Đồ án tố nghiệp tìm hiểu cấu trúc, giao thức của mạng CAN và CANOpen cùng với các ứng dụng của nó trên tàu thuỷ

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày với xu hướng ngày phát triển hệ thống tự động tàu biển đặc biệt nhu cầu điều khiển, giám sát hệ thống.Việc tích hợp hệ thống tàu như: hệ thống báo động hệ thống giám sát buồng máy trao đổi thông tin, hệ thống cảm biến thu nhập liệu….ngày trở lên cần thiết (Đối với tất tàu, tàu chở hàng, tàu cá, tàu du lịch,…) Vì việc tích hợp hệ thống vào hệ thống chung cần phải có mạng lưới chuẩn để tích hợp liệu đầu vào kênh Mạng CANOpen đời ứng dụng phổ biến tàu thuỷ với nhiều ứng dụng hữu ích lợi để đáp ứng yêu cầu Mục đích nghiên đề tài Tìm hiểu cấu trúc, giao thức mạng CAN CANOpen với ứng dụng tàu thuỷ Trên sở đó, nghiên ứng dụng mạng CANOpen trực tiếp hệ thống tàu thuỷ xây dựng hệ thống giám sát tàu thuỷ Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Trong phạm vi đề tài em nghiên cứu ứng dụng mạng CABOpen hệ thống tự động tàu thuỷ, cụ thể là: Khả định lỗi mạng CANOpen hệ thống tự động hàng hải Cảm biến thông minh dựa CANOpen hệ thống giám sát hàng hải Đề tài em trình bày trương trình giám sát tàu thuỷ ứng dụng mạng CANOpen dựa phần mềm CANCapture.Việc thiết kế chế tạo cảm biến thông minh dựa tren giao thức CANOpen hệ thống giám sát tàu thuỷ xem hướng phát triển đề tài Phương pháp nghiên cứu đề tài Thu nhập thông tin, tài liệu để tìm hiểu mạng CAN, mạng CANOpen ứng dụng tàu thuỷ Mô hệ thống giám sát phần mềm CANCapture Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với việc nghiên cứu ứng dụng mạng CANOpen tàu thuỷ, ý nghĩa đề tài chứng minh nặng lực mạng CANOpen việc tích hợp hệ thống thiết bị tàu thuỷ nhằm dễ dàng giám sát , điều khiển,giảm thiểu chi phí lắp đặt hệ thống riêng lẻ cồng kềnh Đề tài xây dựng chương trình giám sát buồng máy dung CANCapture làm phần mềm mô phỏng, đồng thời đề tài tài liệu chuẩn để phát triển ứng dụng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CANOpen 1.1 Tổng quan mạng CAN 1.1.1 Giới thiệu mạng CAN CAN viết tắt của( Controller Area network) mạng điều khiển khu vực hay đơn giản gọi mạng CAN,là mạng công nghệ ghép nối tiếp,là giao thức giao tiếp có khung truyền liệu lớn.CAN chứng tỏ tính ưu việt hệ thống bớt trường khac nhờ vào đặc tính trẻ,có khả tạo chức môi trường điện khó khăn,mức độ khả thời gian thực cao,phát lỗi tuyệt vời,và có khả khống chế lỗi tuyệt vời Điển lổi trội chuẩn CAN tính ổn định an toàn.nhờ chế truy cập chống xung đột dường truyền thông minh: CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection)và chế phát lỗi ,xử lý lỗi cự mạnh,nên lỗi CAN messages phát 1.1.2 Cấu tạo mạng CAN Mạng CAN tạo thành nhóm node.Mỗi node giao tiếp với node mạng việc giao tiếp thực hiên việc truyền nhận điện (messages) CAN hệ thống mạng hai dây,nửa kép tốc độ cao vượt hẳn với công nghệ nối tiếp thông thuờng khác Hình 1.1 Cấu trúc nút mạng CAN MC CAN _Contrller Tx Rx Vref CAN_Transceiver CAN_H 5v 0v CAN_L Bus_Line Phương thúc giao tiếp đường truyền CAN phát thong tin quảng bá:Mỗi điểm kết nối thông tin vào mạng thu nhận khung truyền từ node phát,mỗi node thu phát điện (bức điện thường địa id bus).Nhưng sau đó,việc xử lý điện là:có trả lời hay không ,có phản hồi hay không…Cách thức giống phát thong tin đường trạm phát quảng bá :khi nhận thông tin đường ,thì người lái xe thay đổi lộ trình anh ta,hay làm việc hay không sử lý Mạng Can tron mô hình vật lý OSI bao gồm lớp vật lý(physical layer) liên kết liệu (data link layer) Tầng ứng dụng HLPs: CANOPen, devicenet Tầng trình diễn Thực riêng biệt Tầng phiên cao bở i giao thức tầng Tầng vận chuyển (HLP) Tầng mạng Tầng liên kết liệu Giao thức CAN 1.Tầng vật lý Hình1.2 Mô hình tham chiếu mạng CAN mô hình lớp ISO –OSI Ta thấy giao thức CAN mô hình OSI sủ dụng lớp vật lý lớp liên kết liệu.Cũng có nghĩa giao thức CAN có nhiệm vụ liên kết bus liệu thông qua đường truyền vật lý ,và kiểm soát lỗi tầng liên kết liệu 1.1.3 Cơ chế giao tiếp mạng CAN Mạng CAN sử dụng phương pháp truy cập nhận biết sóng mang tránh xung đột – CSMA/CD (Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection), điều khiển phân kênh theo bít,có đặc điểm sau: Mỗi node mạng phải kiểm