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

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với xu hướng ngày càng phát triển của các hệ thống tự động trên tàu
biển đặc biệt về nhu cầu về điều khiển, giám sát hệ thống.Việc tích hợp các hệ thống trên
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 các tàu,
tàu chở hàng, tàu cá, tàu du lịch,…). Vì vậy việc tích hợp các hệ thống trên vào một hệ
thống chung cần phải có một mạng lưới chuẩn để tích hợp các dữ liệu đầu vào trên một
kênh duy nhất.
Mạng CANOpen đã được ra đời và ứng dụng phổ biến trên tàu thuỷ hiện nay với nhiều
ứng dụng hữu ích và các lợi thế để đáp ứng được các yêu cầu trên
2. Mục đích nghiên cứ đề tài
Tìm hiểu cấu trúc, giao thức của mạng CAN và CANOpen cùng với các ứng dụng của
nó trên tàu thuỷ
Trên cơ sở đó, nghiên cứ các ứng dụng của mạng CANOpen trực tiếp trên một hệ thống
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 CABOpen
trong 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 dụng mạng
CANOpen dựa trên phần mềm CANCapture.Việc thiết kế chế tạo cảm biến thông minh
dựa tren giao thức CANOpen đối với hệ thống giám sát trên tàu thuỷ được xem 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 các ứng
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 hệ thống thiết
bị trên tàu thuỷ nhằm dễ dàng giám sát , điều khiển,giảm thiểu chi phí lắp đặt các hệ
thống riêng lẻ cồng kềnh
Đề tài cũng xây dựng một chương trình giám sát buồng máy dung CANCapture làm
phần mềm mô phỏng, đồng thời đề tài cũng là một tài liệu chuẩn để phát triển ứng dụng
1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CANOpen
1.1 Tổng 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 có khung
truyền dữ liệu lớn.CAN chứng tỏ được tính ưu việt hơn bất kỳ một hệ thống bớt trường
nào khac nhờ vào đặc tính trẻ,có khả năng tạo chức năng trong một môi trường 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
Điển lổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn.nhờ cơ chế truy cập chống
xung đột dường truyền khá thông minh: CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/
Collision Detection)và cơ chế phát hiện lỗi ,xử lý lỗi cự mạnh,nên lỗi CAN messages hầu
như được phát hiện
1.1.2. Cấu tạo của mạng CAN
Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các node.Mỗi node có thể giao tiếp được với
bất kì node nào trong mạng việc giao tiếp được thực hiên bởi việc truyền và nhận các bức
điện (messages)
CAN là một hệ thống mạng hai dây,nửa kép và tốc độ cao vượt hơn hẳn với các công
nghệ nối tiếp thông thuờng khác
Hình 1.1 Cấu trúc của một nút mạng CAN

MC
CAN _Contrller
Tx

Rx Vref

CAN_Transceiver
CAN_H

5v
0v

CAN_L

Bus_Line
2


Phương thúc giao tiếp của đường truyền CAN là sự phát thong tin quảng bá:Mỗi điểm
kết nối thông tin vào mạng thì thu nhận khung truyền từ node phát,mỗi node có thể thu
hoặc phát các bức điện (bức điện này thường là địa chỉ id của các bus).Nhưng sau đó,việc
xử lý bức điện đó là:có trả lời hay không ,có phản hồi hay không…Cách thức này giống
như sự phát thong tin về đường đi của một trạm phát quảng bá :khi nhận 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
Mạng Can tron mô hình vật lý OSI bao gồm lớp vật lý(physical layer) và liên kết dữ
liệu (data link layer)

7. Tầng ứng dụng

HLPs: CANOPen, devicenet
6. Tầng trình diễn

Thực hiện riêng biệt
5. Tầng phiên

cao

bở i giao thức tầng

4. Tầng vận chuyển

hơn (HLP)
3. Tầng mạng

2. Tầng liên kết dữ liệu

Giao thức CAN

1.Tầng vật lý

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
đường truyền vật lý ,và được kiểm soát lỗi bởi tầng liên kết dữ liệu

