Cải tiến phương pháp truy nhập đường truyền cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

Bài viết Cải tiến phương pháp truy nhập đường truyền cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN đề xuất một sách lược ưu tiên lai để cải tiến truy nhập đường truyền của mạng CAN (Controller Area Network) tiêu chuẩn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống điều khiển qua mạng.

Trường Đại học Sao Đỏ; cacdhsd@gmail.com; nhuongdv2000@gmail.com

Tóm tắt - Lập lịch thông điệp là một cơ chế quan trọng vì nó ảnh

hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) và

chất lượng điều khiển (Quality of Control - QoC) của các ứng

dụng điều khiển quá trình trong các hệ thống điều khiển qua

mạng (Networked Control Systems - NCS) Mục đích của bài báo

này là đề xuất một sách lược ưu tiên lai để cải tiến truy nhập

đường truyền của mạng CAN (Controller Area Network) tiêu

chuẩn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống

điều khiển qua mạng Chúng tôi thực thi ứng dụng điều khiển quá

trình trên mạng CAN tiêu chuẩn và tính toán chất lượng điều

khiển; sau đó thông qua việc so sánh chất lượng điều khiển của

ứng dụng này với các sách lược ưu tiên khác nhau, chúng tôi chỉ

ra ưu điểm của sách lược ưu tiên lai đã đề xuất cũng như chất

lượng của hệ thống điều khiển được nâng cao

Abstract - In the context of Networked Control Systems (NCS), the scheduling of messages is an important mechanism because

it strongly influences the Quality of Service (QoS) and the Quality

of Control (QoC) of process control applications The goal of this paper is to propose a hybrid priority scheme to improve standard CAN (Controller Area Network) network protocol in order to improve the Quality of Control for Networked Control Systems

We consider the implementation of process control applications

on a standard CAN network and evaluate the Quality of Control; then we show the strong points of the proposed hybrid priority scheme by comparing the QoC provided by different priority schemes

Từ khóa - mạng CAN; giao thức điều khiển truy nhập đường

truyền; ưu tiên tĩnh; ưu tiên lai; hệ thống điều khiển qua mạng

Key words - CAN network, medium access control protocol, static priority, hybrid priority, networked control systems

1 Đặt vấn đề

Giao thức MAC (Medium Access Control) của mạng

CAN sử dụng trong NCS hiện nay chủ yếu dựa vào sách

lược ưu tiên tĩnh (static priority), tức là mỗi nút mạng có một

mức ưu tiên cố định (không đổi trong suốt quá trình hệ thống

làm việc) Việc sử dụng ưu tiên tĩnh có nhiều hạn chế do các

luồng dữ liệu trong NCS là đa dạng và có yêu cầu về ưu tiên

truy nhập đường truyền thay đổi theo thời gian

Để truy nhập đường truyền, CAN sử dụng phương

pháp CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with

Arbitration Message Priority)hoặc CSMA/CA (Carrier

Sense Multiple Access with Collission Arbitration) Đây

chính là điểm khác biệt lớn của mạng CAN so với các loại

bus trường khác, với phương pháp này mỗi thông điệp sẽ

được ấn định một mức độ ưu tiên dùng để phân xử truy

nhập mạng Định dạng khung truy nhập mạng của mạng

CAN được thể hiện trên Hình 1 [1]

Từ Hình 1 chúng ta thấy khung truy nhập mạng của

mạng CAN bao gồm 6 trường: khởi động khung truy nhập

SOF, trường phân xử, trường điều khiển, trường dữ liệu,

trường kiểm tra CRC, trường xác nhận ACK, trường kết

thúc khung truy nhập EOF CAN hỗ trợ hai định dạng cho

trường phân xử là trường phân xử với mã căn cước 11bit

và trường phân xử với mã căn cước 29 bit, tương ứng với

định dạng chuẩn (Standard format) và định dạng mở rộng

(Extended format)

