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

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 cứu 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 1.1TỔNG QUAN VỀ MẠNG CAN 1.1.1 Giới thiệu mạng CAN CAN viết tắt (Controller Area network) mạng điều khiển khu vực hay đơn giản gọi mạng CAN, mạng công nghệ ghép nối tiếp, 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, có khả khống chế lỗi tuyệt vời Điểm 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) chế phát lỗi, xử lý lỗi cự mạnh, nên lỗi CAN messages phát Những hệ thống dựa vào điện có tính mở vì: loại điện (message) gán số nhận dạng (ID) Khi thêm, bớt node hay thay nhóm node node phức tạp không làm ảnh hưởng đến hệ thống Có thể có vài node nhận điện thực công việc, hay thực công việc khác nhau, không làm cả… Do hệ thóng điều khiển phân bố dựa mạng CAN có tính mở linh hoạt, dễ dàng thay đổi mà không cần phải thiết kế lại toàn hệ thống Mạng CAN với ưu điểm: Là kênh giao tiếp liệu nối tiếp tích hợp cao cho ứng dụng thời gian thực Có hiệu rẻ hệ thống bus nối tiếp khác, kể RS 232 TCP/IP Dễ sử dụng hệ thống bus khác Hoạt động tốc độ truyền liệu tới 1MBit giây Có khả hoạt động môi trường điện khó khăn Đang sử dụng nhiều ứng dụng tự động hóa điều khiển công nghiệp khác Là tiêu chuẩn quốc tế: ISO 11989 1.1.2 Cấu tạo mạng CAN Mạng CAN tạo thành nhóm node Mỗi nút giao tiếp với nút 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 MC CAN _Contrller Tx Rx Vref CAN_Transceiver CAN_H 5v 0v CAN_L Bus_Line Hình 1.1 Cấu trúc nút mạng CAN Phương thức giao tiếp đường truyền CAN phát thong tin quảng bá: Mỗi điểm kết nối thông tin vào mạng thu nhận khung truyền từ nút phát, 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 thông tin đường trạm phát quảng bá: nhận thông tin đường đi, người lái xe thay đổi lộ trình anh ta, hay làm việc hay không sử lý Mỗi nút nhận nhiều điện khác ngược lại điện nhận nhiều nút khác công việc thực cách đồng hệ thống phân bố Số nhận dạng điện phụ thuộc vào mức ưu tiên điện Điều cho phép phân tích thời gian đáp ứng điện-đây ý nghĩa quan trọng việc thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực Trước có mạng CAN, lựa chon cho mạng giao tiếp hệ tohongs thời gian thực mạng Token-ring chậm chạp * Mạng Can 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 riêngbiệt Tầng phiên giao thức tầng Tầng vận chuyển cao (HLP) Tầng mạng Giao thức CAN Tầng liên kết liệu 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, kiểm soát lỗi tầng liên kết liệu Tiêu chuẩn ISO 11898 định nghĩa lớp vật lý lớp liên kết liệu sau: Lớp vật lý định nghĩa chiaa làm lớp nhỏ lớp điều khiển liên kết logic (Logical link control -LLC) lớp điều khiển truy cập đa phương tiện (Media access control - MAC), có chức sau: Định nghĩa khung truyền nguyên tắc phân xử để tránh trường hợp hai nút mạng truyền đồng thời Ngoài ra, có nhiều chế khác để kiểm tra, xử lý lỗi…; cỏ chế kiểm tra, xử lý lỗi chia làm loại lỗi: Lỗi bit (bit error), lỗi chèn bit (stuff error), lỗi kiểm tra độ dư vòng (CRC error), lỗi định dạng (form error), lỗi xác nhận (ACK error) 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 nút có hội để truyền điện Mỗi điện bắt đầu bit khởi điểm nhận dạng (ID), nên có nút 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 nút khác Mỗi tin nhắn thông báo chi phối đến nhận tất nút Cơ chế gọi chế ưu tiên dựa bus, 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 độ ưu iên cao Trong trường hợp này, so sánh bit số nhận dạng nút phát lúc, nút có độ ưu tiên cao (do có giá