tra đường truyền để phát thời gian đường truyền rảnh để truyền điện Khi đường truyền rảnh, tất node có hội để truyền điện Mỗi điện bắt đầu bit khởi điểm nhận dạng (ID),nên có node truyền điện lên đường truyền thì, tin nhắn có ID ưu (trong có bit ưu tức bit 0) ghi đè lên tin nhắn khác bị chi phối node khác.Mỗi tin nhắn thông báo chi phối đến nhận tất node.Cơ chế gọi chế ưu tiên dựa bus,các tin nhắn có mức ưu tiên cao truyền trước Việc phân sử xung đột dường truyền dựa vào bit nhân dạng.mỗi thu /phát phải so sánh mức tín hiệu bit gửi bit nhận ,nếu có khác biệt phải ngừng phát đến đường truyền rảnh chở lại Thực tế bit “0” (múc trội) lấn át bit “1” (mức lặn) nên điện có số nhận dạng nhỏ đọ ưu iên cao Trong trường hợp này,khi so sánh bit số nhận dạng nodephát lúc,thì node có độ ưu tiên cao (do có giá trị mã nhận dạng nhỏ nhất) nên truyền phát tín hiệu lên đường truyền,còn node lại vào trạng thái chờ 1.1.4 Giao thức cao mạng CAN Như nêu giao thức CAN định nghĩa lớp vật lý lớp liên kết liệu thấp,không định nghĩa nhiệm vụ giao thức ứng dụng :kiểm soát tốc độ đường truyền ,ghi địa thiết ị truyền khối liệu lớn điện(> bytes data).Các giao thức cao mạng CAN phát triển để giải hạn chế nêu CAN, :deviceNet,CANOpen,SDS,CAN Kingdom, NMEA 2000,… 1.2 CANOpen-hệ thống tiêu biểu dựa trênmạng CAN Hệ thống mạng CANOPen định nghĩa chuẩn ứng dụng dùng hệ thốn thự động công nghiệp phân tán dựa sở CAN.CANOpen giao thức an toàn (CIA 304) phát triển mạng CAN tự động hoá (CIA),và công bố tiêu chuẩn châu Âu có sẵn EN 50325-5của Uỷ ban châu ÂU từ tiêu chuẩn kĩ thuật điện (CENElEC) quốc gia nào.GIAO thức CANOpen bổ xung giao thức CANOpen tiêu chuẩn EN50325-4,vá bít đến CIA 301 Ngày mạng CANOPen sử dụng nhiều lĩnh vực như: điều khiển máy , tự động hoá nhà xưởng,tự động hoá phòng thí nghiệm,giao thong vận tải,tự động hoá xây dựng,tự động hoá hệ thống y học đặc biệt lĩnh vực hang hải.Với nhiều ứng dụng vượt trội độ sác cao tiết kiêm hệ thống chi phí lắp đặt CHƯƠNG 2.TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU MẠNG CANOpen 2.1 Giới thiệu mạng CANOpen Hồ sơ mạng CANOpen xây dựng “Hồ sơ truyền thông” để xác định chế giao tiếp dựa vào hình thức tiêu biểu hoá để mô tả chức thiết bị Các loại thiết bị quan trọng như: modul vào/ra số, tương tự cac truyền động ,các thiết bị vận hành ,các cảm biến điều khiển lập trình.Các modul vào/ra phát triển dựa chip SAB-C167CR-LM từ SIEMENS,các modul vào/ra làm cho cảm biến thiết bị truyền động thông qua bus CAN,sử dụng giao thức CANOpen Trong “Hồ sơ thiết bị”, chức năng, thông số liệu thiết bị chuẩn loại tương ứng định rõ Dựa “Hồ sơ thiết bị”chuẩn nhà sản xuất, truy cập đường truyền cách xác theo cách thức khác Do đó, thiết bị hàng sản xuất khác có khả tương thích trao đổi dược với Một số yếu tố quan trọng CANOpen chuẩn việc miêu tả chức thiết bị thông qua “Danh bạ đối tượng _OD”.Danh bạ đối tượng phân chia thành hai phần, phần thứ bao gồm thông tin chung thiết bị nhận dạng thiết bị,tên nhà sản xuất ,các thông số thông tin,….phần miêu tả chức cụ thể thiết bị Các đặc điểm kỹ thuật hàm chức thiết bị CANOpen mô tả “Bảng liệu điện tử_EDS” sử dụng mã định dạng ASCII.một EDS phải mô tả mẫu dùng để mô tả tất liệu đặc trưng thiết bị giống truy cập từ mạng Việc cài đặt thiết bị mô tả “Tập tin cấu hình thiết bị _DCF” EDSvà DCF cung cấp dạng tệp tin liệu, tải từ mạng internet lưu trữ thiết bị Tương tự hệ thống bus trường khác, CAOpen phân biệt kỹ thuật truyền phát liệu là: Truy cập vào danh bạ đối tượn thông qua “Đối tượng dịch vụ liệu _SDO” Trao đổi liệu sử lý qua “Đối tượng sử lý liệu_PDOS” CANOpen cung cấp kỹ thuật tạo cácmđiều khiển khác cho thiết bị làm cho chúng kết hợp vơí đồng thời kết nối với thiết bị khác.CANOpen tạp trung vào việc công nhận kiểu khác thiết bị, tất sủ dụng dih vụ CAN CAL để liên kết CANOpen trở lên ngày quan trọng chấp nhận trường ứng dụng khác Người ta thiết kế cac hệ thống có lựa chọn thiết bị CANOpen để dùng cho mạng điều khiển họ để kết hợp cách xác yêu cầu ứng dụng họ Đặc trưng CANOpen đam bảo thiết bị CANOpen liên lạc với cách xác mạng CANOPen 2.2 Truyền thông mạng CANOpen CANOpen giao thức truyền thông mô hình thiết bị tiêu biểu cho hệ thống mạng truyền thông sử dụng