Nghiên cứu giao thức điều khiển truy nhập đường truyền nhằm nâng cao qos

MỞ ĐẦU Cơ sở chọn đề tài và mục đích nghiên cứu Ngày nay thách thức lớn với nhiều mạng truyền thông có dây hoặc không dây là kiểm soát thông tin phản hồi giữa các bộ cảm biến, bộ điều k

MỞ ĐẦU

Cơ sở chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Ngày nay thách thức lớn với nhiều mạng truyền thông có dây hoặc không dây là kiểm soát thông tin phản hồi giữa các bộ cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị chấp hành của các nút mạng với nhau nhằm đảm bảo truyền thông tin thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao và đảm bảo hiệu năng, chất lượng hệ thống Do đó sự ra đời của hệ thống điều khiển qua mạng (Networked Control Systems - NCSs) đã phần nào giải quyết được thách thức trên Hiện NCS đang được nghiên cứu và phát triển các thuật toán mới nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển, độ ổn định, tốc độ đáp ứng và hiệu năng của các hệ thống

Khả năng cơ bản của bất kỳ NCSs là thu thập thông tin từ cảm biến, ra lệnh điều khiển, truyền thông qua mạng và điều khiển thiết bị chấp hành Theo nghĩa rộng hơn, nghiên cứu NCSs được phân thành 2 loại sau:

1 Kiểm soát mạng: Nghiên cứu về các mạng nhằm đưa chúng phù hợp với NCSs thời gian thực Ví dụ, điều khiển định tuyến trong mạng, giảm tắc nghẽn, truyền thông tốc độ cao, nghiên cứu các giao thức mạng, …

2 Điều khiển qua mạng: Thiết kế hệ thống điều khiển qua mạng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến các thông số của mạng như trễ truyền tin, trễ mạng, …

Mỗi NCSs có cấu trúc khác nhau để duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) và chất lượng điều khiển (QoC) theo yêu cầu trong mạng QoS liên quan đến tốc độ truyền tin, tỉ lệ lỗi bản tin, … các giá trị này có thể đo và cải thiện được ở một mức độ nào

đó QoS có thể giảm do tắc nghẽn hoặc nhiễu can thiệp

Đề tài “Nghiên cứu giao thức điều khiển truy nhập đường truyền nhằm

nâng cao QoS và QoC trong các hệ thống điều khiển qua mạng CAN” được

chọn nhằm mục đích chính là làm thế nào để nâng cao QoS và QoC trong các hệ thống điều khiển qua mạng, cụ thể là mạng CAN

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu giao thức điều khiển truy nhập đường truyền thông qua quá trình lập lịch các bản tin sử dụng chính sách ưu tiên lai nhằm nâng cao QoS và QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN Tính toán, so sánh QoS và QoC của một số ứng dụng điều khiển quá trình với các chính sách ưu tiên khác nhau, giữa mạng CAN truyền thống sử dụng ưu tiên tĩnh với mạng CAN sử dụng ưu tiên lai Từ đó chỉ ra những ưu điểm của chính sách ưu tiên lai đã đề xuất cũng như chất lượng hệ thống được nâng cao thông qua việc sử dụng ưu tiên này

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống điều khiển qua mạng sử dụng giao thức CAN, các ứng dụng điều khiển quá trình dựa trên các cấu trúc vòng kín nói chung

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Giao thức CAN truyền thống trong các hệ thống điều khiển sử dụng chính sách ưu tiên tĩnh nên khi mỗi nút mạng có duy nhất một mức độ ưu tiên Điều này khiến hệ thống trở nên không linh hoạt và hoạt động kém hiệu quả khi có bất kỳ sự thay đổi nào (ví dụ khi thêm nút mới có mức độ ưu tiên cao hoặc khi có sự can thiệp của nhiễu …) Bằng việc can thiệp vào trường ID của bản tin CAN, có thể thiết lập ưu

tiên động cho các bản tin tùy theo mức độ khẩn cấp của nó Điều này là vô cùng quan trọng trong các hệ thống hiện đại đòi hỏi quá trình truyền thông ổn định và đáp ứng thời gian thực

Nội dung và phương pháp nghiên cứu:

Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1 của luận văn trình bày tổng quan về các hệ thống điều khiển qua mạng, một số vấn đề xảy ra trong mạng như trễ, jitter, …

Chương 2 trình bày cơ sở về hệ thống điều khiển tự động, những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển và một số phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển

Chương 3 trình bày về hạn chế của chính sách ưu tiên tĩnh truyền thống và

đưa ra ý tưởng về chính sách ưu tiên lai với tham số là tín hiệu sai lệch e, cách mã

hóa ưu tiên động vào trường ID của bản tin CAN

Chương 4 đưa ra mô hình 2 ứng dụng là 2 động cơ 1 chiều tranh chấp đường truyền sử dụng chính sách ưu tiên lai Đồng thời chương này đưa ra được kết quả

mô phỏng của chính sách ưu tiên lai, chỉ ra được ưu điểm của chính sách này so với

ưu tiên tĩnh

Cuối cùng là tóm lược kết quả nghiên cứu, kết luận và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai

Luận văn được nghiên cứu theo quy trình các bước sau:

- Nghiên cứu về NCSs, các vấn đề xảy ra với NCSs

- Nghiên cứu về mạng CAN, cấu trúc bản tin CAN và các cơ chế giải quyết tranh chấp trên CAN bus

- Chỉ ra những hạn chế của chính sách ưu tiên tĩnh dung trong mạng CAN truyền thống, sau đó đưa ra ý tưởng về chính sách ưu tiên lai thực hiện bằng

cách can thiệp vào trường ID của bản tin CAN Đề xuất hướng nghiên cứu, đưa ra các thông số và luật điều khiển Cuối cùng thực thi chính sách ưu tiên lai, mã hóa mức độ ưu tiên vào trường ID của bản tin CAN và mô phỏng một ứng dụng cụ thể sử dụng chính sách ưu tiên lai, tính toán và so sánh QoS, QoC giữa các kịch bản khác nhau sử dụng chính sách ưu tiên khác nhau

- Mô phỏng: Sử dụng kỹ thuật mô phỏng đưa ra những đánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA

MẠNG CAN

Các kiến trúc truyền thông truyền thống là kiểu kết nối điểm – điểm (point to point) tồn tại cho đến những năm 1970, hệ thống điều khiển phân tán (Distributted Control System - DCS) được giới thiệu Với những yêu cầu mới như mô đun hóa, phân cấp điều khiển, tích hợp chuẩn đoán, bảo trì nhanh chóng và dễ dàng, chi phí thấp đã khiến kiến trúc cũ không còn được sử dụng vì những hạn chế của nó Do đó, các kiến trúc mạng chia sẻ dữ liệu được đưa ra và nghiên cứu đã đáp ứng được nhu cầu mới

