Sistemi per l automazione industriale

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1 Corso: Sistemi per l automazione industriale Controller Area Network (CAN) Ing.. Stefano Maggi Dottorato di Ricerca Dipartimento di Elettrotecnica giovedì 27 gennaio 2005

2 Le origini del CAN Il Controller Area Network (CAN) è un Bus seriale di comunicazione dati progettato per applicazioni in real-time. Il CAN è stato sviluppato da Robert BOSCH nel E nato dall esigenza di far comunicare i molti dispositivi elettrici-elettronici presenti all interno dei veicoli. Oggi viene utilizzato anche nel settore industriale. Il CAN consente a controllori, sensori ed attuatori di comunicare fra loro ad una velocità massima di 1Mbit/s. Allo scopo di promuovere l utilizzo del CAN in tutti i settori, nel 1992 è stata fondata l organizzazione internazionale di utenti e produttori di CAN (CiA: CAN in Automation).

3 Il CAN Bus in Automotive Velocità [bit/s] 25.6M 2M 1M 125K 20K LIN master-slave single wire bus no quartz CAN-C event triggered dual wire CAN-B event triggered fault tolerant dual wire Byteflight optical bus TTP/C time triggered fault tolerant, 2x2 wire D2B, MOST token ring optical bus Costo relativo unitario per nodo

4 Classificazione delle reti in Automotive La Society of Automotive Engineers (SAE) ha classificato le reti automotive in base alla propria velocità di trasferimento bit. Classificazione delle reti Velocità Esempi di applicazione Classe A Classe B Classe C Classe D <10 kb/s (Bassa) kb/s (media) kb/s (alta) >1 Mb/s Controllo specchietti, luci, sedili, sbrinamento Controllo strumentazione, chiusura centralizzata Controllo in tempo reale, dinamica, sicurezza, power train Multimedia, X-by- Wire

5 Moderna architettura di reti Bus nel veicolo

6 Principali caratteristiche del CAN E un protocollo di comunicazione seriale di classe B e C (secondo SAE), adatto per un controllo in real-time distribuito Non si basa su indirizzi fisici dati a ogni nodo, ma sul contenuto di una comunicazione che viene contrassegnato da un identificatore (Identifier) E un sistema multi-master/multi-slave, attuando la comunicazione event-driven (c è un accesso al Bus solo se necessario) Ha un sistema di arbitraggio per il controllo degli accessi al Bus Ha una velocità max di trasferimento dati di 1Mbit/s (senza repeater e fino ad una dimensione della rete di 40m) In funzione del numero degli Identifier esistono 2 specifiche di CAN: 11 bit Identifier (2 11 ) è il formato standard (CAN 2.0A) 29 bit Identifier (2 29 ) è il formato esteso (CAN 2.0B) Utilizza la codifica NRZ / bit stuffing (l inserimento di 1bit) Il livello fisico utilizza normalmente il doppino intrecciato a 5V La rivelazione degli errori avviene mediante un CRC a 15bit

7 Il CAN nel modello ISO-OSI OSI DATA LINK LAYER Layer 7: Layer 6: Layer 5: Layer 4: Layer 3: Layer 2: Data Link Layer Application Layer Presentation Layer Transport Layer Session Layer Network Layer Logic Link Control Medium Access Control LOGICAL LINK CONTROL (LLC) - Seleziona i msg. (message filtering) - Decide quali msg. ricevuti vanno usati o no - Gestisce i msg. MEDIUM ACCESS CONTROL (MAC) - Incapsula e decapsula i dati - Codifica e decodifica il frame (Bit Stuffing/Unstuffing) - Gestisce l arbitraggio degli accessi - Segnalazione e correzione degli errori - Acknowledgement (ACK), la conferma di una corretta trasmissione Layer 1 Physical Layer PHYSICAL LAYER - Codifica e decodifica dei bit - Bit Timing (tempo di bit) - Synchronization (sincronizzazione)

8 Il CAN nel modello ISO-OSI: OSI: esempio Livelli Implementazione Esempio Livello superiore Software Testo scritto, racconto Livello superiore Software Vocabolario CAN-based Application layer Software Grammatica CAN Data link layer CAN controller Caratteri (lettere) CAN Physical layer Transceiver Penna e foglio

9 Esempio: cablaggio tradizionale in un veicolo La figura mostra uno schema di principio di un cablaggio tradizionale:

10 Esempio: utilizzo del CAN bus in un veicolo La nuova situazione circuitale mediante l utilizzo del CAN bus:

11 Principali proprietà dei messaggi CAN I dati vengono inviati sul Bus con un formato prefissato del messaggio Ogni nodo può iniziare una trasmissione quando il Bus è libero (Bus Idle) Ogni messaggio ha una priorità unica Se 2 o più nodi tentano di trasmettere contemporaneamente, l accesso al Bus viene risolto da un sistema di arbitraggio (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection CSMA/CD ) con rilevamento delle collisioni L identificatore con il numero binario più basso ha la priorità maggiore e vince l accesso al Bus Gli altri nodi (i perdenti) diventano riceventi Nessun dato viene perso perchè l arbitraggio è del tipo non distruttivo I nodi perdenti possono ritrasmettere dopo quello vincente L Arbitration Field determina la priorità del messaggio Il contenuto dell Arbitration Field (chiamato Identifier) NON è un indirizzo di un nodo, ma identifica solo il suo contenuto

