CANopen NMT：搞懂 NMT 运行流程

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先给结论

NMT 是 CANopen 的网络管理状态机控制协议，Heartbeat 是配套的节点在线与状态上报机制。在 CANopenNode 里，CO_NMT_Heartbeat.c/h 不是单纯“收一帧命令就切状态”的代码，而是把以下功能合在一个对象 CO_NMT_t 里：

  1. NMT slave / NMT consumer：接收 CAN-ID 0x000 的 NMT 命令，目标 Node-ID 为 0 或本节点时才处理。
  2. Heartbeat producer：用 CAN-ID 0x700 + nodeId 周期发送本节点 NMT 状态；初始化阶段还会发 boot-up message。
  3. NMT 状态机执行点：真正状态切换不在 CAN 接收回调里完成，而是在 CO_NMT_process() 周期调用中完成。
  4. 错误条件联动：可根据 CAN bus off、Heartbeat consumer 错误、Error register mask，把 Operational 自动降到 Pre-operational 或 Stopped。
  5. 复位请求返回：Reset node / Reset communication 不在 NMT 模块里直接重启 MCU，而是通过 CO_NMT_process() 返回 CO_RESET_APP / CO_RESET_COMM 交给应用层执行。

源码运行链路可以压缩成：

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CAN-ID 0x000 NMT command
    -> CO_NMT_receive() 校验 DLC 和 Node-ID
    -> NMT->internalCommand = command
    -> CO_NMT_process() 周期执行
    -> 切换 NMT 状态或返回 resetCommand
    -> 发送 boot-up / heartbeat：0x700 + nodeId, data[0] = NMT state

1. 先看协议：NMT 解决什么问题

1.1 NMT 的定位

CANopen 节点不是上电后立刻就能随便发 PDO。协议把设备运行分成几个 NMT 状态，主站或管理端通过 NMT 命令控制节点进入启动、停止、预运行、运行或复位流程。

在工程上，NMT 主要解决三件事：

问题 NMT/Heartbeat 的做法
什么时候允许 PDO 工作 只有 Operational 状态下 PDO 才工作
主站如何启动、停止或复位从站 发送 CAN-ID 0x000 的 NMT command
主站如何知道从站当前在线状态 从站周期发送 Heartbeat，数据字节携带 NMT state

CANopenNode 官方仓库说明它支持 NMT slave、simple NMT master，以及 heartbeat producer/consumer error control。CiA 的 NMT 公开说明也明确：NMT 协议由 active NMT manager 发送，接收后会强制 CANopen 设备转入被命令的 NMT 状态；报文是单帧 2 字节，CAN-ID 为 0。

1.2 NMT 命令帧格式

NMT command 固定使用最高优先级的标准 CAN-ID：

字段 值/含义
CAN-ID 0x000
DLC 2
Byte 0 NMT command specifier
Byte 1 目标 Node-ID；0 表示广播所有节点

常用命令值在 CO_NMT_command_t 中直接定义：

CANopenNode 枚举 数值 协议含义
CO_NMT_ENTER_OPERATIONAL 0x01 Start remote node，进入 Operational
CO_NMT_ENTER_STOPPED 0x02 Stop remote node，进入 Stopped
CO_NMT_ENTER_PRE_OPERATIONAL 0x80 Enter pre-operational
CO_NMT_RESET_NODE 0x81 Reset node，完整节点复位
CO_NMT_RESET_COMMUNICATION 0x82 Reset communication，仅通信部分复位

示例：

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# 启动所有节点进入 Operational
CAN-ID = 0x000, DLC = 2, Data = 01 00

# 让节点 5 进入 Pre-operational
CAN-ID = 0x000, DLC = 2, Data = 80 05

# 让节点 5 执行通信复位
CAN-ID = 0x000, DLC = 2, Data = 82 05

1.3 Heartbeat 与 boot-up 报文格式

Heartbeat 是错误控制协议的一部分，用于确认网络参与者仍然在线，并且仍处于预期的 NMT FSA 状态。

字段 值/含义
CAN-ID 0x700 + Node-ID
DLC 1
Byte 0 当前 NMT state

状态值在 CO_NMT_internalState_t 中定义：

状态 数值 运行含义
CO_NMT_INITIALIZING 0 初始化中；也用于 boot-up message 的数据字节
CO_NMT_PRE_OPERATIONAL 127 / 0x7F 预运行；SDO 等对象可用，PDO 不工作
CO_NMT_OPERATIONAL 5 / 0x05 运行；PDO 开始工作
CO_NMT_STOPPED 4 / 0x04 停止；只保留少量通信能力
CO_NMT_UNKNOWN -1 Heartbeat consumer 侧用于表示未知状态

