Tìm hiểu cấu trúc, giao thức của mạng CAN và CANOpen

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài Trong phạm vi đề tài này em nghiên cứu về những ứng dụng của mạng CABOpentrong các hệ thống tự động tàu thuỷ, cụ thể là: Khả năng định lỗi của

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với xu hướng ngày càng phát triển của các hệ thống tự động trên tàubiển đặc biệt về nhu cầu về điều khiển, giám sát hệ thống.Việc tích hợp các hệ thốngtrên tàu như: hệ thống báo động và hệ thống giám sát buồng máy và trao đổi thông tin,

hệ thống cảm biến và thu nhập dữ liệu….ngày càng trở lên cần thiết (Đối với tất cả cáctàu, tàu chở hàng, tàu cá, tàu du lịch,…) Vì vậy việc tích hợp các hệ thống trên vàomột hệ thống chung cần phải có một mạng lưới chuẩn để tích hợp các dữ liệu đầu vàotrên một kênh duy nhất

Mạng CANOpen đã được ra đời và ứng dụng phổ biến trên tàu thuỷ hiện nay vớinhiều ứng dụng hữu ích và các lợi thế để đáp ứng được các yêu cầu trên

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Tìm hiểu cấu trúc, giao thức của mạng CAN và CANOpen cùng với các ứng dụngcủa nó trên tàu thuỷ

Trên cơ sở đó, nghiên cứ các ứng dụng của mạng CANOpen trực tiếp trên một hệthống tàu thuỷ và xây dựng một hệ thống giám sát trên tàu thuỷ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

Trong phạm vi đề tài này em nghiên cứu về những ứng dụng của mạng CABOpentrong các hệ thống tự động tàu thuỷ, cụ thể 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 hệ thống giám sát hàng hải

Đề tài này em cũng trình bày về một trương trình giám sát trên tàu thuỷ ứng dụngmạng CANOpen dựa trên phần mềm CANCapture.Việc thiết kế chế tạo cảm biếnthông minh dựa tren giao thức CANOpen đối với hệ thống giám sát trên tàu thuỷ đượcxem là một hướng phát triển của đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Thu nhập thông tin, tài liệu để tìm hiểu về mạng CAN, mạng CANOpen và cácứng dụng của nó trên tàu thuỷ

Mô phỏng hệ thống giám sát bằng phần mềm CANCapture

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với việc nghiên cứu các ứng dụng của mạng CANOpen trên tàu thuỷ, ý nghĩa của

đề tài đã chứng minh được nặng lực của mạng CANOpen trong việc tích hợp các hệthống thiết bị trên tàu thuỷ nhằm dễ dàng giám sát,điều khiển, giảm thiểu chi phí lắpđặt các hệ thống riêng lẻ cồng kềnh

Đề tài cũng xây dựng một chương trình giám sát buồng máy dung CANCapturelàm phần mềm mô phỏng,đồng thời đề tài cũng là một tài liệu chuẩn để phát triển ứng

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CANOPEN

1.1TỔNG QUAN VỀ MẠNG CAN

1.1.1 Giới thiệu về mạng CAN

CAN viết tắt của (Controller Area network) mạng điều khiển khu vực hay đơn giản

gọi là mạng CAN, là một mạng công nghệ ghép nối tiếp, là giao thức giao tiếp cókhung truyền dữ liệu lớn CAN chứng tỏ được tính ưu việt hơn bất kỳ một hệ thốngbớt trường nào khac nhờ vào đặc tính trẻ, có khả năng tạo chức năng trong một môitrường điện khó khăn, mức độ khả năng thời gian thực cao, phát hiện lỗi tuyệt vời, và

có khả năng khống chế lỗi tuyệt vời

Điểm lổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn Nhờ cơ chế truy cậpchống xung đột dường truyền khá thông minh: CSMA/CD (Carrier Sense MultipleAccess/ Collision Detection) và cơ chế phát hiện lỗi, xử lý lỗi cự mạnh, nên lỗi CANmessages hầu như được phát hiện

Những hệ thống dựa vào bức điện sẽ có tính mở hơn vì: mỗi loại bức điện (message)

sẽ được gán một số nhận dạng (ID) Khi thêm, bớt đi một node hay thay một nhómnode bằng một node phức tạp hơn cũng không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống Có thể

có vài node cùng nhận bức điện và cùng thực hiện một công việc, hay thực hiện nhữngcông việc khác nhau, cũng có thể không làm gì cả… Do đó hệ thóng điều khiển phân

bố dựa trên mạng CAN có tính mở và linh hoạt, dễ dàng thay đổi mà không cần phảithiết kế lại toàn bộ hệ thống

Mạng CAN với các ưu điểm:

Là một kênh giao tiếp dữ liệu nối tiếp tích hợp cao cho các ứng dụng thời gianthực

Có hiệu quả rẻ hơn bất kì một hệ thống bus nối tiếp nào khác, kể cả RS 232 vàTCP/IP

Dễ sử dụng hơn bất kỳ một hệ thống bus nào khác

Hoạt động ở một tốc độ truyền dữ liệu tới 1MBit trên giây

Có khả năng hoạt động trong các môi trường điện khó khăn

Đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng tự động hóa và điều khiển công nghiệpkhác nhau

