In questo lavoro è stata considerata la possibilità di poter utilizzare nel controllo di un sistema con microprocessore l utilizzo di un protocollo

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1 In questo lavoro è stata considerata la possibilità di poter utilizzare nel controllo di un sistema con microprocessore l utilizzo di un protocollo di comunicazione. Ci si è rivolti ad un protocollo di comunicazione, il CAN ( Controlled Area Network ), inizialmente utilizzato in ambiente automobilistico, ma che sta sempre più diffondendosi anche in campo industriale per le sue grandi proprietà di flessibilità di configurazione. Per l utilizzo del sistema di comunicazione si è progettato un interfaccia hardware tra microprocessore e linea fisica CAN, con l aggiunta di un buon numero di funzioni di gestione della comunicazione e un programma in ambiente Windows per le fasi iniziali di inizializzazione rendendo quindi il progetto utilizzabile anche da chi non conosce il protocollo. Il sistema è stato provato sia nelle sue velocità limite di trasmissione, sia come parte integrante di sistemi di controllo. Inoltre è stata studiata la possibilità di utilizzare nel controllo di un sistema non solo un microprocessore, ma più microprocessori comunicanti tra loro per mezzo del CAN. Il progetto sviluppato utilizza solo la parte fondamentale del protocollo CAN, lasciando la possibilità di utilizzare il sistema progettato con un protocollo di comunicazione a livello più alto come può essere una rete.

2 1. In questo lavoro è stata considerata la possibilità di utilizzare nel controllo di un sistema gestito da un microprocessore l utilizzo di un sistema di comunicazione, per permettere il controllo dello stesso sistema con l utilizzo di più microprocessori. Nella maggior parte dei microprocessori esiste gia un interfaccia di comunicazione seriale, la quale però permette solo un collegamento tra due dispositivi, scopo del lavoro è progettare un sistema che gestisca la comunicazione fra quanti più dispositivi sia possibile. Nel campo automobilistico, data la necessità di controllare svariati sensori in un unica automobile, viene utilizzato dalle maggiori case automobilistiche il sistema di comunicazione chiamato CAN ( Controlled Area Network ). Visto la crescita della sua diffusione in campo industriale si è pensato di utilizzarlo per lo scopo prefisso. La scelta è dovuta pure alla sua facilità di connessione, dato che l inserimento nella linea fisica di componenti per la trasmissione è quanto di più semplice e immediato, inoltre permette un esteso range di velocità di trasmissione, arrivando come velocità limite a 1 Mbit/s. Altre sue proprietà di indubbia utilità è l utilizzo per la trasmissione di una semplice linea bifilare in rame, corredata di un controllo accurato sugli eventuali errori di trasmissione presenti nei messaggi che vengono scambiati nella comunicazione. Come materiale di consultazione e approfondimento sull argomento si sono utilizzati vari data sheet e note applicative dei componenti dedicati al CAN già presenti nel mercato e si è trovato in Internet il sito della CIA ( CAN In Automation ), un associazione raggruppante un insieme di utenti e di fornitori di prodotti CAN nella quale è presente molto materiale esplicativo sul protocollo. Una volta quindi deciso il protocollo di comunicazione, trovato del materiale a riguardo, si è passato al lavoro vero e proprio, che consiste nel progettare un interfaccia hardware tra microprocessore e canale fisico di comunicazione CAN, scrivere un insieme di funzioni per la comunicazione e rendere quanto più semplice