3


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 node có cơ hội như nhau để truyền đi một bức
điện
Mỗi bức điện được bắt đầu bằng một bit khởi điểm và nhận dạng (ID),nên khi có
2 node 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 chi
phối của các node khác.Mỗi tin nhắn sẽ được thông báo và chi phối đến khi đã nhận được
tất cả các node.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 đọ ưu iên càng cao
Trong trường hợp này,khi so sánh từng bit của số nhận dạng của 3 nodephát cùng
lúc,thì node 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 node 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 ị 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 để giải quyết
những hạn chế nêu trên của CAN, đó là :deviceNet,CANOpen,SDS,CAN Kingdom,
NMEA 2000,…

4

1.2 CANOpen-hệ thống tiêu biểu dựa trênmạng CAN
Hệ thống mạng CANOPen định nghĩa một chuẩn ứng dụng dùng trong các hệ thốn 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 50325-5của 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,vá nó được bít đến như
một CIA 301
Ngày nay mạng CANOPen được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực như: điều khiển
máy , tự động hoá nhà xưởng,tự động hoá phòng thí nghiệm,giao thong vận tải,tự động
hoá xây dựng,tự động hoá trong hệ thống y học và đặc biệt là trong lĩnh vực hang hải.Với
nhiều ứng dụng vượt trội và độ chính sác cao tiết kiêm hệ thống và chi phí lắp đặt.

5


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 năng của
thiết bị
Các loại thiết bị quan trọng nhất như: các modul vào/ra số, tương tự cac 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 tượn 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 cácmđiều 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
6


tạp trung vào việc công nhận các kiểu khác nhau của các thiết bị, tất cả đều sủ dụng dih
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 cac 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 các yêu cầu ứng
dụng của họ. Đặc trưng của CANOpen đam bảo các thiết bị CANOpen có thể 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 thông nhỏ và một
lớp ứng dụng ,tất cả đều được địng nghĩa bởi một cấu hình thiết bị.Các giao thức truyền
thông hỗ trợ cho việc quản lý mạng ,giám sát thiết bị,và thôngt in liên lạc giữa các node
và nó bao gồm một lớp truyền thông đơn giản cho việc phân đoạn bức 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 thong 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 lụa 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

Hình 2.1 Mô hình tham chiếu mạng CANOpen

7


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: 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)

Bít định thời và bộ kết nối chỉ định

Đường truyền

* Các lớp tương tác mạng CANOpen

Trong mạng CANOpen các lớp giao thức mô tả tương tác với các thông tin lien lạc trên
các lớp khác nhau.Trên lớp ứng dụng mạng của CANOpen các thiết bị trao đổi thông tin
liên lạc trên các đối tượng áp dụng,có thể truy cập qua một chỉ số 16-bit và chỉ số phụ 8bit
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 xac định cấp độ bít bao
gồm cả bit thời gian

Hình 2.2 Các lớp tương tác mạng CANOpen

8


Transmitting

receiving

Device

Device

CANOpen
Application Layer

ID+Data

CAN Data link layer

CAN Physical Layer

CANOpen

Application layer

Object at Index

CAN_l

ID+Data

Can Data link
Layer

CAN_L
CAN_H

CAN Physical
Layer

2.2 Cấu hình thiết bị mạng CANOpen
Mỗi thiết bin mạng CAN mở 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.
Hình 2.3 Mô hình thiết bị mạng CANOpen

Truyền thông

CAN

PDOs, SDOs,
Các đối tượng
chức năng đặc
trưng, các đối

tượng NMT

Danh bạ đối
tượng;
Các kiểu dữ
liệu, truyền
thông và các
ứng dụng

9

Ứng dụng
Chương trình
ứng dụng,sự
thưc hiện hồ
sơ thiết bị

I/O


Phần quan trọng nhất của thiết bị mạng CANOpen là “Danh bạ đối tượng”.Về cơ bản,
danh bạ đối tượng là một nhóm các đối tượng có thể truy cập qua mạng trong một kiểu
định nghĩa trước đã được thiết lập.Mỗi đối tượng trong danh bạ được địa chỉ hóa bằng
cách sử dụng một chỉ số 16-bit và số phụ8 - bít.
Các thiết bị CANOpen phải có một danh bạ đối tượng nó được sử dụng để cấu hình và
truyền thông thời gin không thực với thiết bị.một cổng vào trong danh bạ đối tượng 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 ghi
hoặc 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 thể
đọc/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 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 node 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 cho phép
mở rộng khung chỉ danh tới 29 bít, nhưng trong thực tế hiếm thấy mạng CANOpen đủ lớn
để cần thiết phải mở rộng thêm dải chỉ danh.
2.2.4 Các kiểu truyền thông trong mạng CANOpen
Truyền thông trong mạng CANOpen có thể được chia làm 4 loại:
2.2.4.1 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 lieu trong thời
gian thực với việc sử lý một ít hoặc không xử lý giao thức phía trên.

