BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG CAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

BÁO CÁO TIỂU LUẬN
MÔN: HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI: ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG
CỦA MẠNG CAN
(Operating Principles and Features of CAN Networks)
GVHD : PGS.TS Nguyễn Văn Khang
SVTH : Nguyễn Văn Chung MSSV: CB110612
Vũ Xuân Hiệp MSSV: CB110617
Lớp: 11BKTĐT
Hà Nội, tháng 06 năm 2012
BÁO CÁO TIỂU LUẬN
MÔN: HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI: ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG
CỦA MẠNG CAN
(Operating Principles and Features of CAN Networks)
GVHD : PGS.TS Nguyễn Văn Khang
SVTH : Nguyễn Văn Chung MSSV: CB110612
Vũ Xuân Hiệp MSSV: CB110617
Lớp: 11BKTĐT
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
MỤC LỤC
1.Giới thiệu về mạng CAN 2
1.1.Lịch sử phát triển của mạng CAN 2
1.2.Các ưu điểm và những hạn chế của mạng CAN 3
2.Triển khai mạng CAN 5
3.Giao thức cơ bản của mạng CAN 7
4.Một số mạng ứng dụng CAN 12

4.1.CANopen 12
4.2.DeviceNet 14
5.Tài liệu tham khảo 16
-Trang 1-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
1. Giới thiệu về mạng CAN
1.1. Lịch sử phát triển của mạng CAN
Mạng CAN (Controller Area Network) được nghiên cứu bởi nhóm kĩ sư
công ty Bosch GmbH và được ứng dụng lần đầu vào những năm 1980 trên xe ô
tô khách. Giải pháp ban đầu của mạng CAN không phù hợp với đa số các ứng
dụng điều khiển tự động. Bus hệ thống cần phải cung cấp một số tính năng mới
mà kiến trúc fieldbus hiện thời không có. Nhóm nghiên cứu còn có sự tham gia
của một vài học viện và công ty bán dẫn Intel.
[1]
Kiến trúc fieldbus mới được đề xuất vào năm 1986 tại hội nghị SAE tại
Detroit với tên gọi “Automotive Serial Controller Area Network”. Hệ thống cho
phép nhiều thiết bị cùng kết nối tới bus dùng chung và sử dụng phương thức đa
truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA (Carrier-Sense-Multiple-Access). Tuy
nhiên nhóm thực hiện đã thử nghiệm phương thức phân chia quyền truy nhập
bằng cơ khí, giải quyết xung đột trên bus bằng việc phân quyền ưu tiên cho các
gói tin. Hơn nữa, đặc tính fieldbus cũng bao gồm các phương pháp phát hiện lỗi
và phương pháp quản lí cơ khí nhằm tăng khả năng kháng lỗi của toàn hệ thống.
Sau đó, hai hãng Intel và Philips tiếp tục nghiên cứu sản xuất IC điều khiển
CAN theo hai hướng khác nhau. Giải pháp của Intel (FullCAN) yêu cầu công
suất CPU chủ (host CPU) thấp. Giải pháp của Philipps (BasicCAN) có thiết kế
đơn giản nhưng lại yêu cầu tải lớn hơn trên bộ xử lí thường giao diện với bộ
điều khiển CAN. Từ giữa những năm 1990, có trên 15 nhà sản xuất gồm
Simens, Motorola, NEC, đã cung cấp ra thị trường hàng triệu mẫu IC CAN
phục vụ cho ngành công nghiệp ô tô như Mercedes-Benz, Volvo, Saab,