trị mã nhận dạng nhỏ nhất) nên truyền phát tín hiệu lên đường truyền, nút 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 như: kiểm soát tốc độ đường truyền, ghi địa thiết bị truyền khối liệu lớn điện (> bytes data) Các giao thức cao mạng CAN phát triển để giải hạn chế nêu CAN, là: deviceNet, CANOpen, SDS, CAN Kingdom, NMEA 2000,… 1.2 CANOPEN-HỆ THỐNG TIÊU BIỂU TRÊN MẠNG CAN Hệ thống mạng CANOPen định nghĩa chuẩn ứng dụng dùng hệ thống thự động công nghiệp phân tán dựa sở CAN CANOpen giao thức an toàn (CIA 304) phát triển mạng CAN tự động hoá (CIA), công bố tiêu chuẩn châu Âu có sẵn EN 50325-5 Uỷ ban châu ÂU từ tiêu chuẩn kĩ thuật điện (CENElEC) quốc gia GIAO thức CANOpen bổ xung giao thức CANOpen tiêu chuẩn EN50325-4, bít đến CIA 301 Những hàm chức năng, tham số việc truy cập để xử lý liệu thiết bị theo chuẩn modul vào/ra, truyền động, điều khiển ghi định nghĩa danh sách thiết bị Vì thế, thiết bị thuộc hãng sản xuất khác truy cập vào mạng trao đổi thông tin xác thông qua bus đường truyền loại Chính thế, xét góc độ cao nhà phân phối độc quyền, họ đạt tương thích hoán đổi thiết bị Vì mạng CANOpen chuẩn ứng dụng tiếp tục mở rộng không giới hạn Ngày mạng CANOpen sử dụng nhiều lĩnh vực như: điều khiển máy, tự động hoá nhà xưởng, tự động hoá phòng thí nghiệm, giao thông 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 TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU MẠNG CANOPEN 2.1 GIỚI THIỆU VỀ 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 truyền động, thiết bị vận hành, cảm biến điều khiển lập trình Các modul vào/ra phát triển dựa chip SAB-C167CR-LM từ SIEMENS, 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 , 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 tượng 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 mạng điều khiển khác cho thiết bị làm cho chúng kết hợp vơí đồng thời kết nối với thiết bị khác CANOpen tập trung vào việc công nhận kiểu khác thiết bị, tất sử dụng dich vụ CAN CAL để liên kết CANOpen trở lên ngày quan trọng chấp nhận trường ứng dụng khác Người ta thiết kế 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 TRONG 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, vài giao thức truyền thông nhỏ lớp ứng dụng, tất định nghĩa cấu hình thiết bị Các giao thức truyền thông hỗ trợ cho việc quản lý mạng, giám sát thiết bị, thông tin liên lạc nút 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, 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 thông 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 lựa 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 Ngoài CANOpen quy định thời gian đề suất nhiệm vụ cho số kết nối 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 Hình 2.1 Mô hình tham chiếu mạng CANOpen * Các lớp tương tác mạng CANOpen Trong mạng CANOpen lớp giao thức mô tả tương tác với thông tin liên lạc lớp khác Trên lớp ứng dụng mạng CANOpen thiết bị trao đổi thông tin liên lạc đối tượng áp dụng, truy cập qua số 16-bit số phụ 8-bit Những đối tượng truyền thông ánh xạ tới khung CAN xác định trước, cấu hình định danh Lớp vật lý mạng CAN xác định cấp độ bít bao gồm bit thời gian Thiết bị truyền CANOpen Thiết bị nhận CANOpen Chỉ số đối tượng Lớp ứng dụng CAN Lớp liên kết liệu CAN Lớp vật lý Lớp ứng dụng ID+Data CAN_l ID+Data CAN_L CAN_H Can Lớp liên kết liệu CAN Lớp vật lý Hình 2.2 Các lớp tương tác mạng CANOpen 2.2.2 Cấu hình thiết bị mạng CANOpen Mỗi thiết bị 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 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, thưc