Là một tiêu chuẩn quốc tế: ISO 11989

1.1.2 Cấu tạo của mạng CAN

Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các node Mỗi nút có thể giao tiếp đượcvới bất kì nút nào trong mạng việc giao tiếp được thực hiên bởi việc truyền và nhậncác bức điện (messages)

CAN là một hệ thống mạng hai dây, nửa kép và tốc độ cao vượt hơn hẳn với các côngnghệ nối tiếp thông thuờng khác

5v 0v

Bus_Line

Hình 1.1 Cấu trúc của một nút mạng CAN

Phương thức giao tiếp của đường truyền CAN là sự phát thong tin quảng bá: Mỗiđiểm kết nối thông tin vào mạng thì thu nhận khung truyền từ nút phát, mỗi node cóthể thu hoặc phát các bức điện (bức điện này thường là địa chỉ id của các bus) Nhưngsau đó, việc xử lý bức điện đó là: có trả lời hay không, có phản hồi hay không…Cáchthức này giống như sự phát thông tin về đường đi của một trạm phát quảng bá: khinhận được thông tin về đường đi, thì người lái xe có thể thay đổi lộ trình của anh ta,hay làm một việc gì đó hay không sử lý gì cả

Mỗi nút có thể nhận nhiều bức điện khác nhau và ngược lại một bức điện có thểnhận nhiều nút khác nhau và công việc thực hiện một cách đồng bộ trong hệ thốngphân bố

Số nhận dạng của bức điện phụ thuộc vào mức ưu tiên của bức điện Điều này chophép phân tích thời gian đáp ứng của từng bức điện-đây là ý nghĩa quan trọng trongviệc thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực Trước khi có mạng CAN, lựa chon duy

M C

CAN _Contrller

Tx Rx Vref

CAN_Transceiver CAN_H CAN_L

nhất cho mạng giao tiếp trong hệ tohongs thời gian thực là mạng Token-ring chậmchạp.

* Mạng Can trong mô hình vật lý OSI bao gồm lớp vật lý (physical layer) và liênkết dữ liệu (data link layer)

Hình1.2 Mô hình tham chiếu của mạng CAN trong mô hình 7 lớp ISO –OSI

Ta thấy giao thức CAN trong mô hình OSI sủ dụng lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu.Cũng có nghĩa ở giao thức CAN có nhiệm vụ liên kết các bus dữ liệu thông qua đườngtruyền vật lý, và được kiểm soát lỗi bởi tầng liên kết dữ liệu

Tiêu chuẩn ISO 11898 định nghĩa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu như sau:

Lớp vật lý định nghĩa được chiaa làm 2 lớp nhỏ là lớp điều khiển liên kết logic (Logical link control -LLC) và lớp điều khiển truy cập đa phương tiện (Media access control - MAC), có chức năng sau:

Định nghĩa khung truyền và những nguyên tắc phân xử để tránh trường hợp cả hai nút trong mạng cùng truyền đồng thời

Ngoài ra, còn có nhiều cơ chế khác để kiểm tra, xử lý lỗi…; cỏ chế kiểm tra, xử

lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Lỗi bit (bit error), lỗi chèn bit (stuff error), lỗi kiểm tra độ dư vòng

(CRC error), lỗi định dạng (form error), và lỗi xác nhận (ACK error).

1.1.3 Cơ chế giao tiếp của 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 từng bít, có đặc điểm như sau:

Mỗi node trên mạng phải luôn được kiểm tra trên đường truyền để phát hiện thời gian đường truyền rảnh để có thể truyền đi một bức điện

Khi đường truyền rảnh, tất cả các nút có cơ hội như nhau để truyền đi một bứcđiện

Mỗi bức điện được bắt đầu bằng một bit khởi điểm và nhận dạng (ID), nên khi

có 2 nút cùng truyền các bức điện lên đường truyền thì, tin nhắn nào có ID ưu thế hơn (trong đó có bit ưu thế hơn tức là bit 0) sẽ được ghi đè lên các tin nhắn khác và ít bị chiphối của các nút khác Mỗi tin nhắn sẽ được thông báo và chi phối đến khi đã nhận được tất cả các nút Cơ chế này gọi là cơ chế ưu tiên dựa trên các bus, các tin nhắn có mức ưu tiên là cao hơn sẽ được truyền đi trước Việc phân sử xung đột trên dường truyền dựa vào từng bit nhân dạng.mỗi một bộ thu /phát phải so sánh mức tín hiệu của bit gửi đi và bit nhận về ,nếu có sự khác biệt thì phải ngừng phát đến khi đường truyền rảnh chở lại

Thực tế là bit “0” (múc trội) lấn át bit “1” (mức lặn) nên bức điện có số nhận dạng càng nhỏ thì độ ưu iên càng cao

Trong trường hợp này, khi so sánh từng bit của số nhận dạng của 3 nút phát cùng lúc, thì nút 3 có độ ưu tiên cao hơn (do có giá trị mã nhận dạng là nhỏ nhất) nên được truyền phát tín hiệu lên đường truyền, còn các nút còn lại vào trạng thái chờ

1.1.4 Giao thức cao hơn của mạng CAN

Như đã nêu ở trên giao thức CAN chỉ định nghĩa ở lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu thấp, không định nghĩa ở nhiệm vụ của những giao thức ứng dụng như: kiểm soát tốc