3 l utilizzo di tale progetto anche da parte di coloro che pur non conoscendo il CAN vorrebberro utilizzarlo. Per quanto concerne la parte fisica si sono utilizzati componenti già presenti nel mercato e inglobati in un unico stampato lasciando per quanto fosse possibile disponibile ogni possibilità di configurazione. La parte di gestione della comunicazione è stata scritta in linguaggio C dato che oramai la maggior parte dei microprocessori utilizza tale linguaggio, inoltre il programma è strutturato in maniera tale da poter essere utilizzato da svariati microprocessori solo cambiando qualche riga di codice specifica del componente utilizzato. La parte di inizializzazione del sistema è stata affidata ad un programma in ambiente Windows con un interfaccia utente molto semplice, che segue l inizializzazione passo passo e descrive ampiamente i parametri da inserire nel sistema. Alla fine ci si trova di fronte ad un pacchetto software per l utilizzo immediato del sistema. Si è poi sviluppato un insieme di funzioni, utilizzanti la comunicazione CAN, capaci di gestire il controllo di un sistema con l utilizzo di più microprocessori ; mentre le funzioni di comunicazione CAN restano di valotre generale queste ultime dipendono molto dal sistema che si sta utilizzando e possono servire come esempio di utilizzo. Ma entrando nei particolari si descriva in maniera schematica la struttura dei vari capitoli : Nel primo capitolo vengono descritte le principali proprietà del CAN. Nel secondo capitolo viene descritto il progetto vero e proprio dell interfaccia tra microprocessore e CAN bus, sia nella sua parte fisica che nella sua parte software, inoltre è descritto l'utilizzo del programma in ambiente Windows per l inizializzazione del sistema. Nel terzo capitolo è descritto l utilizzo dell interfaccia nel controllo di due sistemi, confrontando il CAN con un altro sistema di comunicazione e con un controllo a singolo microprocessore. Nel quarto capitolo viene descritto in maniera approfondita e specifica il protocollo CAN nela sua interezza. Nelle appendici si trovano in esteso i programmi in linguaggio C sviluppati nel progetto e qualche pagina dei data sheet dei componenti utilizzati nel progetto.

4 CENNI SUL PROTOCOLLO CAN Il CAN è un protocollo di comunicazione seriale sviluppato per la prima volta dalla Bosch. La nascita e lo sviluppo del protocollo avviene nell industria automobilistica dalla necessità di collegare sempre più dispositivi di controllo in un'automobile, cercando però di non aumentare in maniera proporzionale il numero di cavi e connessioni per non incidere sul peso totale dell autoveicolo e sulla complessità del sistema. Serviva inoltre un sistema di connessione molto flessibile così da introdurre senza troppe fatiche la presenza di nuovi nodi di comunicazione e messaggi da trasmettere, dato che l impiego di sensori nel campo automobilistico è sempre più in costante aumento. La scelta di una comunicazione su bus fisico seriale, vale a dire con nodi collegati uno dopo l altro su una stessa linea di trasmissione, è stata quindi immediata. Tabella 2.1 Elenco di dispositivi di controllo presenti in un automobile controllo delle sospensioni airbag ABS (Anti Block System) ASC (Acceleration Skid Control) gestione gas di scarico (regolazione della carburazione) messa in fase del motore scatola del cambio regolazione automatica di sedili, specchietti, luci, ecc. regolazione del ventilatore chiusura porte tensionatura delle cinture comunicazione mobile (GSM,...) supporti alla navigazione (GPS,...) radio, tv, videoregistratori, ecc. Oltre a tali necessità, legate alla possibilità di collegare un gran numero di componenti e sensori, c è da risolvere il problema ambientale, difatti il sistema di comunicazione è sistemato in un ambiente molto rumoroso come quello vicino ad un motore a scoppio. Il CAN risolve la difficoltà con l ausilio di una ridondanza nel messaggio tale da ridurre la probabilità d'errore rispetto ad un messaggio senza alcun

5 controllo del 4.7e-11 e di individuare la presenza in un messaggio fino a cinque errori di trasmissione. Un ridotto esempio di quantità di dispositivi di controllo presenti su un'automobile di media cilindrata è elencato nella tabella 2.1. Data la robustezza alle interferenze elettromagnetiche e la facilità di connessione, il CAN bus viene sempre più usato anche nel campo industriale, sono nati difatti vari protocolli di gestione derivanti dal CAN e specifici per un dato campo d'applicazione. Dato non trascurabile è il costo di tale struttura che deve essere contenuto e non essere la parte preponderante di tutto l autoveicolo. Fortunatamente il mercato è ricco di componenti dedicati al CAN, portando una riduzione dei costi e una grande scelta senza alcun problema d'incomunicabilità dato che il protocollo CAN risulta unico e ben definito nella sua parte fondamentale. Il protocollo è stato codificato nella normativa ISO Si veda nella tabella 2.2 un elenco parziale dei settori in cui il protocollo CAN è già utilizzato : Tabella 2.2 Elenco di settori in cui è utilizzato il protocollo CAN Trasporto di persone o di cose Controllo del trasporto pubblico Macchinari mobili Controllo di sistemi industriali Sistemi automatici per la costruzione edile Network embedded Sistemi legati alla medicina Simulatori di volo Fisica delle altre energie ecc. Si vuole ora elencare brevemente un insieme delle proprietà principali del protocollo CAN, seguite da una breve descrizione, informazioni più complete e specifiche si trovano nel proseguio del capitolo. 1) Priorità nei messaggi : ogni messaggio ha un suo identificatore che stabilisce la priorità nella trasmissione, dato che ogni nodo utilizza lo stesso bus fisico.

