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ITS Meccatronico – Reti per l’automazione F. Tramarin - 2014
I FIELDBUS
PROFIBUS
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ITS Meccatronico – Reti per l’automazione F. Tramarin - 2014
¤ Architettura di Profibus ¤ Data Link Layer
• FDL ¤ Application Layer
• FMS ¤ Profibus DP
SOMMARIO
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ITS Meccatronico – Reti per l’automazione F. Tramarin - 2014
¤ Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco • norma DIN 19245, parti 1 e 2
¤ Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3 • Profibus DP
¤ Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 • Profibus PA
¤ Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo • EN50170
¤ Nel 2001 viene inserito nello standard IEC61158 sulle reti di comunicazione di campo
Un po’ di storia…
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MODELLO OSI <-> PROFIBUS
APPLICATION à FMS
DATA LINK à FDL
PHYSICAL à RS485
APPLICATION
PRESENTATION LAYER
SESSION
TRANSPORT
NETWORK
DATA LINK
PHYSICAL
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¤ Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485
¤ Topologia • bus a più segmenti collegati da repeater • massimo 32 stazioni per segmento • 127 stazioni in totale
¤ Mezzo trasmissivo: • doppino (eventualmente) schermato • fibra ottica disponibile in alternativa
PHYSICAL
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¤ Velocità di trasmissione • 9,6 a 1500 kbit/s
¤ Lunghezza massima di un segmento • 1200 m a 93,75 kbit/s • 200 m a 1500 kbit/s
¤ Tra due nodi possono • al massimo 3 repeater • distanza massima è 4800 m
PHYSICAL (2)
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LUNGHEZZA DELLE LINEE
BAUDRATE KBIT/S 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
LINE LENGTH 1200 1200 1200 1000 400 200 100
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¤ Trasmissione Asincrona
¤ Si impiegano UART • Universal Asynchronous Receiver Transmitter
¤ Ricevitore e trasmettitore hanno clock diversi
¤ Il ricevitore deve “campionare” i bit ricevuti • necessità di usare un clock N volte superiore a
quello di trasmissione
TIPO DI TRASMISSIONE
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¤ PROFIBUS e FMS utilizzano una codifica dati NRZ
¤ Per ogni byte di dati vengono trasmessi 11 bit
CODIFICA SUL BUS
SIMBOLO CODIFICA
1 HIGH (POSITIVO)
0 LOW (NEGATIVO)
INATTIVO HIGH
1 BIT 8 BIT 1 BIT 1 BIT START DATO PARITA’ STOP
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CONNESSIONE TIPICA
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CONNESSIONE & TERMINAZIONE
Shielding
Protective Ground
RxD/TxD-P (3)
RxD/TxD-N (8)
DGND (5) VP (6)
(3) RxD/TxD-P
(8) RxD/TxD-N
(5) DGND (6) VP
Station 1 Station 2 390 Ω
220 Ω
390 Ω
(3) RxD/TxD-P
(8) RxD/TxD-N
(5) DGND
(6) VP +5 V
Terminazione alimentata: +5 V sul pin 6 del connettore
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CONNETTORI
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¤ Fieldbus Data Link
¤ Specifica le modalità di accesso al bus
¤ Garantisce l’integrità dei dati trasmessi
¤ Realizza un accesso di tipo ibrido combinando tecniche di accesso di tipo • Token passing • Master-slave
Data Link Layer: FDL
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¤ Garantisce che il diritto di accesso al bus (token) sia assegnato ad ogni nodo master entro un tempo massimo stabilito
¤ Il token (messaggio) viene fatto circolare fra i diversi master ed il tempo di rotazione massimo è prefissato
¤ Token passing è utilizzato solo per gestire la condivisione del bus fra i nodi master
TOKEN PASSING
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¤ Permette al master che detiene il token di accedere agli slave assegnati
¤ Il master può • spedire un messaggio ad uno slave • richiedere un messaggio da uno slave • max. 246 byte per messaggio
¤ È possibile implementare le configurazioni • master-slave puro • master-master puro (con token passing) • combinazione dei due
MASTER-SLAVE
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¤ Il token circola su un anello logico che comprende solo le stazioni attive