Từ Hình 1, chúng ta cũng nhận thấy có 1 trường gọi là

mã căn cước (IDentifier) dùng để phân xử truy nhập

đường truyền và được gọi tắt là trường ID Các bit của

trường ID là 0 hoặc 1, bit 0 gọi là bit trội, bit 1 gọi là bit

lặn; bit trội sẽ dành quyền ưu tiên so với bit lặn Một nút

mạng muốn truyền dữ liệu thì sẽ phải đợi cho tới khi mạng rỗi và bắt đầu truyền ID của mình theo quy luật từng bit một

Nghiên cứu trong [2], [3] sử dụng tham số điều khiển

là sai lệch e, trường ID được sử dụng là trường ID mở

rộng (29 bits) và được chia làm hai lớp (16 bit cho lớp ưu tiên động và 10 bit cho lớp ưu tiên tĩnh), mã hóa trực tiếp giá trị sai lệch này thành giá trị trường ID của lớp ưu tiên động Việc mã hóa này có hạn chế là khi giá trị của sai lệch vượt quá giá trị có thể mã hóa của trường ID thì không thể mã hóa được Vì vậy, cần phải có các giới hạn

để có thể mã hóa được tất cả các sai lệch có thể có trong

hệ thống, hạn chế này các tác giả chưa đề cập đến trong bài báo Hạn chế thứ hai của các nghiên cứu này là sử dụng một bộ điều khiển trung tâm để phân xử truy nhập đường truyền thay vì sử dụng các bộ điều khiển phân tán

Từ những hạn chế trong các nghiên cứu đã nêu ở trên, bài báo này đề xuất nội dung nghiên cứu như sau: đề xuất

sử dụng với NCS phân tán (tức là không có bất kỳ một nút trạm chủ nào); đề xuất sử dụng sách lược ưu tiên lai với trường ID tiêu chuẩn 11 bits, trong đó 8 bits cho lớp ưu tiên động, 3 bits cho lớp ưu tiên tĩnh; phân tích, so sánh việc sử dụng ưu tiên lai thông qua tham số điều khiển cơ bản là tín

hiệu điều khiển u, giá trị của mức ưu tiên động, vì vậy cũng được tính toán thông qua hàm số của u

Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau: Mục tiếp theo trình bày những đề xuất đối với sách lược ưu tiên lai; thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN được trình bày trong Mục 3; đánh giá kết quả được trình bày trong Mục 4; các kết luận cuối cùng được đưa ra trong Mục 5 của bài báo

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 17

Hình 1 Cấu trúc định dạng khung truy nhập của mạng CAN

2 Những đề xuất đối với sách lược ưu tiên lai

2.1 Ý tưởng

Ý tưởng về sách lược ưu tiên lai là nhằm khắc phục

những mặt hạn chế của sách lược ưu tiên tĩnh, tức là mức

ưu tiên của các nút mạng (hoặc luồng dữ liệu) có thể thay

đổi được tỷ lệ thuận với sự khẩn cấp truyền tin Sự khẩn

cấp truyền tin càng cao thì ưu tiên càng lớn và ngược lại

Vì vậy, ưu tiên lai được thể hiện thông qua việc chia

trường ID (n bit) thành hai lớp nhỏ như trên Hình 2 [4]

Hình 2 Cấu trúc của trường ID sử dụng sách lược ưu tiên lai

Trong đó, lớp 2 (gồm m bit có chỉ số cao nhất) thể

hiện tính khẩn cấp truyền tin của thông điệp, được gọi là

lớp ưu tiên động (ký hiệu là Prio_dyn) Giá trị của lớp 2

vì vậy có thể thay đổi được trong quá trình hệ thống làm

việc và các luồng dữ liệu có thể có cùng giá trị ưu tiên

động Lớp 1 (gồm (n-m) bit) là một ưu tiên cố định và duy

nhất, được xác định trước khi hệ thống làm việc, lớp ưu

tiên này được gọi là lớp ưu tiên tĩnh (ký hiệu là Prio_sta)