Hình 1-1 Các hệ thống điều khiển điển hình Ngoài ra, với các hệ thống điều khiển qua mạng NCS (Networked Control System), việc dự đoán các lỗi phát sinh và bảo trì mạng có thể được thực hiện từ xa Điều này làm giảm chi phí và tăng hiệu năng hệ thống

Các hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hầu hết làm nhiệm vụ kiểm soát thời gian thực (cảm biến, điều khiển và chấp hành) được thực hiện trong từng nút riêng biệt Các nút kết nối với nhau qua mạng truyền tin Do vậy có thể coi một hệ thống điều khiển phân tán là tập hợp của nhiều hệ thống điều khiển point – to – point (điểm – điểm), dữ liệu truyền cũng xảy ra trễ tương tự như với kiến trúc point – to – point

Process Controller

Actuator

Sensor

Hệ thống điều khiển điểm - điểm

Hệ thống điều khiển phân tán

DCS

Process Controller

Actuator

Sensor

Process Controller

Actuator Sensor

Process Controller

Actuator Sensor Comunication bus

Comunication bus

Hình 1-2 Kiến trúc các hệ thống điều khiển

NCSs là hệ thống điều khiển qua mạng có phản hồi Tại đó mỗi bộ điều khiển, cảm biến hay thiết bị chấp hành đều là nút mạng Dữ liệu điều khiển và phản hồi được trao đổi qua mạng theo vòng kín Vì vậy với loại kiến trúc này, trễ xảy ra chủ yếu tùy thuộc vào đặc điểm của mạng, cơ chế lập lịch bản tin

Hệ thống điều khiển vòng kín có hồi tiếp thông qua một mạng thời gian thực được gọi là hệ thống điều khiển qua mạng NCSs

- Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, công nghệ phần cứng, mà còn phụ thuộc tất yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực

Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm sau:

- Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào thời điểm bất kỳ không biết trước

- Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời

- Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện xảy ra

- Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng

Hệ thống thời gian thực đòi hỏi quá trình xử lý thời gian thực Có các hình thức

xử lý sau:

- Xử lý song song: Các tác vụ (task) được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý

- Xử lý cạnh tranh: Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của một bộ xử lý

- Xử lý phân tán: Mỗi tác vụ được thực hiện riêng trên một máy tính (trường hợp đặc biệt của xử lý song song)

Trước khi trình bày chính sách lập lịch mới (chính sách ưu tiên lai), báo cáo trình bày một số vấn đề xảy ra trong hệ thống điều khiển qua mạng

1.1.1 Trễ trong mạng

Một thách thức trong các hệ thống điều khiển qua mạng là ảnh hưởng của trễ trong mạng Thời gian đọc tín hiệu từ các cảm biến (sensors) gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị chấp hành qua mạng phụ thuộc vào đặc điểm của mạng như tô pô mạng, sách lược định tuyến, … Vấn đề này trở nên trầm trọng hơn khi xảy ra lỗi mất dữ

liệu trong suốt quá trình truyền tin Hơn nữa, trễ làm giảm hiệu năng của hệ thống, khiến hệ thống không ổn định

Bởi vì NCS hoạt động trên một mạng nên dữ liệu chuyển giữa bộ điều khiển

và thiết bị chấp hành sẽ gây ra chậm trễ trong mạng khi bộ điều khiển chậm xử lý Hầu hết các phương pháp điều khiển trong mạng sử dụng các công thức thời gian rời rạc Hình 1-4 cho thấy biểu đồ thời gian trễ truyền lan trong mạng

Process Controller

Actuator Sensor

1 (k )

Hình 1-4 Biểu đồ thời gian trễ lan truyền trong mạng với kiến trúc điểm – điểm

(trái) và kiến trúc mạng (phải) Trễ mạng trong một hệ thống điều khiển qua mạng bởi quá trình truyền dữ liệu từ sensor đến controller  và từ controller đến actuator sc  ca

Trễ   bao gồm những phần sau:

- Trễ do thời gian chờ (Waiting Time Delay  ): Khoảng thời gian mà bộ điều W

khiển xem xét tính sẵn có của mạng trước khi được gửi gói tin đi

- Trễ khung (Frame Time Delay  ): Thời gian đưa một gói tin vào mạng F

- Trễ truyền dẫn (Propagation Delay  ): Thời gian gói tin di chuyển trong P

đường truyền vật lý Trễ truyền dẫn phụ thuộc vào loại tín hiệu cần truyền và khoảng cách từ nguồn tới đích

1.1.2 Truyền gói tin

Vấn đề cơ bản thứ hai trong NCS là truyền gói tin Nếu đường truyền không tin cậy, gói tin có thể bị mất trong suốt quá trình truyền Do vậy vấn đề làm thế nào để tăng hiệu suất truyền tin hay giảm khả năng mất gói tin trong mạng NCS là vấn đề được quan tâm Ngoài ra quá trình phân xử ưu tiên trên đường truyền đối với mỗi nút mạng là khác nhau nên cũng cần được tính toán hợp lý

1.1.3 Jitter

Jitter có thể được định nghĩa là sự biến động thời gian bắt đầu của mỗi hành động Jitter phụ thuộc vào độ chính xác của xung nhịp hệ thống, thuật toán lập lịch và kiến trúc phần cứng Jitter thay đổi sau mỗi chu kỳ lấy mẫu Trong trường hợp hệ thống bao gồm các tải cụ thể và dự đoán một cách hợp lý, giá trị chu kỳ lấy mẫu có thể được xác định

1.1.4 Chất lượng điều khiển

Chất lượng điều khiển QoC (Quality of Control) là mục tiêu quan trọng của NCSs Các tiêu chuẩn đánh giá QoC là IAE (Integral of the Absolute Error), ISE (Integral

of Square Error) hoặc ITSE (Integral of Time-weighted Square Error)… Hệ thống

có QoC tốt hơn là hệ thống có số lỗi nhỏ hơn

1.2 Mạng CAN

1.2.1 Giới thiệu về CAN

CAN (Controller Area Network) là giao thức giao thiếp nối tiếp hỗ trợ mạnh cho những hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực (Distributed Realtime Control system) với độ ổn định, bảo mật và đặc biết là chống nhiễu cực tốt

CAN đầu tiên được phát triển bởi nhà cung cấp phụ tùng xe ô tô của Đức Robert Bosch vào giữa những năm 80 Để thỏa mãn yêu cầu ngày càng nhiều của khách hàng trong vấn đề an toàn và tiện nghi, và để tuân theo yêu cầu việc giảm bớt

ô nhiễm và tiêu thụ năng lượng, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhiều hệ thống điện tử như hệ thống chống trượt bánh xe, bộ điều khiển động cơ, điều hòa nhiệt độ, bộ đóng cửa, … Với mục đích chính là làm cho những hệ thống xe ô tô trở nên an toàn, ổn định và tiết kiệm nhiên liệu trong khi đó giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn giản hóa hệ thống và tiết kiệm chi phí sản xuất thì mạng CAN đã được phát triển