độ đường truyền, ghi địa chỉ thiết bị cũng như là truyền những khối dữ liệu lớn hơn một bức điện (> 8 bytes data) Các giao thức cao hơn mạng CAN đã được phát triển đểgiải quyết những hạn chế nêu trên của CAN, đó là: deviceNet, CANOpen, SDS, CAN Kingdom, NMEA 2000,…

1.2 CANOPEN-HỆ THỐNG TIÊU BIỂU TRÊN MẠNG CAN

Hệ thống mạng CANOPen định nghĩa một chuẩn ứng dụng dùng trong các hệ thống thự động công nghiệp phân tán dựa trên cơ sở của CAN CANOpen là một giao thức an toàn (CIA 304) nó được phát triển bởi mạng CAN tự động hoá (CIA), và bây giờ nó được công bố như là một tiêu chuẩn châu Âu và có sẵn như là EN 50325-5 của

Uỷ ban châu ÂU từ tiêu chuẩn kĩ thuật điện (CENElEC) và bất kì trong quốc gia nào GIAO thức CANOpen là một sự bổ xung của giao thức CANOpen tiêu chuẩn

EN50325-4, và nó được bít đến như một CIA 301

Những hàm chức năng, những tham số cũng như việc truy cập để xử lý dữ liệu của những thiết bị theo chuẩn này như những modul vào/ra, những bộ truyền động, bộ điềukhiển hoặc bộ những bộ ghi được định nghĩa bởi danh sách thiết bị Vì thế, những thiết

bị thuộc những hãng sản xuất khác nhau có thể truy cập vào mạng và trao đổi thông tinchính xác thông qua bus đường truyền cùng loại Chính vì thế, xét ở góc độ cao hơn của nhà phân phối độc quyền, họ đã đạt được sự tương thích và sự hoán đổi của các thiết bị Vì vậy mạng CANOpen là một chuẩn chính và các ứng dụng của nó tiếp tục

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU MẠNG CANOPEN

2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CANOPEN

Hồ sơ về mạng CANOpen được xây dựng trên một “Hồ sơ truyền thông” để xác định

cơ chế giao tiếp cơ bản và dựa vào một hình thức tiêu biểu hoá để mô tả các chức năngcủa thiết bị

Các loại thiết bị quan trọng nhất như: các modul vào/ra số, tương tự các bộ truyền động, các thiết bị vận hành, các cảm biến hoặc các bộ điều khiển lập trình Các modul vào/ra được phát triển dựa trên chip SAB-C167CR-LM từ SIEMENS, các modul vào/ra làm cho cảm biến và các thiết bị truyền động thông qua bus CAN, sử dụng giao thức CANOpen Trong các “Hồ sơ thiết bị”, các chức năng, các thông số và dữ liệu của các thiết bị chuẩn của các loại tương ứng đều được định rõ.Dựa trên các “Hồ sơ thiết bị”chuẩn của các nhà sản xuất, có thể truy cập trên đường truyền một cách chính xác theo các cách thức khác nhau Do đó, các thiết bị của các hàng sản xuất khác nhau

có khả năng tương thích và trao đổi dược với nhau

Một số yếu tố quan trọng của CANOpen chuẩn là việc miêu tả chức năng của các thiết bị thông qua một “Danh bạ đối tượng _OD” Danh bạ đối tượng được phân chia thành hai phần, phần thứ nhất bao gồm các thông tin chung về thiết bị như nhận dạng thiết bị, tên nhà sản xuất , các thông số thông tin,… phần 2 miêu tả các chức năng cụ thể của thiết bị

Các đặc điểm kỹ thuật và các hàm chức năng của một thiết bị CANOpen có thể được

mô tả bằng một “Bảng dữ liệu điện tử_EDS” sử dụng mã định dạng ASCII Một EDS phải được mô tả như là một mẫu dùng để mô tả tất cả các dữ liệu và đặc trưng của các thiết bị giống như có thể truy cập từ mạng

Việc cài đặt các thiết bị hiện nay được mô tả bởi một “Tập tin cấu hình thiết bị _ DCF” EDSvà DCF có thể được cung cấp dưới một dạng một tệp tin dữ liệu, và nó cũng có thể tải về từ mạng internet hoặc được lưu trữ trong thiết bị

Tương tự như các hệ thống bus trường khác, CAOpen cũng phân biệt 2 kỹ thuật truyền phát dữ liệu cơ bản là:

Truy cập vào danh bạ đối tượng thông qua “Đối tượng dịch vụ dữ liệu _SDO”

Trao đổi dữ liệu sử lý qua “Đối tượng sử lý dữ liệu_PDOS”

CANOpen cung cấp các kỹ thuật có thể tạo ra các mạng điều khiển khác nhau cho thiết bị và làm cho chúng kết hợp được vơí nhau đồng thời kết nối với các thiết bị khác CANOpen tập trung vào việc công nhận các kiểu khác nhau của các thiết bị, tất

cả đều sử dụng dich vụ CAN và CAL để liên kết

CANOpen đã trở lên ngày càng quan trọng vì nó đã được chấp nhận trong các trường ứng dụng khác nhau Người ta thiết kế các hệ thống có lựa chọn các thiết bị CANOpen để dùng cho các mạng điều khiển của họ để kết hợp một cách chính xác cácyêu cầu ứng dụng của họ.Đặc trưng của CANOpen đam bảo các thiết bị CANOpen cóthể liên lạc với nhau một cách chính xác trong mạng CANOPen