Tính duy nhất của lớp 1 đảm bảo không có hai hay nhiều

nút mạng có cùng giá trị trường ID Thuật ngữ “ưu tiên

lai” là sự kết hợp giữa ưu tiên động và ưu tiên tĩnh

Quá trình phân xử truy nhập đường truyền được thực

hiện trước tiên bằng việc so sánh lớp 2 (Prio_dyn) trước

Khi có nhiều thông điệp có cùng giá trị Prio_dyn, thì việc

so sánh giá trị lớp 1 (Prio_sta) sẽ xác định một luồng dữ

liệu duy nhất được phép truy nhập đường truyền

2.2 Tính toán lớp ưu tiên động

Tính toán lớp ưu tiên động được thực hiện bởi bộ điều

khiển thông qua hàm số như trên Hình 3 và hàm số trong

công thức(1)

max

max

( )

s s

s

u

u

f u





 



(1)

trong đó: u s là các giá trị bão hòa, có nghĩa là nếu giá trị

của u lớn hơn giá trị bão hòa thì mức ưu tiên động luôn

đạt giá trị lớn nhất (Prio_dyn max )

f(u) Prio_dyn max

Prio_dyn

Hình 3 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa u và Prio_dyn 2.3 Mã hóa mức ưu tiên vào trường ID

Gọi giá trị của lớp 1 là ID_sta và giá trị của lớp 2 là ID_dyn Giá trị ID_sta được cài đặt trước khi hệ thống làm việc, còn giá trị ID_dyn được mã hóa lại từ mức ưu

tiên động sau mỗi chu kỳ

Lớp ưu tiên động gồm 8 bit cho phép biểu diễn 28 =

256 mức ưu tiên từ 0 đến 255 Mức ưu tiên động (kí hiệu

Prio_dyn) nhỏ nhất là Prio_dyn min = 0 ứng với trường

ID_dyn gồm 8 bit lặn (bit 1) Mức ưu tiên động lớn nhất

là Prio_dyn max = 255 ứng với trường ID_dyn gồm 8 bit

trội (bit 0) Phương trình mối quan hệ giữa giá trị (hệ thập

phân) của trường ID_dyn và mức ưu tiên động như trong

công thức (2):

ID dyn_ 256Prio dyn_ (2)

2.4 Thực thi sách lược ưu tiên lai

Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai qua mạng CAN được thể hiện như trên Hình 4

Quá trình thực thi sách lược ưu tiên lai như sau:

 Tại thời điểm t k, bộ cảm biến lấy mẫu tín hiệu đầu

ra y k vànhận giá trị ưu tiên động gửi từ bộ điều khiển ở

chu kỳ trước đó (thời điểm t k-1), sau đó bộ cảm biến sử

dụng mức ưu tiên này (Prio_dyn k-1 ) để gửi thông điệp (chứa y k) đến bộ điều khiển

 Bộ điều khiển sau khi nhận tín hiệu y k từ bộ cảm

biến, sẽ thực hiện tính toán tín hiệu điều khiển u kvà tính

toán mức ưu tiên động Prio_dyn k và gửi một thông điệp chứa những tín hiệu này lên mạng Sau đó cơ cấu chấp

hành sẽ nhận giá trị u k và áp dụng vào đối tượng điều

khiển, còn bộ cảm biến sẽ nhận Prio_dyn k để sử dụng

trong chu kỳ sau (thời điểm t k+1) Về mức ưu tiên động

mà bộ điều khiển sử dụng để gửi thông điệp, có 2 giải

pháp: một là, sử dụng giá trị Prio_dyn k vừa tính xong [2], [3]; hai là, luôn sử dụng mức ưu tiên động lớn nhất

Prio_dyn max [4]