6 2) Flessibilità di configurazione : è permessa qualsiasi tipo di connessione al bus, inoltre ogni oggetto può essere attaccato e staccato dal bus senza alcuna modifica del sistema 3) Multicast : il messaggio arriva contemporaneamente a tutti i nodi, sta ad ognuno di questi, leggendo ed interpretando l identificatore, stabilire se leggere e sfruttare il messaggio o non considerarlo. 4) Multimaster : il sistema non presenta un nodo master, mentre gli altri sono slave, ma semplicemente di volta in volta diventa master il nodo che sta trasmettendo qualche messaggio sul bus ( i messaggi a più alta priorità sono trasmessi prima ) 5) Scoperta e segnalazione degli errori : la scoperta avviene essenzialmente attraverso la ridondanza aggiunta al messaggio, la segnalazione di un errore avviene attraverso il bus e subito dopo la scoperta dell errore. 6) Ritrasmissione del messaggio con errore fino all'avvenuta ricezione da parte dei nodi di un messaggio senza alcun errore rilevabile. 7) Distinzione tra errori : sono considerati in modo diverso gli errori dovuti a fatti temporanei e gli errori permanenti. Nel caso d'errori permanenti dovuti a guasto di un nodo, il protocollo toglie automaticamente il nodo dalla comunicazione senza bisogno di mettere mano fisicamente al bus, viceversa nel caso di un errore temporaneo il nodo può ancora trasmettere. 2.2 CONCETTI FONDAMENTALI SUL CAN Per avere un idea di base sulle funzionalità e sul meccanismo di funzionamento del protocollo CAN si sono descritti i concetti fondamentali con l ausilio di qualche schema per la comprensione.il tipo di comunicazione utilizzato dal CAN viene denominato seriale, sia rispetto al messaggio sia rispetto alle connessioni fisiche dei nodi interessati alla comunicazione. Comunicazione seriale rispetto al messaggio significa che il messaggio non è trasmesso tutto insieme ma bit per bit a catena sulla stessa linea di trasmissione. Difatti il protocollo CAN utilizza un'unica linea di trasmissione composta nel caso più semplice da due fili elettrici e quindi permette la trasmissione di un solo bit per volta ; il messaggio diventa quindi una sequenza ordinata di bit. La comunicazione