2.2 TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CANOPEN

CANOpen là một giao thức truyền thông và là một mô hình thiết bị tiêu biểu cho các

hệ thống mạng truyền thông sử dụng trong tự động hoá, hệ thống tự động hoá hàng hải Tiêu chuẩn CANOpen gồm có một lược đồ địa chỉ, một vài giao thức truyền thôngnhỏ và một lớp ứng dụng, tất cả đều được định nghĩa bởi một cấu hình thiết bị Các giao thức truyền thông hỗ trợ cho việc quản lý mạng, giám sát thiết bị, và thông tin liên lạc giữa các nút và nó bao gồm một lớp truyền thông đơn giản cho việc phân đoạnbức điện hoặc kết nối các bức điện Việc thực hiện của các giao thức lớp thấp hơn như lớp liên kết giữ liệu và các lớp vật lý thường là do mạng điều khiển cục bộ - Can đảm nhiệm, mặc dù thiết bị sử dụng một số phương tiện truyền thông khác (chẳng hạn như Ethernet Powerlink EtherCAT) cũng có thể thực hiện cấu hình thiết bị mạng

CANOpen

2.2.1 Khái niệm truyền thông trong CANOpen

Khái niệm truyền thông trong mạng CANOpen có thể được mô tả tương tự như mô tương tự như mô hình hệ thống mở rộng ISO kết nối (OSI)đưa ra các tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO/OSI) Mạng CANOPen đưa ra một tiêu chuẩn hoá lớp ứng dụng và hồ sơ truyền thông, mạng CANOpen ưu điểm hơn các mạng khác là thêm chức năng truyền thông.VIệc lựa chọn các khung dữ liệu cho các thiết bị lập trình truyền thông này quy định cụ thể các chức năng truyền thông bổ xung

CANOpen dựa trên các lớp liên kết dữ liệu của CAN và thu phát tốc độ cao trên qui định của ISO 11898, phần 1 và phần 2 Ngoài ra CANOpen còn quy định thời gian đề suất nhiệm vụ cho một số kết nối

Những đối tượng truyền thông có thể được ánh xạ tới các khung CAN đã được xác định trước, hoặc các cấu hình định danh Lớp vật lý của mạng CAN sẽ xác định cấp độ

bít bao gồm cả bit thời gian

Kết cấu (ví dụ: các thiết bị lập trình được)

Hồ sơ truyền thông và tầng Ứng dụng

Tầng liên kết dữ liệu và thu nhận tôc độ cao (ISO 11898)

Hồ sơ Quản lý

Hồ sơ Sản xuất chi tiết

Hồ sơ ưng dụng

2.2.2 Cấu hình thiết bị mạng CANOpen

Mỗi thiết bị mạng CAN mở có thể chia làm 3 phần: Gioa diện truyền thông và phần mềm giao thức; Danh bạ đối tượng; Giao diện sử lý và trương trình ứng dụng

Các kiểu dữ liệu, truyền thông và các ứng dụng

Ứng dụng

Chương trình ứng dụng, sự thưc hiện hồ

sơ thiết bị

CANOpen Lớp ứng dụng

CAN Lớp liên kết

dữ liệu

CAN Lớp vật lý

CANOpen Lớp ứng dụng

Phần quan trọng nhất của thiết bị mạng CANOpen là “Danh bạ đối tượng” Về cơbản, danh bạ đối tượng là một nhóm các đối tượng có thể truy cập qua mạng trong mộtkiểu định nghĩa trước đã được thiết lập Mỗi đối tượng trong danh bạ được địa chỉ hóabằng cách sử dụng một chỉ số 16-bit và số phụ 8 - bít.

Các thiết bị CANOpen phải có một danh bạ đối tượng nó được sử dụng để cấu hình

và truyền thông thời gian không thực với thiết bị Một cổng vào trong danh bạ đốitượng được định nghĩa bởi

Chỉ số: 16 bit địa chỉ của các đối tượng trong danh bạ

Tên đối tượng: kiểu ký tự của đối tượng trong cổng vào như một mảng, bản ghihoặc biến số đơn giản

Tên: một chuỗi mô tả cổng vào

Kiểu: đưa ra kiểu dữ liệu của biến số

Thuộc tính: đưa ra thông tin về quyền truy cập ở trong cổng vào, theo đó có thểđọc/ghi, chỉ đọc, chỉ ghi, hoặc chỉ đọc biến số

2.2.3 Các đối tượng truyền thông

Mạng CAN,tầng vật lý của CANOpen chỉ có thể truyền phát các gói tin ngắn baogồm 11 bít chỉ danh, bít yêu cầu truyền phát từ xa(RTR) và 0 đến 8 bey giữ liệu MạngCANOpen tiêu chuẩn phân chia 11 bit chỉ danh khung CAN 4 bit mã hóa chức năng

và 7 bít chỉ danh nút CANOpen Điều này hạn chế số lượng của các thiết bị trong mộtmạng CANOpen là 127 Một phần mở rộng hơn của Can-bus tiêu chuẩn là Can2.0Bcho phép mở rộng khung chỉ danh tới 29 bít, nhưng trong thực tế hiếm thấy mạngCANOpen đủ lớn để cần thiết phải mở rộng thêm dải chỉ danh

