KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP: TÌM HIỂU TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA -🙚🙚🙚 - BÁO CÁO GIỮA KỲ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Giảng viên : Đặng Anh Việt TÌM HIỂU TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên thực : TRẦN ĐÌNH CHÍNH (17020246) TRƯƠNG VĂN BÌNH (17020242) Lớp : K62_M2 PHẦN I : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các khái niệm Mạng truyền thông công nghiệp (TTCN) hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Mạng Truyền Thông Công Nghiệp cho phép kết nối điều khiển với thiết bị chấp hành, cảm biến, điều khiển với Đi vào khái niệm truyền thông, trao đổi thông tin đối tác với ( máy tínhmáy tính, máy tính – vi điều khiển, master- slaves,… +Truyền thông nối tiếp (đồng độ – i2c, bất đồng – uart) ● đồng độ – i2c : sử dụng dây truyền, dây truyền liệu, dây xung báo ● bất đồng – uart : sử dụng dây truyền liệu gồm khung truyền có bit start, data, parity chẵn lẻ bit stop +Truyền thông song song : tốc độ truyền chu kỳ nhanh tốn số đường truyền • Tốc độ truyền tốc độ bit ❑ Baud: số lần tín hiệu thay đổi thông tin/giây ❑ Bps: số bit liệu truyền đi/giây • Tính thời gian thực ❑ Độ nhanh nhạy: tốc độ truyền thông tin hữu ích đủ nhanh ❑ Tính tiền định: Dự đoán thời gian phản ứng tiêu biểu thời gian phản ứng chậm ❑ Độ tin cậy, kịp thời: đảm bảo tổng thời gian vận chuyển liệu tin cậy trạm khoảng cho phép ❑ Tính bền vững: khả xử lý cố thích hợp • Thơng tin: mức độ nhận thức, hiểu biết vấn đề, kiện, hệ thống… • Dữ liệu: lượng hóa thơng tin, có thể dưới dạng mã nhị phân • Lượng thơng tin: giá trị hiểu biết nguồn thông tin mang lại Đơn vị liệu có thể xử lý được: bit • Tín hiệu: diễn biến đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu, có thể truyền dẫn (ánh sáng, âm thanh, hình ảnh, điện áp, dịng điện, tần số,…) ❑ Tương tự: giá trị bất kỳ khoảng đó ❑ Rời rạc: thông tin có số giá trị định ❑ Liên tục: tín hiệu có ý nghĩa bất kỳ thời điểm ❑ Gián đoạn: tín hiệu có ý nghĩa thười điểm định PHẦN II: CẤU TRÚC MẠNG Cấu trúc mạng Cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức phương pháp phối hợp hoạt động thành phần hệ thống mạng Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính kỹ thuật, đó có độ tin cậy hệ thống Có thể phân biệt dạng cấu trúc bus, mạch vòng hình Một số cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ cấu trúc cây, có thể xây dựng sở phối hợp ba cấu trúc ● Cấu trúc BUS Trong cấu trúc đơn giản này, tất thành viên mạng nốt trực tiếp với đường dẫn chung Đặc điểm cấu trúc bus việc sử dụng chung đường dẫn cho tất trạm, tiết kiệm cáp dẫn cơng lắp đặt Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu có cấu trúc bus PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foudation Fieldbus, LonWorks,AS-I Ethernet ● Cấu trúc mạch vòng Cấu trúc mạch vòng thiết kế cho thành viên mạng nối từ điểm đến điểm cách tự mạch vòng khép kín Mỗi thành viên tham gia tích cực vào việc kiểm sốt dịng tín hiệu Khác với cấu trúc đường thẳng, tín hiệu truyền theo chiều quy định Mỗi trạm nhận liệu từ trạm đứng trước chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau Quá trình lặp lại tới liệu quay trở trạm gửi, nó hủy bỏ Cấu trúc mạch vòng thực chất dựa sở liên kết điểm – điểm, thích hợp cho việc sử dụng phương tiện truyền tín hiệu đại cáp quang, tia hồng ngoại, v.v Việc gán địa cho thành viên mạng