Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 6.3: CAN

Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 6.3: CAN. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Giới thiệu chung, kiến trúc giao thức, cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn, cơ chế giao tiếp, cấu trúc bức điện, bảo toàn dữ liệu, các hệ thống dựa trên CAN.

Hệ thống thông tin công nghiệp 6.3 CAN 4/15/2006 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 6.3 CAN Giới thiệu chung Kiến trúc giao thức Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn Cơ chế giao tiếp Cấu trúc ₫iện Bảo toàn liệu Các hệ thống dựa CAN 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung ƒ CAN (Controller Area Network) xuất phát phát triển chung hai hãng Bosch Intel ƒ Lúc ₫ầu ₫ược sử dụng công nghiệp ôtô ƒ Công nghệ ₫ã thâm nhập ₫ược vào số lĩnh vực tự ₫ộng hóa q trình cơng nghiệp ƒ Chuẩn hóa quốc tế ISO 11898 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc giao thức ƒ Phần lớp vật lý: — truyền tín hiệu, phương thức ₫ịnh thời, tạo nhịp bit (bit timing), phương pháp mã hóa bit ₫ồng hóa — khơng qui ₫ịnh ₫ặc tính thu phát, với mục ₫ích cho phép lựa chọn mơi trường truyền mức tín hiệu thích hợp cho lĩnh vực ứng dụng ƒ Lớp liên kết liệu: — Lớp ₫iều khiển truy nhập môi trường (MAC) phần cốt lõi kiến trúc giao thức CAN Lớp MAC có trách nhiệm tạo khung thông báo, ₫iều khiển truy nhập môi trường, xác nhận thơng báo kiểm sốt lỗi — Lớp ₫iều khiển liên kết logic (LLC) ₫ề cập tới dịch vụ gửi liệu yêu cầu liệu từ xa, lọc thơng báo, báo cáo tình trạng tải hồi phục trạng thái 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CAL, DeviceNet, SDS Líp øng dơng Líp 3-6 (Kh«ng thĨ hiƯn) LLC - §iỊu khiĨn liªn kÕt logic MAC - §iỊu khiĨn truy nhập môi trờng CAN Mà hóa bit, Tạo nhịp/đồng nhịp Lớp liên kết liệu Lớp vật lý (Bộ thu phát) Môi trờng truyền dẫn 6.3 CAN â 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn ƒ CAN không qui ₫ịnh cụ thể chuẩn truyền dẫn môi trường truyền thông ƒ Cáp ₫ôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 ₫ược sử dụng rộng rãi (cấu trúc mạng thích hợp ₫ường trục/₫ường nhánh, chiều dài ₫ường nhánh < 0.3m) ƒ Phương pháp truy nhập bus CSMA/CA, tốc ₫ộ truyền tối ₫a 1Mbit/s khoảng cách 40m 50kbit/s khoảng cách 1000m ƒ Hai trạng thái logic tín hiệu mức trội (dominant) mức lặn (recessive) ƒ Nhồi bit (bit sau bit 1) + NRZ 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cơ chế giao tiếp ƒ Truy nhập bus: CSMA/CA ƒ Đặc trưng CAN phương pháp ₫ịnh ₫ịa giao tiếp hướng ₫ối tượng ƒ Tự do, linh hoạt theo kiểu yêu cầu-₫áp ứng ƒ Một trạm gửi liệu khung REMOTE FRAME ƒ Trạm có khả cung cấp nội dung thơng tin ₫ó gửi trả lại khung liệu DATA FRAME có mã cước với khung yêu cầu 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cấu trúc ₫iện ƒ Mỗi thông báo ₫ược coi ₫ối tượng, có cước riêng biệt (IDENTIFIER, 11/29 bit) ƒ kiểu ₫iện: — Khung liệu (DATA FRAME) mang liệu từ trạm gửi tới trạm nhận — Khung yêu cầu liệu (REMOTE FRAME) ₫ược gửi