Trong mạng CANOpen 11 bit chỉ danh của khung CAN được coi như là định danhđối tượng truyền thông hoặc COB-ID Trong trường hợp xảy ra xung đột truyền phát,

sự phân xử bus dùng trong đường truyền CAN cho phép khung có chỉ danh nhỏ nhất

sẽ được phát trước mà không bị chậm trễ Vì trong các khung chủa CANOpen, 4 bitđầu tiên được dành riêng để mã hóa chức năng, tạo ra một số mã thấp đối với các chứcnăng quyết định thời gian bảo đảm rằng độ trễ thấp nhất có thể

2.3 CÁC KIỂU TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CANOPEN

Truyền thông trong mạng CANOpen có thể được chia làm 4 loại:

2.3.1 Loại 1: truyền thông đối tượng xử lý dữ liệu (PDO)

Được sử dụng trong quá trình khai thác mạng bình thường để truyền dữ liệu trongthời gian thực với việc xử lý một ít hoặc không xử lý giao thức phía trên Thời gianthực dữ liệu là quá trình thay đổi dữ liệu dối tượng (PDO) PDOs là các ánh xạ tới cáckhung CAN đơn và sử dụng đến 8 bey dữ liệu để truyền tải tới tầng đối tượng ứngdụng Mỗi PDO có một nhận dạng và chỉ được truyền bởi một nút trong mạng.Tinnhắn PDO có mức ưu tiên cao vì được chỉ định một số nhận dạng thấp để đảm bảo sựtiếp cận đến các bus ưu tiên

Một đặc điểm nổi bật của truyền thông PDO là các chế đọ đa nhận dạng có thể sửdụng để gửi thông tin PDO

2.3.2 Loại 2: Truyền thông đối tượng dich vụ dữ liệu (SDO)

Phương thức truyền dữ liệu này sử dụng kỹ thuật truyền dũ liêu đa thành phần CALCSM để truy cập vào danh bạ đối tượng thiết bị Dữ liệu có chiều dài hơn 4 bytes cóthể được truyền bằng các truyền nhiều bức điện

Bằng việc sử dụng mô hình này, máy khách là thiết bị đọc (vùng tải lên) hoặc ghi(vùng tải xuống) thông tin từ và đến máy chủ.Trong câu lệnh bắt đầu từ vùng tảilên/tải xuống, dữ liệu được địa chỉ hóa bằng cả chỉ số 16 –bít và chỉ số phu 8- bít trongcâu lệnh Nếu chiều dài dữ liệu nhỏ hơn hoặc bằng 4 bytes thì yêu câu truyền SDO chỉgồm 2 bức điện: câu lệnh bắt đầu từ máy khách và yêu cầu lệnh đáp ứng từ máy chủ.Nếu chiều dài dữ liệu lớn hơn 4 bytes, nhiều bức điện được yêu cầu để hoàn thành việctruyền dữ liệu với việc yêu cầu máy khách đọc hoặc ghi mỗi phân đoạn của dữ liệu từmáy chủ

Tóm lại SDO có thể truyền các đối tượng có kích thước bất kì phân chia nội dung tinnhắn SDO truyền tải là một dịch vụ xác nhận

2.3.3 Loại 3: Các chức năng quản lý mạng (NMT)

Sự quản lý mạng trong mạng CANOpen dựa trên các dịch vụ NMT và DBT địnhnghĩa trong tầng ứng dụng của CAN (CAL) Việc quản lý mạng được dùng để điềukhiển các thiết bị trên mạng trong một phương pháp ngang hàng và hoàn toàng xácđịnh Một nút trong mạng CANOpen giữ vai trò quản lý mạng (NMT) Bộ quản lýkhông xử việc truy cập của các nút khác nhau trên đường truyền theo một cách nào: nóđơn giản hoạt động để phối hợp chế độ mạng Bộ quản lý mạng cũng có thể chạy trên

trương trình ứng dụng chủ của nó tham gia trong truyền thông SDO và PDO theo cáchgiống như bất kỳ một nút nào khác.

Đặc điểm khác của các mạng CANOpen là việc bảo vệ node Việc bảo vệ nút chophép bộ quản lý mạng xác định được một nút có tồn tại trên mạng hay không và cũng

để xác định trạng thái vận hành của các nút

2.3.4 Loại 4: Tiền định nghĩa cấu trúc các bức điện.

Các bức điện này hỗ trợ việc thực hiện định thời, đồng bộ và kỹ thuật phát hiện lỗi

2.4 CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG

2.4.1 Loại 1: Mô hình truyền thông nhà sản xuất /người tiêu dung (producer/ consumer)

Mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng mô tả một cách hoàn hảo khả năng truyềnthông quảng bá của mạng CAN Mỗi một trạm trên mạng có thể nghe thấy các bứcđiện từ các trạm phát Sau đó việc thu nhận các bức điện sẽ do các nút xác định nếunhư chấp nhận hoặc không chấp nhận buacs điện Bởi vậy, việc lọc chấp nhận phải

được hiện trong một node mạng CAN

Dấu hiệu ………Đường truyền………Yêu cầu

CAN điều khiển từ xa

Khung dữ liệu CAN

Hình 2.4 Mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng (producer/consumer)

