Módulo 3 – Comunicación redes industriales (ICN)

Task 3_3 - ICN – Standards: CAN, CANopen etc.

CAN (Controller Area Network) es un estándar que fue desarrollado para la industria automotriz, que en los años 80 vieron la necesidad de simplificar el creciente número de bloques eléctricos, que están incluidos en los coches. Fue la búsqueda de un reemplazo para las decenas de metros y kilos de cables entre dispositivos electrónicos y la red de comunicación digital que permite la conexión entre estos dispositivos. El fabricante de partes de automóviles Robert Bosch sugirió y desarrollo CAN, estandarizándolo luego en la norma ISO11898-1 (ver http://www.can-cia.org/index.php?id=can ).

CAN es un bus utilizado en el vehículo como un bus de comunicación conectando las unidades de control electrónico (ECU - Unidad de Control electrónico), que se "construyen" en los sistemas que administran. En un auto normalmente hay dos redes CAN, una con una velocidad de transferencia alta hasta 1Mbps (control de módulos conectados en tiempo real) y otro de poca velocidad. En la actualidad, en algunos coches también existe una red CAN de 125 kbps con transceptores tolerante para conectar la unidad de control de las bolsas de aire. La figura 1 muestra los distintos dispositivos en un coche moderno que están conectados a la CAN bus.

Descripción del protocolo Controller Area Network (CAN bus) es una interfaz en serie para la transmisión de datos en tiempo real a velocidades de

hasta 1 Mbps y tiene excelente corrección. Utilizado para datos a alta velocidad ISO 11898 y para aplicaciones de baja velocidad ISO 11519. Para la comunicación entre los dispositivos fabricados los adaptadores de interfaz son usados por muchas empresas (OKI, MICROCHIP, MOTOROLA, etc.).La línea física es de dos hilos (Fig. 2).

Fig.1. Dispositivos de CAN bus en un coche

Fig.2. Medio físico para la transmisión de datos

Los datos emitidos por CAN se envían simultáneamente en el bús (Fig. 3) para todos los dispositivos en la red.

Fig.3. Organizacion de los servicios de red usando el protocolo CAN.

Principio de funcionamiento Los principios básicos de funcionamiento del de bus CAN se pueden resumir así: а) Comunicación Broadcast - La comunicación a través del principio de difusión; б) Solicitud de transmisión remota (RTR) - Solicitud de transmisión a distancia; в) Acceso Múltiple por Bus - de bus (Acceso múltiple por muchos dispositivos); г) Bus Método de Arbitraje - método de arbitraje del bus; д) Servicio de Comunicación - servicio de comunicación por dos métodos. е) Detección Еrror - Control de errores. CAN proporciona mecanismos de control de errores

fiables. a) Mecanismo broadcast CAN está basado en el mecanismo de comunicación de difusión (difusión o transmisión a todos) que se basa en un protocolo para la transmisión de mensajes. Cada mensaje contiene un identificador de mensaje que es único en toda la red y que define el contenido y la prioridad del mensaje. Esto es importante cuando hay múltiples fuentes que desean tener acceso al bus y debe haber un arbitraje del bus. Con ello se consigue un alto grado de flexibilidad del sistema. Es fácil añadir nuevos dispositivos al bus sin necesidad de ambos de hardware o software . Esto permite una arquitectura modular, así como la recepción de un grupo de datos y la sincronización de los procesos asignados. Además, la transferencia de datos no requiere los tipos especiales de estaciones, lo que facilita el mantenimiento y la actualización del sistema. Cada estación (unidad) puede tener una "inteligencia" local (por ejemplo, incorporar microprocesadores u otro sistema electrónico) y en el estado de recepción de información de datos pasa a través del filtro. Cada dispositivo que recibe el mensaje decide si es relevante a la misma y si la acepta o no (Fig. 4)

Fig.4. Conexión de la estación de bus CAN

b) Solicitud de transmisión a distancia. Petición de transmisión remota (RTR) es una consulta a todos los nodos. El nodo que tiene una respuesta a la pregunta se le pasará en la próxima transferencia los datos solicitados. Esta trama de datos pueden ser recibido también por otros usuarios, para los que es de interés. El marco de la consulta y las tramas de datos se identifica mediante un identificador especial. En la figura 5 un dispositivo remoto envía una solicitud para transmitir en un bús con el resto de los dispositivos. El dispositivo 2 tiene una respuesta y transmite una trama con los datos solicitados. Dado que el dispositivo 4 también está interesado en estos datos, también los acepta.