7 seriale comporta una presenza ridotta al minimo delle connessioni fisiche tra nodo e nodo, permettendo una riduzione del numero di cablaggi e di connessioni necessari alla comunicazione. Difatti il CAN è nato in campo automobilistico dove è importante ridurre al minimo l ingombro e il peso totale di tutte le connessioni utilizzate nella gestione del veicolo. Questa scelta comporta una ridotta velocità di trasmissione dei dati ; difatti un canale costituito da n linee di trasmissione al posto di una necessariamente riesce a trasmettere n volte più messaggi della linea unica nello stesso tempo, ma la velocità massima del protocollo CAN, che è di 1 Mbit/s, nella maggior parte degli utilizzi è più che sufficiente. Il protocollo CAN è anche un tipo di comunicazione seriale rispetto alle connessioni, significa che tutti i nodi sono attaccati ad un unico bus di comunicazione, come se le connessioni avvenissero in maniera seriale lungo tale bus. Solitamente negli altri tipi di comunicazione da un nodo principale denominato host si diramano tutte le connessioni dirette a tutti gli altri nodi, mentre nel CAN dall unico bus fisico partono le connessioni verso tutti i nodi del sistema. Mentre nel primo caso è permesso solo una comunicazioni dirette tra il nodo host e quelli slave e solo una comunicazione indiretta tra due nodi qualsiasi, nel CAN ogni nodo può comunicare ad un qualsiasi altro nodo in maniera diretta servendosi del bus di comunicazione. Il pregio più evidente è la riduzione della lunghezza delle connessioni del sistema, difatti non servono più tutte le connessioni tra l host e i nodi del sistema, ma solo un'unica linea di trasmissione (chiamata bus di comunicazione) che parte da un nodo qualsiasi e colleghi in serie tutti gli altri nodi. Si veda nella figura 1.1 una rappresentazione schematica della comunicazione seriale rispetto alle connessioni. Il cambio di topologia porta però ad una complessità di gestione dell accesso dei vari nodi al bus di comunicazione ; se difatti può comunicare sull unico bus un solo nodo per volta occorre un insieme di regole per decidere quali nodi ( o messaggi ) abbiano la priorità nell utilizzo del bus per la comunicazione. Solitamente questa gestione porta alla perdita di potere di trasmissione, vale a dire che non è possibile che nel bus avvenga la trasmissione continua di messaggi ma una parte del tempo è necessario sia persa per decidere quale nodo ha la priorità nella trasmissione. Fortunatamente nel CAN non si ha perdita di tempo grazie al sistema di trasmissione binario di bit recessivi e di bit dominanti come sarà descritto nel proseguimento della descrizione.

8 Figura 2.1 Esempio di comunicazione seriale Mentre nella maggior parte dei sistemi di comunicazione c è la presenza di una linea di comunicazione nella quale è trasmesso il sincronismo, chiamato per lo più CLOCK, costituito da una sequenza di bit 0 e 1 trasmessi tutti ad una prefissata frequenza, nel protocollo CAN tale sincronismo non esiste. Questo segnale serve per sincronizzare il nodo che trasmette con il nodo che riceve, così che sia ben chiara la durata dei bit trasmessi e il punto in cui il ricevitore deve decidere il valore del segnale in arrivo. Nel protocollo CAN ogni nodo ha un suo clock interno, uguale in frequenza per tutti i nodi del sistema, che il trasmettitore utilizza durante la trasmissione di un messaggio per avere bit della stessa durata temporale. Durante la ricezione il nodo utilizza i passaggi dei bit costituenti il messaggio da alto a basso e viceversa per sincronizzarsi sul messaggio, sfruttando l inevitabile informazione di sincronizzazione già presente nel messaggio in se.

9 Figura 2.2 Esempio di sincronizzazione sul messaggio Si veda nella figura 2.2 un esempio di utilizzo dei passaggi da alto a basso per la sincronizzazione sul messaggio. L aspetto positivo risulta la mancanza della linea di comunicazione del sincronismo ; inoltre il sistema, sincronizzandosi sul messaggio, riesce ad evitare errori di lettura del messaggio dovuti a ritardi o compensazioni varie introdotte dal canale fisico di comunicazione seguendo così non un suo clock, ma quello del messaggio stesso. Tutto questo comporta però una complessità del sistema di sincronizzazione dato che si basa solo sul messaggio ; per altre informazioni sull argomento si vedano i capitoli descrittivi del protocollo e in particolare quelli sul sincronismo e sul Bit Timing. Come visto prima se due o più nodi vogliono trasmettere contemporaneamente un messaggio sul CAN bus, deve essere in grado di scegliere.occorre quindi un regolamento capace di decidere quale tra i messaggi deve essere trasmesso per primo nel bus seriale. Quest'operazione è chiamata arbitrazione e nel caso specifico del CAN bus è di tipo non distruttivo, vale a dire che la scelta del messaggio da trasmettere avviene senza perdita né di messaggi né di tempo, dato che l arbitrazione avviene contemporaneamente alla trasmissione del messaggio prescelto. Tutto questo è possibile grazie al sistema di rappresentazione dei bit nel bus seriale ; esistono due valori tra loro esclusivi del bit : dominante e recessivo.