0 to 8 byte

0 to 8 byte

Mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng được sử dụng trong các giao thức heartbest vàgiao thức bảo vệ node.Mô hình này cho phép các dịc vụ: phát một bức điện (mô hình đẩy – push model) hoặc yêu cầu một bức điện (mô hình kéo –pull model)

Trong mô hình đẩy, nhà sản xuất sẽ gửi dữ liệu tới người tiêu dùng mà không có một yêu cầu cụ thể, trong khi đó ở mô hình kéo người tiêu dùng phải yêu cầu dữ liệu từ nhàsản xuất

2.4.2 Loại2: Mô hình truyền thông chủ/tớ (Master/Slave)

Trong mối quan hệ chủ/tớ, một node mạng CANOpen được chỉ định làm trạm chủ,

nó gửi hoặc yêu cầu dữ liệu từ các các trạm tớ Giao thức NMT là một ví dụ của mô hình truyền thông chủ/tớ

Mô hình truyền thông chủ/tớ chỉ cho phép khởi đầu liên lạc bởi “Tram chủ”,

“Trạm tớ ” luôn luôn phải đợi các yêu cầu liên lạc của “ trạm chủ”

Trong các mạng CAN truyền thông, truyền thông chủ /tớ có thể được thực hiện bởi một danh tính được cấp phù hợp

Chủ Tớ

Dấu hiệu(s) Yêu cầu

Khung dữ liệu CAN

….…

CAN điều khiển từ xa

Khung dữ liệu CAN

Hình 2.5 Mô hình chủ /tớ (Master/Slave)

0 to 8 byte

0 to 8 byt

2.4.3 Loại 3: Mô hình truyền thông chủ /khách (Server/Client)

ở chỉ số đã được định sẵn)

Mô hình này được sử dụng để truyền dữ liệu với đọ dài 8 bytes Do đó, dữ liệu gốc dùng để truyền đi được phân đoạn và gửi đi từng đoạn với cùng một số nhận dạng Mỗi phân đoạn hoặc một nhóm phân đoạn hoặc toàn bộ bức điện sẽ được xác nhân bởitram thu.Vì vậy đây là dạng truyền thông Điểm-Điểm Các dich vụ trên quá trình phát của mô hình chủ/khách có thể bao gồm việc đua lên và tải về cũng như hủy bỏ vận chuyển

2.5 CÁC GIAO THỨC TRUYỀN CANOPEN

Trong mọi ứng dụng điều khiển phân cấp đều yêu cầu các giao thức và các dịch vụ truyền thông khác nhau

Các đối tượng truyền thông CANOpen phat qua mạng CAN được mô tả bởi các dịch

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 đối tượng chức năng đặc biệt cung cấp sự đồng bộ các mạng ứng dụng đặc trưng, truyền phát bức điện sự cố và lấy mẫu thời gian

Các giao thức quản lý mạng (NMT) cung cấp các dịch vụ cho các mạng ban đầu, giám sát các lỗi và điều khiển thiết bị

2.6 GIAO THỨC CÁC ĐÔÍ TƯỢNG XỬ LÝ DỮ LIỆU (PDOs)

2.6.1 Đối tượng xử lý dữ liệu (PDOs)

Truyền thông PDO có thể được mô tả bằng mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng,

mô hình này cho ta thấy dũa liệu được phát đi từ một thiết bị (nhà sản xuất) tới một thiết bị khác (người tiêu dùng) hoặc tới nhiều thiết bị khác (phát quảng bá) Các PDOs được phát đi trong một chế độ không xác nhận

Nhà sản xuất gửi một PDO phát (T_PDO) với một số nhận dạng đặc trưng tương ứng với số nhận dạng của PDP_thu (R_PDO) của một hoặc nhiều người tiêu dùng

PDO

Hình 2.7Mô hình đối tượng xử lý dữ liệu

Truyền thông PDO có thể được mô tả bằng mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng,

mô hình này cho ta thấy dữ liệu được phát đi từ một thiết bị (nhà sản xuất) tới một

PDO người tiêu dùng

PDO người tiêu dùng

ID Data

PDO nhà sản xuất PDO người tiêu

dùng

thiết bị khác (người tiêu dùng) hoặc tới nhiều thiết bị khác (phát quảng bá) Các PDOs được phát đi trong một chế độ không xác nhận.

Nhà sản xuất gửi một PDO phát (T_PDO) với một số nhận dạng đặc trưng tương ứng với số nhận dạng của PDP_thu (R_PDO) của một hoặc nhiều người tiêu dùng

2.6.2 Giao thức PDO

Có hai dịch vụ PDO là: Đọc PDO và ghi PDO Dịch vụ ghi PDO được ánh xạ tới một khung dữ liệu đơn mạng CAN Còn các dịch vụ đọc PDO được ánh xạ tới khung điều khiển từ xa mạng CAN mà nó sẽ được trả lời bởi khung dữ liệu CAN tương ứng PDO đọc là tùy chọn và phụ thuộc vào khả năng của thiết bị

Trường dữ liệu hoàn chỉnh lên tới 8 byte có thể bao gồm dữ liệu xử lý Số lượng và chiều dài của PDO của một thiết bị là ứng dụng đặc trưng và phải nêu rõ trong hồ sơ thiết bị

Các tệp dữ liệu hoàn thành lên đến 8 bytes có thể chứa các dữ liệu quá trình Số lượng và chiều dài của PDOs của một thiết bị được ứng dụng cụ thể và phải được quy định trong hồ sơ cá nhân cảu thiết bị