có thể trạm chủ thực cách hoàn toàn tự động, vào thứ tự xếp vật lý trạm mạch vòng Một ưu điểm cấu trúc mạch vòng khả xác định vị trí xảy cố, ví dụ đứt dây hay trạm ngừng làm việc Tuy nhiên, hoạt động bình thường mạng trường hợp có thể tiếp tục với đường dây dự phòng FDDI ● Cấu trúc hình Cấu trúc mạng hình cấu trúc mạng có trạm trung tâm quan trọng tất nút khác, nút điều khiển hoạt động truyền thơng tồn mạng Các thành viên khác kết nốt gián tiếp với qua trạm trung tâm Tương tự cấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy kiểu liên kết mặt vật lý điểm-điểm ● Cấu trúc Cấu trúc thực chất cấu trúc Một mạng có cấu trúc chính liên kết nhiều mạng có cấu trúc đường thằng, mạch vịng hình sao, đặc trưng cấu trúc phần cấp đường dẫn Để chia từ đường trục đường nhánh, có thể dung nối tích cực ( active coupler ), muốn tăng số trạm phạm vi mạng đồng có thể dung lặp (repeater) Truy nhập bus Trong hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay hệ thống bus đóng vai trị quan trọng lý sau: • Chi phí ít cho dây dẫn • Dễ thực lắp đặt • Linh hoạ • Thích hợp cho việc truyền dẫn phạm vi khoảng cách vừa nhỏ Các phương pháp truy cập BUS : ● Chủ/tớ (Master/Slave) Trong phương pháp chủ/tớ, trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho trạm tớ (slave) Các trạm tớ đóng vai trò bị động, có quyền truy nhập bus gửi tín hiệu có yêu cầu ● TDMA Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), trạm phân thời gian truy nhập bus định Các trạm có thể thay gửi thông tin khoảng thời gian cho phép - gọi khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice ) - theo qui định sẵn Việc phân chia thực trước hệ thống vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ/tớ, có thể có không có trạm chủ Mỗi trạm có khả đảm nhiệm vai trò chủ động giao tiếp trực tiếp với trạm khác ● Token Passing Một trạm giữ token quyền gửi thông tin đi, mà cịn có thể có vai trị kiểm sốt hoạt động số trạm khác, ví dụ kiểm tra xem có trạm xảy cố hay không Các trạm không có token có khả tham gia kiểm soát, ví dụ sau thời gian định mà token không đưa tiếp, có thể trạm giữ token có vấn đề Trong trường hợp đó, trạm có chức tạo token mới Token Passing có thể sử dụng kết hợp với phương pháp chủ/tớ, đó trạm có quyền giữ token trạm chủ, hay gọi trạm tích cực Phương pháp kết hợp gọi nhiều chủ (Multi-Master), tiêu biểu hệ PROFIBUS Các trạm chủ có thể điều khiển máy tính lập trình, cịn trạm tớ (trạm không tích cực) thiết bị vào/ra phân tán, thiết bị trường thông minh Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập số trạm tớ trực thuộc, trạm chủ quyền truy nhập bus phân chia theo cách chuyển token Tuy nhiên, trạm đóng vai trò chủ không bắt buộc phải có trạm tớ trực thuộc ● CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) phương pháp nổi tiếng với mạng Ethernet (IEEE 802.3) Nguyên tắc làm việc Theo phương pháp CSMA/CD, trạm có quyền truy nhập bus mà khơng cần kiểm sốt Phương pháp tiến hành sau: • Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), đường dẫn rỗi (khơng có tín hiệu) mới phát • Do việc lan truyền tín hiệu cần thời gian đó, nên có khả hai trạm phát tín hiệu lên đường dẫn Chính vậy, phát trạm phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát với tín hiệu nhận xem có xảy xung đột hay khơng (collision detection) • Trong trường hợp xảy xung đột, trạm phải huỷ bỏ điện mình, chờ thời gian ngẫu nhiên thử gửi lại ● CSMA/CA CSMA/CA thuật ngữ viết tắt từ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Tương tự CSMA/CD, trạm phải nghe đường dẫn trước gửi sau gửi thông tin Tuy nhiên, phương pháp mã hóa bit thích hợp sử dụng để trường hợp xảy xung đột, tín hiệu lấn át tín hiệu Ví dụ tương ứng với bit mức điện áp cao lấn át mức điện áp thấp bit 4 Mã hóa bảo toàn liệu Bảo toàn liệu phương pháp sử dụng xử lý giao thức để phát khắc phục lỗi, đó phát lỗi đóng vai trò hàng đầu Khi phát lỗi, có thể có cách khôi phục liệu, hay biện pháp đơn giản yêu cầu gửi lại liệu Các phương pháp bảo tồn liệu thơng dụng là: • Parity bit chiều chiều • CRC (Cyclic Redundancy Check) • Nhồi bit (Bit stuffing) Hiệu suất truyền liệu E thông số đặc trưng cho việc sử dụng hiệu điện phục vụ chức bảo toàn liệu, tính tỉ lệ số bit mang thông tin nguồn (bit liệu) không bị lỗi toàn số bit truyền Ta có: E = m (1-p) n /n m - Số lượng bit liệu điện n - Chiều dài điện p - Tỉ lệ bit lỗi Ví dụ : m = bit n = 11 bit (1 bit đầu + bit liệu + bit chẵn lẻ+ bit cuối) p = 10-3 Hiệu suất truyền liệu E = 0,72 Bit chẵn lẻ (Parity bit) Bit chẵn lẻ phương pháp kiểm tra lỗi đơn giản, áp dụng rộng rãi Nguyên tắc làm việc mô tả sau Tuỳ theo tổng số bit thông tin nguồn chẵn hay lẻ mà ta thêm vào bit thông tin phụ trợ p = p = 1, gọi parity bit, hay bit chẵn lẻ Trong trường hợp này, ta gọi parity bit chiều Phương pháp đơn giản hiệu Giá trị bit chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn: • Nếu chọn parity chẵn, p tởng số bit chẵn • Nếu chọn parity lẻ, p tởng số bit lẻ MÃ HÓA BIT Mã hóa bit q trình chuyển đởi dãy bit (1,0) sang tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn môi trường vật lý1 Việc chuyển đổi chính sử dụng tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thể chứa đựng biên độ, tần số, pha sườn xung, v.v Sự thích hợp phải đánh giá dựa theo yêu cầu kỹ thuật khả chống nhiễu gây nhiễu, khả đồng hóa triệt tiêu dòng chiều ● NRZ, RZ NRZ (Non-Return To Zero) phương pháp sử dụng phổ biến hệ thống bus trường Thực chất, NRZ RZ phương pháp điều chế biên độ xung ● Mã Manchester Mã Manchester dạng dẫn xuất nó sử dụng rộng rãi truyền thông công nghiệp, mà cịn phở biến hệ thống truyền liệu khác Thực chất, phương pháp điều chế pha xung, tham số thông tin thể qua sườn xung Bit mã hóa sườn lên, bit sườn xuống xung chu kỳ bit T, ngược lại (Manchester-II) ● AFP Với phương pháp xung sườn xoay chiều AFP (Alternate Flanked Pulse, xung sườn xoay chiều), thay đổi trạng thái logic đánh dấu xung có cực thay đổi luân phiên (xung xoay chiều) Có thể xếp AFP thuộc nhóm phương pháp điều chế vị trí xung Ví dụ, thay đổi từ bit sang mã hóa xung sườn lên, từ sang xung sườn xuống (hoặc có thể ngược lại) Đặc điểm tín hiệu tần số thấp, không mang thông tin đồng hóa khơng tờn dịng chiều Sử dụng xung có hình sin giảm nhiễu xạ cách đáng kể Hơn nữa, mã Manchester, mã AFP bền vững đối với tác động nhiễu từ bên ● FSK Trong phương pháp điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying), hai tần số khác dùng để mã hóa trạng thái logic 1, mơ tả Hình 2.23 Đây chính phương pháp điều chế tần số tín hiệu mang, hay truyền tải dải mang Truyền dẫn tín hiệu Truyền liệu nối tiếp, không đồng phương pháp sử dụng chủ yếu hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Với phương pháp này, bit truyền từ bên gửi tới bên nhận cách đường truyền Cũng chính khơng có đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc đồng hóa thuộc trách nhiệm bên gửi bên nhận thỏa thuận sở giao thức truyền thông ❖ Các chuẩn truyền dẫn TIA/EIA Các chuẩn truyền nối tiếp đề cập tới chương mục chuẩn sử dụng rộng rãi truyền thông công nghiệp, đó EIA/TIA-232, EIA/TIA422 đặc biệt EIA/TIA-485 Các chuẩn truyền dẫn EIA/TIA chia thành ba phạm trù sau: • Các chuẩn giao diện trọn vẹn (Complete Interface Standards), ví dụ EIA/TIA232-F, EIA/TIA-530-A EIA/TIA-561, đưa toàn qui định mặt chức năng, mặt học mặt điện học • Các chuẩn riêng điện học (Electrical Only Standards), ví dụ EIA/TIA-232-F phần 2, EIA/TIA-422-B EIA/TIA-485-A, định nghĩa thông số mặt điện học, trích dẫn chuẩn giao diện trọn vẹn • Các chuẩn chất lượng tín hiệu (Signal Quality Standards), ví dụ EIA-334-A, EIA-363 EIA-404-A, định nghĩa thuật ngữ phương pháp cho việc đánh giá chất lượng tín hiệu Hai phương thức truyền dẫn tín hiệu dùng hệ thống truyền thông công nghiệp, đó phương thức chênh lệch đối xứng (balanced differential mode) phương thức không đối xứng hay phương thức đơn cực (unbalanced mode, singleended mode) • Truyền dẫn không đối xứng ❑ Mức điện áp dây dẫn so với điểm đất ❑ Đơn giản, dây đất chung, chống nhiễu ❑ Hạn chế chiều dài dây dẫn tốc độ truyền • Truyền dẫn chênh lệch đối xứng ❑ Hiệu điện áp cặp dây dẫn (A/B +/-), không phụ thuộc điện áp so với điểm đất ❑ Chống nhiễu tốt, tốt với cáp đôi dây xoắn ❑ Cho phép truyền tốc độ phạm vi rộng I RS-232 RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu CCITT V.24) lúc đầu xây dựng phục vụ chủ yếu việc ghép nối điểm-điểm hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ hai máy tính (PC, PLC, v.v ), máy tính máy in, thiết bị đầu cuối và thiết bị truyền liệu (DCE, Data Communication Equipment), ví dụ máy tính Modem Mặc dù tính hạn chế, RS-232 chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất, sử dụng rộng rãi Ngày nay, máy tính cá nhân có vài cổng RS232 (cổng COM), có thể sử dụng tự để nối với thiết bị ngoại vi với máy tính khác Nhiều thiết bị công nghiệp tích hợp cổng RS-232 phục vụ lập trình tham số hóa Đặc tính điện học RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch dây dẫn đất Mức điện áp sử dụng dao động khoảng từ -15V tới 15V Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến 3V ứng với giá trị logic Giao diện học Chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) ALT-A (26 chân), đó hai loại đầu sử dụng rộng rãi Loại DB-9 chuẩn hóa riêng EIA/TIA-574 Chế độ làm việc Chế độ làm việc hệ thống RS-232 hai chiều toàn phần (full-duplex), tức hai thiết bị tham gia có thể thu phát tín hiệu lúc Như vậy, việc thực truyền thông cần tối thiểu dây dẫn - đó hai dây tín hiệu nối chéo đầu thu phát hai trạm dây đất, a minh họa Hình b minh họa ví dụ ghép nối trực tiếp hai thiết bị thực chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem Qua việc sử dụng dây dẫn DTR DSR, độ an toàn giao tiếp đảm bảo Trong trường hợp này, chân RTS CTS nối ngắn Lưu ý rằng, trường hợp truyền thơng qua modem, cấu hình ghép nối khác chút II RS-422 Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng hai dây dẫn A B, nhờ giảm nhiễu cho phép tăng chiều dài dây dẫn cách đáng kể RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200 mét mà không cần lặp III RS-485 Đặc tính điện học RS-485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng hai dây dẫn A B Ngưỡng giới hạn qui định cho VCM đối