过程数据通道（实时、可映射、可同步）

这是 CANopen 最核心的一对概念，也是 CoE（EtherCAT）里同名机制的来源。

字节级报文 / 抓包解码请直接读：

• 11-SDO报文格式详解.md
• 12-PDO报文与映射编码.md
• 总览：09-通信报文总览与CAN帧.md

1. 为什么要分 SDO 和 PDO

原则：

• 能放 PDO 的周期量，不要每周期用 SDO 扫
• 非周期配置用 SDO

2. SDO（Service Data Object）

2.1 角色

• SDO Server：拥有对象字典的设备（通常是从站）
• SDO Client：发起读写的一方（通常是主站/配置工具）

默认通道（预定义连接集）：

• Client → Server：0x600 + Node-ID
• Server → Client：0x580 + Node-ID

2.2 传输类型（概念）

2.3 工程用法

1
2

主站 SDO Upload   = 读从站 OD
主站 SDO Download = 写从站 OD

典型配置序列：

1. 读 1018h 确认设备身份
2. 写 1400h/1600h/1800h/1A00h 配置 PDO
3. 写应用参数（如 6060h 模式、6081h 速度）
4. （可选）1010h 存盘
5. NMT Start

2.4 超时与重试

SDO 必须设超时。现场常见问题：

• 从站忙/未上线 → Client 超时
• 写只读对象 → Abort
• 长度/类型不匹配 → Abort

Abort 码需对照厂商手册与 CiA 301。

3. PDO（Process Data Object）

3.1 RPDO / TPDO

一个节点通常支持多路 PDO（常 4 路默认，可扩展）。

3.2 通信参数 vs 映射参数

以 TPDO1 为例：

RPDO1 对应：

• 通信：1400h
• 映射：1600h

3.3 映射本质

PDO 净荷 = 若干 OD 条目的位串拼接（按映射表顺序）。

1
2
3
4

示例 TPDO1 映射：
  6041h:00  Statusword           16 bit
  6064h:00  Position actual      32 bit
→ 净荷 6 字节

约束：

• 经典 CAN 单帧数据场最多 8 字节 → 单 PDO 映射总长通常 ≤ 8 字节
• CANopen FD 可更大（见 CiA 402-6 等）

3.4 传输类型（Transmission Type）

常见分类：

运动控制常用：同步 PDO + 周期 SYNC，让多轴在同一节拍采样/更新。

4. 同步 PDO 时序（概念）

1
2
3
4
5

主站: 发 SYNC
      │
从站: 锁存实际值 → 发 TPDO（实际位置/状态）
主站: 计算下一拍命令 → 发 RPDO（控制字/目标）
从站: 在约定窗口应用命令

细节因驱动实现而异；402 周期模式（CSP/CSV）对此更敏感。
CAN 抖动较大时，同步质量不如 EtherCAT DC。

5. 配置 PDO 的安全步骤（实操）

很多设备要求：

1. 先让节点处于 Pre-Operational
2. 禁用 PDO（清 COB-ID 有效位）再改映射
3. 写映射条目数与各映射项
4. 重新使能 COB-ID
5. 再 NMT Start

直接在 Operational 热改映射，容易导致协议栈拒绝或行为未定义。

6. SDO 与 PDO 协作的完整图景

1
2
3
4
5
6
7

[配置阶段 Pre-Op]
  SDO ──配置──▶ OD（通信参数 + 映射 + 应用参数）

[运行阶段 Op]
  RPDO ──写入──▶ OD 映射项（如 6040/607A）──▶ 应用
  应用 ──更新──▶ OD 映射项（如 6041/6064）──▶ TPDO
  SDO 仍可用于在线诊断（勿滥用占用总线）

7. 抓包时如何辨认

假设 Node-ID = 3：

用 candump / Wireshark（SocketCAN）对照 EDS 映射表，即可解码净荷。

下一篇：04-CiA402伺服控制.md

CiA 402 伺服控制

CiA 402：驱动与运动控制设备行规（伺服 / 变频 / 步进）
部分内容对应 IEC 61800-7-201 / IEC 61800-7-301
官方介绍：CiA 402 series

在 EtherCAT 上它叫同一套语义（常经 CoE）；本篇以 CANopen 语境说明。

1. 402 解决什么问题

统一约定：

• 驱动内部 FSA（有限状态自动机）
• Controlword / Statusword 位定义
• 运行模式（位置/速度/力矩及其周期同步变体）
• 默认 PDO 映射建议
• 常用对象索引（60xxh）

目标：不同厂商驱动在“使能、点动、CSP 跟踪”等流程上可按同一状态机集成。

现实提醒（CiA 也承认）：可选功能太多，宣称 402 兼容 ≠ 完全可互换，必须按厂商手册核对强制项与厂商扩展。

2. 关键对象（先记住）

单位与缩放看厂商：常涉及 608Fh（位置编码器分辨率）等。

3. 驱动状态机（FSA）核心路径

简化（名字以常见实现为准）：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Not ready to switch on
        │
Switch on disabled
        │ shutdown
Ready to switch on
        │ switch on
Switched on
        │ enable operation
Operation enabled  ◀══ 正常运行
        │
Quick stop / Fault 等分支

主站通过写 Controlword 触发转换；读 Statusword 确认到达。

3.1 常用使能序列（口述版）

1
2
3
4
5

1) 故障则先 Fault reset
2) Shutdown          → Ready to switch on
3) Switch on         → Switched on
4) Enable operation  → Operation enabled
5) 再下发目标位置/速度

每步都要等 Statusword 对应位满足，再发下一步——这是面试/联调最高频考点。

3.2 Statusword 关注点

• 状态机状态位（低位组合）
• Voltage enabled / Warning / Fault
• Target reached / Set-point acknowledge（模式相关）
• Following error（跟随误差）

具体位图以 厂商手册 + CiA 402 为准。

4. 运行模式（Modes of operation）

机器人关节控制最常见：CSP（或 EtherCAT 下同等 CSP）。
CANopen 总线抖动大时，CSP 周期不宜过激进；多轴高动态优先 EtherCAT。

5. PDO 映射示例（教学用）

RPDO1（主站→驱动）

TPDO1（驱动→主站）

实际产品常提供多套默认 PDO（CiA 402-3/402-5）；以 EDS 为准。

6. 回零（Homing）要点

1. 6060h = 6（HM）
2. 配置 6098h 方法与开关逻辑
3. Controlword 触发 homing bit
4. 等 Statusword 指示完成
5. 切回 PP/CSP 等作业模式

方法编号含义因厂商略有差异，必须对照手册。

7. 与 EtherCAT CiA402 文档对照

本仓库 EtherCAT 侧有更细的 402 实战说明：

• ../../EtherCAT/协议/04-CiA402伺服控制.md

两边状态机与对象索引高度一致；差异在：

• 过程数据载体（CAN PDO vs EtherCAT 逻辑过程数据）
• 同步源（CAN SYNC vs DC SYNC0）
• 带宽与周期上限

8. 联调 Checklist

• Node-ID / 波特率正确，Heartbeat 正常
• Pre-Op 下用 SDO 读 1018h、6041h
• 6060h 设为目标模式，6061h 回读一致
• PDO 映射与手册默认一致（或已按步骤改完）
• NMT Start 后 Controlword 序列逐步使能
• 限位点、急停、跟随误差阈值合理
• 异常时能看到 EMCY + Fault 位，并能 Fault reset

下一篇：05-开源协议栈对比.md