Ngay từ khi mới ra đời, mạng CAN đã được chấp nhận và ứng dụng một cách rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, chế tạo ô tô, xe tải Với thời gian, CAN càng trở nên thông dụng hơn vì tính hiệu quả, ổn định, đơn giản, mở và đặc biệt là chi phí rẻ Nó được sử dụng với việc truyền dữ liệu lớn, đáp ứng thời gian thực và trong môi trường khác nhau Cuối cùng, truyền tốc độ cao rất ổn định Đó là

lý do tại sao chúng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác ngoài xe hơi như các máy nông nghiệp, tàu ngầm, các dụng cụ y khoa, máy dệt,…

Ngày nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO 11898 Hầu như mọi nhà sản xuất chip lớn như: Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxim IC, Fair-child, Microchip, Philips, Texas Instrument, Mitsubishi, Hitachi, Stmicro, … đều có sản xuất ra chip CAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành phần ngoại vi của vi điều khiển Việc thực hiện chuẩn CAN trở nên cực kỳ đơn giản nhờ sự hỗ trợ từ nhiều nhà sản xuất chip đó

Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn (reliability and safety) Nhờ cơ chế phát hiện và xử lý lỗi cực mạnh, lỗi CAN messages hầu như được phát hiện Theo thống kê, xác suất để một message của CAN bị lỗi không được phát hiện là:

Miền ứng dụng của CAN trải rộng: hệ thống điện xe ô tô, xe tải, đơn vị điều khiển động cơ, sensor, truyền thông PLC, thiết bị y tế, … Ngày nay CAN chiếm lĩnh trong ngành công nghiệp ô tô Trong những chiếc xe hơi đời mới thường có một mạng CAN tốc độ cao dùng điều khiển động cơ và phanh … một mạng CAN tốc độ thấp dùng điều khiển những thiết bị khác như gương chiếu hậu, đèn, …

Hình 1-5 Mạng CAN trên xe hơi Chuẩn Field bus, Device net, CANopen, J1939 thường dùng trong công nghiệp chính là chuẩn CAN mở rộng (Physical layer và MAC sublayer của các chuẩn này là CAN)

1.2.2 Tổng quan về giao thức CAN

Cấu trúc giao thức của CAN được xây dựng dựa vào mô hình OSI Tuy nhiên, trong phần lớn những mạng hiện tại sử dụng ở tầng thấp trong sản xuất tự động, giao thức này chỉ thực hiện trong vài tầng Điều này làm cho giảm chi phí và tăng hiệu quả khi triển khai Thực tế, giảm số tầng là làm giảm trễ khi xử lý và khi thu phát bản tin và làm đơn giản hơn cho phần mềm

Mạng CAN (ISO1) bao gồm tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu (data link) như mô tả trong hình dưới đây

Hình 1-6 Giao thức CAN Tầng vật lý mục đích để quản lý hiệu quả truyền dữ liệu thông qua phương tiện truyền dẫn, quản lý về mặt điện của phương tiện truyền dẫn, cách định thời và đồng bộ hóa

Tầng liên kết dữ liệu được chia thành hai lớp con, đó là LLC và MAC Mục đích của MAC là điều khiển truy nhập các thiết bị truyền dẫn vào bus để tránh xung đột bus Lớp con MAC cũng bao gồm chức năng đóng khung và giải mã khung dữ liệu, kiểm tra lỗi, báo hiệu

Lớp con LLC tạo ra tính năng linh hoạt trong việc phục vụ cho các giao thức lớp mạng trên, trong khi vẫn liên lạc hiệu quả với các kỹ thuật khác nhau bên dưới

nó LLC với vai trò là lớp phụ tham gia vào quá trình đóng gói, và xác định bản tin nào là thuộc về node thu này không

Một điều đáng chú ý của CAN là khả năng mềm dẻo trong triển khai của dịch vụ trên LLC và trong khả năng chọn kênh truyền tin vật lý, từ đó có thể không cần thay đổi nhiều trong lớp MAC

Chuẩn đầu tiên của CAN là chuẩn ISOP 11898 – 2 định nghĩa các tính chất của CAN High Speed (CAN tốc độ cao)

Một ví dụ về mạng CAN trong thực tế:

Hình 1-7 Một ví dụ về mạng CAN Công nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn giản, giảm tối thiểu hiện tượng đội tín hiệu Sự truyền dữ liệu thực hiện nhờ cặp dây truyền tín hiệu vi sai, có nghĩa là chúng ta đo sự sai khác nhau giữa 2 đường (CAN H và CAN L) Đường dây bus kết thúc bằng điện trở 120 Ohm (thấp nhất là 108 Ohm và cao nhất

là 132 Ohm) ở mỗi đầu

Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các nút mạng (node) Mỗi node có thể giao tiếp với bất kỳ node nào khác trong mạng Việc giao tiếp được thực hiện bằng việc truyền đi và nhận các bản tin – message Mỗi loại message trong mạng CAN được gán cho một ID – số định danh – tùy theo mức độ ưu tiên của message

đó

Mạng CAN thuộc loại message - based system, khác với address - based tem, mỗi loại message được gán một ID Những hệ thống address - based system thì mỗi node được gán một ID Message - based system có tính mở hơn vì khi thêm, bớt một node hay thay một nhóm node bằng một node phức tạp hơn không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống Có thể có vài node nhận message và cùng thực hiện một task Hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở, dễ dàng thay đổi

sys-mà không cần phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống

Hình 1-8 Giao thức truyền dữ liệu hướng địa chỉ node

Hình 1-9 Giao thức truyền dữ liệu hướng message ID Mỗi node có thể nhận nhiều loại message khác nhau, ngược lại một message

có thể được nhận bởi nhiều node và công việc được thực hiện một cách đồng bộ trong hệ thống phân bố

ID của message phụ thuộc vào mức độ ưu tiên của message Điều này cho phép phân tích đáp ứng thời gian (response time) của từng message Ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực Trước khi có mạng CAN, lựa chọn duy nhất cho mạng giao tiếp trong hệ thống thời gian thực là mạng token ring chậm chạp

Tiêu chuẩn ISO 11898 định nghĩa hai lớp Physical layer và Data link layer Lớp Physical layer định nghĩa cách biểu diễn/ thu nhận bit 0, bit 1, cách định thời và đồng bộ hóa

Lớp Data link layer được chia làm 2 lớp nhỏ là Logical Link Control (LLC)

và Medium Access Control (MAC): định nghĩa khung truyền và những nguyên tắc phân xử (arbittration) để tránh trường hợp cả hai Master cùng truyền đồng thời Ngoài ra, chuẩn CAN còn định nghĩa nhiều cơ chế khác để kiểm tra lỗi, xử lý lỗi,…

cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Bit error, Stuff error, CRC error, Form error, ACK error

1.2.2.1 Mã hóa NRZ (None Return to Zero)

Mỗi bit trong mạng CAN được mã hóa bằng phương pháp NRZ (None Return to Zero) Trong suốt quá trình của một bit, mức điện áp của dây được giữ nguyên, có nghĩa là trong suốt quá trình một bit được tạo, giá trị của nó giữ không đổi