với RS-485 nới rộng khoảng -7V đến 12V, trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422 Số trạm tham gia RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit load, UL), ứng với 32 thu phát nhiều hơn, tùy theo cách chọn tải cho thiết bị thành viên Định nghĩa tải đơn vị minh họa Hình 2.32 Thơng thường, thu phát thiết kế tương đương với tải đơn vị Gần có cố gắng giảm tải xuống 1/2UL 1/4UL, tức tăng trở kháng đầu vào lên hai bốn lần, với mục đích tăng số trạm lên 64 128 Tuy nhiên, tăng số trạm theo cách gắn với việc phải giảm tốc độ truyền thơng, trạm có trở kháng lớn hoạt động chậm Tốc độ truyền tải chiều dài dây dẫn Cũng RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa trạm đầu trạm cuối đoạn mạng 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, số hệ thống gần có khả làm việc với tốc độ 12Mbit/s Modbus Modbus giao thức hãng Modicon (sau thuộc AEG Schneider Automation) phát triển Theo mơ hình ISO/OSI Modbus thực chất chuẩn giao thức dịch vụ thuộc lớp ứng dụng ❑ Dựa ứng dụng công nghiệp ❑ Là chuẩn mở, miễn phí quyền ❑ Tiếp tục phát triển quản lý Modbus Organization từ tháng - 2004 ❑ Ứng dụng ❑ Có thể sử dụng để kết nối máy tính giám sát với thiết bị vào từ xa (remote terminal unit) ❑ Được sử dụng hệ thống giám sát thu thập liệu điều khiển SCADA (supervisory control and data acquisition) Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với hệ PLC nhà sản xuất khác Cụ thể, PLC người ta có thể tìm thấy tập hợp dịch vụ đưa Modbus Đặc biệt hệ thống thu thập liệu điều khiển giám sát (SCADA), Modbus hay sử dụng đường truyền RS-232 ghép nối thiết bị liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền liệu (Modem) 4.2.1 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Cụ thể, có thể phân chia hai loại mạng Modbus chuẩn Modbus mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP) Mạng Modbus chuẩn Các điều khiển có thể nối mạng trực tiếp qua modem Các trạm Modbus giao tiếp với qua chế chủ/tớ (Master/Slave), đó thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, thiết bị tớ đáp ứng liệu trả lại thực hành động định theo yêu cầu Các thiết bị chủ thông thường máy tính điều khiển trung tâm thiết bị lập trình, thiết bị tớ có thể PLC điều khiển số chuyên dụng khác Chu trình yêu cầu-đáp ứng Địa trạm nhận yêu cầu (0-247), đó địa gửi đồng loạt • Mã hàm gọi thị hành động trạm tớ cần thực theo yêu cầu Ví dụ, mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung ghi lưu trả lại kết • Dữ liệu chứa thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hàm gọi Trong trường hợp đọc ghi, liệu rõ ghi số lượng ghi cần đọc • Thơng tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn tồn nội dung thơng báo nhận ❑ Địa trạm nhận yêu cầu (0-247), địa gửi đồng loạt ❑ Mã hàm yêu cầu trạm nhận thực ❑ Dữ liệu kèm mã hàm ❑ Thông tin kiểm lỗi Chế độ truyền Đối với thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng hai chế độ truyền ASCII RTU Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn, với tham số truyền thông qua cổng nối tiếp tốc độ truyền, parity chẵn/lẻ, v.v Chế độ truyền tham số phải giống đối với tất thành viên mạng Modbus Chế độ ASCII Khi thiết bị mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), byte thông báo gửi thành hai ký tự ASCII bit, đó ký tự biểu diễn chữ số hex Ưu điểm chế độ truyền nó cho phép khoảng thời gian trống tối đa giây hai ký tự mà không gây lỗi Cấu