Hình 4 Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai

Trong bài báo này, đề xuất giải pháp mà bộ điều khiển

luôn có mức ưu tiên động lớn nhất

Chú ý: tại thời điểm lấy mẫu đầu tiên (t 0 = 0) bộ cảm

biến chưa có ưu tiên động để sử dụng, do đó trong bài báo

này đề xuất bộ cảm biến luôn có ưu tiên động lớn nhất tại

thời điểm lấy mẫu đầu tiên

3 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN

3.1 Sơ đồ cấu trúc

Sơ đồ cấu trúc của một hệ liên tục không có nối mạng

truyền thông được thực thi thông qua ứng dụng điều khiển

quá trình, mô hình của hệ thống được thể hiện ở trên Hình 5

Hình 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển liên tục không có nối mạng

truyền thông Các tham số trên sơ đồ được giải thích như sau: R(s),

E(s), U(s), Y(s) là biến đổi Laplace của tín hiệu tham

chiếu ở đầu vào đơn vị r(t), sai lệch e(t), tín hiệu điều

khiển u(t), tín hiệu ở đầu ra y(t) Đối tượng điều khiển có

hàm truyền đạt như sau:

1000 ( )

(0, 5 1)

G s





Bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển PD có

hàm truyền đạt là: PDK(1sT d) Độ dự trữ pha của G(s)

là Pm0 = 2,60 tại tần số cắt c=44,7(rad/s) (tần số mà

( c) 1

G j  [5]) Độ dự trữ pha này quá nhỏ (dự trữ pha

cần đạt trong khoảng 450 đến 600 [6]), do đó mục đích

ban đầu của bộ điều khiển PD là để bù pha, sao cho góc

pha là 600 tại tần số c Muốn vậy, bộ điều khiển phải bù

thêm một pha dương c = 600 – Pm0 Để thực hiện được

việc này, phải có:

( )

20 log( (1 )) 0

c d c

c d









Do đó, chúng ta tìm được Td = 0,035 (s), K = 0,5382

3.2 Xác định hàm truyền hệ thống điều khiển vòng kín

Tham chiếu đầu vào là một hàm bước nhảy đơn vị có

R(s) = 1/s, đầu ra là Y(s) Hàm truyền đạt của hệ thống

vòng kín là:

2

2000 (1 ) ( )

(2 2000 ) 2000

d d

F s





(4) 2

(1 ) ( )

2

n d

n n

T s

F s







trong đó, n là tần số riêng (rad/s),  là hệ số tắt dần

Để tìm n và , ta tiến hành đồng nhất đa thức mẫu số trong công thức (4) và (5), khi đó tìm được

n = 32,8(rad/s),  = 0,6

3.3 Chọn chu kỳ trích mẫu

Chu kỳ trích mẫu đối với các thiết kế điều khiển rời rạc không chỉ phù hợp với định lý Shanon, mà còn có thể được lựa chọn theo một trong các quy tắc được gọi là quy tắc thực nghiệm Một quy tắc thực nghiệm thường được

sử dụng là 0,1  nh  0,6[7] Với n = 32,8(rad/s), chu

kỳ trích mẫu h nằm trong khoảng 3,05ms h 18,29ms Trong bài báo này xem xét vớih = 10ms

3.4 Tính toán luật điều khiển

Để tính toán tín hiệu điều khiển u k, bộ điều khiển số vi

phân tỉ lệ (PD) sẽ được sử dụng Bộ điều khiển số PD bao gồm hai thành phần: thành phần tỉ lệ P k và thành phần vi phân

D k Luật điều khiển được tính toán theo công thức như sau:

k k

k k k









(6)

trong đó: e k = r k - y k ; N là tham số lọc, có giá trị không

đổi và lấy trong khoảng từ 25 đến 75 [7] Trongbài báo

này xem xét với N = 50

3.5 Điều kiện thực thi trên mạng CAN

 Chúng tôi xem xét thực thi 4 ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng CAN (Hình 6), được ký hiệu