2.6.3 Các chế độ phân bố PDO

Hồ sơ truyền thông CANOpen phân biệt 3 chế đ kích hoạt bức điện bao gồm:

Việc phát đi bức điện được kíc hoạt bởi một sự cố sự kiện đặc trưng của một đối tượng đã được chỉ dõ trong hồ sơ thiết bị Các node truyền phát tuần tự ngoài ra còn được kíc hoạt bởi bộ đếm thời gian trôi qua thậm chí không cần có sự kiện gì xảy ra

Việc truyền phát PDO đồng bộ có thể được khởi đầu dựa trên sự xác nhận của yêu cầu khởi đầu của các thiết bị khác

Đồng bộ PDO được kích hoạt bởi sự kết thúc của một giai đoạn truyền phát đặc biệt được đồng bộ hóa bằng sự xác nhận của đối tượng SYNC

Biến cố nội bộ

1.điều khiển thời gian nơi nhận(s)

hoặc biến cố cung cấp

PDO không đồng bộ và SDOs có thể được truyền đi với bất kì thời gian nào với

sự ưu tiên của nó Bởi vậy, chúng cũng có thể truyền đi trong cửa sổ đồng bộ

time

PDO đồng bộ

PDO không đồng bộ

Hình 2.10 sự truyền trong cửa sổ đồng bộ

Sự truyền PDO đồng bộ có thể chia thành chu kì khoặc các nút truyền mạch hở

2.6.5 Các kiểu truyền PDO trong mạng CANOpen

Đồng bộ (kiểu truyền 0_240 và 252) có nghĩa là sự truyền của PDO sẽ liên quan tới đối tượng đồng bộ

Tuần hoàn (kiểu truyền 0) có nghĩa là bức điện sẽ được truyền một cách đồng bộ với đối tượng SYNC nhưng không một cách định kỳ

Tốt nhất là các thiết bị lên sử dụng tín hiệu SYNC để kích hoạt đầu ra hoặc khởi động dựa trên R_PDO đồng bộ ưu tiên theo thứ tự định sẵn để cập nhập theo thứ tự phát theo T_PDO đồng bộ Chi tiết của kĩ thuật này phụ thuộc vào kiểu thiết bị và được định nghĩa trong hồ sơ thiết bị nếu có thể áp dụng

2.7 GIAO THỨC ĐỐI TƯỢNG DỊCH VỤ DỮ LIỆU

2.7.1 Đối tượng dịch vụ dữ liệu (SDO)

Với các đối tượng dich vụ (SDO), việc truy cập vào các cổng của một danh bạ đối tượng thiêt bị được cung cấp.Một SDO phải sử dụng 2 khung dữ liệu CAN với các số nhận dạng khác nahu vì truyền thông có xác nhận

Bằng phương pháp truyền thông ngang hàng SDO, kênh truyền giữa hai thiết bị có thể được thiết lập Chủ nhân của việc truy cập vào danh bạ đối tượng là dich vụ của SDO, một thiết bị có thể hỗ trợ nhiều hơn một SDO Một hỗ trợ SDO là bắt buộc và mặc định

Peer-to-peer Communication

SDO 1

Hình 2.11 Mô hình đối tượng dịch vụ dữ liệu

2.7.2 Tuy cập danh bạ đối tượng CANOpen

Việc truy cập đọc và ghi tới danh bạ đối tượng CANOpen được thực hiện bởi SDO Chi tiết câu lệnh chủ khách bao gồm các thông tin sau:

 Tải xuống /Đưa lên

 Yêu cầu/Đáp ứng

 Truyền phân đoạn/khối /xúc tiến

 Số bytes dữ liệu

 Kết thúc chỉ thị

 Bít bật tắt các chức năng xen kẽ cho mỗi dãy con phân đoạn

SDO được mô tả bởi thông số truyền thông SDO_chủ mặc định được định nghĩa trong

SDO Client Node n-1

mạng CANOpen có thể sử dụng lên tới 256 kênh SDO và yêu cầu hai số nhận dạng CAN cho mỗi kênh.

Byte 0 Byte 1-3; Multiplexer Byte 4-7; Data

Hình 2.12 Cấu trúc truy nhập danh bạ đối tượng

2.7.3 Các kênh SDO

Mỗi thiết bị CANOpen có thể hỗ trợ các kênh SDO chủ hoặc SDO khách Trong trường hợp một thiết bị trợ giúp SDO khách , thiết bị có thể truy cập tới các danh bạ đối tượng của các mạng thành viên khác Bằng việc hỗ trợ các kênh chủ, nhà sản xuất thiết bị đưa ra cho các mạng thành viên khác cơ hội truy cập vào các cổng vào của các danh bạ đối tượng trên thiết bị của họ Các nhà sản xuất phải đánh giá được rằng các thiết bị của họ có cần phải truy cập vào các thiết bị khác hay không (ví dụ như một bộ điều khiển tạo cấu hình cho các mạng thành viên khác) hoặc các thiết bị khác có truy cập vào thiết bị của họ hay không (ví dụ dùng cho mục đích cấu hình) Sau sự đánh giánày, nhà sản xuất có thể ước định thiết bị định nghĩa trước một cách chặt chẽ bởi các tính năng kỹ thuật và phải được trợ giúp bởi tất cả các thiết bị CANOpen