10 Figura 2.3 Esempio di valori logici presenti nel bus Quando due o più nodi stanno trasmettendo contemporaneamente la loro catena di bit, sul bus seriale appare una catena di bit che dipende da tutte le altre catene di bit nel seguente modo : 1) se almeno uno dei nodi trasmette un bit dominante, sul bus appare un bit dominante 2) se tutti i nodi non trasmettono o trasmettono al massimo bit recessivi, sul bus appare un bit recessivo. Risulta evidente che il messaggio che appare nel bus è costituito da il risultato di una funzione logica sui messaggi trasmessi dai nodi, ma per qualche esempio si veda le situazioni descritte nella figura 2.3. Ma si passi a descrivere in maniera più specifica la gestione della comunicazione. Non appena il bus è libero, ogni nodo che desidera mandare un messaggio inizia a trasmetterlo, anche in contemporanea con altri nodi. La prima parte d'ogni messaggio è costituita dall identificatore, una catena di bit, se possibile, unica solo di quel messaggio, ed è su questa che avviene l arbitrazione. Ogni nodo, mentre sta trasmettendo i suoi bit, contemporaneamente controlla se il valore presente nel bus

11 seriale corrisponde a quello trasmesso. Non appena si accorge di aver trasmesso un bit recessivo e di aver letto un bit dominante (vedi sopra la regola 1), il nodo perde l arbitrazione e non trasmette più alcun bit. E successo che almeno un altro nodo ha trasmesso contemporaneamente un bit dominante, portando il bus allo stesso valore e implicitamente comunicando al nodo "recessivo" d'avere un livello di priorità più basso e quindi di bloccare la trasmissione del suo messaggio. Figura 2.4 Esempio d'arbitrazione fra tre nodi Dato che, per regola del CAN, non esistono contemporaneamente due messaggi con identificatore uguale, alla fine dei bit d'identificazione solo un nodo porta a termine la trasmissione del messaggio ; si tratta del nodo che legge tutti i suoi bit Recessi anche nel bus, ed è quindi o è l unico che sta trasmettendo o è quello con più alta priorità tra i nodi che tentano la trasmissione.

12 Gli altri nodi non devono far altro che aspettare il termine del messaggio e non appena possibile ritentare la trasmissione, sperando di avere l identificatore con più alta priorità. Se si associa lo zero al valore dominante e l uno al valore recessivo, i nodi con identificatore di valore numerico minore possiedono la più alta priorità di trasmissione. Per un idea più strettamente legata alla rappresentazione fisica del messaggio si veda la figura 2.4 in cui viene rappresentato un esempio di arbitrazione tra tre nodi. Per quanto concerne la sicurezza nella trasmissione il protocollo CAN prevede un sistema di controllo sugli errori inevitabilmente presenti nel messaggio e dovuti al rumore della linea di trasmissione. Nel messaggio è aggiunta una ridondanza di quindici bit per controllare, al momento della ricezione, la presenza d'eventuali errori dovuti alla trasmissione. Ridondanza significa che non viene trasmesso solo il messaggio, ma che viene aggiunta dell informazione ulteriore ( nel caso specifico del CAN sono 15 bit ) che permette al ricevitore di accorgersi della presenza nel messaggio di qualche errore. Il tipo di controllo si basa sui codici CRC (ciclic redundancy code) che verranno descritti in maniera più approfondita nella parte dedicata specificatamente al protocollo. Grazie a questo sistema di sicurezza si riesce a ridurre la probabilità d'errore di un fattore uguale a 4.7*10-11 rispetto allo stesso messaggio privo della ridondanza e del controllo su di essa. Ma tornando alla comunicazione, qunando il messaggio trasmesso sul bus di comunicazione arriva ad un nodo, viene letto e sono eseguiti dei controlli per accertare la correttezza dello stesso. Il nodo calcola, basandosi sul messaggio letto, il codice CRC e lo confronta con la parte del messaggio contenente il codice CRC calcolato alla partenza del messaggio. Se le due sequenze di bit corrispondono, la ricezione da parte del nodo di un messaggio senza errori è comunicata al nodo di partenza attraverso un messaggio di accettazione. Tale comunicazione avviene sovrascrivendo un bit denominato ACK ( parte integrante del messaggio) ; difatti il bit è mandato recessivo dal nodo che trasmette e viene sovrascritto dominante da tutti i nodi che hanno ricevuto correttamente il messaggio. Il nodo che ha appena trasmesso deve quindi controllare se il bit ACK è dominante così da essere sicuro d'avere avuto una trasmissione senza problemi ; in caso contrario (bit letto recessivo, quindi messaggio corrotto da rumore o nessun nodo