¤ Nella fase di start-up, un’apposita procedura costruisce l’anello logico
¤ Il meccanismo di accesso al mezzo di PROFIBUS è in grado di ovviare a • perdite del token • duplicazioni del token • stazioni spente o difettose
ANELLO LOGICO
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¤ In fase di configurazione viene stabilito il Target Token Rotation Time (TTR) • periodo di rotazione del token massimo
consentito in rete
¤ Quando un master acquisisce il token, esso interroga ciclicamente gli slave • inviando e/o ricevendo dati o cicli di messaggio (message cycle)
TOKEN PASSING
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¤ Quando un master riceve il token fa partire un timer che viene fermato quando il master riacquista il token
¤ L'intervallo misurato è il Real Token Rotation Time (TRR)
¤ Il tempo per cui può essere tenuto il token è il Token Holding Time (TTH) • TTH=TTR-TRR
TOKEN PASSING (2)
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¤ Quando un master riceve il token, confronta TTR con TRR
¤ Vi possono essere due casi • TRR < TTR o il master esegue tutte le trasmissioni previste fino a
quando il valore di TTR è raggiunto o tutte le trasmissioni previste sono concluse
• TRR ≥ TTR o il master può eseguire una sola trasmissione ad alta
priorità
TOKEN PASSING (3)
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¤ Quando il master cede il token alla successiva stazione attiva (Next Station - NS), attende di vedere attività sulla rete generata dalla sua NS entro uno slot time
• Se non c’è attività o ripete la trasmissione del token o eventualmente per due volte
• Se anche dopo il terzo tentativo la stazione non rileva attività sulla rete o il token viene trasmesso alla prima fra le stazioni attive
successive a NS nella lista delle stazioni attive (LAS)
TOKEN PASSING (3)
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¤ Il protocollo è in grado di gestire la trasmissione di messaggi a priorità diverse • messaggi ad alta priorità o Se presente, ne viene trasmesso sempre almeno
uno ad ogni ricezione di token • messaggi a bassa priorità
¤ L’ordine di trasmissione dei messaggi quando il master acquisisce il token avviene per priorità
GESTIONE DI PRIORITÀ
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¤ Deriva dallo standard internazionale MMS • ISO 9506-1-2
¤ si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione che possono essere scambiati tra nodi della rete
¤ Gli oggetti di comunicazione sono contenuti nel Virtual Fieldbus Device (VFD) e descritti nel Dizionario degli Oggetti
¤ La comunicazione è di tipo client-server
APPLICATION LAYER: FMS
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APPLICATION LAYER: FMS PROFIBUS - FMS Protocol Architecture
A li i PApplication Process
Application Layer Interface (ALI)
Application-Layer (7)EN 50 170
V l 2 Fieldbus Message Specification (FMS)
pp y ( )
Vol 2Part 2
Fieldbus Message Specification (FMS)
Lower Layer Interface (LLI)
Layer 3 to 6
Data-Link-Layer (2)EN 50 170Vol 2 Fieldbus Data Link (FDL)
yare not explicit
Physical-Layer (1)
Vol 2Part 1
Fieldbus Data Link (FDL)
PROFIBUS Transmission Medium
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¤ Variabili
¤ Eventi
¤ Dizionario degli oggetti
¤ Domain
¤ Program Invocation
Esempi di oggetti di comunicazione
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¤ I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti • a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di
servizi
¤ Tra i più importanti • Servizi di gestione del dizionario degli oggetti • Servizi di accesso alle variabili • Servizi di gestione degli eventi • Servizi di gestione domain e program invocation
Servizi FMS
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¤ FMS definisce 5 tipi di variabili: • Variabili semplici • Array • Record • Liste di variabili • Accesso fisico
¤ I servizi a disposizione sono tipicamente Read e Write
Accesso alle variabili
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¤ Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti • ALLARMI
¤ Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica
Gestione degli Eventi