Fig.5. Solicitud remota en bus CAN

c / d) Acceso múltiple del bús y arbitraje Para operaciones en tiempo real la urgencia para transmitir un mensaje a los diferentes dispositivos puede variar

significativamente: puede la red dar prioridad a los parámetros que cambian más rápido que otros. Por ejemplo, la velocidad del motor de un coche cambiará con mayor frecuencia que su temperatura.

Las prioridades de los parámetros son construidos por el método CSMA / CD (Carrier Sense, Acceso Múltiple con Detección de Colisión). Los posibles conflictos de acceso simultáneo al autobús desde diferentes nodos (capacidad de varios maestros), se pueden resolver con el sistema de arbitraje: CSMA / CD + AMP (Arbitraje de prioridad del mensaje). La prioridad de un mensaje se registra en el identificador de 11 bits en la fase inicial del diseño del sistema y no puede ser cambiado dinámicamente. El identificador con el valor binario más bajo tiene la prioridad más alta. El principio de funcionamiento de la red CAN se basa en el hecho de que si hay un bus libre, cada módulo puede comenzar a transmitir mensajes. Debido a que cada mensaje lleva una prioridad, si varios módulos transmiten al mismo tiempo el acceso al bus recibe el mensaje con la prioridad más alta. Del mismo modo, cuando un módulo recibe simultáneamente más de un mensaje, la recepción se realiza de acuerdo a la prioridad, incrustado en los identificadores. El conflicto con el acceso al bus se resuelve a través de la comparación del identificador asignado a cada estación. La figura 5 muestra un ejemplo que ilustra este procedimiento. En este ejemplo, tres nodos CAN quieren transmitir sus datos, pero el segundo nodo (Nodo 2) prevalece en arbitraje y transmite sus datos en el bus. Por lo tanto, a diferencia de Ethernet, CAN no permite la

pérdida de paquetes y la creación de colisiones. Una desventaja significativa del protocolo es que permite que bajo ciertas condiciones, los mensajes de prioridad baja no sean enviados.

Fig.5. Transmisión de mensajes sobre CAN bus

Cada uno de los módulos incluidos en la red CAN, podría requerir la recepción de mensajes mediante el envío de una solicitud remota Para cada mensaje recibido correctamente, se envía una confirmación (acuse de recibo) En los casos en que no se recibe un mensaje debido a un error, se envía la respuesta, red detecta la ocurrencia de errores permanentes y apaga automáticamente el módulo dañado. Como se ha mencionado, el contenido del mensaje se cifra con un identificador de red especial y característico de CAN que contiene información acerca de lo que se transmite en este mensaje (t, P, V, etc.) Todos los receptores reciben información y cada uno realiza pruebas del identificador para determinar lo que está contenido en este mensaje. Si el mensaje es apropiado para el receptor será aceptado y procesado, si no se omite El identificador contiene información acerca de la prioridad del mensaje que se graduó por lo menos dos niveles - los niveles de alta, baja o prioridad. La transmisión de información se encuentra en dos cables de par trenzado o una línea telefónica, si las perturbaciones inducidas no son altos

. e) Servicio de comunicación de bus CAN Protocolo CAN ofrece dos tipos de servicios de comunicación. Al usar el servicio objeto de escritura, una trama de datos se transmite de un nodo (el fabricante) para uno o más nodos receptores (usuarios o consumidores) Esto no quiere decir que sólo un nodo interesado recibirá el mensaje. Este es el servicio de comunicación clásico en el bus CAN El segundo tipo de servicio - Servicio de lectura es objeto de una solicitud para un mensaje específico Puede ser iniciada por uno o más usuarios A continuación, los nodos transmiten la llamada Remote Frame El nodo, que tiene la información solicitada, enviará una trama de datos (fig. 6)

Fig.6. servicios de comunicación de bus CAN.