13 presente sulla linea) il nodo, appena possibile, ritrasmette il messaggio fino ad un buon fine. Figura 2.5 Esempio d'accettazione di un messaggio C è differenza tra un nodo che legge un messaggio e un nodo che utilizza le informazioni del messaggio : difatti tutti i nodi leggono i messaggi presenti nel bus, controllano il CRC e mandano il bit d'ack ; solo alcuni nodi invece utilizzano le informazioni contenute nel messaggio (vedi identificazione). Si veda la figura 2.5 per vedere come funziona il meccanismo di accettazione di un messaggio da parte degli altri nodi. Il messaggio che è presente nel bus, come visto, arriva contemporaneamente a tutti i nodi, tutti i nodi lo leggono e controllano la presenza d'eventuali errori ; ma il nodo deve essere in grado di capire se le informazioni presenti nel messaggio sono di sua utilità (o meglio capire se il messaggio è stato indirizzato proprio a lui). Quest'operazione di destinazione avviene attraverso l uso dell'identificatore

14 presente nella prima parte del messaggio. L identificatore è un insieme di bit che è parte fondamentale del messaggio. Se l identificatore del messaggio appartiene all insieme degli identificatori propri di quel nodo, allora il messaggio è di sua competenza ; altrimenti il messaggio è diretto ad altri nodi. Indipendentemente dal fatto che il messaggio sia di sua competenza o no, il nodo controlla se c è la presenza d'eventuali errori. L identificatore ha anche un altra funzione visto che la prima catena di bit formanti il messaggio è quella dell identificatore; l operazione d'arbitrazione avviene su tali bit. E' evidente la grande importanza portata dall identificatore : serve a definire le priorità di trasmissione tra messaggi e definire quali siano i nodi cui il messaggio deve arrivare.

15 3. Si desidera sviluppare un interfaccia tra il bus fisico CAN e un qualunque microprocessore, così da facilitare l utilizzo della comunicazione CAN in sistemi già dotati di controllo a microprocessore (magari anche già dotati di un altro sistema di comunicazione). Nei paragrafi seguenti si vedrà una breve descrizione dei componenti attualmente presenti nel mercato, la progettazione dell interfaccia e la creazione di un insieme di funzioni in linguaggio C per la gestione di tutta la comunicazione. 3.1 PROGETTAZIONE DELLA PARTE HARDWARE DELL INTERFACCIA Nel mercato sono disponibili molti tipi di componenti specifici per la comunicazione con il CAN, così è facilitato l utilizzo di questo protocollo nei vari sistemi controllati da microprocessore. Si veda di seguito un elenco dei principali componenti con una breve descrizione del loro funzionamento ed utilizzo : - Controllore CAN : si tratta di un componente che gestisce automaticamente il protocollo CAN, ed è collegato attraverso una porta di tipo memoria esterna ad un microprocessore dal quale riceve i comandi ; in uscita gestisce una doppia linea seriale con il messaggio CAN da trasmettere. - Trasmettitore CAN : si tratta semplicemente di un interfaccia tra la linea seriale che arriva dal controllore CAN e il bus fisico del CAN. Trasforma segnali seriali di tipo seriali classici (PAM 0-5 V.) in segnali di tipo CAN (vedi paragrafo sui segnali fisici del CAN per maggiori informazioni). - SLIO (Serial Link I\O) : si tratta di un controllore CAN che non richiede alcun microprocessore trattandosi di un nodo CAN gestito da un nodo dotato di