Volkswagen, BMW, Renault, và Fiat.
Đặc tính Bosch (CAN v2.0) được đệ trình như chuẩn quốc tế vào đầu những
năm 1990. Đề xuất đó được chấp thuận và ban hành thành chuẩn ISO11989 vào
cuối năm 1993 bao gồm mô tả về giao thức truy nhập mạng và kiến trúc lớp vật
lý. Năm 1995, ban hành phụ lục cho ISO11989 mô tả định dạng gói tin mở rộng
dùng trong CAN. Hiện nay đặc tính kĩ thuật của CAN vẫn đang được chỉnh sửa
và chia thành bốn phần: [ISO1, ISO2, ISO3, TTC].
Các tài liệu chuẩn thường chỉ cung cấp các đặc tính kĩ thuật của lớp truyền
thông thấp và ít mô tả về các lớp cao trong mô hình OSI. Đây là lí do ban đầu
CAN ít được dùng trong môi trường tự động hóa.
Mặc dù được thiết kế dùng ứng dụng trong ô tô, CAN cũng được dùng trong
nhiều ứng dụng khác. Ngay đầu những năm 1990, Allen-Bradley và Honeywell
-Trang 2-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
cũng hợp tác nghiên cứu dự án điều khiển dựa trên mạng CAN. Mặc dù dự án bị
tạm dừng một vài năm nhưng Allen-Bradley và Honeywell vẫn độc lập nghiên
cứu về giao thức cho các lớp cao. Kết quả là sự ra đời các giải pháp DeviceNet
của Allen-Bradley và hệ thống phân phối thông minh (Smart Distributed
System - SDS) của Honeywell. Do một vài lí do, SDS không phát triển thêm,
chỉ có sự cải tiến thành Honeywell Microswitch, trong khi DeviceNet được phổ
biến và đã có hiệp hội các nhà cung cấp DeviceNet “Open DeviceNet Vendor
Association”. DeviceNet được ứng dụng rộng rãi trong các công ty tự động tại
Mỹ và trở thành đối thủ của nhiều giải pháp khác như Profibus-DP, Interbus.
1.2. Các ưu điểm và những hạn chế của mạng CAN
1.2.1. Ưu điểm
 Mạng có giá thành thấp, kiến trúc đơn giản
Có thể triển khai mạng CAN với giá thành thấp, mạng ổn định cho phép kết
nối nhiều thiết bị với nhau. Một sự cải tiến của mạng CAN là mỗi đơn vị điều
khiển (ECUs) chỉ cần một giao diện CAN, tương tự hoặc số, tới bus hệ thống để

kết nối tới mọi thiết bị trong hệ thống. Điều này làm giảm giá thành và trọng
lượng của hệ thống.
[2]
Hình 1. Mạng CAN giúp giảm đáng kể số dây nối
Hình trên cho thấy khi sử dụng mạng CAN sẽ giúp mạng kết nối đơn giản
hơn tạo thuận tiện trong quá trình thiết kế và bảo trì mạng.
 Truyền thông quảng bá
Mỗi thiết bị trong mạng có một IC điều khiển CAN và do đó hệ thống rất
thông minh. Tất cả các thiết bị trong mạng đều thu được gói tin. Mỗi thiết bị có
thể lọc lấy gói tin gửi đến mình. Kiến trúc này cho phép thay đổi mạng CAN
-Trang 3-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
với tác động tối thiểu. Các nút không phát có thể thêm vào mà không cần thay
đổi kiến trúc mạng.
 Phân quyền ưu tiên
Mỗi gói tin đều có mức ưu tiên nhất định, do đó nếu hai node phát gói tin
cùng lúc, gói tin có mức ưu tiên cao hơn sẽ giành được quyền phát gói tin, gói
tin còn lại sẽ bị trì hoãn. Sự phân mức ưu tiên giúp việc truyền gói tin có mức
ưu tiên cao nhất không bị gián đoạn. Điều này giúp mạng đạt được ràng buộc
thời gian xác định.
Mạng CAN đơn giản và ưu việt hơn nhiều so với phương pháp truy nhập
dùng thẻ (token) như mạng Profibus khi cấu hình đa truy nhập. Do đó không
cần phải tạo vòng kết nối cục bộ, hay phải chuyển gói tín vòng qua trạm gốc.
Mạng CAN linh hoạt hơn nhiều so với phương thức đa truy nhập phân chia thời
gian (TDMA) hay dạng gói tin phức hợp (combined-message), vì mạng không
nhất thiết phải biết về gói tin chuyển đi.
[1]
 Không cần node mạng phân quyền truy nhập bus
So với phương pháp quay vòng tập trung (centralized-polling) như FIP,