hồ sơ thiết bị Hình 2.3 Mô hình thiết bị mạng CANOpen 10 I/O 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 báo “đường dây hoạt động biểu thị” thông qua kênh dự phòng từ kênh dự phòng coi “đường hoạt động” Ngoài ra, thiết bị liên quan khôngđược truyền gói tin kênh mặc định Gói tin “đường dây hoạt động biểu thị” truyền 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 tin nhận 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” Trái ngược với việc truyền trình liệ với thông tin PDO, việc truyền liệu hai thiết bị xảy theo quy tắc “client-server” SDOs thông qua cai gọi đối tượng dịch vụ liệu (Service Data Objects) Qua SDOs truyền thừa nhận số lượng lớn liệu hai node có thể, ví dụ cho tải liệu cấu hình, tải phần mềm ứng dụng hay đọc chuẩn đoán liệu thiết bị Yêu cầu – SDOs (Client-SDOs) truyền qua CAN kênh, phản ứng- SDOs (MasterSDOs) truyền qua kênh yêu cầu truyền tải thực Ngoài giao thức CANOpen có thêm số đặc điểm là: hỗ trợ chức quản lý mạng chấp nhận lỗi theo nguyên lý “flying master” nghĩa CANOpen hỗ trợ loạt chức giao cho mạng phía Các chức nhiệm 36 vụ lý mạng (NMT), chức kiểm soát trạng thái truyền thông nút, việc phân bổ kênh SDO…; hay hỗ trợ khả giám sát khả truyền thông thiết bị thông qua gói tin kích hoạt tuần hoàn Đây chức quan trọng cho hoạt động tin cậy hệ thống phân phối hỗ trợ cho việc mở rộng địa giao thức phần mềm sẵn có để triển khai thự Như với tính đặc điểm hỗ trợ, giao thức CANOpen đáp ứng yêu cầu tự động hóa hàng hải trở thành giao thức mở hàng hải Căn vòa tiêu chuẩn để vận hành thiết bị nhà sản xuất khác hệ thống mà không thêm chi phí dễ dàng tích hợp hệ thống nhà sản xuất khác Điều làm giảm đáng kể chi phí cho hệ thống kĩ thuật hội nhập Bằng sử dụng giao thức phần mềm sẵn có, kiểm tran cấu hình công cụ, nhân vật chất chi phí cần thiết cho phát triển thiết bị hệ thống giảm đáng kể Các giải pháp phát triển cho tự động hóa hàng hải sử dụng cho tất ứng dụng hệ thống truyền thông 3.2 ĐI SÂU NGHIÊN CỨU ÚNG DỤNG CỦA MẠNG CANOPEN TREN TÀU THỦY 3.2.1 Nghiên cứu úng dụng mạng CANOpen hững hệ thống tự dộng tàu thủy Trong mục em 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) Một ứng dụng điển hình kiểu khu vực hệ thống tự động hóa tàu thủy, ví dụ: hệ thống điều khiển, giám sát báo động tàu thủy loại tàu tàu sân bay, tàu khách tàu hàng… Nguyên tắc để thích ứng ứng dụng hệ thống phải chịu đựng lỗi đơn thành phần tùy ý Điều cho thấy cấu hình hệ thống dự phòng chung, bao gồm hệ thống truyền thông cung cấp để đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền thông dựa CANOpen đap ứng yêu cầu hệ thống chịu lỗi đơn Hệ thống phát triển tự động hóa IXXAT cho hệ thống tự động 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 37 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 Ngoài yêu cầu chung chi phí hợp lí, hệ thống giám sát tàu thủy phải đáp ứng điều kiện an toàn tăng lên thủ tục đăng kí hiệp hội khác Từ mô hình truyền thông liệu cảu hệ thống giám sát đại phần hệ thống, chúng cần phải đáp ứng yêu cầu an toàn cao.Vì hệ thống truyền thông cần phải có yêu cầu an toàn cao Bên cạnh yêu cầu an toàn cao nhu cầu tăng kết từ môi trường khắc nghiệt nhu cầu độ tin cậy cao cảu ứng dụng tàu thủy 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 Do giao thức CANOpen số lượng tối da cảu nút phân đoạn xử lý 127 Tại tốc độ liệu 125 kbit/s môi trường cso thể mở rộng lên đến 500m, với tốc độ liệu 250 kbit/s khoảng cách tối đa khoảng 250m, hạn chế giao thức CAN 38 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 kêntương