Red CAN es flexible y permite una red ya existente para incluir nuevos dispositivos sin tener que hacer cambios adicionales en el hardware o software de red CAN existentes Método se puede utilizar sin retorno a cero (NRZ) de encriptación de datos (fig. 7). El uso de la codificación NRZ asegura que los mensajes compactos con un número mínimo de transiciones y la influencia insignificante de las perturbaciones externas

Fig.7. comparación de métodos de codificación

Organización del paquete de información En se transmite la información del sistema CAN y aceptada en forma de paquete o de un telegrama. Hay dos versiones de la

CAN: 2.0A y 2.0V. Versión 2.0A característica es que hay 11 bits de ID y el protocolo original de la empresa Bosh, y las versiones de 2,0 V tiene 21 bits de identificación y se desarrolló en los EE.UU., para la industria automotriz de EE.UU. Las redes CAN

desarrolladas bajo la versión 2.0A enviar y recibir información entre los dispositivos que se basan sólo en esta norma. La version 2.0V acepta y transfiere la información en redes mixtas que contienen controladores de ambas versiones 2.0A y 2,0 V.

El formato de las tramas en la versión 2.0A se muestra en la Figura 8, y las Figuras 9 - 10 de campo de gestión de demostración en el marco del campo CRC de información y el campo de ACK.

Fig.8. Form at of frames in version 2.0A

- Standard and Extended

Fig.10. Format of the field CRC Fig.9. Managing field of Information frame

Fig.11. Format ACKnowledge (ACK) field

3 El número de bytes en el marco de los datos de la lata se indica por el campo de la gestión de la longitud del código (Código de

Longitud de Datos - DLC) de 4 bits de longitud (Figuras 9). El número permitido de bytes de tramas de datos va de 0 a 7. DLC de 0 a 7 indica que la longitud del campo es de 0 a 7 bytes (véase la tabla siguiente). Otros valores de campo DLC indican que la

longitud del campo de datos es de 8 bytes. Los valores de la DLC del 9 al 15 se pueden utilizar para los propósitos especiales.]

Bit recesivo y dominante

Para la abstracción del medio de transmisión puede evitar describir con valores binarios "0" y "1". En cambio, se adoptan los términos "recesivos" y la señal de "dominante". Por ejemplo, con enlace óptico "recesivo" señal puede ser oscura y "dominante" señal de luz. Cuando la señal eléctrica "recesivo" es un alto nivel de la señal eléctrica, el "dominante" - su ausencia o bajo nivel.

Algoritmo de transmisión Inicialmente, un impulso se transmite a lo largo de la línea de mayor a menor potencial inicio de marco (SOF) seguido de un

identificador de 11 bits arbitraje, en las cuales es cifrada que se transmite. El siguiente es 1 bit de información remota transmisión solicitar (RTR), por el cual la autorización es requerida desde el transmisor para transmitir la información al receptor. Brocas r0 y r1 en el protocolo están en blanco. Código de longitud de campo de datos (DLC) tiene un tamaño de 4 bits y contiene la longitud de la información que se presentará en el intervalo de datos. Este intervalo es de 0 a 8 pulsos, que se indica en el DLC. Los próximos 15 pedacitos código Cicle de redundancia (CRC) se usan para verificar la exactitud de la información obtenida, seguidos de una pausa - DEL

Capa física CAN debe ser compatible con la presentación del régimen dominante y recesivo que significa que puede enviar y recibir

señales simultáneamente. La transmisión diferencial (incluida en el estándar ISO11898-2): es resistente a interferencias electromagnéticas, ya que ambas líneas son afectados por interferencias electromagnéticas, que se anulan mutuamente. La capa física CAN se divide en tres subcapas:

PLS (physical signaling): se lleva a cabo en chips de gobierno de CAN. Maneja la tarea de descifrar, codificación, sincronización y el tiempo de un bit.