trong mạng CAN không cần có node mạng làm nhiệm vụ phân quyền truy nhập
bus, đó có thể là điểm gây lỗi cho toàn hệ thống. Với mạng CAN tất cả các nút
đều là nút chủ, rất đơn giản trong việc thông báo các sự kiện không đồng bộ ví
dụ như báo hiệu hay báo lỗi các điều kiện ngưỡng. Trong hầu hết các trường
hợp, mạng CAN có nhiều ưu điểm hơn các mạng kể trên.
Một điều hiển nhiên là các gói tin có mức ưu tiên thấp nhất sẽ bị trì hoãn nếu
có nhiều gói tin có mức ưu tiên cao hơn cùng được phát, nhưng đây cũng là vấn
đề của các kiến trúc mạng khác. Tuy nhiên, khung tin trong mạng CAN rất nhỏ
(khung chuẩn dài 135 bit) nên thời gian trì hoãn bởi một gói tin khẩn cấp
thường rất nhỏ, và ít ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của hệ thống, điều đó là
lí do mạng CAN được sử dụng trong nhiều ứng dụng điều khiển thời gian thực
mặc dù dải thông của nó khá thấp.
Gói tin có mức ưu tiên cao nhất sẽ được đánh số thứ tự thấp nhất (đầu tiên),
ví dụ bức điện có mức ưu tiên cao nhất sẽ được đánh số 0.
 Khả năng sửa lỗi cao
Các gói tin trong mạng đều có phần kiểm tra độ dư chu trình CRC, nhằm
phát hiện lỗi trong nội dung các khung tin. Khung tin bị lỗi sẽ bị loại bỏ tại tất
cả các nút và khung tin bị lỗi sẽ phát tín hiệu lỗi trở lại mạng. Các lỗi toàn cục
-Trang 4-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
và lỗi cục bộ được phân loại bởi khối điều khiển, nếu có quá nhiều lỗi được
phát hiện, các nút bị lỗi sẽ ngừng phát hoặc tự cách li ra khỏi mạng.
1.2.2. Những hạn chế của mạng CAN
Tuy đạt được sự đơn giản về kiến trúc, kĩ thuật phân quyền truy nhập của
mạng CAN vẫn có một số hạn chế. Với sự phân quyền cơ khí, gói tín phải có
thể truyền từ một đầu cua bus đến node xa nhất (đến đầu còn lại) và quay trở lại
node đầu trong khoảng thời gian lấy mẫu tín hiệu trên bus.
[1]
Điểm lấy mẫu thường lệch khỏi điểm giữa của mỗi bít (điểm mở rộng có thể

cấu hình bằng các thanh ghi thích hợp), sự trễ truyền lệnh đầu cuối bus bao gồm
cả trễ tại phần cứng thu phát phải nhỏ hơn ¼ thời bít (giá trị mở rộng phụ thuộc
vào việc cấu hình thời gian một bít trong bộ điều khiển CAN).
Nếu tốc độ truyền tín hiệu là cố định (khoảng 200m/µs với cáp đồng) thì độ
dài cho phép của bus sẽ bị giới hạn và còn phụ thuộc vào chiều truyền bit của
mạng. Ví dụ mạng CAN có tốc độ dữ liệu 250 kb/s thì bus có độ dài tối đa
200m. Tương tự, độ dài tối đa của bus khi tốc độ bít là 1 Mb/s chỉ là 40m. Đó là
lí do tại sao tốc độ bít cho phép của mạng CAN bị giới hạn ở 1 Mb/s.
Mặc dù có những hạn chế trên nhưng trong một tương lai gần mạng CAN sẽ
vẫn thích hợp trong nhiều lĩnh vực ở đó giá thành rẻ và kĩ thuật bắt lỗi tốt còn
quan trọng hơn cả hiệu năng, ví dụ ngành tự động hóa, điều khiển quá trình.
Tuy nhiên cũng cần biết rằng CAN còn có nhiều đối thủ khác như Profibus-DP
(12 Mb/s), Sercos (16 Mb/s), Interbus (2 Mb/s), industrial Ethernet (100 Mb/s)
với khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao dùng với các hệ thống yêu cầu chu trình
thời gian ngắn. (<1ms).
Đã có nhiều giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của mạng CAN, trong đó có
giao thức time triggered CAN (TTCAN). Giao thức này dùng tín hiệu đồng bộ
chung và tiếp cận thời gian kích khởi, nó có thể giảm rung pha (jitter) và cung
cấp đầy đủ các đặc tính xác định. Nếu trong mạng không thực hiện truyền thông
không đồng bộ thì mạng TTCAN có các đặc tính giống với hệ thống TDMA và
do đó không bị giới hạn về tốc độ bít. Tuy nhiên đặc tính của mạng này sẽ có
những khác biệt so với mạng CAN truyền thống
2. Triển khai mạng CAN
Dựa vào kiến trúc nội, bộ điều khiển CAN có thể chia làm hai loại:
BasicCAN và FullCAN.
-Trang 5-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Bộ điều khiển BasicCAN có một bộ đệm phát và một bộ đệm thu như với bộ
điều khiển UART thông thường. Hàm lọc khung tin thường ở bên trái của