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¤ Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra master e slave
¤ Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s
¤ Physical layer e Data link layer sono gli stessi di Profibus
Profibus DP
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Profibus DP e modello ISO/OSI
Profibus DP
• Non esistono funzioni di livello 7
• Profibus DP usa solamente i servizi del data link layer
• Le funzioni DP accessibili all’utente attraverso la User Interface vengono mappate nel data link layer dal Direct Data Link Mapper (DDLM)
User Interface
Direct Data Link Mapper
DATA LINK à FDL
PHYSICAL à RS485
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¤ DP-Master Class 1 (DPM1) • Central Controller which exchanges data with the
distributed I/O devices (DP-Slaves) • Several DPM1 are permitted, typical devices are
PLC, PC, VME
¤ DP-Master Class 2 (DPM2) • Configuration, Monitoring or Engineering tool
which is used to set up the network or parametrize / monitor the DP-Slaves
¤ DP-Slave • Peripherial device directly interfacing the real I/O
signals • Typical devices are Inputs, Outputs, Drives,
Valves, Operator Panels…
3 TIPI DI DISPOSITIVO
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¤ Raggiungono tempi di ciclo più corti
¤ Formati da • 1 DP-Master (Class 1) • Da 1 a max. 125 DP-Slaves • DP-Master (Class 2) - opzionale
PROFIBUS-DP - Monomaster
DP-Master (Class 1)
Distributed Inputs and Outputs
DP - Slaves
PROFIBUS-DP
PLC
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PROFIBUS-DP Multimaster System Più DP-Master
possono accedere un DP-Slave tramite funzioni Di lettura
PROFIBUS-DP Multimaster: - Masters (Class 1 or 2) multipli
- da 1 a max. 124 DP-Slaves - max. 126 dispositivi sullo stesso bus
DP-Master (Class 2)
DP-Master (Class 1)
DP-Master (Class 1)
distributed inputs and outputs distributed inputs and outputs
PLC
PROFIBUS - DP
PC
CNC
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¤ Operazioni che possono essere eseguite sugli slave o Scambio ciclico di dati o Lettura della diagnostica o Set dei dati di parametrizzazione o Controllo dei dati di configurazione o Emissione comandi di controllo globali o Lettura ingressi/uscite o Lettura configurazione o Cambio indirizzo di uno slave
Funzioni DP Master
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¤ Vengono inviati dal master a tutti gli slave o a gruppi di slave specificati nel messaggio di parametrizzazione
¤ Consentono di • Sincronizzare gli ingressi o FREEZE
• Sincronizzare le uscite o SYNC
• Eseguire il reset di tutte uscite o CLEAR
Comandi di controllo globali
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¤ È composto da
• 6 byte obbligatori di informazioni generali specificate dallo standard
• fino a 238 byte opzionali di diagnostica estesa dello slave il cui formato è specificato dallo standard
Messaggio di diagnostica
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¤ Messaggio di Parametrizzazione • Il messaggio di parametrizzazione è composto da: o 7 byte obbligatori specificati dallo standard o fino a 237 byte opzionali liberamente definibili
dall’utente
¤ M. di Configurazione • Con questo messaggio il master specifica la
configurazione di input/output dello slave • Se lo slave ha una configurazione diversa, non
accetta il messaggio o Il messaggio contiene al massimo 244 byte
Altri messaggi
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CAN
Controller Area Network
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¤ Introdo0o a metà degli anni 80 dalla Bosch GmbH per risolvere i problemi di cablaggio a bordo auto
¤ Ora norma internazionale ISO 11898
¤ Molto ada0o anche come rete di campo a livello disposiGvo
¤ Definisce il solo livello data-‐link
Generalità
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¤ Semplice ed economico
¤ Ampia disponibilità di componenG e strumenG di sviluppo
¤ Molto diffuso ¤ CenGnaia di milioni di nodi CAN a0ualmente
installaG
Caratteristiche di CAN
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Profilo di comunicazione
CANLivello Data-Link
Logical Link Control
Medium Access Control
Livello Application
