DeviceNet là một hệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN, dùng để nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành. Sau này, chuẩn DeviceNet được chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor Asscociation) và được dự thảo chuẩn hóa IEC 62026-3.
DeviceNet là gì?
DeviceNet là một giao thức lớp ứng dụng và là mạng fieldbus kỹ thuật số hỗ trợ kết nối đa điểm như một mạng truyền thông giữa các bộ điều khiển công nghiệp và các thiết bị I/O (cảm biến, công tắc hành trình,..). DeviceNet cung cấp cho người dùng một mạng giao tiếp hiệu quả về chi phí để dễ dàng phân phối và quản lý các thiết bị trong toàn bộ kiến trúc hệ thống. DeviceNet sử dụng lớp liên kết dữ liệu dựa trên nền tảng CAN (Controller Area Network), cùng một công nghệ mạng được sử dụng trong các phương tiện ô tô để giao tiếp giữa các thiết bị thông minh. DeviceNet điều chỉnh công nghệ từ ControlNet (một phát triển khác của Allen Bradley) và tận dụng khả năng của CAN. DeviceNet hỗ trợ giao tiếp master/slave cũng như giao tiếp ngang hàng. DeviceNet được tiêu chuẩn hóa quốc tế trong IEC 62026-3.
DeviceNet không chỉ đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN, mà còn bổ sung một số chi tiết thực hiện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp kiểu điểm-điểm hoặc chủ tớ. Cấu trúc mạng là đường trục/đường nhánh, trong đó chiều dài đường nhánh hạn chế dưới 6 m. Ba tốc độ truyền qui định là 125 Kbit/s, 250 Kbit/s và 500 Kbit/s tương ứng với chiều dài tối đa của đường trục là 500 m, 250 m và 100m.
Mỗi mạng DeviceNet cho phép ghép nối tối đa 64 trạm. Khác với CAN, mỗi thành viên trong một mạng DeviceNet được đặt một địa chỉ trong khoảng từ 0-63, được gọi là MAC-ID (Medium Access Control Identifier). Việc bổ sung hay bỏ đi một trạm có thể thực hiện ngay khi mạng còn đóng nguồn.
Lớp liên kết dữ liệu DeviceNet tuân thủ ISO 11898-1. Tuy nhiên, chỉ cho phép hoạt động với giao thức CAN cổ điển và không sử dụng được cho Remote Frame của CAN.
Ở các lớp trên (OSI lớp 5 đến 7), DeviceNet sử dụng Giao thức Công nghiệp Chung (CIP – Common Industrial Protocol), được chỉ định bởi ODVA. CIP cũng được sử dụng bởi các công nghệ mạng khác được hỗ trợ bởi ODVA. Mạng dựa trên CIP cung cấp khả năng kết nối trong các hệ thống truyền thông không đồng nhất.
DeviceNet & CAN
Controller Area Networking (CAN) là một tiêu chuẩn truyền thông với một tập hợp con bao gồm: DeviceNet, Can Open, Can Kingdom và nhiều giao thức khác.
CAN là một tiêu chuẩn truyền thông nối tiếp nhằm giúp các thiết bị thông minh giao tiếp với nhau. Không giống như nhiều tiêu chuẩn truyền thông khác cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh với hàng nghìn hoặc hàng triệu byte dữ liệu trong một khung, CAN có tốc độ bit tối đa là 1MB. Hầu hết các ứng dụng công nghiệp thậm chí không cần đến tốc độ đó, chủ yếu sử dụng tốc độ thấp 125KB. Ngoài ra, các tiêu chuẩn khác có thể di chuyển hàng nghìn byte trong một khung, còn CAN chỉ di chuyển 8 byte dữ liệu.
Tốc độ và dung lượng là điểm mạnh của nhiều tiêu chuẩn khác, điểm mạnh của CAN là chi phí thấp và cấu hình vật lý đơn giản. Với 500KB dữ liệu, một khung có 8 byte dữ liệu chỉ truyền tải trên dây mạng trong một phần tư mili giây (tốc độ truyền thấp của CAN). Đối với nhiều ứng dụng điều khiển, tốc độ này đã là rất nhanh.
Tuy nhiên, để vi điều khiển 8-bit có thể hoạt động tốt, cần ít nhất 4K bộ nhớ chương trình và 256 byte RAM để hỗ trợ cho ứng dụng CAN.