Hình 1-10 Mã hóa NRZ

Ví dụ khi mã hóa chuỗi bit 11010001 bằng phương pháp mã hóa NRZ

1.2.2.2 Kỹ thuật nhồi bit (Bit stuffing)

Một trong những ưu điểm của cách mã hóa NRZ là mức của bit được giữ trong suốt quá trình của nó Điều này tạo ra vấn đề về độ ổn định nếu một lượng lớn bit giống nhau nối tiếp Kỹ thuật nhồi bít (bit stuffing) áp đặt tự động một bit có giá trị ngược lại khi nó phát hiện 5 bit liên tiếp trong khi truyền

sẽ nhỏ hơn như vậy, và ảnh hưởng của bit nhồi cũng ít hơn Và không phải tất cả các trường của khung tín hiệu truyền đều được nhồi bit như trên, mà chỉ áp dụng từ trường SOF (Start Of Frame) đến trường CRC, còn các trường khác của khung tín hiệu sẽ không được nhồi bit thêm

1.2.2.3 Bit timing

Ta định nghĩa đơn vị thời gian nhỏ nhất là Time Quantum Thời gian cơ bản này là một phân số của thời gian dao động của bus Mỗi bit khoảng 8 – 25 quanta

1.2.2.4 Độ dài của bus

Độ dài của bus phụ thuộc vào những thông số sau:

- Độ trễ lan truyền trên đường dây của bus

- Sự khác nhau của thời gian Time Quantum, sự khác nhau của các xung clock tại các nút

- Biên độ tín hiệu thay đổi theo điện trở của cáp và tổng trở vào các nút

Cần chú ý rằng bất cứ mô đun nào kết nối vào một bus CAN phải được hỗ trợ tối thiểu tốc độ là 20Kb/s Để sử dụng bus có độ dài lớn hơn 200m, phải thiết kế một bộ lặp quang, để sử dụng bus dài hơn 1km phải sử dụng một thiết bị kết nối trung gian như repeater hoặc bridge

Tốc độ bit (bit rate) Chiều dài bus (bus length) Nominal Bit Time

1.2.2.5 Trạng thái “dominant” và “recessive”

Ở lớp vật lý, bus CAN định nghĩa 2 trạng thái trội “dominant” và lặn “recessive” tương ứng với trạng thái là 0 và 1 Trạng thái dominant chiếm ưu thế hơn so với re-cessive Bus chỉ ở trạng thái recessive khi không có node nào phát đi trạng thái do-minant Điều này tạo ra khả năng giải quyết tranh chấp khi nhiều hơn một master cùng muốn chiếm quyền sử dụng bus

Dựa vào tính chất vật lý của bus, cẩn phân biệt hai dạng truyền

- Truyền CAN tốc độ thấp (CAN low speed)

- Truyền CAN tốc độ cao (CAN high speed)

Bảng sau tổng kết những tính chất cơ bản khác nhau giữa 2 dạng, đặc biệt là tốc độ:

CAN L = 3,25V

CAN H = 2,5V CAN L = 2,5V Tính chất của cáp 30 pF giữa cáp và dây 2*120 Ohm

Bảng 1-2 Bảng so sánh CAN tốc độ thấp và CAN tốc độ cao

Vì tính chất vi sai trên đường truyền tín hiệu của bus CAN, sự miễn trừ tác động điện từ được đảm bảo vì 2 dây của bus đều bị tác động như nhau cùng một lúc

1.2.3 Định dạng khung CAN (CAN frame)

Miêu tả trong ISO1 có hai dạng khung (frame) là khung tiêu chuẩn và khung mở rộng Hai loại frame này khác nhau ở chiều dài trường nhận dạng ID (Identifier Field) và một vài bit trong trường phân xử (arbitration) Khung tiêu chuẩn (còn gọi

là CAN 2.0A) định nghĩa 11 bit trường nhận dạng, tương đương 2048 bộ nhận dạng khác nhau Tuy nhiên, nhiều bộ điều khiển CAN chỉ cung cấp 2032 mức (từ 0

~ 2031) Khung mở rộng (gọi là CAN 2.0B) có 29 bit trong trường nhận dạng, tức

là cung cấp hơn 500 triệu mức khác nhau để phân biệt khung cho đủ mọi loại ứng dụng Việc dùng nhận dạng khung mở rộng cũng tương thích với CAN 2.0A nhưng cũng thường dẫn tới lỗi mất điều khiển, và hay dẫn đến mạng không ổn định Cho nên, bộ điều khiển CAN loại 3 được phát triển gọi là CAN 2.0B thụ động Nó hoạt động và xử lý khung của CAN 2.0A, trong khi CAN 2.0B truyền thống thì bỏ qua khung loại này

Đáng lưu ý là trong thực tế, với lý do là khung của CAN 2.0A ngắn hơn và đơn giản hơn CAN 2.0B nên hiệu quả giao tiếp cao hơn và cũng chuẩn xác hơn Và

do vậy, CAN 2.0A được chấp nhận trong hầu hết các hệ thống CAN hiện tại Hơn nữa, các hệ thống CAN hướng sử dụng các giao thức ở lớp cao như CANOpen, De-viceNet thường dựa vào cấu trúc CAN 2.0A này

Có 4 loại khung: Data frame, remote frame, error frame và overload frame Dưới đây, ta sẽ miêu tả từng loại frame

1.2.3.1 Khung dữ liệu (data frame)

Khung dữ liệu dùng để truyền đi một message từ nút này đến nút khác qua mạng

Có 2 dạng khung dữ liệu:

- Khung tiêu chuẩn

- Khung mở rộng

Hình 1-12 Định dạng khung dữ liệu Trong đó:

- SOF (Start Of Frame): 1 bit, chức năng là bắt đầu một khung, và chức năng

đồng bộ bit Giá trị “0”

- Identifier: Đây là trường nhận dạng, để nhận dạng duy nhất loại khung của

dữ liệu dịch vụ đang dùng trên mạng Lớp MAC sẽ dùng trường này để nhận dạng, quản lý quyền ưu tiên của khung, và được dùng bất cứ khi nào có xảy

ra xung đột Giá trị của trường nhận dạng này càng thấp thì quyền ưu tiên càng cao Trong khung tiêu chuẩn thì trường này có 11 bit, trong khung mở rộng thì ngoài 11 bit này thì còn có thêm 18 bit (18 bit ID extension) nữa như trên hình vẽ

- RTR (Remote Transmission Request): Có 1 bit Để phân biệt giữa khung

Da-ta và khung Remote Giá trị “0” thì là khung daDa-ta, giá trị là “1” thì là khung remote Khung data có ưu tiên cao hơn khung remote nếu có cùng một giá trị trường nhận dạng

- IDE (Identifier Extension): Có 1 bit Dùng để nhận dạng khung này là khung

tiêu chuẩn hay khung mở rộng Giá trị “0” thì là khung tiêu chuẩn Giá trị

“1” thì khung này là khung mở rộng

- r0, r1: là 2 bit reserved Đây là bit dành riêng, có giá trị “0”