PMA (physical médium attachement): Describe las características del receptor. Realiza la transformación lógica de los niveles lógicos de requisitos del medio físico por el cual la transmisión se lleva a cabo.

MDI (medium dependent interface): especifica las características de los cables y conectores utilizados. Características de la capa física, tal como se describe en la norma ISO 11898-2 para CAN de alta velocidad (de hasta 1 Mbit / s): Define una línea de dos conductores, con una rentabilidad total terminación en los extremos, con resistencias de un valor equivalente a la impedancia característica de la línea. • Los cables de bus se pueden colocar en paralelo, trenzado y / o blindados, dependiendo de la resistencia deseada a la

EMC. • Topología de los cables debe estar tan cerca como sea posible a la estructura de una línea simple, sin desviaciones para

evitar reflexiones. Cuando hay desviaciones para la conexión de los nodos, se recomienda que los posibles distancias más corta de estos trastornos (por ejemplo, 1 Mb / s la longitud de la variación no debe exceder de 0,3 m).

• Todos los receptores conectados entre sí. • La longitud máxima recomendada sin repetidores es de 1 km.

Capa de acceso a datos Se divide en dos sub-capas: LLC (control de acceso lógico) y MAC (control de acceso de medio ambiente) y utiliza los

mensajes con una estructura definida (Marcos).

Subcapa MAC La subcapa MAC es responsable del formato y la codificación de los marcos de control y de transmisión de medios de acceso

para la apertura y la gestión de errores. • Marcos definidos en CAN:

Trama de datos - en el que el nodo envía los datos al receptor. Trama de transmisión a distancia - RTR - en la cual el nodo da petición para la transmisión de trama de datos con el mismo

identificador. error de trama - que se envía desde el nodo cuando se detecta un error en el bus . Marco de sobrecarga - que se envía desde un nodo, cuando el nodo requiere más demora, antes de recibir los siguientes

datos de la trama / consulta. Formatos de trama se han descrito anteriormente.

f) Control de error

A diferencia de otros protocolos, el protocolo CAN bus no utiliza mensajes de reconocimiento, pero en cambio inmediatamente señala errores cuando se producen. Protocolo de detección de error CAN está equipado con tres mecanismos en la capa de los mensajes (capa de enlace de datos: capa 2 del modelo OSI):

• Cyclic Redundancy Check (CRC) errors –CRC protege la información en los cuadros de datos mediante la adición de la secuencia de control de llamada (secuencia de comprobación de Marcos - FCS) unos trozos al final de la transmisión. En el receptor que FCS se calcula otra vez y en comparación con el FCS recibido - desajuste ocurre cuando hay un error de CRC. (para detalles ver http://www.moderno.info/crc-кодове.html y material extra Канално ниво_грешки.ppt)

• Frame check errors – La estructura del marco de la transmisión se compara al marcar el campo de bits en el formato fijo y el tamaño de fotograma. El error se conoce como error de formato.

• Acknowledge (ACK) errors – Mensaje de reconocer mensajes son aceptados por el receptor. Si el emisor no recibe un mensaje de detección de error (error de ACK) está indicado.

El protocolo CAN está equipado con dos mecanismos más para la depuración a nivel de bit (capa física: capa 1 del modelo OSI): • Monitorización: La capacidad del transmisor para detectar errores se basa en la observación de las señales

en el autobús. Si hay una diferencia entre el bit transmitido y recibido, se detecta un error en los bits. Este mecanismo permite encontrar los errores de transmisión globales y locales.

• Relleno de bits: después de sucesiva transferencia de cinco bits idénticos, un poco se transmite automáticamente con el significado opuesto. Así todos los campos de la estructura de datos y aplicaciones se codifican excepto el divisor de la suma de comprobación, el intervalo entre los cuadros EOF. Este bit insertado, se borra en el receptor. A continuación es ejemplo.