10


Thời gian thực dữ liệu là quá trình thay đổi dữ liệu dối tượng (PDO).PDOs là các ánh xạ
tới các khung CAN đơn và sử dụng đến 8 bey dữ liệu để truyền tải tới tầng đối tượng ứng
dụng.Mỗi PDO có một nhận dạng và chỉ được truyền bởi một nút trong mạng. Tin nhắn
PDO có mức ưu tiên cao vì được chỉ định một số nhận dạng thấp để đảm bảo sự tiếp cận
đến các bus ưu tiên.
Một đặc điểm nổi bật của truyền thông PDO là các chế đọ đa nhận dạng có thể sử dụng
để gửi thông tin PDO
2.2.4.2 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 CAL

CSM để truy cập vào danh bạ đối tượng thiết bị.Dữ liệu có chiều dài hơn 4 bytes có thể
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 tải lên/tải
xuống, dữ lieu được địa chỉ hóa bằng cả chỉ số 16 –bít và chỉ số phu 8- bít trong câu
lệnh .Nếu chiều dài dữ liệu nhỏ hơn hoặc bằng 4 bytes thì yêu câu truyền SDO chỉ gồm 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 việc truyền dữ
liệu với việc yêu cầu máy khách đọc hoặc ghi mỗi phân đoạn của dữ liệu từ máy chủ.
Tóm lại SDO có thể truyền các đối tượng có kích thước bất kì phân chia nội dung tin
nhắn.SDO truyền tải là một dịch vụ xác nhận
2.2.4.3 Loại 3: Các chức năng quản lý mạng (NMT)
Sự quản lý mạng trong mạng CANOpen dựa trên các dịch vụ NMT và DBT định nghĩa
reong tầng ứng dụng của CAN (CAL).Việc quản lý mạng được dùng để điều khiển các
thiết bị trên mạng trong một phương pháp ngang hàng và hoàn toàng xác định. Một node
trong mạng CANOpen giữ vai trò quản lý mạng (NMT) .Bộ quản lý không xử việc truy
cập của các node khác nhau trên đường truyền theo một cách nào: nó đơn giản hoạt động
để phối hợp chế độ mạng. Bộ quản lý mạng cũng có thể chay trên trương trình ứng dụng
chủ của nó tham gia trong truyền thông SDO và PDO theo cách giống như bất kỳ một
node nào khác.
Đặc điểm khác của các mạng CANOpen là việc bảo vệ node.Việc bảo vệ node cho phép
bộ quản lý mạng xác định được một node có tồn tại trên mạng hay không và cũng để xác
định trạng thái vận hành của các node.
2.2.4.4 Loại 4: Tiền định nghĩa cấu trúc các bức điện
11


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

2.2.5 Các mô hình truyền thông

2.2.5.1 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 truyền thông
quảng bá của mạng CAN.Mỗi một trạm trên mạng có thể nghe thấy các bức điện từ các
trạm phát.Sau đó việc thu nhận các bức điện sẽ do các node xác định nếu như chấp nhận
hoặc không chấp nhận buacs điện.Bởi vậy ,việc lọc chấp nhận phải được hiện trong một
node mạng CAN.