chương trình ứng dụng (ví dụ nằm dưới phần điều khiển của bộ điều khiển chủ),
ngay cả khi một vài dạng lọc được thực hiện bởi bộ điều khiển. Nhằm tránh tràn
bộ đệm, một số bộ đệm thu phụ được sử dụng, cho phép thu khung tin tiếp theo
trong khi khung tin trước đang được đọc bởi bộ điều khiển chủ. Một ví dụ về bộ
điều khiển BasicCAN là PCA82C200 của hãng Philips.
Với bộ điều khiển FullCAN số lượng bộ đệm bên trong có thể cấu hình
trước là đệm thu hoặc phát với các gói tin đặc thù. Hàm lọc được thực thi trực
tiếp trong bộ điều khiển CAN. Khi thu được khung tin mới, nó sẽ được lưu vào
bộ nhớ đệm tương ứng. Thông thường, gói tin mới sẽ ghi đè lên gói tin trước
đó, nhờ vậy sẽ không gây hiện tượng tràn bộ đệm. Ví dụ về kiến trúc FullCAN
có các IC điều khiển CAN của Intel như 82526, 82527.
Kiến trúc FullCAN thường không giới hạn số thiết bị tích cực cho bộ điều
khiển chủ, đó là tính năng cao cấp hơn so với kiến trúc BasicCAN. Tuy nhiên
đã có những bộ điều khiển kết hợp nguyên lí hoạt động của hai kiến trúc trên,
do dó, sự phân loại trên có thể sẽ bị thay thế.
-Trang 6-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
3. Giao thức cơ bản của mạng CAN
3.1.
Khái quát
Kiến trúc giao thức mạng CAN được cấu trúc theo cách tiếp cận lớp của mô
hình OSI. Tuy nhiên, như hầu hết các mạng hiện nay cho sử dụng ở mức cơ sở
trong các môi trường tự động kết hợp, chỉ có một vài lớp được xem xét trong
giao thức ngăn xếp của nó. Điều này làm cho việc triển khai hiệu quả hơn và ít
tốn kém. Rất ít các lớp giao thức trên thực tế hàm ý giảm trễ xử lý khi nhận và
truyền thông điệp và phần mềm giao tiếp đơn giản.
Đặc điểm kỹ thuật mạng CAN, đặc biệt chỉ bao gồm lớp vật lý và những lớp
liên kết dữ liệu, như mô tả trong hình dưới, Lớp vật lý nhằm mục đích quản lý
việc truyền tải có hiệu lực dữ liệu qua sự hỗ trợ của truyền thông,và khắc phục

những khía cạnh cơ khí, điện, và chức năng. Bit định thời và đồng bộ đặc biệt
thuộc lớp này.
Lớp liên kết dữ liệu thay vào đó được chia thành hai lớp con riêng biệt: điều
khiển truy cập môi trường (MAC) và điều khiển liên kết lô gic(LLC). Mục đích
của phần tủ MAC về cơ bản để quản lý truy cập để hỗ trợ truyền tải được chia sẻ
bằng cách cung cấp một cơ chế nhằm phối hợp việc sử dụng bus để tránh các
chức năng không thể quản lý được xung đột. Những chức năng của lớp con MAC
bao gồm mã hóa và giải mã, giám sát, kiểm tra lỗi tín hiệu, và cũng có thể giảm
lỗi, Lớp con LLC thay vào đó cung cấp cho người dùng một giao thức thích hợp,
mà được đặc trưng bởi một tập hợp được xác định những dịch vụ truyền thông,
ngoài khả năng để quyết định một thông điệp có liên quan đến nút hay không.
Giao thức ngăn xếp CAN
-Trang 7-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Đáng chú ý trong CAN là có sự linh hoạt đáng kể cả về việc thực hiện các
dịch vụ LLC và cũng trong sự giới hạn chọn lựa hỗ trợ vật lý, trong khi đó có
thể không thay đổi chế độ của lớp con MAC.
Không như hầu hết các mạng bus, Đặc điểm của CAN không bao gồm bất
kỳ lớp ứng dụng gốc nào. Tuy nhiên một số các giao thức tồn tại dựa trên CAN
dễ dàng thiết kế và thực hiện các hệ thống CAN phức tạp.
3.2.
Cấu hình và định dạng khung gói tin trong mạng CAN
Lớp vật lý
Đặc trưng lớp vật lý của mạng CAN có giá trị với một số hệ thống, như
những liên quan của chúng đến tín hiệu vật lý được mô tả trong ISO 11898-1 .
Thay vào đó các đơn vị truy cập trung gian được định nghĩa trong ISO 11898-2
và ISO 11898-3 cho truyền thông tốc độ cao và tốc độ thấp, tương ứng. Các
định nghĩa của giao tiếp trung gian được đề cập trong các tài liệu khác.
Cấu hình liên kết mạng