- SRR (Substitute Remote Request): 1 bit Cũng là các bit dành riêng cho các

mục đích riêng

- DLC (Data Length Code): 4 bit Dùng để chỉ ra độ dài của trường data trong

khung Vì có 4 bit nên giá trị có thể từ 0 ~ 15 Nếu giá trị của trường này nằm trong khoảng từ 0 ~ 8 thì thể hiện độ dài của trường data Nếu nằm trong khoảng từ 9 ~ 15 thì độ dài của trường data là 8 và cũng tương ứng với từng loại ứng dụng của data

- 0 ~ 8 byte Data: chứa từ 0 ~ 8 byte dữ liệu thông tin cần truyền trên mạng

Lưu ý là 8 byte là độ dài lớn nhất của trường này

- CRC (Cyclic Redundancy Check): Dùng để kiểm tra lỗi bit

- ACK field: 2 bit Báo cho node phát biết được rằng node nhận nhận đúng

frame không Nếu 2 bit này đều bằng “0” thì báo hiệu nhận đúng frame nhận được từ node gửi

- EOF (End Of Frame): 7 bit liền nhau, giá trị “1” Thể hiện khung được nhận

hoàn thiện không lỗi truyền dẫn cho đến bit cuối cùng của trường này

- IMS (Intermission): 3 bit giá trị “1” Giữa các khung khác nhau chèn thêm

những bit IMS này

1.2.3.2 Remote frame

Remote frame tương tự như khung dữ liệu Khác nhau duy nhất là chúng không mang

dữ liệu (ví dụ trường dữ liệu không xuất hiện trong trường hợp này) Chúng thường được dùng để yêu cầu một khung xác định được gửi trên mạng bởi node đầu xa Cần chú

ý rằng node yêu cầu không biết ai là ngừoi tạo ra các thông tin liên quan Nó phụ thuộc vào bên nhận để phát hiện node phải trả lời

Trường DLC trong Remote framexa không được sử dụng bởi giao thức CAN Dù vậy nó được đặt cùng giá trị như khung dữ liệu tương ứng để giải quyết trạng trường hợp mà một vài node gửi yêu cầu từ xa có cùng số nhận dạng tại cùng một thời điểm

Cũng nên chú ý rằng do cách mà bit RTR được mã hóa, nếu một yêu cầu được thực hiện cho một đối tượng ở cùng thời điểm mà việc truyền dẫn của đối

tượng này được bắt đầu, sự cạnh tranh được giải quyết theo hướng ưu tiên khung

dữ liệu

1.2.3.3 Khung lỗi (error frame)

Khung lỗi được sử dụng để thông báo cho các node trong mạng rằng một lỗi đã xảy

ra Chúng chứa hai trường errorflag và errordelimiter Có hai loại cờ lỗi (errorflag) là

cờ chủ động được tạo bởi 6 bít dominant và cờ lỗi thụ động được tạo bởi sáu bít cessive Một cờ lỗi chủ động (active errorflag) vi phạm các luật nhồi bít hoặc các phần định dạng cố định trong khung đang được trao đổi Vì vậy, nó biểu thị một trường hợp lỗi mà trường hợp lỗi này được phát hiện bởi tất cả các trạm còn lại kết nối vào mạng Mỗi node phát hiện được một trường hợp lỗi sẽ phát ra một cờ lỗi

re-Bằng cách này, theo sự truyền dẫn của cờ lỗi, có từ 6 đến 12 bit dominant trên bus Trường “error delimiter” bao gồm 8 bit recessive Sau khi truyền một cờ lỗi mỗi node bắt

đầu gửi bit recessive đồng thời giám sát trạng thái bus cho đến khi một bit recessive được tìm thấy Khi đó, node gửi 7 bits recessive như thế là hoàn chỉnh trường error delimiter

1.2.3.4 Overload frames

Khung quá tải có thể được sử dụng bởi các bên nhận chậm để làm chậm họat động của mạng Điều này được thực hiện bằng cách thêm độ trễ giữa các các dữ liệu liên tiếp và/hoặc các khung đầu xa Định dạng khung rất giống với khung lỗi Đặc biệt

nó chứa một cờ quá tải được theo sau bởi một delimiter tràn Chú ý rằng các bộ điều khiển CAN ngày nay là rất nhanh nên khung quá tải này hầu như không sử dụng

1.2.4 Kỹ thuật truy nhập và giải quyết tranh chấp trên bus mạng CAN

1.2.4.1 Kỹ thuật truy nhập

Cơ chế điều khiển truy nhập đường truyền mà CAN sử dụng là CSMA Khi không

có khung nào được trao đổi, mạng rỗi và mức độ sử dụng trên bus là recessive Trước khi gửi một một khung, các node phải có được trạng thái của mạng Nếu mạng rỗi, khung được truyền ngay tức khắc Nếu không, node mạng phải chờ việc

truyền khung hiện tại kết thúc Mỗi khung bắt đầu với bit SOF ở trạng thái nant” thông báo cho các node khác rằng mạng đã chuyển tới trạng thái bận

“domi-Mặc dù là hiếm khi xảy ra nhưng có thể hai hoặc nhiều hơn các node mạng cùng bắt đầu truyền tại một thời điểm Điều này có thế xảy ra vì trễ lan truyền trên bus dù sao cũng lớn hơn không Vì vậy một node có thể bắt đầu truyền trong khi bít SOF của khung khác còn đang đi trên bus Trong trường hợp này thì xung đột sẽ xảy ra Trong mạng CSMA dựa trên phát hiện xung đột, điều này chắc chắn dẫn đến các khung liên quan bị hỏng và như thế có nghĩa là chúng phải được truyền lại Hậu quả là tốn thời gian và băng thông hiệu dụng của mạng giảm Trong điều kiện tải cao, nó có thể dẫn đến nghẽn: Khi số lượng xung đột là quá cao đến mức mà băng thông hiệu dụng trên mạng Ethernet thấp hơn tốc độ dữ liệu cần truyền, mạng sẽ bị trễ

Không giống như Ethernet, CAN có thể giải quyết tranh chấp một cách chắc chắn

để cả thời gian lẫn băng thông thông không bị lãng phí Vì vậy điều kiện nghẽn có thể không xảy ra nữa và toàn bộ băng thông lí thuyết của hệ thống là sẵn sàng thực sự cho truyền thông

Sự thực là sự canh tranh trên CAN xảy ra thường xuyên hơn mọi ngừoi nghĩ Khi một node có một khung cần truyền nhận thấy bus bận hoặc không cạnh tranh,

nó chờ cho kết thúc trao đổi khung hiện tại và ngay sau khi thời gian nghỉ trôi qua,

nó bắt đầu truyền Ở đây node này có thể cạnh tranh với các node khác cũng có yêu cầu truyền vừa được tạo ra Trong trường hợp này, các node khác đồng bộ đúng thời điểm bít SOF đầu tiên được nhận thấy trên mạng