注意：boot-up message 和 heartbeat 使用同一个 CAN-ID 规则。boot-up 是节点初始化完成时发出的状态值 0，后续 heartbeat 则周期性发送当前状态。

1.4 四个状态要先分清

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CANopenNode 在头文件注释里给出了状态边界：

状态 CANopenNode 注释中的语义 对 STM32 从机的直接影响
Initializing CANopen 初始化完成前的活动状态 还没进入正常 CANopen 通信流程
Pre-operational 除 PDO 外所有 CANopen 对象可用 常用于 SDO 配置、参数下载、映射检查
Operational PDO 也可用 正式跑过程数据
Stopped 只保留 Heartbeat producer 和 NMT consumer 应用输出应进入安全/停止策略

2. 再看源码：文件分工和阅读顺序

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建议阅读顺序如下：

顺序 位置 先看什么 目的
1 CO_NMT_Heartbeat.h 顶部 Doxygen 模块说明、NMT/Heartbeat 报文内容 建立协议边界
2 CO_NMT_internalState_t NMT 状态值 对照 heartbeat byte0
3 CO_NMT_command_t NMT 命令值 对照 NMT command byte0
4 CO_NMT_reset_cmd_t 返回给应用的复位动作 理解 reset 不在模块内部直接执行
5 CO_NMT_control_t 宏 NMTcontrol 的位域 理解自启动、错误降级、错误恢复
6 CO_NMT_t 状态、定时器、CAN buffer、回调 理解运行时对象保存了什么
7 CO_NMT_init() 初始化对象、OD 0x1017、CAN RX/TX 理解初始化阶段做了什么
8 CO_NMT_receive() 接收 NMT 命令 理解接收回调只做预处理
9 CO_NMT_process() 状态机主逻辑 这是运行流程核心
10 CO_NMT_sendCommand() 可选 simple NMT master 发送能力 理解 CO_CONFIG_NMT_MASTER 不是完整主站

3. CO_NMT_Heartbeat.h：先把协议值和对象结构看懂

3.1 CO_CONFIG_NMT 默认配置

头文件中默认配置是：

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#ifndef CO_CONFIG_NMT
#define CO_CONFIG_NMT (CO_CONFIG_GLOBAL_FLAG_CALLBACK_PRE | CO_CONFIG_GLOBAL_FLAG_TIMERNEXT)
#endif

含义：如果工程没有自己定义 CO_CONFIG_NMT，默认打开两个公共能力：

flag 含义
CO_CONFIG_GLOBAL_FLAG_CALLBACK_PRE 收到 NMT CAN 帧预处理后可触发回调，常用于 RTOS 唤醒处理任务
CO_CONFIG_GLOBAL_FLAG_TIMERNEXT CO_NMT_process() 可给出下一次建议调用时间 timerNext_us

如果想让本节点也能主动发 NMT command，需要额外打开 CO_CONFIG_NMT_MASTER。这只表示“simple NMT master 发送能力”，不是完整主站配置器。

3.2 CO_NMT_internalState_t：Heartbeat 发送的就是这个值

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typedef enum {
    CO_NMT_UNKNOWN = -1,
    CO_NMT_INITIALIZING = 0,
    CO_NMT_PRE_OPERATIONAL = 127,
    CO_NMT_OPERATIONAL = 5,
    CO_NMT_STOPPED = 4
} CO_NMT_internalState_t;

CO_NMT_process() 发送 heartbeat 时会把当前状态写到 HB_TXbuff->data[0]。所以调试 CAN 报文时看到：

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0x705  [1]  7F   # 节点 5 处于 Pre-operational
0x705  [1]  05   # 节点 5 处于 Operational
0x705  [1]  04   # 节点 5 处于 Stopped
0x705  [1]  00   # boot-up message / Initializing