Un error de marco. El nodo remitente cuyo mensaje fue terminado automáticamente intentará otra vez para enviar este

mensaje cuando lo permiten las condiciones del autobús. Para un transmisor de un mensaje es válido a menos que un error es detectado por el extremo del bastidor. Para un receptor de un mensaje es válido cuando se detecta un error en el penúltimo bit de la zona marco final. El resultado es una consistencia completa (coordinación) de información en el sistema de distribución: o todos los nodos reciben la misma información al mismo tiempo o no reciben información válida.

Aislamiento de nodos con error

La condición del bus en comparación nodo puede ser: • Activo: enviar y recibir mensajes. • Pasivo: enviar debe esperar una secuencia adicional de bits recibidos y no se puede señalar los errores con trama de error

activo. • Cancelado: debe apagar el receptor, no participa en la comunicación. Cuando un nodo acumula errores que se mueve desde activos en estado latente abd si continúa la degradación, el nodo entra

a una condición en la cual se corta, evitando poner en peligro a los demás nodos de la red.

Subcapa LLC Tras la recepción de la estructura de datos, el controlador CAN en cada nodo debe decidir si el mensaje debe ser aceptado

para el almacenamiento de su búfer de aceptación y luego será trasladado al nodo CPU por el regulador admisión. Filtro de admisión está incluido en el control del Protocolo de subcapa (LLC, Control de enlace lógico) acceso lógico de Can.

Todos los objetos de pueden tener al menos un filtro de admisión. Diferentes controladores CAN difieren en el número y tamaño de admisión comunicación filtros y filtros de la máscara y el tamaño y número de búferes de recepción y envío.

El controlador puede se llama "FullCAN", cuando el receptor tiene diferentes tampones para mensajes y cada uno tiene un filtro de admisión asociados, así para cada búfer de entrada se puede diseñar un mensaje ID específico

Bit stuffing ( a) Original data b) ( How the data looks on the line c) ( t in stored Data, after memory receiver’s he

destuffing Si uno o más errores se detectan en por lo menos una estación con los mecanismos, el programa actual se termina enviando

Un controlador se llama "BasicCAN", cuando tiene sólo uno o dos búferes de recepción que almacenan todos los mensajes filtrados.

Velocidad de transmisión y la longitud de la red

• Gama de velocidad. Todos los nodos de la red deben operar a la misma velocidad. La norma CAN no especificar la velocidad de trabajo, pero más sistemas embebidos utilizan variación de velocidad suave de 20 KBit / seg a 1 MBit / seg. Existen soluciones funcionando muy por encima de este rango. Limitar la longitud de la red. el leído sobre el método para controlar el error exige que sea distribuido a través de una red hasta su cálculo. Esto establece la longitud máxima de la red. Mayor velocidad de la transmisión, cuanto menor sea la longitud de la red. Por ejemplo, corresponde aproximadamente a una red de límite ISO 11898 longitud estándar:1 МBit/sec 40 m;

• 500 КBit/sec 100 m; • 125 КBit/sec 500 m; • 10 КBit/sec 5000 m.

Protocolo alto nivel La especificación básica CAN no proporciona muchas oportunidades necesitadas en sistemas reales tales como longitud de

datos mayores de 8 bytes, asignación automática de identificadores entre nodos, gerencia uniforme de dispositivos de diferentes tipos y funcionamiento. Por lo tanto, después de la aparición de CAN, empiezan a desarrollar las modificaciones a los protocolos de alto nivel tales como: CANopen; DeviceNet; CAN Reino; J1939; SDS.

Ventajas de CAN, • Capacidad para trabajar en un modo de tiempo real; • La sencillez de implementación y los costos de operación mínimos; • Alta resistencia a las interferencias; • acceso a la red de Arbitraje sin pérdida de rendimiento; • Control confiable del error en la transmisión y recepción; • Amplio rango de velocidad de operación; • propagación más grande en una amplia gama de dispositivos.