12 Concetti base (pag.1)

13 Concetti base (pag.2): instradamento dei messaggi

17 I messaggi trasmessi

18 Il Data Frame (pag.1)

21 Il Remote Frame

22 Il formato completo del Data Frame e Remote Frame

23 L Error Frame (pag.1)

24 L Error Frame (pag.2)

25 L Overload Frame

26 L interframe Space (pag.1)

27 L interframe Space (pag.2) A) B) Situazione normale Nel caso in cui l ultimo nodo trasmittente sia di tipo Error Passive

28 I 2 formati di CAN Struttura del messaggio nel formato standard (CAN 2.0A) Struttura del messaggio nel formato esteso (CAN 2.0B)

29 Funzionamento semplificato della rete CAN

30 Data Frame: : broadcasting del messaggio Il nodo A trasmette un messaggio al Bus. Tutti i nodi (B, C e D) lo ricevano. Il messaggio viene accettato solo dai nodi C e D, dopo che il Message Filtering (al livello Data Link) ha esaminato il contenuto dell Identifier del messaggio stesso.

31 Remote Frame: : richiesta di un messaggio (Data Frame) Il nodo B invia un Remote Frame per ottenere dei dati. Il messaggio viene ricevuto da tutti i nodi (A, C e D). Il nodo D accetta questa richiesta (avendo lo stesso Identifier del nodo B). Il nodo D trasmette i dati richiesti (Data Frame) sul Bus. Questi dati vengono accettati solo dai nodi B e C.

32 Principio dell arbitraggio degli accessi al Bus I 3 nodi iniziano la trasmissione contemporanea sul Bus. La sequenza di trasmissione dell Identifier è dal MSB (Most Significant Bit) al LSB (Least Significant Bit). Regola: L identificatore con il numero binario più basso a la priorità maggiore. Dall esempio il nodo 3 ha la priorità maggiore, vince la contesa e trasmette sul Bus.

33 Principio dell arbitraggio degli accessi al Bus: animazione Esempio animato di arbitraggio (file pdf)

34 La codifica del segnale CAN: NRZ (Non Return to Zero) Questa codifica associa ogni bit (0,1) con un valore costante della quantità fisica che permane per la durata del bit. Quando si devono trasmettere lunghe sequenze di 0 o di 1, il segnale continua a rimanere stazionario allo stesso livello rendendo critica la sincronizzazione del ricevitore. High Low +5V 0V Quando il trasmettitore deve inviare lunghe sequenze di 0 (o di 1) non essendoci variazioni della quantità fisica, il ricevitore non ha possibilità di sincronizzarsi, così non riesce a campionare il segnale e a trovare il tempo di bit. Appena trova una variazione del segnale elettrico, avviene la sincronizzazione col trasmettitore, perché dalla misura temporale della variazione si ha il tempo di bit. Questo può essere facilitato con la tecnica del bit stuffing (inserimento di 1bit).

35 Principio del Bit stuffing (pag.1)

36 Principio del Bit stuffing (pag.2) 1) Sequenza di bit che devono essere trasmessi 2) Sequenza di bit trasmessi dal trasmettitore dopo il bit stuffing 3) Sequenza di bit dopo il bit de-stuffing del ricevitore Questa tecnica è anche utile per il riconoscimento di errori a livello di bit

37 La connessione di un nodo al CAN-Bus

38 I segnali sul CAN-Bus Livello logico 1 (segnale recessive): il CAN_H e il CAN_L sono entrambi a 2.5V Livello logico 0 (segnale dominant): il CAN_H è a 3.5V ed il CAN_L è a 1.5V

39 Esempio circuitale di rete CAN Nodo 1 Nodo 2 Power Conditioning Power Conditioning Micro-Controller CAN Protocol Controller CAN Bus Driver CAN_H CAN_L Micro-Controller CAN Protocol Controller CAN Bus Driver CAN_H Memory Interface I/O Memory Interface I/O CAN_H Terminator CAN_L Terminator

40 Schema di principio interno a 2 nodi CAN

41 Topologia della rete CAN

42 Immagine reale di una rete CAN Esempio di una rete CAN realizzata in pratica nel caso di 5 nodi

43 Lunghezza del CAN-Bus: considerazioni La lunghezza max della rete (Bus) dipende dalla velocità trasmissiva utilizzata. La velocità di trasmissione max prevista dalle specifiche è 1Mbit/s, questo implica una max estensione consentita per la rete pari a 40m.