tự động hoá, hệ thống tự động hoá hàng hải Tiêu chuẩn CANOpen gồm có lược đồ địa chỉ,một vài giao thức truyền thông nhỏ lớp ứng dụng ,tất địng nghĩa cấu hình thiết bị.Các giao thức truyền thông hỗ trợ cho việc quản lý mạng ,giám sát thiết bị,và thôngt in liên lạc node bao gồm lớp truyền thông đơn giản cho việc phân đoạn điện kết nối điện.Việc thực giao thức lớp thấp lớp liên kết giữ liệu lớp vật lý thường mạng điều khiển cục -Can đảm nhiệm,mặc dù thiết bị sử dụng số phương tiện truyền thông khác (chẳng hạn Ethernet Powerlink EtherCAT) thực cấu hình thiết bị mạng CANOpen 2.2.1 Khái niệm truyền thông CANOpen Khái niệm truyền thong mạng CANOpen mô tả tương tự mô tương tự mô hình hệ thống mở rộng ISO kết nối (OSI) đưa tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế(ISO/OSI).Mạng CANOPen đưa tiêu chuẩn hoá lớp ứng dụng hồ sơ truyền thông,mạng CANOpen ưu điểm mạng khác thêm chức truyền thông.VIệc lụa chọn khung liệu cho thiết bị lập trình truyền thông quy định cụ thể chức truyền thông bổ xung CANOpen dựa lớp liên kết liệu CAN thu phát tốc độ cao qui định ISO 11898,phần phần 2.Ngoài CANOpen quy định thời gian đề suất nhiệm vụ cho số kết nối Hình 2.1 Mô hình tham chiếu mạng CANOpen Hồ sơ Hồ sơ Thiết bị Giao diện Hồ sơ ưng dụng Hồ sơ Hồ sơ Quản lý Sản xuất chi tiết Kết cấu (ví dụ: thiết bị lập trình được) Hồ sơ truyền thông tầng Ứng dụng Tầng liên kết liệu thu nhận tôc độ cao (ISO 11898) Bít định thời kết nối định Đường truyền * Các lớp tương tác mạng CANOpen Trong mạng CANOpen lớp giao thức mô tả tương tác với thông tin lien lạc lớp khác nhau.Trên lớp ứng dụng mạng CANOpen thiết bị trao đổi thông tin liên lạc đối tượng áp dụng,có thể truy cập qua số 16-bit số phụ 8bit Những đối tượng truyền thông ánh xạ tới khung CAN xác định trước,hoặc cấu hình định danh.Lớp vật lý mạng CAN xac định cấp độ bít bao gồm bit thời gian Hình 2.2 Các lớp tương tác mạng CANOpen Transmitting receiving Device Device CANOpen Application Layer ID+Data CAN Data link layer CAN Physical Layer CANOpen Application layer Object at Index CAN_l ID+Data Can Data link Layer CAN_L CAN_H CAN Physical Layer 2.2 Cấu hình thiết bị mạng CANOpen Mỗi thiết bin mạng CAN mở chia làm phần:Gioa diện truyền thông phần mềm giao thức; Danh bạ đối tượng;Giao diện sử lý trương trình ứng dụng Hình 2.3 Mô hình thiết bị mạng CANOpen Truyền thông CAN PDOs, SDOs, Các đối tượng chức đặc trưng, đối tượng NMT Danh bạ đối tượng; Các kiểu liệu, truyền thông ứng dụng Ứng dụng Chương trình ứng dụng,sự thưc hồ sơ thiết bị I/O Phần quan trọng thiết bị mạng CANOpen “Danh bạ đối tượng”.Về bản, danh bạ đối tượng nhóm đối tượng truy cập qua mạng kiểu định nghĩa trước thiết lập.Mỗi đối tượng danh bạ địa hóa cách sử dụng số 16-bit số phụ8 - bít Các thiết bị CANOpen phải có danh bạ đối tượng sử dụng để cấu hình truyền thông thời gin không thực với thiết bị.một cổng vào danh bạ đối tượng định nghĩa Chỉ số: 16 bit địa đối tượng danh bạ Tên đối tượng: kiểu ký tự đối tượng cổng vào mảng, ghi biến số đơn giản Tên: chuỗi mô tả cổng vào Kiểu: đưa kiểu liệu biến số Thuộc tính: đưa thông tin quyền truy cập cổng vào, theo đọc/ghi, đọc, ghi, đọc biến số 2.2.3 Các đối tượng truyền thông Mạng CAN,tầng vật lý CANOpen truyền phát gói tin ngắn bao gồm 11 bít danh,bít yêu cầu truyền phát từ xa(RTR) đến bey giữ liệu Mạng CANOpen tiêu chuẩn phân chia 11 bit danh khung CAN bit mã hóa chức bít danh node CANOpen.Điều hạn chế số lượng thiết bị mạng CANOpen 127.Một phần mở rộng Can-bus tiêu chuẩn Can2.0B cho phép mở rộng khung danh tới 29 bít, thực tế thấy mạng CANOpen đủ lớn để cần thiết phải mở rộng thêm dải danh 2.2.4 Các kiểu truyền thông mạng CANOpen Truyền thông mạng CANOpen chia làm loại: 2.2.4.1 Loại 1: truyền thông đối tượng xử lý liệu (PDO) Được sử dụng trình khai thác mạng bình thường để truyền lieu thời gian thực với việc sử lý không xử lý giao thức phía 10 nhập liệu ngày trở thành nhu cầu phổ biến tàu biển (kể tàu chở than tàu đánh cá ,tàu du lịch tàu chở hàng…) VIệc khai thác vị trí tàu có nhiều vị trí như: buồng lái, buồng máy, phòng vô tuyến, mô tả hình trên, chí bên công ty chủ quản thông qua đường truyền vệ tinh Inmarsat.Như nhu cầu kết nối thiết bị tàu thủy, thiết bị vô tuyến lại trở thành mạng cần thiết , phù hợp với nhu cầu tự động hóa tàu thủy Bên cạnh đó, thiết bị điện hàng hải đại yêu cầu liệu từ dất nhiều nguồn khác lên cần có mạng lưới tiêu chuẩn để tích hợp liệu đầu vào, “hợp nhất” liệu kênh Mạng CANOpen phát triển ứng dụng phổ biến tàu thủy để đáp ứng yêu cầu Hiện nay,tích hợp hình hệ thống báo động xu hướng tự động buồng máy để phát triển theo hướng số hóa thông minh hóa dựa web.