Desventajas de CAN

• La longitud máxima de la red es inversamente proporcional a la velocidad de la transmisión;

• • Una gran cantidad de datos oficiales en el paquete (en términos de los datos útiles);

• No existe un único estándar aceptado de protocolos de alto nivel. Red estándar ofrece amplias oportunidades para la práctica segura transmisión de datos entre nodos. Los dos siguientes cuadros muestran los conectores mas usados y su compatibilidad pin al realizar una conexión, y la tercera

tabla enumeran las principales características del bus CAN.

Transmisión de radiofrecuencia en bus CAN (transmisión RF) En algunas aplicaciones es conveniente utilizar una conexión inalámbrica. Un caso típico: tenemos dos sistemas móviles de comunicarnos unos con otros, por ejemplo, grúas, excavadoras o un tanque. La aplicación más simple para la conexión remota es un punto de conexión: por ejemplo, interrupción abrió bus CAN, y a través de un par de RF puertos adaptan a la distancia requerida (Fig. 12). Dicha comunicación puede ser detectada mediante infrarrojos (transmisión infrarroja). En ambos casos, la comunicación

se basa en estándares para la frecuencia de radio a través de infrarrojos y protocolos establecidos.

Fig.12. Conexión RF para bus CAN

Estandar CANopen CANopen es un protocolo de comunicación abierto y especificación de alto nivel del perfil del dispositivo para sistemas

embebidos, utilizados en la automatización. En términos del modelo OSI, CANopen utiliza en las capas superiores incluyendo la capa de red. CANopen estándar incluye un método de hacer frente a unos protocolos de comunicación pequeños y perfil específico de capa de aplicación del dispositivo. Internacionalmente estandarizado con el documento (EN 50325-4). Las redes basadas en CANopen son ampliamente utilizadas en aplicaciones tales como funcionamiento de la maquinaria, dispositivos médicos, transporte ferroviario, envío electrónica y automatización de construcción y producción de electricidad.

Como un protocolo de alto nivel CANopen permite definir cómo se recibe el mensaje de un protocolo CAN de nivel de campo y asegurar la interoperabilidad y sustitución de dispositivos de diferentes fabricantes que requieren capa de aplicación estandarizada y perfiles.

• La capa de aplicación proporciona un conjunto de servicios y protocolos para todos los dispositivos de diferentes tipos de redes. • Perfil de comunicación proporciona herramientas para la configuración de dispositivos y datos de comunicación y define cómo se transmiten los datos entre los dispositivos. • Perfil de dispositivo define el comportamiento específico de un dispositivo o grupo de dispositivos (por ejemplo, los dispositivos de E / S digitales, E / S analógicas, convertidores, decodificadores, etc.) Más información sobre el estándar CANopen puede encontrarse en los siguientes sitios: http://www.can-cia.org/index.php?id=canopen

http://www.nikhef.nl/pub/departments/ct/po/doc/CANopen30.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/CANopen http://ru.wikipedia.org/wiki/CANopen Estandar CAN Kingdom

CAN Kingdom es un protocolo de alto nivel similar a CANOpen, que, sin embargo, no sigue el modelo OSI. PUEDE Unido está diseñado para sistemas mecánicos. En él el sistema prevalece sobre los nodos. En su nodo tiene sistemas de la máquina "a" - está disponible para el sistema para realizar ciertas tareas según el deseo del diseñador de sistema. En pocas palabras: Unido puede sólo está diseñado para el control de la máquina con la CAN, que permite que el diseñador del sistema para obtener el mejor rendimiento y el diseñador diseño de nodos individuales sin importar el sistema específico (parece por lo tanto sido apodado Unido). Más información sobre estándar puede Unido puede encontrarse en los siguientes sitios: http://www.kvaser.com/en/about-can/higher-layer-protocols/60.html http://en.wikipedia.org/wiki/CAN_Kingdom Y en el archivo CAN Kingdom.pdf, en la que esta norma se describe en su totalidad.