3.3 CO_NMT_command_t：NMT 命令 byte0 的来源

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typedef enum {
    CO_NMT_NO_COMMAND = 0,
    CO_NMT_ENTER_OPERATIONAL = 1,
    CO_NMT_ENTER_STOPPED = 2,
    CO_NMT_ENTER_PRE_OPERATIONAL = 128,
    CO_NMT_RESET_NODE = 129,
    CO_NMT_RESET_COMMUNICATION = 130
} CO_NMT_command_t;

CO_NMT_receive() 从 NMT command 报文的 data[0] 读出这个值；如果本节点启用了 simple master，CO_NMT_sendCommand() 也会把这个值写回 NMT_TXbuff->data[0]。

3.4 CO_NMT_reset_cmd_t：复位命令为什么是返回值

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typedef enum {
    CO_RESET_NOT = 0,
    CO_RESET_COMM = 1,
    CO_RESET_APP = 2,
    CO_RESET_QUIT = 3
} CO_NMT_reset_cmd_t;

这体现了 CANopenNode 的边界：协议栈识别“需要复位”，但不直接决定 MCU 怎么复位。

  • CO_RESET_COMM：应用进入通信复位段，重建 CANopen 通信对象。
  • CO_RESET_APP：应用执行完整设备复位，常见做法是 MCU reset 或回到主初始化入口。
  • CO_RESET_NOT：正常运行。

3.5 NMTcontrol：不是协议帧，而是本地策略开关

NMTcontrol 是传给 CO_NMT_init() 的本地控制位域，用于决定自启动和错误行为：

宏 作用
CO_NMT_ERR_REG_MASK 低 8 位作为 Error register mask
CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL 初始化后直接进入 Operational，否则进入 Pre-operational
CO_NMT_ERR_ON_BUSOFF_HB Operational 下遇到 CAN bus off 或 heartbeat consumer 错误时降级
CO_NMT_ERR_ON_ERR_REG Operational 下 Error register 命中 mask 时降级
CO_NMT_ERR_TO_STOPPED 错误触发时降到 Stopped，否则降到 Pre-operational
CO_NMT_ERR_FREE_TO_OPERATIONAL 错误消失后可从 Pre-operational 自动恢复到 Operational

这一组宏是源码学习时很容易漏掉的点。它解释了一个现象：节点没有收到新的 NMT command，也可能因为本地错误自动从 Operational 掉到 Pre-operational 或 Stopped。

4. CO_NMT_init()：初始化时把协议入口全部接好

CO_NMT_init() 必须在 communication reset section 调用。它主要做 6 件事。

4.1 清空对象并写入初始状态

源码先 memset(NMT, 0, sizeof(CO_NMT_t))，然后设置：

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NMT->operatingState = CO_NMT_INITIALIZING;
NMT->operatingStatePrev = CO_NMT_INITIALIZING;
NMT->nodeId = nodeId;
NMT->NMTcontrol = NMTcontrol;
NMT->em = em;
NMT->HBproducerTimer = (uint32_t)firstHBTime_ms * 1000U;

这里的关键是：初始状态固定为 CO_NMT_INITIALIZING，后面第一次 CO_NMT_process() 会发送 boot-up message，然后再进入 Pre-operational 或 Operational。

4.2 读取并扩展 OD 0x1017 Producer heartbeat time

0x1017 是 producer heartbeat time。CO_NMT_init() 会读取它，并保存到微秒单位：

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OD_get_u16(OD_1017_ProducerHbTime, 0, &HBprodTime_ms, true);
NMT->HBproducerTime_us = (uint32_t)HBprodTime_ms * 1000U;

随后它给 0x1017 安装 OD extension：

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NMT->OD_1017_extension.object = NMT;
NMT->OD_1017_extension.read = OD_readOriginal;
NMT->OD_1017_extension.write = OD_write_1017;
OD_extension_init(OD_1017_ProducerHbTime, &NMT->OD_1017_extension);

这样运行时如果通过 SDO 写 0x1017，OD_write_1017() 会同步更新 HBproducerTime_us，并把 HBproducerTimer 清零，使新的 heartbeat 周期立即生效。