servizi ad alto livello, profilo dei dispositivi
Processi Applicativi
Livello physical
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¤ Topologia a bus condiviso ¤ Usa un semplice doppino intrecciato
¤ Estensione fino a 6 Km o a 10 Kbps
¤ Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s o massima estensione in questo caso 40 m
Livello fisico (I)
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¤ Interfaccia simile ai circuiti a collettore aperto o livello sul bus dominante o recessivo
¤ La codifica di linea prevede • Una tecnica di trasmissione NRZ • Una tecnica di bit stuffing per garanGre la
sincronizzazione dei ricevitori
Livello fisico (II)
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A B C BUS
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¤ Rete mulGmaster ad accesso casuale (CSMA) simile a Ethernet
¤ Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo fisico
¤ Sulla rete vengono scambiate variabili secondo il principio produ0ore/consumatore
¤ Le variabili sono individuate univocamente da un idenGficatore
Medium Access Control
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¤ Basata sulla priorità degli oggeT scambiaG
¤ La priorità è definita dall’idenGficatore
¤ Fase di arbitraggio non distruTva per risolvere le contese sul bus
¤ GaranGsce un comportamento determinisGco e prevedibile
Risoluzione delle collisioni
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¤ Data Frame
¤ Remote frame
¤ Error frame
¤ Overload frame
Frame CAN
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Data Frame
CONTROL DATA CRC ACK EOF IDENTIFIER S O F
R T R
1 11 1 6 0-64 16 2 7 Numero di bit
Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit
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¤ Sono simili ai data frame ma non contengono il campo daG
¤ Il bit RTR assume valore recessivo ¤ UGlizzaG per richiedere che il valore di un ogge0o specificato venga immesso in rete
¤ Il nodo remoto che si riconosce produ0ore della variabile la deve imme0ere in rete
Remote frame
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¤ ParGcolare Gpo di messaggio uGlizzato dal sistema di controllo degli errori
¤ Un nodo che rileva un errore inizia immediatamente la trasmissione
¤ E’ cosGtuito da due campi • error flag • error delimiter
¤ Error delimiter è composto da una sequenza di 8 bit a livello recessivo e segue immediatamente l’error flag
Error frame
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Error frame
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Error Flag Error Sovrapposizione di Delimiter Error Flags Interframe Space Data Frame Error Frame
6 Bit 0...6 Bit 8 Bit 3 Bit
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¤ Può essere di due tipi, a seconda dello stato in cui si trova il nodo CAN: attivo o passivo Ø Attivo: costituito da 6 bit di livello dominante, quando è
trasmesso provoca un errore di ricezione in tutti i nodi Ø Passivo costituito da 6 bit di livello recessivo
¤ La trasmissione di un error frame da parte di un nodo forza un’analoga trasmissione da parte di tutti gli altri nodi
Error Flag
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Error frame attivo e passivo
Error Flag
Error Sovrapposizione di Delimiter Error Flags Interframe Space Data Frame Error Frame
Iniziato da un nodo ERROR ACTIVE
Iniziato da un nodo ERROR PASSIVE
6 Bit 0...6 Bit 8 Bit 3 Bit
6 Bit 0...6 Bit 8 Bit 3 Bit
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¤ Quando viene rilevato un errore (locale o globale) viene trasmesso un Error Flag • l’errore viene propagato a tuT gli altri nodi • globalizzazione dell’errore • in caso di errori locali i diversi Error Flag si sovrappongono
¤ L’Error Flag è seguito da un Error Delimiter: • la sequenza risultante sul bus è composta da 6 a 12 bit dominanG seguiG da 8 bit recessivi
Gestione degli errori
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¤ Il messaggio viene scartato da ogni nodo • garanzia di consistenza
¤ Vengono incrementaG gli Error Counter di ogni nodo: • meccanismo di confinamento dei guasG
¤ La trasmissione del messaggio viene ripetuta automaGcamente
Gestione degli errori (II)