trúc ký tự khung gửi thể sau: Start P Stop Mỗi ký tự khung bao gờm • bit khởi đầu (Startbit) • bit biểu diễn chữ số hex byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 A-F), đó bit thấp gửi trước • bit parity chẵn/lẻ, sử dụng parity • bit kết thúc (Stopbit) sử dụng parity bit kết thúc không sử dụng parity Chế độ RTU Khi thiết bị mạng Modbus chuẩn đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), byte thông báo gửi thành ký tự bit Ưu điểm chính chế độ truyền so với chế độ ASCII hiệu suất cao Tuy nhiên, thơng báo phải truyền thành dịng liên tục Cấu trúc ký tự khung gửi thể sau: Start P Stop Mỗi ký tự khung bao gờm • bit khởi đầu (start bit) • bit byte thông báo cần gửi, đó bit thấp gửi trước • bit parity chẵn/lẻ sử dụng parity • bit kết thúc (stop bit) sử dụng parity bit kết thúc không sử dụng parity Cấu trúc điện Một thông báo Modbus bao gồm nhiều thành phần có chiều dài có thể khác Trong mạng Modbus chuẩn, hai chế độ truyền (ASCII RTU) chọn, thông báo đóng khung Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung có cấu trúc mô tả phần Các ký tự truyền liên tục thành dòng chế độ RTU, có thể gián đoạn với khoảng cách thời gian tối đa giây chế độ ASCII Mục đích việc đóng khung để đánh dấu khởi điểm kết thúc thông báo, bổ sung thông tin kiểm lỗi Trường hợp thông báo không truyền trọn vẹn có thể phát báo lỗi CAN CAN phát triển vào năm 19843 công ty Robert Bosch GmbH Trước thời điểm đó loại xe oto giới tích hợp ít cảm biến module nên chúng liên kết đường dây điện thông thường kết nốt theo dạng P2P (point to point) Tuy nhiên sau loại xe oto nâng cấp, tích hợp thêm nhiều module yêu cầu trao đổi thông tin thời gian thực, kiểu kết nốt cũ trở nên khơng hợp lý phải tốn thêm nhiều dây điện khiến hệ thống trở nên phức tạp… Vì CAN đời để tối ưu hiệu suất mạng lưới dây dẫn đó Nguyên lí hoạt động CAN CAN có nhiều loại có hai loại phổ biến High Speed CAN Low Speed/Fault Tolerant CAN, nhiên cơng nghiệp oto High Speed CAN sử dụng phổ biến Sơ đồ kết nốt module High Speed CAN: Mỗi module kết nối với theo dây CAN-High CAN-Low Ở hai điểm đầu điểm cuối đường truyền dẫn sử dụng hai điện trở 120 Ohm đầu Tốc độ kết nối tối đa High Speed CAN lên đến 1Mpbs Sơ đồ cấu trúc liên kết mạng CAN: Mỗi CAN node vi điều khiển ( microcontroller-MCU) kết nối với phận điều khiển CAN ( CAN- Controller) Bộ điều khiển CAN kết nối với chuyển đổi (hay truyền – nhận ) CAN-Transceiver thông qua đường CAN Tx CAN Rx Chức chuyển đổi để chuyển đổi từ tín hiệu số đườngTX thành tín hiệu tương tự bus CAN chuyển đổi từ tính hiệu tượng tự bus CAN ( CAN_H CAN_L ) thành tín hiệu số RX Bên cạnh chuẩn truyền thông vật lý thông thường RS232, RS485, Ethernet, hay giao thức truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP sử dụng rộng rãi ngành nghề Giao tiếp CAN chuẩn truyền thông từ trước đến hay dùng ngành công nghiệp ô tơ, ngồi sử dụng rộng rãi ngành tự động hóa, y tế, máy móc sản xuất, cơng nghiệp CAN - Controller Area Network giao thức truyền thông bus nối tiếp phát triển Bosch (một nhà sản xuất thiết bị điện Đức) vào đầu năm 1980 Sau đó, CAN chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISO-11898 ISO-11519, thiết lập chính nó giao thức chuẩn để giao tiếp kết nối mạng ngành công nghiệp ôtô Trong ngày đầu ngành công nghiệp ô tô, điều khiển độc lập cục sử dụng để quản lý cấu truyền động khác các hệ thống điện phụ Bởi kết nối mạng