4.3 配置 NMT 命令接收

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CO_CANrxBufferInit(NMT_CANdevRx, NMT_rxIdx, CANidRxNMT, 0x7FF, false, (void*)NMT, CO_NMT_receive);

典型 CANidRxNMT 是 0x000。这一步把 CAN 接收 buffer 和 CO_NMT_receive() 绑定起来。

4.4 可选配置 simple NMT master 发送

只有 CO_CONFIG_NMT_MASTER 打开时，才会编译和初始化：

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NMT->NMT_TXbuff = CO_CANtxBufferInit(NMT_CANdevTx, NMT_txIdx, CANidTxNMT, false, 2, false);

这对应发送 CAN-ID 0x000、DLC 2 的 NMT command。

4.5 配置 Heartbeat 发送

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NMT->HB_TXbuff = CO_CANtxBufferInit(HB_CANdevTx, HB_txIdx, CANidTxHB, false, 1, false);

典型 CANidTxHB 是 0x700 + nodeId，DLC 为 1。

5. CO_NMT_receive()：接收回调只做“预处理”

CO_NMT_receive() 的逻辑很短，但很关键：

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uint8_t DLC = CO_CANrxMsg_readDLC(msg);
const uint8_t* data = CO_CANrxMsg_readData(msg);
CO_NMT_command_t command = (CO_NMT_command_t)data[0];
uint8_t nodeId = data[1];

if ((DLC == 2U) && ((nodeId == 0U) || (nodeId == NMT->nodeId))) {
    NMT->internalCommand = command;
    ... optional callback ...
}

这里有三个结论：

  1. NMT 命令必须 DLC=2，否则不处理。
  2. Node-ID 为 0 是广播，或者等于本节点 Node-ID 才处理。
  3. 接收回调不直接切状态，只写 NMT->internalCommand，真正动作留给 CO_NMT_process()。

这种设计适合裸机和 RTOS：CAN 中断/驱动回调里只做极短预处理，复杂状态切换和可能触发的 reset 交给主循环或任务上下文。

6. CO_NMT_process()：NMT 运行流程核心

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CO_NMT_process() 是整个模块最重要的函数。它的执行顺序可以拆成 7 层。

6.1 更新 Heartbeat 定时器

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NMT->HBproducerTimer = (NMT->HBproducerTimer > timeDifference_us)
                     ? (NMT->HBproducerTimer - timeDifference_us)
                     : 0U;

timeDifference_us 是应用每次调用时传入的时间差。NMT 模块不自己读硬件定时器，而是依赖外部调度传入 elapsed time。

6.2 发送 boot-up 或 heartbeat

发送条件是：

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当前是 Initializing
或
0x1017 不为 0，并且 heartbeat timer 到期或 NMT 状态变化

发送内容是：

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NMT->HB_TXbuff->data[0] = (uint8_t)NMTstateCpy;
CO_CANsend(NMT->HB_CANdevTx, NMT->HB_TXbuff);

如果当前状态是 CO_NMT_INITIALIZING，这帧就是 boot-up message。发完后，源码再根据 CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL 决定初始运行状态：

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NMTstateCpy = (NMTcontrol & CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL)
            ? CO_NMT_OPERATIONAL
            : CO_NMT_PRE_OPERATIONAL;

所以：

NMTcontrol 设置 boot-up 后进入
未设置 CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL Pre-operational
设置 CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL Operational

6.3 处理收到的内部命令

internalCommand 可能来自两个入口：

  • CO_NMT_receive()：总线上收到 NMT command。
  • CO_NMT_sendCommand()：本节点作为 simple NMT master 发送命令时，如果目标是自己或广播，也会写入本地 internalCommand。

处理逻辑：

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switch (NMT->internalCommand) {
    case CO_NMT_ENTER_OPERATIONAL:
        NMTstateCpy = CO_NMT_OPERATIONAL;
        break;
    case CO_NMT_ENTER_STOPPED:
        NMTstateCpy = CO_NMT_STOPPED;
        break;
    case CO_NMT_ENTER_PRE_OPERATIONAL:
        NMTstateCpy = CO_NMT_PRE_OPERATIONAL;
        break;
    case CO_NMT_RESET_NODE:
        resetCommand = CO_RESET_APP;
        break;
    case CO_NMT_RESET_COMMUNICATION:
        resetCommand = CO_RESET_COMM;
        break;
}
NMT->internalCommand = CO_NMT_NO_COMMAND;