Đã có nhiều tập đoàn công ty giới ứng dụng thành công mạng CANOpen để chế tạo thiết bị điện tàu thủy úng dụng chuẩn CANOpen để tích hợp thiết bị thành mạng chung.Tiêu biểu như: Sperry (Mỹ),CS(Ý),Lyngso (Đan Mạch),tất ứng dụng họ nghiên cứu theo cách này,một vài sản phẩm ứng dụng tàu thủy mang lại lợi nhuận kinh tế cao như: “Số hóa hệ thống mô buông máy dựa chuẩn CANOpen ”, “Thiết kế hệ thống cảm biến thông minh cho hệ thống giám sát tàu thủy dựa giuao thức CANOpen ”;cũng “ Khả định lỗi mạng CANOpen hệ thống tự động hàng hải ”.Việc số hóa hệ thống mô buồng máy hàng hải dựa cấu trúc lien kết mạng four-tie phát triển SMU ý tưởng nghiên cứu tương tự.Đó việc tích hợp hệ thống huấn luyện buồng máy thiết bị điện cơ.Như nói mạng CANOpen ứng dụng ngày phổ biến không nghành công nghiệp hóa tự động mà phổ biến với nghành hàng hảỉ 2.3.2 Hướng nghiên cứu tàu thủy Mặc khác phát triển không ngừng khoa hoc kỹ thuật đặc biệt lĩnh vức điện,điện tử ,tin học,và tự động hóa năm gần làm tăng khả ứng dụng thiết bị vào hệ thống điện ,nhất việc sử dụng rộng rãi thiết bị bán dẫn vi mạch hệ thống đo lường,bảo vệ điều khiển tự động hệ thống điện,do việc ứng dụng khao học kỹ thuật tự động háo tất yếu.Trong lĩnh vực giao thông đường thủy không nằm phát triển chung đó,đặc biệt hệ thống tự động điều khiển,báo động tích hợp hệ thống giám sát thành mạng chung thiết bị riêng lẻ phải thiết kế theo chuẩn chung đáp ứng nhu cầu kết nối thành mạng 31 Với nhiều ứng dụng thành công mạng CANOpen hệ thống tàu thủy,có nhiều hướng nghiên cứu ứng dụng nó.trong pham vi giới hạn đề tài thời gian thực hiện,ở em xin nghiên cứu ứng dụng mổi bật CANOpen là: Khả định lỗi mạng CANOpen hệ thống tự động hàng hải Cảm biến thông minh dựa CANOpen hệ thống giám sát hàng hải Chương III.NGHIÊN CỨU MẠNG CANOpen TRÊN TÀU THỦY 3.1 Nhu cầu ứng dụng CANOpen số hệ thống điều khiển tàu thủy Dù mạng CAN đáp ứng yêu cầu, xong việc kết hợp thiết bị nhà cung cấp nói chung khó đắt Vì mạng CANOpen đời phát triển, đáp ứng yêu cầu chuẩn DSP 307 Với việc áp dụng chuẩn DSP 307, yêu cầu hệ thống tự động tàu hàng hải lien quan đến độ tin cậy, an toàn hiệu qur giá thành đáp ứng Và chuẩn CANOpen trở thành chuẩn cho hệ thống thông tin với độ tin cậy cao cho hệ thống điều khiển giám sát lĩnh vực hàng hải Đặc điểm trội mạng CANOpen khả dự trữ thông tin; khả linh hoạt vai trò master đối tượng xử lý liệu đa thành phần 3.11 CANOpen sở cho chuẩn mở rộng Trong số nhieeufcacs giao thức cao dựa chuẩn CAN, CANOpen khẳng định khắp nơi giới, thừa nhận chuẩn cho ứng dụng khác hệ thống nhúng, tự động hóa công nghiệp, hàng hải nhiều ứng dụng khác hệ thống di động Với lý chuẩn CANOpen cung cấp kỹ thuật hiệu quả, độ tin cậy cao giao thức CAN hiệu chi phí bổ xung hệ thống dựa CAN Do đó, hiển nhiên có nhiều thông tin chuẩn hóa cho ứng dụng thiết bị cụ thể dựa CANOpen 3.12 Dự phòng thông tin lien lạc Khái niệm dự phòng ddingj nghĩa cho CANOpen hàng hải định nghĩa nguyên lý “sẵn sang nóng ” phù hợp với yêu cầu tổ chức phân loại khác Nguyên lý không đảm bảo sai hỏng kênh thông bảo vệ sau điện tính toán kênh dự phòng mà đảm bảo không điện bị qua trình truyền tín hiệu từ kênh CAN tới kênh khác Hình 3.1 Cấu hình hệ thống thiết bị mạng CANOpen với kênh truyền thông tin dự phòng 32 Host Contronller CAN Controller Bus Driver CAN Controll2 Bus Driver DCL (Default CAN Lines) RCL (Redundant CAN Lines) Hình cho thấy cấu hình hệ thống cho thiết bị với việc truyền liệu dự phòng CANOpen hàng hải sở Ở bình thường dây đường truyền hoạt động gọi “dây CAN mặc định” dây đường truyền hoạt động trường hợp lỗi “dây CAN dự phòng” Trong lỗi tự hoạt động, việc truyền xảy hai kênh Thông thường, PDO phát hai kênh truyền dẫn Đúng với trạn thái khác kênh truyền dẫn (ví dụ tải đường truyền khác lỗi tạm thời kênh), xảy