Điều này có nghĩa rằng hoạt động của mạng CAN là một hàng đợi truyền dẫn phân bố diện rộng mà các bản tin được lựa chọn cho truyền dẫn theo thứ tự ưu tiên

1.2.4.2 Phân xử bus

Đặc tính khác biệt nhất của kĩ thuật truy nhập mạng CAN là khả năng giải quyết một cách triệt để bất kì xung đột mà nó có thể xảy ra trên mạng Lần lượt, nó có thể

thực hiện bởi cơ chế phân xử bằng cách tìm ra khung nào khẩn cấp nhất mỗi lần có cạnh tranh bus

Cơ chế phân định bus cho phép sự xung đột được giải quyết bằng cách dừng truyền dẫn của các khung liên quan ngoại trừ khung có độ ưu tiên cao nhất (ví dụ bộ nhận dạng thấp nhất) Kĩ thuật phân xử khai thác các tính năng đặc biệt của tầng vật

lí của CAN và phối hợp giữa tất cả các node Đặc biệt, mức độ của bus là dominant nếu tối thiểu một node đang gửi một bit dominant hoặc ngược lại mức độ trên bus là recessive nếu toàn bộ các node đang phát các bít recesive

Bằng phương pháp kĩ thuật đếm ngược nhị phân (binary countdown), ngay sau bit SOF, mỗi node phát bộ nhận dạng bản tin một cách nối tiếp trên bus, bắt đầu

từ bít quan trọng nhất Khi phát, mỗi node kiểm tra trạng thái trên bus so với giá trị của bit đang được phát ra Nếu node đang phát một bít recesive, ngược lại trạng thái trên bus là cao dominant, node hiểu rằng nó mất sự cạnh tranh và rút lui ngay tức khắc Đặc biệt, nó ngừng phát và thiết lập cổng đầu ra của nó ở trạng thái “reces-sive” để không can thiệp với các node đang cạnh tranh khác Đồng thời nó chuyển tới trạng thái nhận để đọc các khung đến

Kĩ thuật đếm ngược nhị phân đảm bảo rằng trong trường hợp một xung đột xảy ra, toàn bộ các node đang gửi khung ưu tiên thấp hơn sẽ không truyền dẫn vào lúc cuối của trường phân xử (arbitration field) ngoại trừ node đang gửi khung có độ

ưu tiên cao nhất (cũng chú ý rằng node chiến thắng thậm chí không nhận ra là có xung đột xảy ra) Có nghĩa là hai node trong một mạng CAN không thể phát các bản tin liên quan đến cùng một đối tương (đặc trưng bởi một cùng một bộ nhận dạng) ở cùng một thời điểm Nếu không, thì sự xung đột không thể quản lí có thể xảy ra, nó gây ra các lỗi truyền dẫn Nó sẽ gần như chắc chắn dẫn đến bùng nổ lỗi trên bus vì đặc tính truyền lại tự động của bộ điều khiển CAN cho đến khi các trạm liên quan được ngắt ra bởi cơ chế giới hạn lỗi Như vậy thì chỉ một node có thể phát một đối tượng

Một ngoại lệ đối với luật này là các khung không có trường dữ liệu, ví dụ các khung đầu xa Trong trường hợp này, nếu một xung đột xảy ra giữa các khung có

cùng một bộ nhận dạng, chúng sẽ gối lên nhau hoàn toàn và vì vậy không còn xung đột thực sự xảy ra Nó cũng đúng với khung dữ liệu có trường dữ liệu không rỗng miễn là nội dung của trường này là giống hệt toàn bộ các khung có chung bộ nhận dạng Dù vậy, nó là không có ý nghĩa nếu gửi các khung có trường dữ liệu thế này

Tất cả các node mất cạnh tranh phải cố gắng phát lại ngay sau khi sự trao đổi của khung hiện tại kết thúc Các node sẽ cố gắng gửi các khung lại ngay sau khi thời gian nghỉ được nhận thấy trên bus Ở đây, một sự xung đột mới có thể xảy ra liên quan đến các khung được gửi bởi các node mà yêu cầu truyền dẫn cho các node này được tạo ra khi bus đang bận

Một ví dụ chỉ rõ họat động của pha phân xử trong CAN được phác ra trong hình sau Ở đây, ba node (là các node A, B, C) bắt đầu phát một khung ở cùng thời điểm (có thể ở cuối thời gian nghỉ sau khi khung trước đó được phát) Ngay sau khi một node hiểu nó mất cạnh tranh, nó chuyển mức độ đầu ra của nó tới giá trị reces-sive để nó không giao tiếp với các node phát khác nữa Sự kiện này xảy ra khi node

A gửi bit ID5 trong khi đối với node B nó xảy ra ở bit ID2 Node C có thể gửi toàn

bộ trường bộ nhận dạng và sau đó nó có thể tiếp tục phát phần còn lại của khung

Hình 1-13 Pha phân xử trong CAN

1.2.4.3 Xử lý lỗi

Một trong những yêu cầu chính, cơ bản trong định nghĩa giao thức CAN là hệ thống

có thể phát hiện ra hầu như các lỗi truyền dẫn Vì vậy, phần định nghĩa quản lí lỗi được quan tâm đặc biệt

Đặc tả CAN đưa ra 5 cơ chế khác nhau để tìm lỗi truyền dẫn:

1.2.4.4 Kiểm tra mã vòng dư CRC

Khi truyền một khung, node truyền sẽ thêm 15 bit mã CRC vào cuối của khung Node nhận sẽ xem xét lại CRC xem nó có phù hợp với khung được phát Nói chung, CRC được sử dụng trong CAN có thể phát hiện lên tới 5 bít lỗi được phân bố bất kì trong khung hoặc một cụm lỗi lên tới 15 bit

1.2.4.5 Kiểm tra khung

Các trường định dạng cố định trong khung nhận được có thể dễ dàng được kiểm tra lại giá trị mong muốn Ví dụ như trường CRC và ACK delimiter cũng như trường EOF phải ở mức recesive Nếu một hoặc nhiều hơn các bit sai được phát hiện, khung lỗi sẽ phát lại

1.2.4.6 Kiểm tra xác nhận (Acknowledgement check)

Node phát kiểm tra xem bit ACK có được đặt giá trị “dominant” trong khung nhận được không Nếu không, một lỗi acknowledgement sẽ được tạo ra

- Bit giám sát

Mỗi node phát sẽ so sánh trạng thái trên bus với giá trị của bit đang được phát

ra Nếu không phù hợp thì lỗi sẽ được tạo ra Việc kiểm tra lỗi như thế này rất hiệu quả trong việc tìm kiếm lỗi nội bộ có thể xảy ra trong node phát

- Bít nhồi (bit stuffing)

Mỗi node kiểm tra luật nhồi bít từ bit SOF tới CRC xem có bị vi phạm không Lỗi này xảy ra khi phát hiện 6 bit giá trị giống hệt nhau trên bus