注意：CO_NMT_RESET_NODE 和 CO_NMT_RESET_COMMUNICATION 不会在这里调用 NVIC_SystemReset()。源码只设置返回值，应用层必须处理这个返回值。

6.4 根据错误条件自动降级或恢复

源码读取 Emergency 模块中的错误状态：

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ErrBusOff = CO_isError(NMT->em, CO_EM_CAN_TX_BUS_OFF);
ErrHbCons = CO_isError(NMT->em, CO_EM_HEARTBEAT_CONSUMER);
ErrHbConsRemote = CO_isError(NMT->em, CO_EM_HB_CONSUMER_REMOTE_RESET);

然后结合 NMTcontrol 判断：

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busOff_HB = CO_NMT_ERR_ON_BUSOFF_HB && (busOff 或 heartbeat consumer 错误)
errRegMasked = CO_NMT_ERR_ON_ERR_REG && (Error register 命中 NMTcontrol 低 8 位 mask)

最终策略：

当前状态 条件 结果
Operational busOff_HB 或 errRegMasked 降级到 Pre-operational，或在 CO_NMT_ERR_TO_STOPPED 设置时降到 Stopped
Pre-operational CO_NMT_ERR_FREE_TO_OPERATIONAL 设置，且错误条件全部消失 自动恢复到 Operational

这解释了调试中常见的“明明没发 NMT stop，节点为什么掉到 Pre-op”：通常是 NMTcontrol 配置让错误寄存器或 heartbeat consumer 错误参与了 NMT 状态控制。

6.5 可选状态变化回调

如果打开 CO_CONFIG_NMT_CALLBACK_CHANGE，状态变化后会调用：

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NMT->pFunctNMT(NMTstateCpy);

这适合应用层统一处理状态进入/退出，比如进入 Stopped 时关闭输出、进入 Operational 时允许业务周期运行。

6.6 可选 timerNext_us

如果打开 CO_CONFIG_FLAG_TIMERNEXT，CO_NMT_process() 会根据 heartbeat timer 更新 timerNext_us，供外部调度器决定下一次最晚什么时候再调用。

6.7 更新状态并返回 reset 命令

最后：

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NMT->operatingState = NMTstateCpy;
if (NMTstate != NULL) {
    *NMTstate = NMTstateCpy;
}
return resetCommand;

应用层应该保存或检查 NMTstate，并处理 resetCommand。

7. CO_NMT_sendCommand()：simple NMT master 不是完整主站

CO_NMT_sendCommand() 只有在 CO_CONFIG_NMT_MASTER 打开时才编译。它做两件事。

7.1 如果目标包含自己，先写本地 internalCommand

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if ((nodeID == 0U) || (nodeID == NMT->nodeId)) {
    NMT->internalCommand = command;
}

这样本节点广播启动所有节点时，自己也会在下一次 CO_NMT_process() 中执行同一命令。

7.2 发送 NMT command 到总线

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NMT->NMT_TXbuff->data[0] = (uint8_t)command;
NMT->NMT_TXbuff->data[1] = nodeID;
return CO_CANsend(NMT->NMT_CANdevTx, NMT->NMT_TXbuff);

这只负责发 0x000 NMT command，不包含：

  • 自动扫描节点；
  • 自动配置对象字典；
  • 自动写 PDO 映射；
  • 自动监控所有 heartbeat；
  • 自动恢复故障节点。

所以 CO_CONFIG_NMT_MASTER 的准确理解是：让本节点具备发送 NMT command 的能力，不是把 STM32 从机“变成完整 CANopen 主站”。

8. STM32 从机里应该怎么用 NMT

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8.1 最小运行链路

普通 STM32 CANopen 从机通常只需要默认 NMT slave + Heartbeat producer：

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1. 初始化 CAN/FDCAN 驱动和 CANopen 对象
2. 在 communication reset 段调用 CO_NMT_init()
3. 主循环或 RTOS task 周期调用 CO_NMT_process()
4. 根据返回的 resetCommand 决定是否通信复位或整机复位
5. 根据 NMTstate 决定应用是否允许输出、是否允许 PDO 业务