việc tryền dẫn chiếm vị trí thời gian khác (thời gian trễ Tx) dù yêu cầu phát xảy đồng thời (khoảng chống yêu cầu phát điều trỉnh CAN liên quan) Mỗi việc truyền nhân gói tin CAN kênh mặc định hủy bỏ vượt thời gian phát trễ tối đa, “bộ đếm lỗi kênh” tăng lên giá trị định Nếu việc truyền tải thời gian chờ đợi thành công xảy lần kênh bị lỗi, truy cập lỗi bị giảm giá trị Bằng cách này, tạm thời lỗi kênh không dẫn đến chuyển đổi qua kênh thông tin không cần thiết Tuy nhiên, trường hợp lỗi truy cập đạt đến giá trị đa, tất ả thiết bị khác gói tin thông 33 báo “đường dây hoạt động biểu thị” thông qua kênh dự phòng từ kênh dự phòng coi “đường hoạt động” Ngoài ra, thiết bị lien quan khôngđược truyền gói tin kênh mặc định Gói tin “đường dây hoạt động biểu thị” truyeeng thông qua kênh dự phòng thiết bị phát gói tin kích hoạt thiết bị khác kênh mặc định Nếu đếm thời gian lỗi đạt đến giá trị “0” lần nữa, ví dụ sau hồi phục từ lỗi tạm thời, thiết bị cho biết việc sẵn sang để hoạt động cách gửi gói tin kích hoạt Sau nhận gói tin kích hoạt từ tất thiết bị khác, cho thấy điều cách gửi gói tin “đường truyền hoạt động biểu thị” kênh mặc định Các gói tin CAN truyền chấp nhân bên phía thu hai kênh Ứng dụng định tương lai sử dụng Thông thường, ví dụ, gói tin thu trước kênh ghi đè gói tinnhaanj kênh khác Việc ghi đè gói tin ngăn chặn chế mô tả trước việc giám sát thời gian trễ bên phía phát Nguyên tắc đồng thời mô tả việc truyền tải thông tin CAN qua hai đường truyền CAN áp dụng PDOs (Xử lí liệu đối tượng) cho việc truyền gói tin “khẩn cấp” (tiêu chuẩn hóa thiết bị thông báo lỗi), dấu thời gian đồng tin nhắn Chỉ có dấu thời gian đồng tin nhắn truyền qua “đường hoạt động CAN” 3.2 Đi sâu nghiên cứu ứng dụng mạng CANOpen tàu thủy 3.2.1 Nghiên cứu úng dụng mạng CANOpen hững hệ thống tự dộng tàu thủy Trong mục nàyem xin giới thiệu khả chịu lỗi mạng CANOpen hệ thống tự động hàng hải Hệ thống truyền thông dựa giao thức mạng CANOpen phổ biến hệ thống có khả chịu lỗi (bỏ qua lỗi) Ở em xin trình bày hệ thống truyền thông dựa CANOpen đáp ứng yêu cầu hệ thống chịu lỗi đơn Ngày nay, tàu hiên đại thiết bị đa chức với số lượng công đoạn xử lý việc quản lý nguồn, động câc máy phát, bơm hàng van, két dằn, bunker tank hàng Điều đòi hỏi truy cập lên đến hàng ngàn điểm vào/ra cho ỗi phân đoạn xử lý Hệ thống quy mô lớn lên đến 20000 điểm vào/ra Số lượng lớn liệu chức hệ thống khác làm cho cần thiết thay dạng cấu trúc cấu trúc có phân cấp dạng mô-đun với cấu trúc thông minh phân tán Để tạo điều kiện cho việc thu nhập liệu, tương tự lĩnh vực khác tự động hóa, hệ thống thống thông tin liệu thích hợp cần thiết 34 Sau gới thiệu khái niệm hệ thống tự động hóa hàng hải bổ xung, dựa phần mở rộng tiêu chuẩn CANOpen CANOpen lựa chọn tính độc đáo Các thành phần cấu trúc hệ thống DPU: Khối sử lý phân phối; LOS: Trạm khai thác cục bộ;ROS: Trạm điều khiển từ xa; PSC: Bộ điều khiển xử lý phân đoạn Ý tưởng cấu trúc hệ thống thể phân vùng hệ thống thành đoạn xử lý Trong phân đoạn xử lý chức chuyên dụng hệ thống tích hợp lại quản lý nguồn điện, máy bơm van hệ thống phụ trợ Dựa vào khả xử lý khối phân phối, phân đoạn xử lý độc đáo với phần lại hệ thống bị cô lập với phần lại hệ thống Việc trao đổi liệu phân đoạn xử lý dựa treenmootj hệ thống truyền thông cục (đường truyền xử lý cục bộ) Một đường truyền xử lý toàn kết nối với đoạn xử lý khác thông qua trạm điều khiển từ xa Qua hệ thống kết nối với đường truyền toàn thông qua điều khiển xử lý phân đoạn (PSC) Những PSC cung cấp chức cầu nối hệ thống đường truyền Cả hai loại hệ thống truyền thông thực theo hình thức mạng lưới dự phòng dựa CANOpen Các khối xử lý phân phối Các giao diện trình vật lý chế biến điều khiển từ xa giám sát kiểm soát hệ thống cung cấp phương tiện đơn vị phân phối chế biến (DPU) Hình 3.2 DPU đầu vào 16 kênh tương tự 35 DPU dựa vi điều khiển C167 Infineon với hai giao diện CAN Các module cung cấp giao diện tiêu chuẩn CANOpen hoàn toàn cấu hình thông qua CAN bus Do thiết kế gồ ghề chúng, chúng sử dụng trực tiếp môi trường khắc nghiệt phòng máy tàu biển trực tiếp gắn vào động Việc khởi động module quản lý phần mềm cho phép cập nhập phần mềm module thông qua CAN bus Module liệu cấu hình lưu