Mạng CAN được dựa trên một cấu trúc chia sẻ bus. Các bus này phải được
nối bởi một điện trở đầu cuối giá trị tham khảo 120 OHM để chặn lại tín hiệu
phản hồi. Với cùng lý do trong một số tài liệu chuẩn về cầu hình liên kết mạng
CAN càng gần càng tốt như một dòng kín trên một dây đơn. Các gốc kết nối với
bus chiều dài càng ngắn càng tốt ví dụ với tốc độ truyền 1Mb/s thì khoảng cách
nên nhỏ hơn 30 cm.
Một số loại phương tiện truyền thông được sử dụng như:
- Bus hai dây, nó cho phép truyền hai tín hiệu khác biệt và đảm bảo truyền
thông tin cậy. Trong trường hợp này một cặp soắn đôi được sử dụng tăng cường
chống nhiễu điện từ trường.
- Bus một dây là giải pháp đơn giản giá rẻ, khả năng chống nhiễu thấp,
thường ứng dụng trong ôtô.
- Truyền dẫn quang đảm bảo khả năng hoàn chống nhiễu điện từ và dùng
trong những môi trường phức tạp. Sợi quang được kết nối khác biệt các mạng
con CAN được khai triển bao phủ trong các nhà máy với một vùng rộng khắp.
Tốc độ bít với mạng thường từ 50Kb/s đến 1Mb/s.
Chiều dài tối đa của bus CAN phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ bít. Với
500Kb/s thì chiều dài cho phép khoảng 100m và có thể tăng lên tới 500m với
tốc độ bít 125kb/s.
-Trang 8-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Mã hóa bit và đồng bộ:
Trong mạng CAN giao diện về mạch điện của nút tới bus dựa trên sơ đồ
open-collector. Mức trên bus CAN mang hai giá trị bù, được ký hiệu là mức cao
và thấp, tương ứng với các giá trị lô gic 1 và 0.
CAN dựa trên mã hóa bít(NRZ), có tính hiệu năng cao trong đồng bộ thông
tin không được mã hóa một cách riêng biệt từ dữ liệu. Bit đồng bộ trong mỗi nút
được thực hiện bằng vòng lặp khóa pha số (DPLL), nó trích từ thông tin định
thời trực tiếp từ dòng bít nhận được trên bus. Đặc biệt các sườn của tín hiệu

dùng để đồng bộ vị trí của sung, để bù dung sai và sự trôi của dao động.
Để cung cấp một mức độ thỏa mãn sự đồng bộ giữa các nút, dòng bít truyền
nên gồm một số đủ lớn các sườn. Để thực hiện điều này CAN dựa trên kỹ thuật
nhồi bít, trên thực tế bất cứ khi nào cứ năm bit liên tiếp có cùng giá trị xuất hiện
trên dòng bít truyền nút truyền sẽ chèn thêm một bít nhồi ở giá trị bổ sung. Như
mô tả trong hình dưới đây
Kỹ thuật nhồi bít
Không phải tất cả các trường trong một khung của CAN được mà hóa theo kỹ
thuật nhồi bít, trong thực tế chỉ áp dụng một phần của những khung tuần tự từ bít
SOF đến bít CRC. Những trường còn lại là cố định và không được nhồi vào.
Định dạng của khung
Định dạng khung của CAN được chỉ rõ trong ISO 1 được định nghĩa theo cả
hai dạng chuẩn và chuẩn mở rộng, những định dạng này điểm khác nhau chính
là ở kích thước của trường. Trong thực tế định dạng khung chuẩn (CAN 2.0A)
được định nghĩa bởi 11bits, có nghĩa là nó có thể nhận dạng tới 2048 thiết bị
được ứng dụng trên cùng một mạng. Với định dạng chuẩn mở rộng (CAN 2.0B)
thêm vào đó 29 bít nhận dạng, nên có thể lên đến hang tỉ đối tượng có thể tồn
tại trên cùng một mạng, nó có thể đủ cho đủ cho bất kỳ một loại ứng dụng nào.
Sử dụng định danh mở rộng trọng một mạng cũng như chuẩn 2.0A những bộ
điều khiển thường không quản lý được lỗi, mạng hoạt động không ổn định, vì
vậy một loại bộ điều khiển CAN thứ ba đã được phát triển được biết đến như là
-Trang 9-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
2.0B thụ động chúng quản lý chính xác việc truyền và nhận của khung CAN
2.0A trong khi bỏ qua CAN2.0B.
Điều đáng chú ý là, trong thực tế số các đối tượng khác nhau cho phép theo
chuẩn định dạng đầy đủ hơn, cho hiệu quả truyền thông cao hơn. Như một hệ
quả chúng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống CAN hiện có, và có ở hầu
hết các giao thức cao hơn CAN cơ bản, như là CAN open và các thiết bị mạng