Xác xuất lỗi trong bản tin không được tìm ra trong mạng CAN ở điều kiện

họat động thực tế đã được đánh giá khoảng 4.7x10−11 hoặc thấp hơn

1.2.4.7 Giới hạn lỗi

Để tránh một node đang hoạt động sai gửi lặp các khung lỗi gây ra nghẽn toàn bộ mạng, có cơ chế giới hạn lỗi trong đặc tả CAN Đơn vị giới hạn lỗi giám sát lớp con MAC xem có hoạt động đúng không, nếu node hoạt động sai, nó sẽ ngắt node ra khỏi bus Cơ chế giới hạn lỗi được nghĩ ra để phân biệt sự khác nhau giữa

hư hỏng vĩnh viễn và các xáo trộn ngắn mà nó gây bùng lên các lỗi trên bus Theo

cơ chế này, mỗi node có thể ở một trong ba trạng thái lỗi chủ động, lỗi bị động, bus

bị ngắt

Các node lỗi chủ động và lỗi bị động xảy ra trong truyền thông ở cùng một cách Dù vậy, chúng phản ứng đối với điều kiện lỗi là khác nhau Chúng gửi cờ lỗi chủ động trước và gửi cờ lỗi bị động sau đó Đó là vì một node lỗi bị động đã trải qua vài lỗi, vì vậy nó nên tránh can thiệp họat động của mạng (một cờ lỗi bị động thực sự không làm sai lạc việc trao đổi khung đang xảy ra)

Đơn vị giới hạn lỗi sử dụng hai bộ đếm để giám sát hoạt động của node tương ứng với lỗi truyền dẫn và được gọi là bộ đếm lỗi truyền dẫn (transmission error

count – TEC) và bộ đếm lỗi nhận (receive error count - REC) Quy luật của TEC và

REC khá phức tạp nhưng có thể được tóm tắt như sau: Mỗi lần lỗi được phát hiện,

bộ đếm tăng lên một số lượng nhất định, ngược lại khi trao đổi thành công thì chúng giảm đi một Thêm nữa, số lượng tăng lên cho mỗi node mà được phát hiện có lỗi lần đầu cao hơn node mà đơn giản chỉ trả lời cờ lỗi Bằng cách này, bộ đếm của các node lỗi tiến đến giá trị cao hơn node đang họat động chuẩn thậm chí khi thỉnh thoảng có lỗi vì nhiễu điện từ

Khi bộ đếm vượt giá trị ngưỡng đầu tiên, node được chuyển đến trạng lỗi thụ động để cố gắng không ảnh hưởng đến mạng Ở thời điểm này, nó có thể không phát bất

kì khung nào trên mạng và nó có thể được chuyển tới trạng thái lỗi chủ động sau khi nó được reset và cấu hình lại

1.2.5 Mô hình trao đổi thông tin qua mạng CAN

Không giống như hầu hết các giao thức mạng khác dựa vào địa chỉ nút, các nút CAN giao tiếp thông qua các thông điệp (bản tin), mỗi thông điệp được trao đổi qua mạng (đối tượng) được gán một ID duy nhất mang đầy đủ thông tin của đối tượng

đó trong toàn hệ thống

Quá trình trao đổi thông tin trong mạng CAN diễn ra theo ba giai đoạn sau

- Đóng gói thông tin mã hóa và thành các khung và truyền lên bus (kỹ thuật phân xử truy nhập sẽ giải quyết bất kỳ tranh chấp có thể xảy ra trên bus)

- Do tất cả thông tin được truyền trên bus nên mỗi node đều nhận được và xử

lý trong bộ đệm của node đó

- Chức năng lọc (FAF) tại mỗi node xác định có hay không có thông tin liên quan đến các node của mình, qua đó có thể xử lý hoặc bỏ qua

Hình 1-14 Mô hình giao tiếp giữa các node qua mạng CAN

Như hình trên, node 1 truyền thông tin có liên quan đến các node 3a và 3c qua mạng Node 3b cũng nhận được thông tin đó, qua bộ lọc dữ liệu bị từ chối

Kỹ thuật truy nhập của CAN làm cho mạng này đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các hệ thống phân tán mà giao tiếp theo các mô hình Producer/Consumer Trong mạng này, dữ liệu được gửi lên bus và được định danh rõ ràng trong thông điệp

Thông tin được gửi trong mạng CAN mà không cần sự can thiệp của một bộ điều phối tập trung nào Điều này sẽ cải thiện đáng kể đáp ứng của toàn bộ hệ thống

Mạng CAN cũng được dùng để kết nối các thiết bị trong các hệ thống dựa trên mô hình giao tiếp thông thường Master/Slave Trong trường hợp này, chủ có thể sử dụng các thông điệp để hỏi thông tin trên bus Node sẽ trả lời bằng 1 bản tin khác với các thông tin liên quan

Từ đó có thể thấy được sự tương tác giữa các thiết bị được thực hiện trong mạng CAN một cách khá linh hoạt hơn Master/Slave thông thường, chẳng hạn như Profibus – DP

Các tính năng chính của CAN

Mạng CAN sử dụng thuận lợi trong các hệ thống hướng sự kiện

CSMA/CD (Ethernet, Wireless)

TDMA (Token -passing)

khi nhiều node

Mỗi node chiếm băng thông 100% trong khe thời gian của nó, không có xung đột

khiển: Profibus, ControlNet Truyền dẫn bằng các thẻ bài

Đa truy nhập phân chia theo tần

số

Mỗi node khi hoạt động sẽ chiếm một băng thông

Băng thông giới hạn, số node giới hạn

Nếu node bận, node đợi đến bus rỗi

Nếu xảy ra xung đột, bản

Có thể thêm bớt các node dễ dàng

Không xảy ra xung đột

Tránh được xung đột

Băng thông giới hạn, số node giới hạn

Chủ yếu dùng cho tín hiệu tương tự

do đó kế thừa những hạn chế của truyền thông tương tự

Khó giám sát Tốc độ truyền dẫn liên quan mật thiết đến chiều dài bus

Bảng 1-3 So sánh đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm một số giao thức truy nhập

đường truyền

1.4 Kết luận

Mạng CAN được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống nhúng như dây truyền điều khiển tự động trong công nghiệp, hàng không vũ trụ, quân sự, … vì nhiều ưu điểm so với các mạng truyền thông khác Tuy nhiên, mạng CAN vẫn tồn tại những hạn chế như xảy ra trễ trong mạng, cần chính sách lập lịch hợp lý, … để đảm bảo quá trình truyền tin thời gian thực

Giao thức sử dụng trong mạng CAN là loại đa truy nhập cảm nhận sóng mang, phân xử theo mức độ ưu tiên của bản tin (CSMA/AMP) Các bản tin sẽ được chia sẻ trong cùng 1 đường bus Tùy thuộc vào trường định danh mà bản tin sẽ được

ưu tiên truyền trong mạng trước hoặc sau Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng dịch vụ và chất lượng điều khiển của mạng