2.8 GIAO THỨC ĐỒNG BỘ CANOpen

2.8.1 Đối tượng đòng bộ mạng CANOpen

Nhà sản xuất đồng bộ cung cấp tín hiệu đồng bộ cho người tiêu dùng đồng bộ Khi người tiêu dùng đồng bộ thu tín hiệu, họ bắt đầu tiến hành những nhiệm vụ đồng bộ của mình

Nói chung, việc ấn định thời gian truyền các thông điệp PDO cùng với chu kì truyền của những đối tượng đồng bộ phải đảm bảo rằng các thiết bị cảm biến có thể xắp xếp để quá trình biến đổi và các thiết bị truyền động có thể ứng dụng để phối hợp

Index Subindex Description Value

Object Dictionary

Lệnh ghi dõ 16-bit-index

(chỉ số)

8- bit Subindex

1-4 byte Tham số dữ

liệu

Truyền tải đồng bộ PDO có nghĩa như việc truyền cố định dữ liệu trong thời gian cùng với việc truyền đối tượng đồng bộ.

Sync-producer Sync-consumer

Hình 2.14 Mô tả giao thức đồng bộ CANOpen

2.8.3 Định nghĩa thời gian đồng bộ trong mạng CANOpen

Truyền tải đồng bộ của PDO có nghĩa là truyền đi những dữ liệu cố định trong cùng thời gian với việc truyền tải đối tượng đồng bộ PDO đồng bộ được truyền đi với

Sync -producer

ID Data

Sycn-consumer Sycn-consumer Non Sycn-consumer Sycn-consumer

thời gian là nhất định, chiều dài của cửa sổ đồng bộ lien quan đến việc truyền đồng bộ,

và truyền đi nhiều nhất là một lần chô mỗi đoạn đồng bộ Khoảng thời gian giữa các đối tượng đồng bộ được xác định bởi các tham số là thời gian thực của thông tin liên lạc

time

Độ dài cửa sổ thông tin trong

Đồng bộ 1 chu kỳ thời gian

Hình 2.15 Mô hình mô tả thời gian đồng bộ

2.8.4 Quá trình hoạt động đồng bộ của mạng CANOpen

Bức điện đồng bộ được phát một cách tuần hoàn có thể do các thiết bị CANOpen trợ giúp chức năng này có lưu chữ các giá trị thực tế của đầu vào gần đồng bộ Sau đó chúng được truyền tới tất cả các thiết bị liên quan trong khung thời gian

Trong khung thời gian, các thiết bị CANOpen truyền các giá trị đầu ra tới các cơ cấu truyền động.Tuy nhiên các giá tri đó không hợp lên trừ khi bức điện đồng bộ tiếp theo được nhận

2.9 GIAO THỨC LẤY MẪU THỜI GIAN CANOpen

2.9.1 Lấy mẫu thời gian CANOpen

Thỉnh thoảng, các ứng dụng then chốt đặc biệt là trong các mạng diện rộng với tốc

độ truyền giảm dần cần đến sự đồng bộ rất xác đáng Nó có thể cần thiết để xác định

sự đồng bộ của các đồng bộ cục bộ với một độ chính xác đến khoảng gần một triệu củadây

Hình 2.16 Mô hình lấy mẫu thời gian CANOpen

Điều này được thực hiện 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

2.9.2 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 nhiều người tiêu dùng Các bức điện lấy mẫu thời gian có số nhận dạng 256

Time –stamp producer Time- stamp consumer (s)

COB-ID=256

Struct of UNSIGNED 28 ms (after midnight)

VOID4 reserved_1

Time stamp producer Days,ms

Time stamp Consumer

Time stamp Consumer

Time stamp Consumer

ID Time stamp

6 byte time of day data

Time of day

Hình 2.17 Giao thức lấy mẫu thời gian CANOpen

2.10 GIAO THỨC SỰ CỐ CANOpen

2.10.1 Đối tượng sự cố CANOpen

Các bức điện sự cố được kích hoạt bởi một lỗi ở bên trong của thiết bị Bức điện

sự cố truyền phát bởi nhà sản xuất sự cố, được ánh xạ tới một khung CAN đơn chứa đựng 8 byte dữ liệu

Một cách mặc định, một thiết bị hỗ trợ nhà sản xuất sự cố theo chức năng gán số nhận dạng CAN 80h +(số nhận dạng node) cho bức điện sự cố Một thông điệp sự cố được phát chỉ 1 lần cho mỗi trường hợp lỗi Với các điều kiện là không có thêm lỗi xảy ra trên thiết bị thì không có thêm thông điệp sự cố được phát đi

Hình 2.18 Mô hình đối tượng sự cố CANOpen

2.10.2 Giao thức sự cố CANOpen

Đối tượng sự cố là không bắt buộc Nếu một thiết bị hỗ trợ thiết bị này, nó sẽ cung cấp tối đa 2 mã lỗi 00xx (lỗ xác lập lại hoặc không có lỗi) và 11 xx (có đặc điểm chung của lỗi) Đối tượng sự cố bao gồm 8 byte dữ liệu và truyền phát có xác nhận

Emergency producer Emergency consumer(s)

Emergency Consumer(s)

ID

Emergency

Producer1

Emergency Producer2

Emergency Producer3

Emergency Producer4

ID