trữ nhớ FLASH EEPROM, tương ứng Trạm điều khiển từ xa-ROS: PC/Windows NT dựa (ROS) cung cấp điều khiển giám sát chức giám sát cho hệ thống bao gồm giao diện người-máy tinh xảo đồ họa(MMI) Một ROS kết nối với đường truyền CAN thông qua giao diện thông minh CAN Giao diện cung cấp chức tiêu chuẩn hoàn chỉnh CANOpen bao gồm mạng lưới dịch vụ bổ sung số hệ thống cấu hình DLL Windows-NT cho máy tính dựa giao diện chủ CAN-CIS Trạm khai thác cục bộ-LOS: Mục đích thiết bị LOS (Local Operator Station) cho phép truy cập vào DPUs thông minh để kiểm tra trình sử lý biến, hoatk động cục thiết bị xử lý, mô tín hiệu vào/ra, điều chỉnhr tham số kiểm tra xây dựng chuẩn đoán Trong cấu hình hệ thống nhỏ mà trạm điều khiển từ xa, LOS sử dụng tram điều khiển Với hệ thống tự động hóa phát triển dựa CAN/CANOpen, chi phí hiệu quả, hệ thống modul có tính linh hoạt cao khả có sẵn, mà đáp ứng yêu cầu an toàn tự động cụ thể tàu Hệ thống hoạt động thành công nhiều ứng dụng CANOpen chứng minh tảng phù hợp để thực hệ thống, an toàn thông tin liên lạc tinh vi có liên quan 3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng mạng CANOpen hệ thống cảm biến thông minh cho hệ thống giám sát tàu thủy Để tăng cường đọ tin cậy bảo trì hệ thống giám sát tàu thủy, em xin phân tích ví dụ cảm biến dựa giao thức CANOpen thông minh đồng thời theo dõi tốc độ quay nhiệt độ Với cảm biến thông minh này, việc thu thập liệu điều khiển cảm biến đạt dễ dàng hiệu Thí nghiệm tiến hành, kết cho thấy cảm biến thông minh đơn giản hóa hệ thống giám sát 36 tàu, làm cho việc trì dễ dàng cải thiện độ tin cậy đáng kể hệ thống giám sát tàu thủy Chúng ta biết hệ thống giám sát tàu đóng vai trò quan trọng việc bảo dưỡng tàu chạy, thực tế “nhiệt kế” tàu Nhưng hệ thống giám sát tàu phần khó chủ yếu cho phân hỗ trợ thiết bị Hiện khả hỗ trợ thiết bị có khó khăn chủ yếu sau đây: thứ nhất, cấu trúc hệ thống giám sát tàu thủy phức tạp, để làm giảm độ tin cậy hệ thống đáng kể; thứ hai, loại hệ thống giám sát nhiều, chế độ bảo trì nhất, giới hạn khả thiết bị hỗ trợ Hiện hệ thống giám sát vận chuyển thường sử dụng CAN-bus để chuyển liệu đo lường Nhưng CAN-bus có số khó khăn việc thực kiểm soát cảm biến, chẳng hạn kiểm soát tham thông số liên quan đến đo lường cảm biến truyền liệu Để giải vấn đề này, viết chủ yếu tập trung phát triển dựa giao thức CANOpen cảm biến thông mà sửa đổi chỉnh sửa thông số liệu đo lường Một chương trình máy tính ưu tiên với hoạt động thông minh quản lý cảm biến cách đọc viết danh bạ đối tượng cảm biến Với giao thức CANOpen, số lợi đạt là: Thứ truy cập trực tiếp vào cảm biến, cung cấp hệ thống giám sát vơi độ xác độ nhạy cao: Thứ hai cung cấp tốc độ cao với khoảng cách thu thập liệu thống nhất, giá trị đầu cảm biến hạn chế cách đọc viết danh bạ đối tượng Và sử dụng giao thức CANOpen để thiết kế cảm biến thông minh theo dõi tốc độ quay nhiệt độ lúc Sơ đồ khối hệ thống: Phần mềm quản lý Được xây dựng phần mềm CAN CAN-bus Nhiệt độ tốc độ quay, Cảm biến1 Nhiệt độ tốc độ quay ,Cảm biến 37 Nhiệt độ tôc độ quay Cảm biến n Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống thiết kế bao gồm hai module chức module cảm biến thông minh module phần mềm giám sát Cả gai module giao tiếp với thông qua dường truyền CAN Trong trình chạy hệ thống, chương trình phần mềm giám sát cài đặt máy giám sát Việc theo dõi truy cập chương trình xây dựng mạch CAN để thu nhập điều kiện làm việc hành liệu đo lường cảm biến thông minh Dữ liệu đo, hiển thị thời gian thực máy tính hệ thống giám sát Hệ thống thông minh giám sát tốc độ quay nhiệt độ Phần mềm giám sát CAN Phần mềm giám sát Mô dul cảm biến Tốc độ quay thăm dò CAN dây nguồn Cửa sổ cảm biến điều khiển Nhiệt độ thăm dò Máy tính Cảm biến gói Phần cứng 38 Phần mềm Hình 3.4 Chương trình phần mềm mô hệ thống Bộ cảm biến bảng điều khiển, thiết kế đặc biệt, bảng mạch cách sử dụng DSP điều khiển Có giao diện bus CAN giao diện cảm biến bo mạch, chương trình có chức thu thập liệu, thông tin liên lạc kiểm tra đặc biệt mã hóa tải chip DSP Cảm biến đống gói vào hộp nhôm Dây với năm cặp xoắn bảo vệ cáp tương tự sử dụng CAN dây điện Thiết kế phần mềm: Như thể hình 3.4, phần mềm đo nhiệt độ thông minh cảm biến tốc độ quay bao gồm