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

2.1 Hệ thống điều khiển tự động

Một hệ thống điều khiển tự động gồm ba thành phần cơ bản là đối tượng điều khiển (Object - O), thiết bị điều khiển (Controller - C) và thiết bị đo lường (Mesuring De-vice - M)

Đối tượng điều khiển là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần được điều khiển và nhiệm vụ cơ bản của điều khiển là phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều khiển sao cho đại lượng cần điều khiển đạt được giá trị mong muốn Thiết bị điều khiển là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều khiển tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động điều khiển

Đại lượng cần điều khiển còn được gọi là đại lượng ra của hệ thống điều khiển Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống gọi là tác động nhiễu

Có ba phương pháp điều khiển là điều khiển theo chương trình, phương thức

bù tác động nhiễu và phương thức điều khiển theo sai lệch

Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát ra do một chương trình sẵn trong thiết bị điều khiển Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều khiển được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống, tín hiệu phát ra nhằm bù lại tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều khiển không đổi Vì vậy hệ bù nhiễu còn được gọi là hệ bất biến Trong kỹ thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch, trong đó tín hiệu điều khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của hệ thống điều khiển Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tự động theo sai lệch được

mô tả như hình

Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình

Các tín hiệu tác động vào hệ thống:

u: tín hiệu vào

y: tín hiệu ra

x: tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)

e: sai lệch điều khiển

f: tín hiệu phản hồi

Hệ thống điều khiển tự động luôn tồn tại một trong hai trạng thái là trạng thái xác lập (trạng thái tĩnh) và trạng thái quá độ (trạng thái động) Trạng thái xác lập là trạng thái mà tất cả các đại lượng của hệ thống đều đạt được giá trị không đổi Trạng thái quá độ là trạng thái kể từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới Trạng thái xác lập đánh giá độ chính xác của quá trình điều khiển Nếu ở trạng thái xác lập vẫn còn tồn tại sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đo, giá trị này được gọi là sai lệch dư (sai lệch tĩnh), ký hiệu là

 , hệ thống được gọi là hệ thống có sai lệch dư Nếu  = 0 thì gọi là hệ thống không có sai lệch dư

Ổn định là điều kiện cần đối với một hệ thống điều khiển Tuy nhiên, một hệ thống ổn định nhưng chất lượng có thể chưa cao vì một số lý do:

- Sai lệch điều khiển lớn hay nói cách khác là độ chính xác điều khiển kém

- Thời gian quá trình quá độ có thể kéo dài gây ra tác động chậm

- Độ dao động của hệ thống khi tiến đến trạng thái xác lập lớn dẫn đến tổn thất năng lượng của hệ thống lớn

- …

Nhìn chung, chất lượng của hệ thống điều khiển được đánh giá qua chỉ tiêu tính ổn định và chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái xác lập và quá trình quá độ Quá trình quá độ của hệ thống được đánh giá bằng độ dự trữ dao động và thời gian quá

độ Có rất nhiều phương pháp để đánh giá chất lượng trạng thái quá độ như đánh giá theo sự phân bố nghiệm của phương trình đặc trưng, theo đặc tính của hệ hở… Trạng thái xác lập của hệ thống được đánh giá qua sai số xác lập của hệ thống

Có thể có nhiều yêu cầu về chất lượng cùng một lúc được đặt ra khi hệ làm việc với một tín hiệu vào nhất định nào đó Khi khảo sát quá trình điều khiển của các hệ ổn định, người ta dùng tín hiệu vào có dạng thường gặp như dạng bậc thang đơn vị, dạng hàm tăng dần đều hay sóng điều hòa để khảo sát

Bộ điều khiển là cơ cấu có cấu trúc nhất định và thông số có thể thay đổi trong phạn vi nhất định Khác với bộ điều khiển, khâu điều chỉnh được lắp ráp với thông số cố định, sau đó tính toán đối với một đối tượng cụ thể Chức năng của bộ điều khiển và khâu điều chỉnh là như nhau Có thể mắc cả khâu điều chỉnh và bộ điều khiển trong cùng một hệ thống để nâng cao chất lượng của nó

Theo chức năng, bộ điều khiển được phân thành các loại là bộ điều khiển tỉ

lệ (P - Proportional), bộ điều khiển tích phân (I - Integaration), bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI), bộ điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD – Proportional Derivative) và bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (PID) Bộ điều khiển đơn giản nhất là bộ điều khiển tỉ lệ (P), tác dụng của nó như một khâu khuếch đại với hệ số thay đổi được Thay đổi hệ

số khuếch đại có thể làm thay đổi sai lệch tĩnh nhưng không thể triệt tiêu được nó

Hệ số khuếch đại càng lớn thì hệ càng mất khả năng ổn định Tác dụng của khâu tích phân trong bộ điều khiển là triệt tiêu sai lệch tĩnh, còn chức năng của phần tử vi phân (D) là cải thiện quá trình quá độ nếu xác định đúng thông số của nó

Chương này sẽ đề cập đến các nội dung chính sau:

- Các phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống

- Luật điều chỉnh PID

- Tính điều khiển được, quan sát được của hệ thống

2.3 Các phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống

Khi tổng hợp hệ thống điều khiển, điều cốt lõi là phải đảm bảo được chất lượng của quá trình điều khiển theo yêu cầu của quy trình công nghệ, nghĩa là phải xác định được tham số tối ưu của thiết bị điều khiển Tuy nhiên, có nhiều trường hợp, khi đã xác định được tham số tối ưu của thiết bị điều khiển nhưng vẫn không đáp ứng được chất lượng của quá trình điều khiển Điều này đòi hỏi chúng ta phải tìm các biện pháp để nâng cao chất lượng bằng cách thay đổi cấu trúc của hệ thống điều khiển Sau đây là một số phương pháp thực hiện với mục đích đó

2.3.1 Phương pháp bù tác động nhiễu

Trong hệ thống điều khiển tự động có những nhiễu thường xuyên tác động làm ảnh hưởng chất lượng của quá trình điều khiển Nếu các nhiễu loạn này đo được thì có thể sử dụng nguyên lý bất biến bù tác động nhiễu để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống Nếu có một nhiễu nào đó tác động lên hệ thống nhưng tín hiệu đại lượng cần điều khiển và cả sai lệch đều không đổi thì hệ thống bất biến với tác động của nhiễu đó Như vậy, nếu chúng ta xây dựng được hệ thống bất biến với nhiễu tác động thường xuyên thì chất lượng của quá trình điều khiển được nâng cao rất nhiều Nhiễu loạn của hệ thống được chia ra làm hai loại là nhiễu phụ tải và nhiễu đặt trước Chúng ta sẽ xét hệ thống bù cho các nhiễu này

2.3.1.1 Bù nhiễu phụ tải

Hệ thống điều khiển tự động chịu tác động của nhiễu phụ tải z(t) Yêu cầu đặt ra là

phải xây dựng lại hệ thống sao cho nó bất biến với tác động đó Muốn vậy, trong hệ thống phải ghép thêm phần tử bù với hàm truyền đạt W ( )b p