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¤ Esistono 5 diversi meccanismi per il rilevamento degli errori, che operano simultaneamente:
1. Cyclic Redundancy Check 2. Frame Check 3. Acknowledge Error Check 4. Bit-‐Monitoring 5. Bit-‐Stuffing
Rilevamento degli errori
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Cyclic Redundancy Check
Inter- frame-
Space Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Field
Start of Frame Data Field CRC Field
1 1 12 6 0 - 64 15 1 1 7 3
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¤ CAN uGlizza un CRC su 15 bit • ada0o per messaggi di piccole dimensioni • offre un’oTma copertura dagli errori
¤ Il bit che segue il CRC (CRC delimiter) è trasmesso a livello recessivo
Cyclic Redundancy Check
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¤ CAN realizza un meccanismo elementare di acknowledge distribuito • il trasmettitore setta il bit di ack nel frame inviato
a livello recessivo • ogni nodo che riceve correttamente il messaggio
sovrascrive il bit di ack con un livello dominante • contemporaneamente alla trasmissione del bit di
ack il trasmettitore rileva lo stato del bus o se rileva un livello recessivo, ciò vuol dire che
nessun altro nodo ha letto il messaggio o in questo caso viene generato un errore di
acknowledge
Meccanismo di acknowledge
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¤ Alcuni campi del frame hanno formato fisso (sono a valore recessivo) • occorre verificare che tali campi abbiano effeTvamente il valore previsto
• in caso contrario viene generato un errore di formato
Frame check
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Frame check
Inter- frame- Space
Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Delimiter
Start of Frame Data Field ACK Slot CRC Field CRC Delimiter
1 1 12 6 0 - 64 15 1 1 7 3
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¤ Ogni trasmeTtore, mentre invia un messaggio sul bus legge contemporaneamente il livello dello stesso: • se il bit scri0o e il livello le0o differiscono viene generato un errore di bit monitoring
• questo non si applica al campo di arbitraggio, dove tale condizione non implica un errore ma semplicemente la perdita della contesa
• non si applica neppure al campo di acknowledge, che viene gesGto in modo diverso
Monitoraggio del segnale
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¤ Per garanGre che i ricevitori possano sincronizzare il proprio clock locale tramite DPLL, il segnale trasmesso deve contenere un numero adeguato di fronG: • il bit stuffing assicura che lo stream di bit sul bus contenga un numero di transizioni sufficiente per la sincronizzazione
• l’assenza prolungata di fronG indica un errore o una condizione di bus idle
Bit stuffing
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¤ Ogni qualvolta nel bit stream in uscita vengono individuaG 5 bit allo stesso livello • viene aggiunto un bit al valore opposto • stuff bit
¤ I ricevitori sono in grado di eliminare gli stuff bit per rio0enere la sequenza originale
¤ Più efficiente della codifica Manchester
Bit stuffing (II)
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¤ È cosGtuito da un overload flag e da un overload delimiter uguali a quelli dell’error frame con flag aTvo
¤ È trasmesso da un nodo sovraccarico per rallentare le operazioni in rete
¤ Viene trasmesso nello spazio a disposizione tra la trasmissione di due frame successivi
Overload frame
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¤ Il livello data link non soddisfa ai requisiG fondamentali di una rete di comunicazione di campo
¤ Necessità di un livello applicazione
¤ CAN non definisce uno standard del livello applicazione
Livello Applicazione
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¤ Alcune associazioni hanno realizzato dei protocolli applicazione basati su CAN
¤ Successivamente sono diventati IEC 62026
Ø CANopen Ø CAN in Automation, CiA, www.can-cia.org
Ø DeviceNet Ø Open DeviceNet Vendor Association, ODVA,
www.odva.org
¤ Un ulteriore prodotto interessante è CAN Kingdom ¤ Kvaser
CAN: Livello Applicazione
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