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 19 lần lượt là P1, P2, P3, P4 Mỗi ứng dụng điều khiển quá

trình sẽ có 3 tác vụ nằm trong 3 máy tính khác nhau, đó

là: tác vụ điều khiển, tác vụ cảm biến và tác vụ chấp hành

Như vậy, chúng ta có 12 máy tính khác nhau của 4 ứng

dụng điều khiển quá trình được kết nối với nhau thông

qua mạng CAN, và chúng ta cũng có 8 luồng dữ liệu (4

luồng f sc và 4 luồng f ca) khác nhau lưu thông ở trên mạng

Chúng tôi xem xét các luồng dữ liệu f sc là đồng bộ và có

cùng chu kỳ trích mẫu h

Hình 6 Sơ đồ thiết lập mô phỏng với 4 ứng dụng

điều khiển quá trình

 Tốc độ bit trong lớp vật lý của CAN chọn là 125

kbit/s

 Chiều dài toàn bộ thông điệp được chọn 80 bit [8]

 Xem xét với sách lược ưu tiên tĩnh (để làm tham

chiếu so sánh với sách lược ưu tiên lai): Một kết luận

quan trọng đã được đưa ra đó là để đảm bảo trễ truyền

thông là nhỏ nhất thì Prio_sta fca >Prio_sta fsc [9] Đối

với mỗi quá trình P i thì các ưu tiên của luồng dữ liệu

f cai và f sci sẽ là Prio_sta fcai >Prio_sta fsci Như vậy, đối

với 4 ứng dụng điều khiển quá trình, chúng ta phải có:

fca fca fca fca

fsc fsc fsc fsc

Thứ tự ưu tiên trong công thức (7) cũng được sử dụng

trong lớp ưu tiên tĩnh (lớp 1 trong Hình 2) của sách lược

ưu tiên lai

3.6 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển

Trong nội dung nghiên cứu này sẽ sử dụng độ quá

điều chỉnh và đáp ứng thời gian ở đầu ray (t) để đánh giá

chất lượng điều khiển QoC (Quality of Control)

3.7 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) được

xem xét và đánh giá thông qua giá trị trung bình của trễ

truyền thông trong các chu kỳ Gọiilà trễ truyền thông

trong chu kỳ trích mẫuh i (tức là từ thời điểm t i tới thời

điểm t i+1 ) và n là số chu kỳ trích mẫu trong thời gian xác

lập Chúng ta có trễ thời gian trung bình trong toàn bộ chu

kỳ trích mẫu là:

1

1 n i i n



 càng nhỏ thì QoS càng tốt và ngược lại

3.8 Công cụ để thực hiện mô phỏng

Phần mềm sử dụng để mô phỏng cho nội dung nghiên cứu có tên là TrueTime [8], một công cụ chạy trên nền Matlab/Simulink cho phép mô phỏng các hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực

4 Đánh giá kết quả

4.1 Đánh giá về chất lượng dịch vụ (QoS)

Các kết quả đánh giá QoS đối với sách lược ưu tiên tĩnh và sách lược ưu tiên lai được trình bày trong Bảng 1 với các giá trị trễ truyền thông trung bình của 4 ứng dụng điều khiển quá trình

Bảng 1 Bảng số liệu đánh giá QoS( ms)

P1 P2 P3 P4 maxmin

Ưu tiên tĩnh 0,6 1,2 1,8 2,4 1,8

Ưu tiên lai 2,29 2,37 2,43 2,57 0,28 Nhận xét:

Đối với ưu tiên tĩnh, ứng dụng có ưu tiên tĩnh càng cao thì trễ càng nhỏ (P1 có ưu tiên cao nhất, nên có trễ nhỏ nhất và P4 có ưu tiên thấp nhất, nên có trễ lớn nhất) Điều này là hợp lý, bởi ưu tiên càng cao tương ứng với cơ hội truy nhập đường truyền càng nhanh Đối với sách lược ưu tiên lai, trễ truyền thông trung bình giữa các ứng dụng là cân bằng hơn so với ưu tiên tĩnh; điều này là hợp lý bởi tác động của lớp ưu tiên động trong sách lược ưu tiên lai Nếu chúng ta xét giá trị sai lệch giữa trễ trung bình lớn nhất (max) và nhỏ nhất (min), ta thấy giá trị sai lệch của ưu tiên lai là 0,28 ms thấp hơn nhiều so với giá trị này của ưu tiên tĩnh 1,8 ms Qua đó, chúng ta thấy được ưu điểm của