cơ bản dựa trên định dạng này.
Khung dữ liệu:
Khung dữ liệu được sử dụng để gửi thông tin qua mạng. Mỗi một khung dữ
liệu CAN được bắt đầu với bít SOF(bắt đầu khung) ở mức thấp được thể hiện
trong hình dưới:
Định dạng khung dữ liệu
SOF còn dùng để đồng bộ những nút nhận. Ngay sau SOF là Arbitstration
field bao gồm ký hiệu nhận dạng và yêu cầu truyền nhận từ xa bít RTR, tiếp đến
là bít IDE phân biệt giữa khung chuẩn và chuận mở rộng. DLC mã hóa chiều
dài bít dữ liệu, sau đó là trường dữ liệu, CRC và ACK và kết thúc là trường kết
thúc khung EOF.
Kỹ thuật truy cập
Cơ chế điều khiển truy cập trung gian trên CAN dựa trên cơ bản của truy
cập đa hướng, khi không có khung nào được trao đổi mạng ở trạng thái nhàn rỗi
mức trên mạng là mức cao. Trước khi truyền một khung nút phải quan sát trạng
thái của mạng, nếu mạng ở trạng thái nhàn rỗi khung bắt đầu truyền nhận ngay
lập tức, nếu không khung phải chờ cho khung truyền hiện thời đang thực hiện
kết thúc. Mỗi một khung truyền bắt đầu bằng bít SOF ở mức thấp, nó thông báo
cho các nút khác biết là mạng đang ở trạng thái bận.
-Trang 10-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Các dịch vụ truyền thông
Theo ISO đặc điểm của ISO1 , LLC và lớp con của CAN chỉ cung cấp hai
dịch vụ truyền thông: L_DATA nó được sử dụng để truyền quảng bá giá trị cụ
thể của một đối tượng trên mạng và L_REMOTE nó được sử dụng để hỏi giá trị
của một đối tượng cụ thể là truyền quảng bá bởi một nguồn từ xa có liên quan.
Mô hình trao đổi thông tin:
Trao đổi thông tin trong mạng CAN được diễn ra theo ba giai đoạn như hình
mô tả sau:

- Tạo ra những phần thông tin mã hóa và truyền các khung trên bus
- Vì bản chất gốc truyền quảng bá của bus, tất cả những khung được truyền
giống nhau trên mạng và mỗi nút đọc nội dung của nó trong bộ đệm cục bộ.
Mô hình tương tác giữa các thiết bị
Kỹ thuật truy cập của mạng CAN làm cho loại mạng này đặc biệt phù hợp
được sử dụng trong các hệ thống phân tán nó truyền thông theo mô hình
producer/consumer. Trong trường hợp này khung dữ liệu được sử dụng bởi
những producer node truyền quảng bá giá trị mới trên mạng, mỗi trong số đó
được xác định bằng chính định danh của chúng. Không giống nhưn các mạng
dựa trên các mô hình sản xuất/tiêu dùng/phân xử như FIP, thông tin được gửi
trong mạng CAN ngay sau khi nó sẵn sang từ một trong hai ứng dụng điều
khiển hoặc hệ thống hiện tại mà không cần sự can thiệp của một bộ phân sử tập
trung. Đó là một điểm đáng chú ý cải thiện sự đáp ứng của toàn bộ hệ thống.
-Trang 11-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
4.
Một số mạng ứng dụng CAN
Với mục đích làm giảm chi phí thiết kế và thực thi hệ thống tự động, một số
giao thức ứng dụng cấp cao đã được đề xuất, trong đó có lớp liên kết dữ liệu
được xây dựng trên nền tảng mạng CAN để trao đổi gói tin giữa các node, một
điều đáng chú ý rằng tất cả các hàm của lớp liên kết trong CAN được thực thi
bằng phần cứng trong các bộ điều khiển CAN hiện thời. Mục đích của mỗi giao
thức nhằm cung cấp một dịch vụ nguyên mẫu khả dụng và được định nghĩa tốt,
dùng tương tác với các thiết bị trường theo phương thức chuẩn hóa.
Hiện nay, có hai giải pháp sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình và tự
động hóa là CANopen [COP] và DeviceNet [DNET]. Cả hai giải pháp đều định
nghĩa mô hình đối tượng mô tả đặc tính của thiết bị. Điều này cho phép tính
tương thích và khả năng thay thế giữa các thiết bị của các hãng khác nhau. Thực
tế, miễn sao thiết bị thỏa mãn đặc tính kĩ thuật, nó có thể được thay thế cho thiết