CAN được Bosch tạo ra tại Đức vào tháng 3 năm 1985. Công ty Bosch đã thiết kế nó để thay thế hệ thống dây điện trên ô tô. Trong những ngày đầu của CAN phiên bản 1.2, các thông điệp CAN chứa mã định danh (ID) mười một bit cung cấp khả năng xử lý 2047 ID. Năm 1992, CAN 2.0 đã mở rộng kích thước ID lên 29 bit, cung cấp tới 56 triệu ID duy nhất. Vì cả hai thông số kỹ thuật vẫn đang được sử dụng (đôi khi trên cùng một dây), đặc điểm kỹ thuật 1.2 ban đầu được gọi là CAN 2.0A và thông số kỹ thuật mới 2.0 được gọi là CAN 2.0B. Một thuộc tính duy nhất của CAN là chỉ có hai trong số các lớp mô hình tham chiếu OSI được sử dụng là: Lớp liên kết dữ liệu và Lớp vật lý. CAN Data Linker thường được chia thành hai lớp con: lớp con tín hiệu vật lý (Physical Signaling) và lớp con điều khiển truy cập phương tiện (MAC – Media Access Control).
AB đã chọn CAN làm Lớp vật lý DeviceNet vì một số lý do:
- Lớp vật lý cực kỳ mạnh
- Công nghệ mở
- Bộ xử lý nhỏ (yêu cầu RAM, ROM)
- Các thành phần vật lý có giá thành thấp và có nhiều nguồn cấp
Một trong những tính năng đặc biệt nhất của CAN (và DeviceNet) là phân xử theo bit. Bitwise Arbitration là quá trình CAN sử dụng để ưu tiên các thông điệp quan trọng hơn mà không làm mất bất kỳ băng thông mạng nào. Trên mạng CAN, các bit “không” chiếm ưu thế hơn các bit “một”. Khi một thiết bị truyền một thông điệp, nó sẽ lắng nghe các bit trên mạng. Nếu một thiết bị đang truyền bit 1 và nghe thấy một bit 0, nó biết rằng một thông điệp có mức độ ưu tiên cao hơn đang được truyền đi và nó sẽ ngừng truyền. Nút có thông điệp ưu tiên cao hơn sẽ nghe các bit mà nó đang truyền và không quan tâm thông điệp có mức ưu tiên thấp hơn. Chuỗi thông điệp trên mạng được giữ nguyên.
DeviceNet & CIP
Giao thức Truyền thông và Thông tin (CIP) là một giao thức truyền thông để truyền dữ liệu tự động hóa giữa hai thiết bị. DeviceNet là sự kết hợp của Giao thức CIP và Lớp vật lý CAN. Trong Giao thức CIP, mọi thiết bị mạng tự thể hiện như một chuỗi các đối tượng. Mỗi đối tượng chỉ đơn giản là một nhóm các giá trị dữ liệu liên quan trong một thiết bị. Ví dụ, mọi thiết bị CIP được yêu cầu để cung cấp một đối tượng nhận dạng (Identity object) cho mạng.
Đối tượng nhận dạng chứa các giá trị dữ liệu nhận dạng liên quan được gọi là thuộc tính. Các thuộc tính cho đối tượng nhận dạng bao gồm ID nhà cung cấp, ngày sản xuất, số sê-ri thiết bị và dữ liệu nhận dạng khác. CIP hoàn toàn không chỉ rõ cách thực hiện dữ liệu đối tượng này, chỉ có những giá trị dữ liệu nào, thường được gọi là thuộc tính, phải được hỗ trợ và những thuộc tính này phải có sẵn cho các thiết bị CIP khác. Đối tượng nhận dạng là một ví dụ về đối tượng bắt buộc. Có ba loại đối tượng được xác định bởi giao thức CIP.
Cấu trúc mạng
Các thiết bị trên mạng được liên kết với nhau bằng cáp DeviceNet 4 dây, cho phép kết nối riêng biệt cho dữ liệu (CAN-high và CAN-low) và nguồn (Vcc và Ground). Do đó, các nút mạng có yêu cầu công suất hạn chế có thể được cấp nguồn trực tiếp từ mạng (định mức dòng điện đường trục là 8 ampe). Cấu trúc liên kết được sử dụng trong mạng DeviceNet về cơ bản là cấu trúc liên kết bus được gọi trong đặc điểm kỹ thuật là cấu trúc liên kết đường trục / đường dây cung cấp các bus xoắn đôi riêng biệt để phân phối tín hiệu và công suất. Hình minh họa bên dưới cho thấy cách cấu hình cấu trúc liên kết mạng DeviceNet.
Mạng DeviceNet yêu cầu một điện trở đầu cuối 0,25W 120Ω ở mỗi đầu của đường trục, giữa các tín hiệu CAN-H và CAN-L. Các thiết bị DeviceNet được gắn vào mạng có nguồn điện riêng phải được cách ly về điện.