tự DPUs có sẵn phiên khác theo hình thức đầu vào kỹ thuật số tương tự mô-đun đầu có chiều rộng liệu khác (16/32 bit) cho môđun kỹ thuật số, tương ứng số kênh khác (16/08 bit) trường hợp môđun tương tự Hệ thống chức cung cấp phương tiện DPUs đơn vị phát điện điều khiển bảo vệ 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 Với điện lên quản lý khởi động thực thói quen tự kiểm tra Đối với mục đích thử nghiệm môn đơn nhơn cung cấp chế độ mô phỏng, kích hoạt thông qua CAN bus Truy cập vào phần thông số cấu hình có mật bảo vệ 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 39 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 Các chức bổ xung bao gồm cấu hình hệ thống, kiểm soát trình hệ thống xác định tổng thể, MMI quét, quản lý chức cung cấp hệ thống thời gian toàn cầu Các giao diện CAN khởi tạo mạng sau bật nguồn cung cấp giao diện liệu cho mô-đun điều khiển từ xa đựa sở liệu Thông qua sở liệu ứng dụng khác ROS tớ truy cập vào hệ thống liệu đẫ thu thập từ xa Một chức CIS cung cấp giao diện kiểm tra giao diện mô 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 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 Những hệ thống giám sát tàu 40 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 giám sát: Phần mềm quản lý 41 Được xây dựng phần mềm CAN CAN-bus Nhiệt độ tốc độ quay, Cảm biến1 Nhiệt độ tốc độ quay, Cảm biến 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 bus 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 Sơ đồ chương trình phần mề mô hệ thống: Hệ thống thông minh giám sát tốc độ quay nhiệt độ 42 Phần mềm Phần mềm Máy tính giám sát CAN giám sát Phần Tốc độ quaybiến Mô dul cảm cứng thăm dò Phần Cửa sổ cảm biến điềumềm khiển Nhiệt độ Cảm CAN biến góidây nguồn thăm dò 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 43 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 chức 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, 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 TRÊN TÀU THỦY, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CANOPEN 3.3.1 Giới thiệu phần mềm CANCapture 44 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 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 45 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 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 46 Phù hợp với gói Fast Packet NMEA-2000, multipacke 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 Màn hình giao diện thiết kế hình dưới: Hình 3.7 Màn hình giam sát hệ thống 47 Hình 3.8 Hình mô tả liệu dạng đồ thị Hình 3.9 Hình biểu diễn biến 48 Hình 3.10 Hình biểu diễn gói tin 49 KẾT LUẬN Đề tài tập trung nghiên cứu mạng điều khiển cụ CAN, mạng điều khiển cục CANOpen Qua đề tài ứng dụng phần mềm CANCapture để lập trình DEMO chương trình IT Sensor Đề tài có điểm bật sau: Đề tài khái quát toàn cấu tạo chế giao tiếp mạng điều khiển cục CAN Bên cạnh so sánh mạng CAN với mạng truyền thông khác Đề tài sâu nghiên cứu chức năng, cấu tạo nguyên lý, chế truyềng thông mạng điều khiển cục mở rộng CANOpen Tìm hiểu số ứng dụng tiêu biểu mạng CANOpen tàu thủy, đồng thời đánh giá thực trạng ứng dụng mạng CANOpen nhu cầu ứng dụng mạng CANOpen tàu thủy Dựa sở ứng dụng nhu cầu tự động hóa tàu thủy ngành hàng hải, em xin đề xuất hướng nghiên cứu ứng dụng tàu thủy mạng CAN mở Chương đề tài em sâu phân tích nhu cầu ứng dụng mạng CANOpen số hệ thống điều khiển Đồng thời sâu phân tích ứng dụng phổ biến mạng CANOpen hệ thống điều khiển là: khả chịu lỗ mạng CANOpen hệ thống tự động tàu thủy hệ thống cảm biến thông minh dựa giao thức CANOpen hệ thống giám sát tàu thủy Ngoài đề tài em giới thiệu phần mềm chuiyeen dụng CANCapture phần mềm chuyên dụng sử dụng rộng dãi tàu thủy Và hệ thống giao diện để người sử dụng bít thông tin 50 [...]... -ID 129 to 255 Hình 2.19 Giao thức sự cố CANOpen 2.11 GIAO THỨC QUẢN LÝ MẠNG CANopen 2.11.1 Quản lý mạng CANOpen (NMT) NMT-Master ID NMT-Slave CS NMT-Slave Node NMT-slave Hình 2.20 Mô hình quản lý mạng CANOpen Quản lý mạng CANOpen là nút _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... thông Mạng CAN, tầng vật lý của CANOpen chỉ có thể truyền phát các gói tin ngắn bao gồm 11 bít chỉ danh, bít yêu cầu truyền phát từ xa(RTR) và 0 đến 8 bey giữ liệu Mạng CANOpen 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 một mạng CANOpen là 127 Một phần mở rộng hơn của Can- bus tiêu chuẩn là Can2 .0B... 2.21 Giao thức quản lý mạng CANOpen Quản lý mạng CANOpen cung cấp 5 dịch vụ mà các dịch vụ này có thể được phân biệt bởi câu lện chỉ định (CS): Khởi động Node từ xa (CS=1) Dừng các Node từ xa (CS=2) Nhập thao tác có sẵn (CS=128) Xác lập lại các Node (CS=129) Xác lập lại truyền thông (CS=130) 2.12 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN LỖI Giao thức điều khiển lỗi của mạng CANOpen được đưa ra để người quản lý mạng CANOpen. .. 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) 15 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... 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 Chương III NGHIÊN CỨU MẠNG CANOPEN TRÊN TÀU THỦY 33 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. .. trong trạng thái mạng chính xác 2.12.1 Cấu hình kĩ thuật điều khiển lỗi Có hai kiểu giao thức điều khiển lỗi tồn tại trong mạng CANOpen: Heartbeat và Node/Life guarding Đối với các thiết kế mới, CiA khuyến nghị dùng giao thức Heartbeat Heartbeat: Thiết bị CANOpen truyền phát tín hieuj của nó theo chu kì Heartbeat.Thời gian chu kì được gọi là thời gian Heartbeat của nhà sản xuất và được cấu hình 1017h... quả, độ tin cậy cao của giao thức CAN và hiệu quả chi phí có thể bổ xung của những hệ thống dựa trên CAN Do đó, hiển nhiên có rất nhiều thông tin chuẩn hóa cho những ứng dụng và các thiết bị cụ thể dựa trên CANOpen Dựa vào việc định nghĩa các bảng dữ liệu cho các thiết bị CANOpen mà các nhà sản xuất mô tả được chức năng, các tham số khai thác và các đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị của họ trong mẫu... theo hồ sơ truyền thông và hồ sơ thiết bị Reset Application 29 Initialization Pre-Operational Reset Communication Power-On Hình 2.24 Khởi tạo trong mạng CANOpen 2.13.1 Giao thức khởi động CANOpen Ở đây giao thức này được dùng để báo rằng một dịch vụ điều khiển NMT đã bước vào hoạt động sau khi trạng thái khởi tạo hoạt động Ở giao thức này sử dụng những định danh như ở những giao thức kiểm soát lỗi khác,... quản lý mạng trung tâm, khả năng đa chủ và hỗ trợ một số lượng lớn dữ liệu xử lý và việc cấu hình các tham số Ở đây SIG CANOpen hàng hải đã có thể được tử nghiệm thử và kinh nghiệm được thực hiện của những hệ thống tự động hàng hải dựa trên mạng CAN hoặc CANOpen của những công ty tham gia Với việc áp dụng chuẩn DSP-307, những yêu cầu của hệ thống tự động hàng hải liên quan đến độ tin cậy, an toàn và hiệu... chức năng quản lý mạng (NMT) Sự quản lý mạng trong mạng CANOpen dựa trên các dịch vụ NMT và DBT định nghĩa trong 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 nút trong mạng CANOpen giữ vai trò quản lý mạng (NMT) Bộ quản lý không xử việc truy cập của các nút khác nhau trên đường truyền theo một