Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Can

Hệ thống thông tin công nghiệp 4/15/2006 6.3 CAN 26.3 CAN © 2006 - HMS 6.3 CAN 1. Giới thiệu chung 2. Kiến trúc giao thức 3. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 4. Cơ chế giao tiếp 5. Cấu trúc bức ₫iện 6. Bảo toàn dữ liệu 7. Các hệ thống dựa trên CAN 36.3 CAN © 2006 - HMS 1. Giới thiệu chung ƒ CAN (Controller Area Network) xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel ƒ Lúc ₫ầu ₫ược sử dụng trong công nghiệp ôtô ƒ Công nghệ này cũng ₫ã thâm nhập ₫ược vào một số lĩnh vực tự ₫ộng hóa quá trình công nghiệp. ƒ Chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898 46.3 CAN © 2006 - HMS 2. Kiến trúc giao thức ƒ Phần chính của lớp vật lý: — truyền tín hiệu, phương thức ₫ịnh thời, tạo nhịp bit (bit timing), phương pháp mã hóa bit và ₫ồng bộ hóa. — không qui ₫ịnh các ₫ặc tính của các bộ thu phát, với mục ₫ích cho phép lựa chọn môi trường truyền cũng như mức tín hiệu thích hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng. ƒ Lớp liên kết dữ liệu: — Lớp ₫iều khiển truy nhập môi trường (MAC) là phần cốt lõi trong kiến trúc giao thức CAN. Lớp MAC có trách nhiệm tạo khung thông báo, ₫iều khiển truy nhập môi trường, xác nhận thông báo và kiểm soát lỗi. — Lớp ₫iều khiển liên kết logic (LLC) ₫ề cập tới các dịch vụ gửi dữ liệu và yêu cầu dữ liệu từ xa, thanh lọc thông báo, báo cáo tình trạng quá tải và hồi phục trạng thái. 56.3 CAN © 2006 - HMS (Bé thu ph¸t) M· hãa bit, T¹o nhÞp/®ång bé nhÞp MAC - §iÒu khiÓn truy nhËp m«i tr−êng LLC - §iÒu khiÓn liªn kÕt logic CAL, DeviceNet, SDS Líp 3-6 (Kh«ng thÓ hiÖn) Líp øng dông Líp liªn kÕt d÷ liÖu Líp vËt lý CAN M«i tr−êng truyÒn dÉn 66.3 CAN © 2006 - HMS 3. Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn ƒ CAN không qui ₫ịnh cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng như môi trường truyền thông ƒ Cáp ₫ôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 ₫ược sử dụng rộng rãi nhất (cấu trúc mạng thích hợp nhất là ₫ường trục/₫ường nhánh, chiều dài ₫ường nhánh < 0.3m) ƒ Phương pháp truy nhập bus CSMA/CA, tốc ₫ộ truyền tối ₫a là 1Mbit/s ở khoảng cách 40m và 50kbit/s ở khoảng cách 1000m. ƒ Hai trạng thái logic của tín hiệu là mức trội (dominant) và mức lặn (recessive) ƒ Nhồi bit (bit 0 sau 5 bit 1) + NRZ 76.3 CAN © 2006 - HMS 4. Cơ chế giao tiếp ƒ Truy nhập bus: CSMA/CA ƒ Đặc trưng của CAN là phương pháp ₫ịnh ₫ịa chỉ và giao tiếp hướng ₫ối tượng ƒ Tự do, linh hoạt theo kiểu yêu cầu-₫áp ứng ƒ Một trạm gửi dữ liệu bằng khung REMOTE FRAME ƒ Trạm có khả năng cung cấp nội dung thông tin ₫ó sẽ gửi trả lại một khung dữ liệu DATA FRAME có cùng mã căn cước với khung yêu cầu 86.3 CAN © 2006 - HMS 5. Cấu trúc bức ₫iện ƒ Mỗi thông báo ₫ược coi là một ₫ối tượng, có một căn cước riêng biệt (IDENTIFIER, 11/29 bit) ƒ 4 kiểu bức ₫iện: — Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm gửi tới các trạm nhận. — Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) ₫ược