bị khác.
[1]
4.1.
CANopen
CANopen ban đầu được thiết kế dựa vào chức năng truyền thông thực hiện
bởi lớp ứng dụng CAN (CAN Application layer – CAL). Tuy nhiên, đến giờ
đặc tính kĩ thuật của CAN đã không còn tham chiếu đến CAL. Thay vào đó,
dịch vụ truyền thông được tích hợp trực tiếp vào tài liệu của CANopen.
Trong CANopen, thông tin được trao đổi bằng các đối tượng truyền thông
(COBs). Một số COBs có các chức năng sau:
• Process Data Objects (PDOs), dùng trao đổi các gói tin với thời gian
thực, ví dụ thông tin điều khiển hệ thống vật lí.
• Service Data Objects (SDOs), dùng trao đổi thông tin không cần đến thời
gian thực, ví dụ truyền các tham số.
• Emergency Objects (EMCY), được dùng bởi thiết bị để báo hiệu cho ứng
dụng điều khiển biết có một vài lỗi được phát hiện.
• Synchronization Object (SYNC), dùng động bộ và thực hiện các thao tác
tọa độ trong hệ thống,
Như đã biết phương pháp truy nhập của CAN là tất cả các node đều là node
chủ, tuy nhiên hệ thống CANopen thường thực hiện theo phương pháp master-
slave (chủ-tớ) nhằm đơn giản hóa cấu hình mạng và phương thức kiểm soát
mạng. Trong hầu hết các trường hợp, mạng CANopen chỉ có một master đáp
ứng lại các lệnh điều khiển của hệ thống, và trên 127 thiết bị slaves gồm cảm
biến và/hoặc cơ cấu chấp hành. Mỗi thiết bị có một mã nhận dạng gồm 7 bit địa
chỉ, gọi là mã nhận dạng của node trong dải từ 1 tới 127. Mã nhận dạng 0
thường dùng cho truyền thông quảng bá.
-Trang 12-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Một số khái niệm trong hệ thống CANopen:

 Thư viện đối tượng - OD
Đặc tính của các thiết bị CANopen được mô tả đầy đủ bằng một số đối
tượng (object), mỗi object thực thi một tác vụ chuyên biệt như truyền thông trên
bus CAN hoặc các hàm tương tác với hệ thống phần cứng điều khiển. Tất cả các
Object có liên quan đến các node lưu trữ chúng gọi là thư viện đối tượng (object
dictionary - OD) của node.
Mỗi đối tượng được đánh địa chỉ bằng 16 bit. Mỗi thực thể (entry) trong OD
được biểu diễn bằng một giá trị đơn hoặc có một số phần tử được truy nhập
bằng chỉ số 8 bít.
Thư viện đối tượng được chia thành 4 phần, phụ thuộc vào chỉ số của thực
thể. Các thực thể có chỉ số dưới 1000H được dùng xác định loại dữ liệu. Các
thực thể có chỉ số từ 1000H-1FFFH dùng mô tả các tham số truyền thông. Các
thực thể có chỉ số 2000H-5FFFH được nhà sản xuất dùng mở rộng chức năng
cho thiết bị. Các thực thể có chỉ số 6000H-9FFFH dùng mô tả hạng mục của
thiết bị.
 Đối tượng thực thi dữ liệu - PDO
Tất cả các quá trình xử lí dữ liệu thời gian thực trao đổi trong hệ thống
CANopen được thực hiện nhờ đối tượng PDO. Mỗi PDO được đặt trên một
khung tin CAN, do đó nó được thực thi nhanh chóng và tin cậy. Tuy nhiên, dữ
liệu chuyển trên một PDO bị giới hạn bởi 8 byte. Trong hầu hết các trường hợp,
giới hạn này cũng đủ để mã hóa dữ liệu. Mỗi node trong CANopen có thể cấu
hình thu/phát trên 4 PDO.
 Đối tượng dịch vụ dữ liệu – SDO
Gói dữ liệu này dùng truyền thông tin cấu hình và tham số, nó thường có
mức ưu tiên thấp hơn gói tin dữ liệu quá trình. Trong trường hợp này cần phải
có thông tin hồi báo để đảm bảo quá trình truyền thông tin cậy.
Hơn nữa, SDO chỉ hỗ trợ truyền thông peer-to-peer (không hỗ trợ
multicasting). Giao thức chia nhỏ cũng được thực hiện trong SDO, nhờ vậy có
thể truyền được các gói tin có kích thước khác nhau
 Điều hành mạng