thiết bị điện tử xe theo chuẩn CAN,và được điều khiển từ điểm trung tâm, điều khiển động (ECU), đó làm tăng chức năng, thêm mô đun, làm cho trình chẩn đốn hiệu Thời gian đầu giao tiếp CAN phát triển chủ yếu hỗ trợ cho ngành cơng nghiệp xe, nó sử dụng xe ô tô chở khách, tàu thuyền, xe tải, loại xe khác Ngày giao thức CAN sử dụng nhiều lĩnh vực khác ứng dụng với tên gọi mạng điều khiển nhúng (networked embedded control), bao gồm tự động hóa công nghiệp, ứng dụng y tế, xây dựng tự động hóa, máy dệt, máy móc sản xuất CAN cung cấp giao thức truyền thông hiệu cảm biến, cấu truyền động, điều khiển, nút khác ứng dụng thời gian thực, biết đến với đơn giản, độ tin cậy hiệu suất cao Một số tính giao thức CAN là: CAN bus đa chủ Khi bus liệu rỗi, bất kỳ thiết bị gắn vào bus có thể bắt đầu gửi thông điệp CAN giao thức bus linh hoạt Các thiết bị kết nối với bus không có địa chỉ, có nghĩa tin nhắn không truyền từ nút đến nút khác dựa địa Thay vào đó, tất nút hệ thống nhận tin nhắn truyền bus, nó đến nút để định xem nhận tin nhắn lưu giữ hay loại bỏ Một tin nhắn có thể dành cho nút cụ thể cho nhiều nút, tùy thuộc vào cách hệ thống thiết kế Một lợi việc không có địa thiết bị thêm vào hay lấy khỏi bus, không cần phải thay đởi cấu hình liệu (tức là, bus "có thể gắn nóng (hot pluggable)") Bus CAN cung cấp theo yêu cầu truyền tải từ xa (RTR), có nghĩa từ nút bus có thể yêu cầu thông tin từ nút khác Như thay chờ đợi cho nút để liên tục gửi thông tin, yêu cầu thông tin có thể gửi đến nút Ví dụ, xe, nơi nhiệt độ động tham số quan trọng, hệ thống có thể thiết kế để nhiệt độ gửi định kỳ bus Tuy nhiên, giải pháp lịch yêu cầu nhiệt độ cần thiết, nó giảm thiểu lưu lượng bus trì tính toàn vẹn hệ thống Tốc độ giao tiếp bus CAN không cố định Bất kỳ tốc độ truyền thông có thể thiết lập cho thiết bị gắn vào bus Tất thiết bị bus có thể phát lỗi Các thiết bị phát lỗi thông báo cho tất thiết bị khác Nhiều thiết bị có thể kết nối với xe buýt thời điểm, không có giới hạn hợp lý số lượng thiết bị có thể kết nối Trong thực tế, số thiết bị có thể gắn vào bus bị hạn chế thời gian trễ bus tải điện Các liệu bus CAN vi sai có thể hai trạng thái: dominant and recessive Hình dưới cho thấy trạng thái điện áp bus Các xe buýt định nghĩa chút logic bit chi phối chút logic bit lặn Khi có trọng tài xe buýt, trạng thái bit chi phối thắng trạng thái bit lặn Trong trạng thái lặn, CANH điện áp khác biệt CANL ít so với ngưỡng tối thiểu (tức ít 0.5V nhận đầu vào ít 1.5V đầu máy phát) Trong nhà nước chi phối, CANH điện áp khác biệt CANL lớn ngưỡng tối thiểu Các tiêu chuẩn ISO-11898 CAN bus rõ thiết bị xe bus đó phải có khả truyền 40 mét tốc điiộ 1Mb / s Nếu truyền xa phải giảm tốc độ Bus Hình 9.4 cho thấy thay đổi chiều dài bus so với tốc độ truyền thông Ví dụ, với chiều dài bus nghìn mét, có thể truyền tốc độ tốc độ tối đa 40KB / s Ethernet Ethernet Ethernet kiểu mạng cục (LAN) sử dụng rộng rãi Thực chất, Ethernet mạng cấp dưới (lớp vật lý phần lớp liên kết liệu), có thể sử dụng giao thức khác phía trên, đó TCP/IP tập giao thức sử dụng phổ biến Tuy vậy, nhà cung cấp sản phẩm có thể thực giao thức riêng theo chuẩn quốc tế cho giải pháp sở Ethernet High Speed Ethernet (HSE) Fieldbus Foundation chính tám hệ bus trường chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158 Ethernet có xuất xứ tên gọi sản phẩm công ty Xerox, sử dụng vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm máy tính với cáp đồng trục dài 1km, tốc độ truyền 2,94 Mbit/s áp dụng phương pháp truy nhập bus CSMA/CD Từ thành công sản phẩm này, Xerox DEC Intel xây dựng chuẩn 10 Mbit/sEthernet Chuẩn chính sở cho IEEE 802.3 sau Đặc biệt, với phiên 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày đóng vai trò quan trọng hệ thống công nghiệp Bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn cáp quang, gần Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) thu hút quan tâm lớn Kiến trúc giao thức Điểm khác biệt so với đặc tả Ethernet lúc đầu chuẩn 802.3 đưa họ hệ thống mạng sở CSMA/CD, với tốc độ truyền từ 1-10 Mbit/s cho nhiều môi trường truyền dẫn khác Bên cạnh đó, cấu trúc điện có khác biệt nhỏ: ô chứa chiều dài điện theo 802.3 định kiểu giao thức phía Ethernet (xem mục Mã hóa bit cấu trúc điện) Tuy nhiên, ngày ta nói tới Ethernet loại sản phẩm thực theo chuẩn IEEE 802.3 Cơ chế giao tiếp Sự phổ biến Ethernet có nhờ tính mở Thứ nhất, Ethernet qui định lớp vật lý lớp MAC, cho phép hệ thống khác tùy ý thực giao thức dịch vụ phía Thứ hai, phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD (xem 2.5) không yêu cầu trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, có thể bở sung hay tách trạm khỏi mạng mà không ảnh hưởng tới phần mạng lại Thứ ba, việc chuẩn hóa sớm IEEE 802.3 giúp cho nhà cung cấp sản phẩm thực dễ dàng Trong mạng Ethernet, không kể tới chia chuyển mạch tất trạm có vai trị bình đẳng Mỗi trạm (hay nói cách khác module giao diện mạng, card mạng) có địa Ethernet riêng biệt, thống toàn cầu Việc giao tiếp trạm thực thông qua giao thức phía trên, ví dụ NetBUI, IPX/SPX TCP/IP Tùy theo giao thức cụ thể, cước (tên, mã số địa chỉ) bên gửi bên nhận điện lớp phía (ví dụ lớp mạng) dịch sang địa Ethernet trước chuyển xuống lớp MAC Bên cạnh chế giao tiếp tay đơi, Ethernet cịn hỗ trợ phương pháp gửi thơng báo đồng loạt (multicast broadcast) Một thông báo multicast gửi tới nhóm trạm, thông báo broadcast gửi tới tất trạm Các loại thông báo phân biệt kiểu địa chỉ, trình bày mục sau Hiệu suất đường truyền tính thời gian thực Với giả thiết tải tương đối lớn không thay đổi, hiệu suất đường truyền tối ưu mạng Ethernet xác định theo công thức ([1]) Hiệu suất tối ưu = với e giá trị tối ưu cho số khe thời gian tranh chấp khung, v tốc độ truyền, l chiều dài dây dẫn, c tốc độ lan truyền tín hiệu n chiều dài trung bình khung tính bit Hiệu suất tối ưu giá trị lý tưởng, đạt đường truyền sử dụng liên tục không có xung đột đường truyền Khi số lượng trạm tăng lên, không có điều khiển lớp giao thức phía hiệu suất giảm đáng kể Trên Hình 4.22 đờ thị mô tả quan hệ hiệu suất đường truyền số lượng trung bình trạm đờng thời chờ gửi thông tin Lưu ý, số trạm ghi trục hồnh khơng phải số trạm mạng Hiệu suất thực tế khó có thể xác định cách chính xác cho cấu hình mạng Bên cạnh vấn đề bất định truy nhập bus, cần phải xét tới độ tin cậy mạng Ethernet Mặc dù Ethernet có khả phát lỗi xung đột lỗi khung, trạm không có xác nhận trạng thái điện nhận Như vậy, việc trao đổi thông tin cách tin cậy thiết phải nhờ vào giao thức thích hợp phía Trong hệ thống mạng cục văn phòng mạng công nghiệp dựa Ethernet, tập giao thức TCP/IP sử dụng rộng rãi Thông qua chế xác nhận thông báo, gửi lại liệu kiểm sốt l̀ng giao thơng, độ tin cậy tính thời gian thực hệ thống cải thiện đáng kể  ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA -