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

Hệ thống 
thông tin công nghiệp
4/15/2006
6.3 CAN
26.3 CAN © 2006 - HMS
6.3 CAN
1. Giới thiệu chung
2. Kiến trúc giao thức
3. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
4. Cơ chế giao tiếp
5. Cấu trúc bức ₫iện
6. Bảo toàn dữ liệu
7. Các hệ thống dựa trên CAN
36.3 CAN © 2006 - HMS
1. Giới thiệu chung
ƒ CAN (Controller Area Network) xuất phát là một 
phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel 
ƒ Lúc ₫ầu ₫ược sử dụng trong công nghiệp ôtô
ƒ Công nghệ này cũng ₫ã thâm nhập ₫ược vào một 
số lĩnh vực tự ₫ộng hóa quá trình công nghiệp. 
ƒ Chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898
46.3 CAN © 2006 - HMS
2. Kiến trúc giao thức
ƒ Phần chính của lớp vật lý:
— truyền tín hiệu, phương thức ₫ịnh thời, tạo nhịp bit (bit 
timing), phương pháp mã hóa bit và ₫ồng bộ hóa. 
— không qui ₫ịnh các ₫ặc tính của các bộ thu phát, với 
mục ₫ích cho phép lựa chọn môi trường truyền cũng 
như mức tín hiệu thích hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng.
ƒ Lớp liên kết dữ liệu:
— Lớp ₫iều khiển truy nhập môi trường (MAC) là phần cốt 
lõi trong kiến trúc giao thức CAN. Lớp MAC có trách 
nhiệm tạo khung thông báo, ₫iều khiển truy nhập môi 
trường, xác nhận thông báo và kiểm soát lỗi.
— Lớp ₫iều khiển liên kết logic (LLC) ₫ề cập tới các dịch vụ
gửi dữ liệu và yêu cầu dữ liệu từ xa, thanh lọc thông 
báo, báo cáo tình trạng quá tải và hồi phục trạng thái.
56.3 CAN © 2006 - HMS
(Bé thu ph¸t)
M· hãa bit,
T¹o nhÞp/®ång bé nhÞp 
MAC - §iÒu khiÓn truy 
nhËp m«i tr−êng 
LLC - §iÒu khiÓn 
liªn kÕt logic 
CAL, DeviceNet, SDS 
Líp 3-6
(Kh«ng thÓ hiÖn) 
Líp øng dông
Líp liªn kÕt 
d÷ liÖu 
Líp vËt lý
CAN 
M«i tr−êng truyÒn dÉn
66.3 CAN © 2006 - HMS
3. Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn 
ƒ CAN không qui ₫ịnh cụ thể về chuẩn truyền dẫn 
cũng như môi trường truyền thông
ƒ Cáp ₫ôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 ₫ược 
sử dụng rộng rãi nhất (cấu trúc mạng thích hợp 
nhất là ₫ường trục/₫ường nhánh, chiều dài 
₫ường nhánh < 0.3m)
ƒ Phương pháp truy nhập bus CSMA/CA, tốc ₫ộ
truyền tối ₫a là 1Mbit/s ở khoảng cách 40m và
50kbit/s ở khoảng cách 1000m.
ƒ Hai trạng thái logic của tín hiệu là mức trội 
(dominant) và mức lặn (recessive)
ƒ Nhồi bit (bit 0 sau 5 bit 1) + NRZ
76.3 CAN © 2006 - HMS
4. Cơ chế giao tiếp
ƒ Truy nhập bus: CSMA/CA
ƒ Đặc trưng của CAN là phương pháp ₫ịnh ₫ịa chỉ và
giao tiếp hướng ₫ối tượng
ƒ Tự do, linh hoạt theo kiểu yêu cầu-₫áp ứng
ƒ Một trạm gửi dữ liệu bằng khung REMOTE FRAME
ƒ Trạm có khả năng cung cấp nội dung thông tin ₫ó sẽ
gửi trả lại một khung dữ liệu DATA FRAME có cùng 
mã căn cước với khung yêu cầu 
86.3 CAN © 2006 - HMS
5. Cấu trúc bức ₫iện
ƒ Mỗi thông báo ₫ược coi là một ₫ối tượng, có một 
căn cước riêng biệt (IDENTIFIER, 11/29 bit) 
ƒ 4 kiểu bức ₫iện:
— Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm 
gửi tới các trạm nhận.
— Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) ₫ược gửi từ
một trạm yêu cầu truyền khung dữ liệu.
— Khung lỗi (ERROR FRAME) ₫ược gửi từ bất kỳ trạm nào 
phát hiện lỗi bus.
— Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) tạo một khoảng 
cách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu 
cầu dữ liệu trong trường hợp một trạm bị quá tải.
ƒ Giữa hai khung ít nhất 3 bit lặn (INTERSPACE)
96.3 CAN © 2006 - HMS
Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu
1 12 hoÆc 32 6 0...64 715 1 1 1
Khëi ®Çu khung 
(Start of Frame) 
Ph©n xö 
(Arbitration Field) 
§iÒu khiÓn 
(Control Field) 
D÷ liÖu
(Data Field) 
KiÓm so¸t lçi CRC
(15 bit CRC sequence, 
1 bit CRC delimiter) 
X¸c nhËn ACK
(1 bit ACK slot, 
1 bit ACK delimiter) 
KÕt thóc khung 
(End of Frame) 
Kho¶ng c¸ch gi÷a 2 khung hoÆc 
khung qu¸ t¶i 
(Interframe Space / Overload Frame) 
Sè bit 
106.3 CAN © 2006 - HMS
Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu
ƒ Khởi ₫ầu khung là một bit trội, sử dụng cho ₫ồng 
bộ hóa.
ƒ Ô phân xử là mức ưu tiên của bức ₫iện, chiều dài 
12 bit (khung chuẩn) và 32 bit (khung mở rộng):
— mã căn cước dài 11 hoặc 29 bit. 
— bit RTR (Remote Transmission Request), phân biệt giữa 
khung dữ liệu (bit trội) và khung yêu cầu dữ liệu (bit lặn).
ƒ Ô ₫iều khiển dài 6 bit, trong ₫ó 4 bit cuối mã hóa 
chiều dài dữ liệu (bit trội = 0, bit lặn = 1).
ƒ Ô dữ liệu có chiều dài từ 0..8 byte, trong ₫ó mỗi 
byte ₫ược truyền ₫i theo thứ tự từ bit có giá trị cao 
nhất (MSB) ₫ến bit có giá trị thấp nhất (LSB).
116.3 CAN © 2006 - HMS
Khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu
ƒ Ô kiểm soát lỗi: 15 bit CRC và 1 bit lặn phân 
cách. Đa thức phát 
G = X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1
ƒ Ô xác nhận ACK (Acknowlegment) 2 bit lặn. Mỗi 
trạm nhận ₫ược bức ₫iện phải kiểm tra mã CRC, 
nếu ₫úng sẽ phát chồng một bit trội trong thời 
gian nhận ₫ược bit ARC ₫ầu tiên (ARC slot). Như 
vậy, một bức ₫iện ₫ược truyền chính xác sẽ có
một bit ARC trội nằm giữa hai bit lặn phân cách 
(một bit phân cách CRC và một bit phân cách 
ACK).
ƒ Kết thúc khung ₫ược ₫ánh dấu bằng 7 bit lặn.
126.3 CAN © 2006 - HMS
Khung báo lỗi
6 0...6 8 
XÕp chång cê lçi
Kho¶ng trèng gi÷a 2 khung hoÆc 
khung qu¸ t¶i 
(Interframe Space / Overload Frame)
Sè bit
Cê lçi
(Error Flag) 
Ph©n c¸ch lçi
Error delimiter 
møc lÆn
møc tréi
Tr¹ng th¸i logic cña tÝn hiÖu trªn bus
(tr−êng hîp lçi chñ ®éng) 
136.3 CAN © 2006 - HMS
Khung báo lỗi
ƒ Cờ lỗi (Error Flag):
— Lỗi chủ ₫ộng (Active Error): Dạng cờ lỗi chủ ₫ộng bao 
gồm sáu bit trội liền nhau.
— Lỗi bị ₫ộng (Passive Error): Dạng cờ lỗi bị ₫ộng bao gồm 
sáu bit lặn liền nhau, trừ trường hợp nó bị ghi ₫è lên bởi 
các bit trội từ các trạm khác.
ƒ Phân cách lỗi (Error Delimiter): 8 bit lặn liên tục
146.3 CAN © 2006 - HMS
Khung báo quá tải
6 0...6 8 
XÕp chång cê qu¸ t¶i
Kho¶ng trèng gi÷a 2 khung hoÆc 
khung qu¸ t¶i 
(Interframe Space/Overload Frame) 
Sè bit
Cê qu¸ t¶i
(Overload Flag)
Ph©n c¸ch qu¸ t¶i
(Overload delimiter)
møc lÆn
møc tréi
Tr¹ng th¸i logic cña tÝn hiÖu trªn bus 
156.3 CAN © 2006 - HMS
6. Bảo toàn dữ liệu
ƒ Theo dõi mức tín hiệu của mỗi bit truyền ₫i và so 
sánh với với tín hiệu nhận ₫ược trên bus
ƒ Kiểm soát qua mã CRC
ƒ Thực hiện nhồi bit (nhồi một bit nghịch ₫ảo sau 
năm bit giống nhau)
ƒ Kiểm soát khung thông báo.
166.3 CAN © 2006 - HMS
Khả năng phát hiện lỗi
ƒ Phát hiện ₫ược tất cả các lỗi toàn cục 
ƒ Phát hiện ₫ược tất cả các lỗi cục bộ tại bộ phát
ƒ Phát hiện ₫ược tới 5 bit lỗi phân bố ngẫu nhiên 
trong một bức ₫iện
ƒ Phát hiện ₫ược các lỗi ₫ột ngột có chiều dài nhỏ 
hơn 15 bit trong một thông báo
ƒ Phát hiện ₫ược các lỗi có số bit lỗi là chẵn
ƒ Tỉ lệ lỗi còn lại (xác suất một thông báo còn bị lỗi 
không phát hiện) nhỏ hơn 4.7*10-11 .
176.3 CAN © 2006 - HMS
7. Các hệ thống dựa trên CAN
ƒ CANopen: “CAN-Bus của châu Âu”
— CAN in Automation phát triển dựa trên CAN, sử dụng lớp 
vật lý theo chuẩn ISO 11898 (gần ₫ồng nhất với RS-485). 
— Lớp ứng dụng của CANopen ₫ược ₫ịnh nghĩa trên cơ sở
của CAL (CAN Application Layer). 
— Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu là các hệ thống ₫iều 
khiển chuyển ₫ộng, các dây chuyền lắp ráp và xử lý 
nguyên liệu. 
— Ví dụ, các thiết bị ₫ược nối mạng có thể là các khối cảm 
biến ₫a kênh, cảm biến thông minh, van khí nén, bộ ₫ọc 
mã vạch, cơ cấu truyền ₫ộng và giao diện vận hành.
186.3 CAN © 2006 - HMS
ƒ Ưu ₫iểm của CANOpen:
— Độ tin cậy cao nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu tốt
— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền lớn
— Thích hợp với ₫iều khiển chuyển ₫ộng tốc ₫ộ cao và ₫iều 
khiển mạch vòng kín hơn so với các hệ thống mạng khác 
dựa trên CAN.
ƒ Nhược ₫iểm của CANOpen (cũng là của CAN)
— ràng buộc về tốc ₫ộ truyền và chiều dài mạng,
— lượng dữ liệu hạn chế ở 8 byte trong mỗi bức ₫iện. 
196.3 CAN © 2006 - HMS
SDS (Smart Distributed System)
ƒ Cơ sở hạ tầng truyền thông trong một số hệ thống 
₫iều khiển phân tán (DCS) của Honeywell. 
ƒ Đặc tính tiêu biểu là tính năng thời gian thực, 
phù hợp với cả các hệ thống ₫iều khiển có cấu 
trúc tập trung cũng như phân tán.
ƒ SDS hoạt ₫ộng chủ yếu theo cơ chế hướng sự
kiện, ₫iều khiển theo thời gian (time-driven) hay 
hỏi tuần tự ₫iều khiển theo chương trình (polling).
ƒ Ứng dụng tiêu biểu trong các dây chuyền lắp ráp, 
xử lý nguyên liệu, ₫óng gói và phân loại sản 
phẩm. 
206.3 CAN © 2006 - HMS
DeviceNet
ƒ Hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN, 
dùng nối mạng cho các thiết bị ₫ơn giản ở cấp chấp hành.
ƒ Nay ₫ược hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor 
Association) quản lý và ₫ược dự thảo chuẩn hóa IEC 62026-
3.
ƒ Bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và ₫ưa ra các 
phương thức giao tiếp kiểu tay ₫ôi (Peer-to-Peer) hoặc 
chủ/tớ (Master/Slave). 
ƒ Cấu trúc mạng là ₫ường trục/₫ường nhánh, trong ₫ó chiều 
dài ₫ường nhánh hạn chế dưới 6 m. 
ƒ Ba tốc ₫ộ truyền ₫ược qui ₫ịnh là 125 kbit/s, 250 kbit/s và 
500 kbit/s, tương ứng với các chiều dài tối ₫a của ₫ường 
trục là 500 m, 250 m và 100 m.