từ trạm yêu cầu truyền khung liệu — Khung lỗi (ERROR FRAME) ₫ược gửi từ trạm phát lỗi bus — Khung tải (OVERLOAD FRAME) tạo khoảng cách thời gian bổ sung hai khung liệu yêu cầu liệu trường hợp trạm bị tải ƒ Giữa hai khung bit lặn (INTERSPACE) 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khung d liu/yờu cu d liu Khoảng cách khung khung tải (Interframe Space / Overload Frame) Sè bit 12 hc 32 64 Khởi đầu khung (Start of Frame) 15 1 KÕt thóc khung (End of Frame) Ph©n xư (Arbitration Field) X¸c nhËn ACK (1 bit ACK slot, bit ACK delimiter) Dữ liệu (Data Field) Điều khiển (Control Field) 6.3 CAN Kiểm soát lỗi CRC (15 bit CRC sequence, bit CRC delimiter) © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khung liệu/yêu cầu liệu ƒ Khởi ₫ầu khung bit trội, sử dụng cho ₫ồng hóa ƒ Ơ phân xử mức ưu tiên ₫iện, chiều dài 12 bit (khung chuẩn) 32 bit (khung mở rộng): — mã cước dài 11 29 bit — bit RTR (Remote Transmission Request), phân biệt khung liệu (bit trội) khung yêu cầu liệu (bit lặn) ƒ Ô ₫iều khiển dài bit, ₫ó bit cuối mã hóa chiều dài liệu (bit trội = 0, bit lặn = 1) ƒ Ơ liệu có chiều dài từ byte, ₫ó byte ₫ược truyền ₫i theo thứ tự từ bit có giá trị cao (MSB) ₫ến bit có giá trị thấp (LSB) 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10 Khung liệu/yêu cầu liệu ƒ Ơ kiểm sốt lỗi: 15 bit CRC bit lặn phân cách Đa thức phát G = X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + ƒ Ô xác nhận ACK (Acknowlegment) bit lặn Mỗi trạm nhận ₫ược ₫iện phải kiểm tra mã CRC, ₫úng phát chồng bit trội thời gian nhận ₫ược bit ARC ₫ầu tiên (ARC slot) Như vậy, ₫iện ₫ược truyền xác có bit ARC trội nằm hai bit lặn phân cách (một bit phân cách CRC bit phân cách ACK) ƒ Kết thúc khung ₫ược ₫ánh dấu bit lặn 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 11 Khung bỏo li Khoảng trống khung khung tải (Interframe Space / Overload Frame) Cờ lỗi (Error Flag) Số bit 6 Xếp chồng cờ lỗi Phân cách lỗi Error delimiter mức lặn mức trội Trạng thái logic tín hiệu bus (trờng hợp lỗi chủ động) 6.3 CAN â 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 12 Khung báo lỗi ƒ Cờ lỗi (Error Flag): — Lỗi chủ ₫ộng (Active Error): Dạng cờ lỗi chủ ₫ộng bao gồm sáu bit trội liền — Lỗi bị ₫ộng (Passive Error): Dạng cờ lỗi bị ₫ộng bao gồm sáu bit lặn liền nhau, trừ trường hợp bị ghi ₫è lên bit trội từ trạm khác ƒ Phân cách lỗi (Error Delimiter): bit lặn liên tục 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13 Khung bỏo quỏ ti Khoảng trống khung khung tải (Interframe Space/Overload Frame) Cờ tải (Overload Flag) Sè bit 6 XÕp chång cê tải Phân cách tải (Overload delimiter) mức lặn mức trội Trạng thái logic tín hiệu bus 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14 Bảo tồn liệu ƒ Theo dõi mức tín hiệu bit truyền ₫i so sánh với với tín hiệu nhận ₫ược bus ƒ Kiểm sốt qua mã CRC ƒ Thực nhồi bit (nhồi bit nghịch ₫ảo sau năm bit giống nhau) ƒ Kiểm sốt khung thơng báo 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 15 Khả phát lỗi ƒ Phát ₫ược tất lỗi toàn