hai chương trình phần mềm, cụ thể phần mềm theo dõi giám sát phần mềm cảm biến Với phần mềm giám sát truy cập thông số đo thiết bị bus-Can thường xuyên, hiển thị liệu thu nhập hình máy tính Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển mạch CAN, giao thức truyền thông phần mềm ứng dụng CAN điều khiển chương trình khởi tạo mạch giao tiếp CAN kiểm soát toàn để nhận gửi liệu Giao thức thông tin phân tich gói liệu từ CAN bus, nhận liệu phần mềm hàng đầu, sau đóng gói gửi liệu tới bus CAN Các thư viện giao thức truyền thông cuãng hỗ trợ dạng giắc cắm plug and play (pnp) cảm biến thiết bị quản lý Bộ cảm biến thiết kế gồm module chức Mỗi module chưc tách riêng thành phần tương đối độc lập, dễ dàng để trì mở rộng chương trình, hữu ích để nâng cao độ tin cậy hệ thống Bộ cảm biến chia thành cấp độ, ổ đĩa phần mềm, lưu trữ trung gian ứng dụng Driver Layer hoạt động quản lý phần cứng ngoại vi cung cấp giao diện truy cập cho hẹn giờ, điều khiển WDT modul khác Middleware CANOpen tương thích với chuẩn giao thức ngăn xếp, cho phép PnP vhuwcs cảm biến thông minh Tầng ứng dụng phối hợp tất modul cấp thấp để nhận liệu thu thập, phản hồi với yêu cầu đường truyeeng CAN-bus, thử nghiệm đặc biệt Lược đồ hệ thống Bộ điều khiển CAN DSP có hộp tin 32 bit để nhận gửi gói tin CAN Vì vậy, giao thức ngăn xếp CANOpen sử dụng chế độ non-blocking để gửi gói tin, 39 chế độ ngắt sử dụng để nhận gói tin nhằm ngăn chặn việc quay trở lại sau nhận gói tin CAN, việc ngắt thu CAN Chỉ giao thức ngăn xếp xử lý hoàn thành gói tin hiên thời, thu CAN cho phép thu nhận gói tin thời Sau gói tin CAN thu nhân phân tích giao thức CANOpen, thu nhận liên quan gọi phân tích gói tin Đồng thời, thời gian xếp nhiệm vụ bắt buộc phải xử lý ngăn xếp giao thức giao dịch với hoạt động lớp úng dụng chức gọi lại Kết luận: Để tăng cường độ tin cậy bảo trì hệ thống giám sát tàu, giấy đề xuất dựa giao thức CANOpen cảm biến thông minh mà đồng thời theo dõi tôc độ quay nhiệt độ Với bôn cảm biến thông minh này, việc thu nhập liệu điều khiển cảm biến đạt dễ dàng hiệu 3.3 Chương trình giám sát tàu thủy ứng dụng mạng CANOpen 3.3.1 Giới thiệu phần mềm CANCapture CANCapture phần mềm ứng dụng linh hoạt, công suất lớn hiệu quả, giá thành cao để thu thập phân tích lưu lượng truy cập bus đường truyền mạng điều khiển cục - CAN CANCapture phần mềm lập trình giao tiếp chuyên dụng cho giao thức CAN, CANOpen NMEA 2000 Phần mềm hỗ trợ khối –block, hàm chức năng, dễ dàng việc lập trình giám sát 40 Hình 3.5 Sơ đồ ghép nối hệ thống dựa CANCapture CANCapture thiết kế phù hợp với ý tưởng kỹ sư, suốt trình phát triển đáp ứng yêu cầu phát triển cảu mạng CAN Tính linh hoạt CANCapture thể qua: Hoàn toàn tùy chỉnh việc quản lý lưu lượng liệu – đưa liệu vào day CAN nhiên bạn muốn, tải sửa đổi sở liệu CAN, kết nối ngắt kết nối khối chức mà dùng trình thu nhập dữa liệu Cơ sở quản lý liệu tích hợp vào ứng dụng – đến định nghĩa, tìm kiếm sở liệu, thêm vào biến, đồ thị,… Đầy đủ sở liệu hỗ trợ J1939 Không cần đăng ký giấy phép CANCapture cài đặt máy tính nhóm của, không cần nhu cầu chia sẻ máy tính xách tay Kết nối nhiều thiết bị ECOM biểu đồ lưu lượng CANCapture để tạo cổng ảo, liên kết, thao tác, chọn lọc phân tích hoạt động đường truyền cô lâp Hình 3.6 Sơ đồ panel hiển thị 41 Hiệu quả: Một danh sách khối block cho phép bạn dễ dàng hình dung phân tích liệu đường truyền CAN cách chọn màu sắc để ấn định cho gói tin sở liệu CAN Như gói riêng lẻ thu khối “Raw Capture”, gán màu, hiển thị cuộn thời gian thực Chương trình tự tạo cho phép tất mội thứ từ việc thử nghiệm trực tuyến để mã hóa/giải mã liệu thực lọc nâng cao vượt khae gói tiêu chuẩn lọc cách sử dụng C/C++ nhu cú pháp Bảng người sử dụng cho phép hiển thị thời giam thực 1000 biến đồng hồ đo tinh vi, trượt, nhiệt kế, hiển thị số, hộp văn bản, vv Khối J1939 yêu cầu hiển thị hoạt động Phù hợp với gói Fast Packet NMEA-2000, multipacket J1939 Ghi liệu thàng file sau có mở lại phân tích lại với tôc độ toàn biến Có thể tạo ghi liệu thành tệp tin dạng file.EXE dễ dàng việc sử dụng lại 3.3.2 Chương trình mô giám sát 42 Màn hình giao diện thiết kế hình dưới: Hình 3.7 Màn hình giam sát hệ thống 43 Hình 3.8 Hình mô tả liệu dạng đồ thị Hình 3.9 Hình biểu diễn biến 44 Hình 3.10 Hình biểu diễn gói tin 45 [...]