gửi từ một trạm yêu cầu truyền khung dữ liệu. — Khung lỗi (ERROR FRAME) ₫ược gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi bus. — Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) tạo một khoảng cách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu trong trường hợp một trạm bị quá tải. ƒ Giữa hai khung ít nhất 3 bit lặn (INTERSPACE) 96.3 CAN © 2006 - HMS Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu 1 12 hoÆc 32 6 0...64 715 1 1 1 Khëi ®Çu khung (Start of Frame) Ph©n xö (Arbitration Field) §iÒu khiÓn (Control Field) D÷ liÖu (Data Field) KiÓm so¸t lçi CRC (15 bit CRC sequence, 1 bit CRC delimiter) X¸c nhËn ACK (1 bit ACK slot, 1 bit ACK delimiter) KÕt thóc khung (End of Frame) Kho¶ng c¸ch gi÷a 2 khung hoÆc khung qu¸ t¶i (Interframe Space / Overload Frame) Sè bit 106.3 CAN © 2006 - HMS Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu ƒ Khởi ₫ầu khung là một bit trội, sử dụng cho ₫ồng bộ hóa. ƒ Ô phân xử là mức ưu tiên của bức ₫iện, chiều dài 12 bit (khung chuẩn) và 32 bit (khung mở rộng): — mã căn cước dài 11 hoặc 29 bit. — bit RTR (Remote Transmission Request), phân biệt giữa khung dữ liệu (bit trội) và khung yêu cầu dữ liệu (bit lặn). ƒ Ô ₫iều khiển dài 6 bit, trong ₫ó 4 bit cuối mã hóa chiều dài dữ liệu (bit trội = 0, bit lặn = 1). ƒ Ô dữ liệu có chiều dài từ 0..8 byte, trong ₫ó mỗi byte ₫ược truyền ₫i theo thứ tự từ bit có giá trị cao nhất (MSB) ₫ến bit có giá trị thấp nhất (LSB). 116.3 CAN © 2006 - HMS Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu ƒ Ô kiểm soát lỗi: 15 bit CRC và 1 bit lặn phân cách. Đa thức phát G = X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1 ƒ Ô xác nhận ACK (Acknowlegment) 2 bit lặn. Mỗi trạm nhận ₫ược bức ₫iện phải kiểm tra mã CRC, nếu ₫úng sẽ phát chồng một bit trội trong thời gian nhận ₫ược bit ARC ₫ầu tiên (ARC slot). Như vậy, một bức ₫iện ₫ược truyền chính xác sẽ có một bit ARC trội nằm giữa hai bit lặn phân cách (một bit phân cách CRC và một bit phân cách ACK). ƒ Kết thúc khung ₫ược ₫ánh dấu bằng 7 bit lặn. 126.3 CAN © 2006 - HMS Khung báo lỗi 6 0...6 8 XÕp chång cê lçi Kho¶ng trèng gi÷a 2 khung hoÆc khung qu¸ t¶i (Interframe Space / Overload Frame) Sè bit Cê lçi (Error Flag) Ph©n c¸ch lçi Error delimiter møc lÆn møc tréi Tr¹ng th¸i logic cña tÝn hiÖu trªn bus (tr−êng hîp lçi chñ ®éng) 136.3 CAN © 2006 - HMS Khung báo lỗi ƒ Cờ lỗi (Error Flag): — Lỗi chủ ₫ộng (Active Error): Dạng cờ lỗi chủ ₫ộng bao gồm sáu bit trội liền nhau. — Lỗi bị ₫ộng (Passive Error): Dạng cờ lỗi bị ₫ộng bao gồm sáu bit lặn liền nhau, trừ trường hợp nó bị ghi ₫è lên bởi các bit trội từ các trạm khác. ƒ Phân cách lỗi (Error Delimiter): 8 bit lặn liên tục 146.3 CAN © 2006 - HMS Khung báo quá tải 6 0...6 8 XÕp chång cê qu¸ t¶i Kho¶ng trèng gi÷a 2 khung hoÆc khung qu¸ t¶i (Interframe Space/Overload Frame) Sè bit Cê qu¸ t¶i (Overload Flag) Ph©n c¸ch qu¸ t¶i (Overload delimiter) møc lÆn møc tréi Tr¹ng th¸i logic