伪代码：

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for (;;) {
    uint32_t dt_us = get_elapsed_us();
    uint32_t timerNext_us = UINT32_MAX;
    CO_NMT_internalState_t nmtState;

    CO_NMT_reset_cmd_t reset = CO_NMT_process(CO->NMT, &nmtState, dt_us, &timerNext_us);

    if (reset == CO_RESET_COMM) {
        /* exit to communication reset section */
        break;
    }
    if (reset == CO_RESET_APP) {
        /* execute application reset policy, for example MCU reset */
        system_reset();
    }

    if (nmtState == CO_NMT_OPERATIONAL) {
        /* allow normal process-data behavior */
    } else {
        /* keep outputs safe or skip operational-only behavior */
    }
}

8.2 0x1017 Producer heartbeat time 怎么配

0x1017 的单位是毫秒，CANopenNode 读出后换算成微秒保存到 HBproducerTime_us。

建议调试阶段先设置一个容易观察的值，例如：

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0x1017 = 1000 ms

这样节点每秒发一次 heartbeat。CAN 分析仪上应该能看到：

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0x700 + nodeId  [1]  7F / 05 / 04

如果 0x1017 = 0，周期 heartbeat 被禁用；但初始化阶段的 boot-up message 仍由 CO_NMT_process() 在 Initializing 状态下发送。

8.3 主站不发 Start 时，为什么 PDO 不工作

如果没有设置 CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL，节点 boot-up 后默认进入 Pre-operational。这个状态下 SDO 可用，但 PDO 不工作。

这时有两种选择：

方式 行为 适用场景
主站发送 01 nodeId 或 01 00 从站进入 Operational 规范主站管理流程
本地设置 CO_NMT_STARTUP_TO_OPERATIONAL boot-up 后自动进入 Operational 简单单节点、实验或固定系统

8.4 收到 reset command 后该做什么

NMT reset 命令不是“协议栈内部立即复位”。应用必须检查 CO_NMT_process() 返回值：

返回值 应用侧动作
CO_RESET_COMM 退出当前通信循环，重新初始化 CANopen 通信对象，通常不需要重启 MCU
CO_RESET_APP 执行完整应用复位策略，可能包括 MCU reset
CO_RESET_NOT 正常继续

9. 一句话总结

CO_NMT_Heartbeat.c/h 的核心不是“发心跳”这么简单，而是：用 CO_NMT_t 保存本节点 NMT 状态和 heartbeat 定时器，用 CO_NMT_receive() 把总线 NMT 命令转成内部命令，再由 CO_NMT_process() 在主循环/任务上下文中统一完成 boot-up、heartbeat、状态切换、错误降级和复位请求返回。

10. 资料依据

类型 资料 本文使用点
协议公开说明 CiA：Network management NMT command 由 active NMT manager 发送；CAN-ID 0；DLC 2；byte0 为命令，byte1 为 node-ID；node-ID 为 0 表示所有节点
协议公开说明 CiA：Error control protocols Heartbeat 用于确认网络参与者仍在线且处于预期 NMT FSA 状态
官方实现资料 CANopenNode：NMT and Heartbeat Doxygen CO_NMT_init()、CO_NMT_process()、回调、CO_NMT_sendCommand() 的官方语义
官方实现资料 CANopenNode：CO_NMT_Heartbeat.h Doxygen NMT 状态、NMT command、Heartbeat/NMT 报文内容、NMTcontrol 宏
官方仓库 CANopenNode GitHub CANopenNode 是 ANSI C 协议栈，支持 NMT slave、simple NMT master、Heartbeat producer/consumer
上传源码 CO_NMT_Heartbeat.h / CO_NMT_Heartbeat.c 本文源码流程、状态值、命令值、初始化与 process 逻辑
上传规范译注 《CiA301 V4.2.0（中文注释版）》 NMT、boot-up、状态机、Heartbeat/Node guarding、对象 0x1017 的章节定位