... đáp ứng được nhu cầu kết nối thành mạng 31 Với nhiều ứng dụng thành công của mạng CANOpen trên các hệ thống tàu thủy,có rất nhiều hướng nghiên cứu về ứng dụng của nó. trong pham vi giới hạn của đề tài cũng như thời gian thực hiện,ở đây em xin nghiên cứu 2 ứng dụng mổi bật của CANOpen là: Khả năng định lỗi của mạng CANOpen đối với các hệ thống tự động hàng hải Cảm biến thông minh dựa trên CANOpen đối với. .. dấu thời gian và đồng bộ tin nhắn truyền qua “đường hoạt động CAN 3.2 Đi sâu nghiên cứu ứng dụng của mạng CANOpen trên tàu thủy 3.2.1 Nghiên cứu úng dụng mạng CANOpen trong hững hệ thống tự dộng tàu thủy Trong mục nàyem xin giới thiệu khả năng chịu lỗi của mạng CANOpen đối với các hệ thống tự động hàng hải Hệ thống truyền thông dựa trên giao thức mạng CANOpen đã rất phổ biến đối với các hệ thống có... III.NGHIÊN CỨU MẠNG CANOpen TRÊN TÀU THỦY 3.1 Nhu cầu ứng dụng CANOpen trong một số hệ thống điều khiển trên tàu thủy Dù mạng CAN đã đáp ứng được các yêu cầu, xong việc kết hợp các thiết bị giữa các nhà cung cấp nói chung là rất khó và rất đắt Vì vậy mạng CANOpen ra đời và đã phát triển, đáp ứng được yêu cầu của chuẩn mới DSP 307 Với việc áp dụng chuẩn DSP 307, những yêu cầu của những hệ thống tự động tàu hàng... các giao thức và các dịch vụ truyền thông khác nhau 14 Các đối tượng truyền thông CANOpen phat qua mạng CAN được mô tả bởi các dịch vụ và các giao thức gồm: Việc truyền dữ liệu thời gian thực được thực hiện bởi giao thức các đối tượng xử lý dữ liệu (PDOs) Đọc và ghi việc truy cập vào các cổng vào của một danh bạ đối tượng do giao thức các đối tượng dịch vụ dữ liệu (SDO) cung cấp Các giao thức dối tượng... 2.2.4.3 Loại 3: Các chức năng quản lý mạng (NMT) Sự quản lý mạng trong mạng CANOpen dựa trên các dịch vụ NMT và DBT định nghĩa reong tầng ứng dụng của CAN (CAL).Việc quản lý mạng được dùng để điều khiển các thiết bị trên mạng trong một phương pháp ngang hàng và hoàn toàng xác định Một node trong mạng CANOpen giữ vai trò quản lý mạng (NMT) Bộ quản lý không xử việc truy cập của các node khác nhau trên đường... khiển modul dùng để khởi tạo NMT _ tớ muốn tham gia vào ứng dụng phân tán Các dịch vụ điều khiển lỗi dùng để giám sát các node và trạng thái truyền thông mạng Các dịch vụ điều khiển cấu hình dùng để tải lên và tải xuống các dữ liệu cấu hình theo tứ tự định sẵn tới một modul của mạng 2.2.12.2 Giao thức quản lý mạng CANOpen Hình 2.21 Giao thức quản lý mạng CANOpen Nút Start, Stop and Đơn vị chuyển đổi (State-transition)... nhieeufcacs giao thức cao hơn dựa trên chuẩn CAN, CANOpen đã được khẳng định khắp nơi trên thế giới, được thừa nhận như chuẩn cho các ứng dụng khác nhau trong các hệ thống nhúng, trong tự động hóa công nghiệp, trong hàng hải và trong rất nhiều các ứng dụng khác nhau của những hệ thống di động Với những lý do là chuẩn CANOpen đã cung cấp những kỹ thuật hiệu quả, độ tin cậy cao của giao thức CAN và hiệu... hướng số hóa và thông minh hóa dựa trên web.Đã có rất nhiều tập đoàn và công ty trên thế giới ứng dụng thành công mạng CANOpen để chế tạo thiết bị điện tàu thủy cũng như úng dụng chuẩn CANOpen để tích hợp các thiết bị thành mạng chung.Tiêu biểu như: Sperry (Mỹ),CS(Ý),Lyngso (Đan Mạch),tất cả những ứng dụng của họ đều nghiên cứu theo cách này,một vài sản phẩm đã được ứng dụng trên tàu thủy và đã mang... bằng cách sử dụng giao thức đồng bộ có phân giải cao tùy ý mà nó sử dụng một cấu trúc đặc biệt của các bức điện lấy mẫu thời gian để điều chỉnh sự trôi không thể tránh được của các đồng hồ cục bộ 2.2.10.2 Giao thức lấy mẫu thời gian CANOpen Đối tượng lấy mẫu thời gian được thực hiên với các thiết bị phát có quyền giống như nhà sản xuất và với các thiết bị thu có quyền giống nhue người tiêu dùng Các. .. -ID 129 to 255 2.2.12 Giao thức quản lý mạng CANopen 2.2.12.1 Quản lý mạng CANOpen (NMT) Hình 2.20 Mô hình quản lý mạng CANOpen NMT-Master ID NMT-Slave NMT-Slave CS Node NMT-slave Quản lý mạng CANOpen là node _định hướng và theo cấu trúc chủ tớ .Nó yêu cầu một thiết bị trong mạng đáp ứng chức năng của một NMT_chủ ,các node khác là NMT_tớ.Sự quản lý mạng cung cấp các nhóm chức năng: Các dịch vụ điều khiển