cục ƒ Phát ₫ược tất lỗi cục phát ƒ Phát ₫ược tới bit lỗi phân bố ngẫu nhiên ₫iện ƒ Phát ₫ược lỗi ₫ột ngột có chiều dài nhỏ 15 bit thông báo ƒ Phát ₫ược lỗi có số bit lỗi chẵn ƒ Tỉ lệ lỗi cịn lại (xác suất thơng báo cịn bị lỗi không phát hiện) nhỏ 4.7*10-11 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 16 Các hệ thống dựa CAN ƒ CANopen: “CAN-Bus châu Âu” — CAN in Automation phát triển dựa CAN, sử dụng lớp vật lý theo chuẩn ISO 11898 (gần ₫ồng với RS-485) — Lớp ứng dụng CANopen ₫ược ₫ịnh nghĩa sở CAL (CAN Application Layer) — Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu hệ thống ₫iều khiển chuyển ₫ộng, dây chuyền lắp ráp xử lý nguyên liệu — Ví dụ, thiết bị ₫ược nối mạng khối cảm biến ₫a kênh, cảm biến thông minh, van khí nén, ₫ọc mã vạch, cấu truyền ₫ộng giao diện vận hành 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17 ƒ Ưu ₫iểm CANOpen: — Độ tin cậy cao nhờ biện pháp bảo toàn liệu tốt — Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền lớn — Thích hợp với ₫iều khiển chuyển ₫ộng tốc ₫ộ cao ₫iều khiển mạch vịng kín so với hệ thống mạng khác dựa CAN ƒ Nhược ₫iểm CANOpen (cũng CAN) — ràng buộc tốc ₫ộ truyền chiều dài mạng, — lượng liệu hạn chế byte ₫iện 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 18 SDS (Smart Distributed System) ƒ Cơ sở hạ tầng truyền thông số hệ thống ₫iều khiển phân tán (DCS) Honeywell ƒ Đặc tính tiêu biểu tính thời gian thực, phù hợp với hệ thống ₫iều khiển có cấu trúc tập trung phân tán ƒ SDS hoạt ₫ộng chủ yếu theo chế hướng kiện, ₫iều khiển theo thời gian (time-driven) hay hỏi ₫iều khiển theo chương trình (polling) ƒ Ứng dụng tiêu biểu dây chuyền lắp ráp, xử lý nguyên liệu, ₫óng gói phân loại sản phẩm 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 19 DeviceNet ƒ Hãng Allen-Bradley phát triển dựa sở CAN, dùng nối mạng cho thiết bị ₫ơn giản cấp chấp hành ƒ Nay ₫ược hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) quản lý ₫ược dự thảo chuẩn hóa IEC 620263 ƒ Bổ sung số chi tiết thực lớp vật lý ₫ưa phương thức giao tiếp kiểu tay ₫ôi (Peer-to-Peer) chủ/tớ (Master/Slave) ƒ Cấu trúc mạng ₫ường trục/₫ường nhánh, ₫ó chiều dài ₫ường nhánh hạn chế m ƒ Ba tốc ₫ộ truyền ₫ược qui ₫ịnh 125 kbit/s, 250 kbit/s 500 kbit/s, tương ứng với chiều dài tối ₫a ₫ường trục 500 m, 250 m 100 m 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 20 ... https://fb.com/tailieudientucntt 16 Các hệ thống dựa CAN ƒ CANopen: ? ?CAN- Bus châu Âu” — CAN in Automation phát triển dựa CAN, sử dụng lớp vật lý theo chuẩn ISO 11898 (gần ₫ồng với RS-485) — Lớp ứng dụng CANopen ₫ược ₫ịnh... khiển mạch vịng kín so với hệ thống mạng khác dựa CAN ƒ Nhược ₫iểm CANOpen (cũng CAN) — ràng buộc tốc ₫ộ truyền chiều dài mạng, — lượng liệu hạn chế byte ₫iện 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com...6.3 CAN Giới thiệu chung Kiến trúc giao thức Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn Cơ chế giao tiếp Cấu trúc ₫iện Bảo toàn liệu Các hệ thống dựa CAN 6.3 CAN © 2006 - HMS CuuDuongThanCong.com