cña tÝn hiÖu trªn bus 156.3 CAN © 2006 - HMS 6. Bảo toàn dữ liệu ƒ Theo dõi mức tín hiệu của mỗi bit truyền ₫i và so sánh với với tín hiệu nhận ₫ược trên bus ƒ Kiểm soát qua mã CRC ƒ Thực hiện nhồi bit (nhồi một bit nghịch ₫ảo sau năm bit giống nhau) ƒ Kiểm soát khung thông báo. 166.3 CAN © 2006 - HMS Khả năng phát hiện lỗi ƒ Phát hiện ₫ược tất cả các lỗi toàn cục ƒ Phát hiện ₫ược tất cả các lỗi cục bộ tại bộ phát ƒ Phát hiện ₫ược tới 5 bit lỗi phân bố ngẫu nhiên trong một bức ₫iện ƒ Phát hiện ₫ược các lỗi ₫ột ngột có chiều dài nhỏ hơn 15 bit trong một thông báo ƒ Phát hiện ₫ược các lỗi có số bit lỗi là chẵn ƒ Tỉ lệ lỗi còn lại (xác suất một thông báo còn bị lỗi không phát hiện) nhỏ hơn 4.7*10-11 . 176.3 CAN © 2006 - HMS 7. Các hệ thống dựa trên CAN ƒ CANopen: “CAN-Bus của châu Âu” — CAN in Automation phát triển dựa trên CAN, sử dụng lớp vật lý theo chuẩn ISO 11898 (gần ₫ồng nhất với RS-485). — Lớp ứng dụng của CANopen ₫ược ₫ịnh nghĩa trên cơ sở của CAL (CAN Application Layer). — Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu là các hệ thống ₫iều khiển chuyển ₫ộng, các dây chuyền lắp ráp và xử lý nguyên liệu. — Ví dụ, các thiết bị ₫ược nối mạng có thể là các khối cảm biến ₫a kênh, cảm biến thông minh, van khí nén, bộ ₫ọc mã vạch, cơ cấu truyền ₫ộng và giao diện vận hành. 186.3 CAN © 2006 - HMS ƒ Ưu ₫iểm của CANOpen: — Độ tin cậy cao nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu tốt — Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền lớn — Thích hợp với ₫iều khiển chuyển ₫ộng tốc ₫ộ cao và ₫iều khiển mạch vòng kín hơn so với các hệ thống mạng khác dựa trên CAN. ƒ Nhược ₫iểm của CANOpen (cũng là của CAN) — ràng buộc về tốc ₫ộ truyền và chiều dài mạng, — lượng dữ liệu hạn chế ở 8 byte trong mỗi bức ₫iện. 196.3 CAN © 2006 - HMS SDS (Smart Distributed System) ƒ Cơ sở hạ tầng truyền thông trong một số hệ thống ₫iều khiển phân tán (DCS) của Honeywell. ƒ Đặc tính tiêu biểu là tính năng thời gian thực, phù hợp với cả các hệ thống ₫iều khiển có cấu trúc tập trung cũng như phân tán. ƒ SDS hoạt ₫ộng chủ yếu theo cơ chế hướng sự kiện, ₫iều khiển theo thời gian (time-driven) hay hỏi tuần tự ₫iều khiển theo chương trình (polling). ƒ Ứng dụng tiêu biểu trong các dây chuyền lắp ráp, xử lý nguyên liệu, ₫óng gói và phân loại sản phẩm. 206.3 CAN © 2006 - HMS DeviceNet ƒ Hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN, dùng nối mạng cho các thiết bị ₫ơn giản ở cấp chấp hành. ƒ Nay ₫ược hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) quản lý và ₫ược dự thảo chuẩn hóa IEC 62026- 3. ƒ Bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và ₫ưa ra các phương thức giao tiếp kiểu tay ₫ôi (Peer-to-Peer) hoặc chủ/tớ (Master/Slave). ƒ Cấu trúc mạng là ₫ường trục/₫ường nhánh, trong ₫ó chiều dài ₫ường nhánh hạn chế dưới 6 m. ƒ Ba tốc ₫ộ truyền ₫ược qui ₫ịnh là 125 kbit/s, 250 kbit/s và 500 kbit/s, tương ứng với các chiều dài tối ₫a của ₫ường trục là 500 m, 250 m và 100 m.