Có hai phương pháp điều khiển trong mạng là: điều khiển node và điều
khiển lỗi. Phương pháp điều khiển node thường dùng điều khiển hoạt động của
node đơn hoặc của toàn bộ mạng. Ví dụ khởi động/dừng node, đặt lại trạng thái,
hoặc đưa node về chế độ cấu hình.
Có hai phương pháp giám sát lỗi trong mạng là node guarding và heartbeat.
Cả hai phương pháp, gói tin có mức ưu tiên thấp được truyển định kì bởi các
-Trang 13-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
node khác nhau. Khi một thiết bị gửi liên tục các gói tin, lớp giám sát mạng sẽ
phát hiện ra lỗi.
 Các mô tả về thiết bị
Nhằm tạo thuận tiện trong các hoạt động nội của mạng, một số mô tả về thiết
bị đã được chuẩn hóa trong CANopen. Trong đó mô tả về các đặc tính chung và
các lớp đặc thù của thiết bị, thường được chia thành nhiều tài liệu như sau:
• Thiết bị vào/ra: bao gồm các mô tả về các thiết bị vào/ra cả tương tự và số.
• Trình điều khiển và các thiết bị điều khiển chuyển động như động cơ bước,
động cơ servo.
• Giao diện người-máy dùng hiển thị kết quả và giao diện điều khiển.
• Thiết bị đo và điều khiển vòng đóng dùng đo lường và dếm các đối tượng
vật lí.
• Thiết bị lập trình IEC 61131-3 dùng mô tả các đặc tính của PLC và các
thiết bị thông minh.
• Bộ mã hóa dùng định nghĩa các bộ mã hóa chuyển động quay gồm cả vị trí
và vận tốc, mã hóa tuyến tính,…
4.2.
DeviceNet
DeviceNet là giao thức rất linh hoạt dùng ở mức trường trong môi trường tự
động hóa. Một điều đáng chú ý là việc thiết kế hệ thống dùng DeviceNet thường
phức tạp hơn. Tuy nhiên, DeciveNet có thêm nhiều tính năng phụ thêm so với

CANopen ví dụ như trong mạng có nhiều node chủ.
Với các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, đặc tính kĩ thuật của DeviceNet có định
nghĩa chi tiết về lớp vật lí, như loại kết nối, loại cáp… Một điểm chú ý là cáp
trong mạng DeviceNet có thể dùng kết hợp giữa việc truyền tín hiệu và cấp
nguồn (dùng dây 4 sợi có kèm dây đất).
Mạng DeviceNet có thể kết nối 64 thiết bị khác nhau, do đó mỗi node được
nhận dạng bằng 6 bít địa chỉ. Tốc độ bít cho phép trong mạng là 125, 250, 500
kb/s với độ dài bus cho phép lá 100m.
Một số khái niệm trong mạng DeviceNet:
 Các đối tượng
Đặc tính và chức năng của mỗi thiết bị trong mạng DeviceNet được mô tả chi
tiết bằng các đối tượng (Object). Có ba loại đối tượng thường gặp là: đối tượng
truyền thông, đối tượng mô tả hệ thống, đối tượng mô tả ứng dụng. Trong đó đối
tượng truyền thông mô tả kết nối bao gồm số nhận dạng CAN và chế độ kích
khởi, đối tượng mô tả ứng dụng định nghĩa đặc tính chuẩn hóa của lớp thiết bị…
-Trang 14-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
Dữ liệu và dịch vụ của mỗi thiết bị được địa chỉ hóa có phân cấp theo các
cấp sau: MAC ID, class ID, instance ID, Attribute ID, và mã dịch vụ. Bốn cấp
đầu dùng 8 bít, còn mã dịch vụ gồm 7 bít.
 Phương thức truyền thông
Truyền thông giữa các node, gồm cả truyền thông điểm-điểm và multicast,
theo hướng kết nối dùng 11 bít nhận dạng CAN, dựa trên bốn nhóm gói tin có
mức ưu tiên giảm dần sau:
• Nhóm gói tin 1: có mức ưu tiên cao nhất và có thể định nghĩa đến 16 gói tin
khác nhau trên một node.
• Nhóm gói tin 2: định nghĩa về kết nối giữa master/slave.
• Nhóm gói tin 3: tương tự như nhóm gói tin 1 nhưng có mức ưu tiên thấp
hơn.

• Nhóm gói tin 4: có tác dụng cơ bản dùng quản lí mạng.
Về cơ bản, có hai loại thông tin là: các gói tin dữ liệu và gói tin I/O. Gói tin
dữ liệu dùng trao đổi thông tin giữa các thiết bị ví dụ dữ liệu cấu hình, quản lí
hoặc chuẩn đoán lỗi. Loại gói tin này có mức ưu tiên thấp trong mạng. Gói tin
I/O có mức ưu tiên cao dùng trao đổi các gói tin đáp ứng yêu cầu thời gian thực
của nhà sản xuất hoặc người dùng.
Do hệ thống truyền thông lớp dưới dựa trên mạng CAN, mỗi khung tin gồm
nhiều nhất là 8 byte. Nếu dữ liệu cần trao đổi vượt qua giới hạn trên, nó sẽ được
phân chia thành các gói tin hơn truyền trên mạng DeviceNet và được ghép nối
lại tại phía thu.
-Trang 15-
Hệ thống thông tin công nghiệp - Mạng
CAN
5.
Tài liệu tham khảo
[1]. Richard Zurawski, ISA Corporation, South San Francisco, “Industrial
Information Technology Handbook” CA, T58.5.I513 2004
[2]. />[3]. />[4]. />-Trang 16-