ưu tiên lai so với ưu tiên tĩnh

4.2 Đánh giá về chất lượng điều khiển (QoC)

QoC được xem xét và đánh giá đối với sách lược ưu tiên tĩnh và sách lược ưu tiên lai của 4 ứng dụng điều khiển quá trình thông qua độ quá điều chỉnh và đáp ứng

thời gian ở đầu ray (t), được trình bày trên Hình 7

Nhận xét:

QoC là hệ quả của QoS Do đó ở đây, chúng ta thấy các kết luận về QoC đối với các sách lược ưu tiên (tĩnh và lai) cũng tương tự như trong kết luận về QoS Cụ thể, đối với sách lược ưu tiên tĩnh, ưu tiên càng cao thì QoC càng tốt; còn đối với sách lược ưu tiên lai, QoC giữa các ứng dụng điều khiển là cân bằng hơn so với sách lược ưu tiên tĩnh Do đó, nếu chúng ta có một giới hạn QoC yêu cầu, sách lược ưu tiên lai cho phép cài đặt nhiều ứng dụng trên mạng hơn so với ưu tiên tĩnh.Ví dụ, yêu cầu độ quá điều chỉnh không vượt quá 42,2% Từ Hình 7 chúng ta thấy, sách lược ưu tiên tĩnh chỉ cho phép cài đặt 2 ứng dụng điều khiển quá trình, ngược lại sách lược ưu tiên lai cho phép cài đặt đến 4 ứng dụng điều khiển quá trình

5 Kết luận Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một sách lược

Hình 7 Đồ thị đáp ứng thời gian đầu ray(t)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Robert Bosch GmbH, “CAN specification version 2.0, Parts A and

B”, 1991

[2] Manel Velasco, Pau Martí, Rosa Castané, Josep Guardia and Josep

M Fuertes, “A CAN application profile for control optimization in

Networked Embedded Systems”, 32nd Annual Conference on

IEEE Industrial Electronics, Paris, pp 4638-4643

[3] Pau Martí, Antonio Camacho, Manel Velasco and Mohamed El

Mongi Ben Gaid, “Runtime allocation of optional control jobs to a

set of CAN-based Networked Control Systems”, IEEE

Transactions on Industrial Informatics, Vol 6, No 4, pp 503-520

[4] Guy Juanole and Gérard Mouney, “Networked Control Systems:

Definition and analysis of a hybrid priority scheme for the message

scheduling”, 13th IEEE conference on Embedded and Real-Time

Computing Systems and Applications, Korea, pp 267-274

[5] Benjamin C Kuo, Farid Golnaraghi, “Automatic Control Systems”,

8th Edition, John Wiley & Sons, INC, 2003, page 236-245

[6] John J D’Azzo, C H Houpis, “Linear Control System Analysis

and Design: Conventional and Modern”,4th Edition, McGraw-Hill, New York, 1995, page 301

[7] Karl J Åström and B Wittenmark, “Computercontrolled systems:

theory and design”3th Edition, Prentice Hall, 1997

[8] Martin Ohlin, Dan Henrikssonand Anton Cervin, “TrueTime

1.5-Reference Manual”, Lund Institute of Technology, Sweden, 2007

[9] Guy Juanole, Gerard Mouney, Christophe Calmettes, Marek Peca,

“Fundamental considerations for implementing control systems on

a CAN network”, 6th International Conference on Fielbus Systems and their Applications, Mexico, 2005, pp 280-285

(BBT nhận bài: 28/06/2015, phản biện xong: 28/07/2015)

0 200 400 600 800 1000

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

time (ms)

y(t)

0 200 400 600 800 1000 0.9

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

time (ms)

y(t)

P

2

P

3

P

4

P

1

P

1, P

2, P

3, P

4