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

Producer

Consumer
Push model

request

indication(s)

0 to 8 byte

CAN data frame

Indi cation

……………Pull Model………………………………request(s)
CAN remote Frame

response

confirmation(s)

0 to 8 byt

CAN Data Frame

12


Mô hình nhà sản xuất /người tiêu dùng được sử dụng trong các giao thức heartbest và
giao 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 sexguwir 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 nhà
sản xuất
2.2.5.2 Loại2: Mô hình truyền thông chủ/tớ(Master/Slave)
Hình 2.5 Mô hình chủ /tớ (Master/Slave)

Master

Slave
indication(s)

request

0 to 8 byte

CAN data Frame
Request

indication(s)

….…
CAN remote Frame

Confirmation

responne

0 to 8 byt

CAN Data Frame
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 lien lạc của “ trạm chủ”.
Trong các mạng CAN truyền thống , truyền thông chủ /tớ có thể được thực hiện bởi
một danh tính được cấp phù hợp.
13


2.2.5.3 Loại 3: Mô hình truyền thông chủ /khách (Server/Client)
Hình 2.6 Mô hình chủ /khách (Server/Client)

Server

Indication

Client

0 to 8 bytes

request

CAN Data Frame 1

Response

0 to 8 bytes

confirmation

CAN Data Frame 2

Trong mô hình cổ điển chủ/ khách , trạm khách phat một bức điện và nó sẽ được trả lời
bởi trạm chủ , tiếp đó nó sẽ thiết lập một xác nhận.
Mối quan hệ chủ /khách được thực hiện trong giao thức SDO ở đó SDO khác gửi dữ
liệu (chỉ số và chỉ số phụ danh bạ đối tượng ) tới SDO chủ,máy chủ sẽ gửi trả lời với một
hoặc nhiều gói tin SDO bao hàm yêu cầu dữ liệu (nội dung của danh bạ đối tượng 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 bởi tram 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.
2.2.6 Các giao thức truyền thông CANOpen
Trong mọi ứng dụng điều khiển phân cấp đều yêu cầu các giao thức và các dịch vụ
truyền thông khác nhau.
14

Các đối tượng truyền thông CANOpen phat qua mạng CAN được mô tả bởi các dịch vụ
và các giao thức gồm:
Việc truyền dữ liệu thời gian thực được thực hiện bởi giao thức các đối tượng xử lý
dữ liệu (PDOs)
Đọc và ghi việc truy cập vào các cổng vào của một danh bạ đối tượng do giao thức
các đối tượng dịch vụ dữ liệu (SDO) cung cấp.
Các giao thức dối tượng chức năng đặc biệt cung cấp sự đồng bộ các mạng uwnhs
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.
2.2.7 Giao thức các đối tượng xử lý dữ liệu(PDOs)
2.2.7.1 Đối tượng xử lý dữ liệu (PDOs)
Hình 2.7Mô hình đối tượng xử lý dữ liệu
PDO người tiêu
dùng

PDO người tiêu
dùng

PDO
ID

Data

PDO nhà sản xuất

PDO người tiêu
dùng

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.
15


2.2.7.2 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 thộc vào khả năng của 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.
Hình 2.8 Mô hình giao thức PDO

Producer

Request

consumer

Write PDO

indication (s)

Application Objects

0<1<8 bytes

Indication

request(s)
…………Read PDO…………………
CAN remote Frame

Response

confirmation(s)
Application Objects

16


2.2.7.3 Các chế độ phân bố PDO
Hồ sơ truyền thông CANOpen phân biệt 3 chế đọ 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
Hình 2.9 mô hình chế độ phân bố PDO
Biến cố nội bộ
1.điều khiển thời gian
hoặc biến cố

consumer(s)
producer

2.yêu cầu từ xa

Remote Frame

Consumer(s)

Sync

Consumer(s)

Producer

3.đồng bộ truyền

Producer

17


2.2.7.4 Đồng bộ PDO
CANOpen phân biệt hai chế đọ truyền phát đó là truyền phát đồng bộ và truyền phát
không đồng bộ.
PDO đồng bộ được truyền trong phạm vi của cửa sổ đồng bộ sau đối tượng đồng
bộ.PDOs đồng bộ có quyền ưu tien hơn PDOs không đồng bộ
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 vũng có thể truyền đi trong cửa sổ đồng bộ
Hình 2.10 sự truyền trong cửa sổ đồng bộ

Sync

Sync

Sync

Sync

time

PDO đồng bộ

PDO không đồng bộ
Sự truyền PDO đồng bộ có thể chia thành chu kì khoặc các nút truyền mạch hở
2.2.7.5 Các kiểu truyền PDO trong mạng CANOpen
Đồng bộ (kiểu truyền 0_240 và 252) có nghĩa là sự truyền của PDO sẽ lien quan tới
đối tượng đồng bộ
18


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.
2.2.8 Giao thức đối tượng dịch vụ dữ liệu
2.2.8.1 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 chủa
SDO,một thiết bị có thể hỗ trợ nhiều hơn một SDO.một hỗ trợ SDO là bắt buộc và mặc
định.
Hình 2.11 Mô hình đối tượng dịch vụ dữ liệu

Peer-to-peer Communication

SDO Client

Node n-1

OD

SDO 1

Node n

ID

Data

ID 2

Data

SDO Server

OD

19

OD


2.2.8.2 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
Hình 2.12 Cấu trúc truy nhập danh bạ đối tượng
Byte 0
Command

Byte 1-3; Multiplexor

16-bit-index

Specifier

Index

Byte 4-7;Data

Subindex

8- bit

1-4 byte parameter

Subindex

data

Description

Value

Object Dictionary

2.2.8.3 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 giá này, 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
20


2.2.9 Giao thức đồng bộ CANOpen
2.2.9.1 Đối tượng đòng bộ mạng CANOpen
Hình 2.13 Mô hình đối tượng đồng bộ CANOpen
Sync -producer

Sync-Object
ID

Sycn-consumer

Data

Sycn-consumer

Non Sycnconsumer

Sycn-consumer

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 truyền động
mới
2.2.9.2 Các giao thức đồng bộ CANOpen
Đối tượng đồng bộ được thực hiện với hoạt động của thiết bị đồng bộ như nhà sản suất
của đối tượng đó.Để đảm bảo truy cập một các kịp thời tới mạng CAN,các đối tượng
đồng bộ được cấp một số nhận dạng có mức ưu tiên rất cao.
Truyền tải đồng bộ PDO có nghĩa như việc truyền cố định dữ liệu trong thời gian cùng
với việc truyền ddooid tượng đồng bộ
21


Hình 2.14 Mô tả giao thức đồng bộ CANOpen

Sync-producer

Request

Sync-consumer

COB-ID=128
L=0

indication(s)

2.2.9.3 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 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 lien lạc
Hình 2.15 Mô hình mô tả thời gian đồng bộ

Sync

Sync

Sync

Sync

time

Độ dài cửa sổ

thông tin trong

Đồng bộ

1 chu kỳ thời gian

2.2.9.4 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.

22


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

2.2.10 Giao thức lấy mẫu thời gian CANOpen
2.2.10.1 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 của dây.
Hình 2.16 Mô hình lấy mẫu thời gian CANOpen

Time stamp
producer

Days,ms
ID

Time stamp

Time stamp

Time stamp

Time stamp

Consumer

Consumer

Consumer

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.
2.2.10.2 Giao thức lấy mẫu thời gian CANOpen
Đối tượng lấy mẫu thời gian được thực hiên với các thiết bị phát có quyền giống như
nhà sản xuất và với các thiết bị thu có quyền giống nhue người tiêu dùng .Các bức điện
lấy mẫu thời gian có số nhận dạng 256.
23


Hình 2.17 Giao thức lấy mẫu thời gian CANOpen

Time –stamp producer

Time- stamp consumer (s)

COB-ID=256
Request

6 byte time of day data

indication(s)

Struct of
UNSIGNED 28 ms
VOID4

(after midnight)

reserved_1

UNSIGNED 16 days

(sice January 1 1984)

Time of day
2.2.11 Giao thức sự cố CANOpen
2.2.11.1 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 chúa 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 lỗ 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
24


Emergency
Consumer(s)

ID

Emergency

ID

Emergency

Emergency

Emergency

Emergency

Emergency

Producer1

Producer2

Producer3

Producer4

2.2.11.2 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.
Hình 2.19 Giao thức sự cố CANOpen
Emergency producer

Emergency consumer(s)

EEC=Emergency Error code
ER=Error register,
request

EEC

MEF

ER

MEF =manufacturer-specific-Error File

Name

EMCY000

Error Register

Object 1001h

Function code

0001
25

indication(s)