BOSCH‘s CONTROLLER AREA NETWORK - …

1 Universit degli Studi RomaTreBOSCH sCONTROLLER area NETWORK -Dipartimento di Informatica e Automazione -Tesina di Reti E Sistemi Per L automazione 2005 di Antonello GalantiIntroduzione Il protocollo CAN ( CONTROLLER area NETWORK ) un bus serialedi comunicazione digitale di tipo broadcast . Esso permette il controllo real-time distribuito con un livello di sicurezzamolto elevato. E stato introdotto dalla Boschnei primi anni 80 per applicazioni automobilistiche, per consentire cio la comunicazione fra i dispositivi elettronici intelligentimontati su un autoveicolo, ma si diffuso ormai in molti settori dell industria. Sono sorti anche consorsi di aziende che promuovono questa diffusione (CAN in Automation )Introduzione Sono in molti a vedere nel Bus CAN lo standard dominante nelle reti industriali del prossimo futuro.

2 Il suo successo dovuto ai notevoli vantaggi tecnologici che offre: tempi di risposta rigidi, specifica fondamentale nel controllo di processo: la tecnologia CAN prevede molti strumenti hardware e software e sistemi di sviluppo per protocolli ad alto livello (il bus CAN implementa solo i primi due livelli della pila ISO-OSI) che consentono di connettere un elevato numero di dispositivi mantenendo stringenti vincoli semplicit e flessibilit del cablaggio: CAN un bus seriale tipicamente implementato su un doppino intrecciato (schermato o meno a seconda delle esigenze). I nodi non hanno un indirizzo che li identifichi e possono quindi essere aggiunti o rimossi senza dover riorganizzare il sistema o una sua parte. alta immunit ai disturbi: lo standard ISO11898 raccomanda che i chips di interfaccia possano continuare a comunicare anche in condizioni estreme, come l interruzione di uno dei due fili o il cortocircuito di uno di essi con massa o con l alimentazione.

3 Elevata affidabilit :la rilevazione degli errori e la richiesta di ritrasmissione viene gestita direttamente dall hardware con cinque diversi metodi ( due a livello di bit e tre a livello di messaggio). Introduzione confinamento degli errori: ciascun nodo in grado di rilevare il proprio malfunzionamento e di autoescludersi dal bus se questo permanente. Questo uno dei meccanismi che consentono alla tecnologia CAN di mantenere la rigidit delle temporizzazioni, impedendo che un solo nodo metta in crisi l intero sistema. maturit dello standard: la larga diffusione del protocollo CAN in questi venti anni ha determinato un ampia disponibilit di chip rice-trasmettitori , di microcontrollori che integrano porte CAN, di tools di sviluppo, oltre che una sensibile diminuzione del costo di questi sistemi. Questo molto importante per far s che uno standard si affermi nell ambito grazie ai vantaggi che offre, che il can bus, trova grande impiego in applicazioni real-time per auto.

4 Qui sopra c una ECU(Engine Control Unit) che comunica con il resto dei sensori/attuatori, mediante si gi capito, stiamo parlando di uno standardfortecollaudato. Facile da gestire e economico nella struttura, il CAN BUS si st affermando sempre pi in un epoca dove costi e sicurazzasono due prerogative sempre in conflitto tra di Il bus can ha un incredibile capacit di riconoscere gli errori. La probabilit che un messaggio sia corrotto e non riconosciuto come tale, praticamente nulla. E stato calcolato che una rete basata su CAN bus a 1 Mbit/s, con un utilizzazione media del bus del 50%, una lunghezza media dei messaggi di 80 bit e un tempo di lavorazione di 8 ore al giorno per 365 giorni l anno, avr un errore non rilevato ogni 1000 anni. Praticamente la rete non soggetta ad errori per tutta la durata della sua vita.

5 Questo il maggior punto di forza di questo La comunicazione, nel CAN BUS, avviene tramite dispositivi intelligenti, ovvero sensori o attuatori in grado di produrre dati autonomamente per poi immetterli sul BUS. Inoltre, questa tipologia di apparecchiature, in grado di richiedere e utilizzare i datiprodotti da un altro dispositivo -Sensori I sensori intelligenti, prima di inviare un dato, svolgono determinati compiti: Amplificazionedel piccolo segnale d uscita dal sensore vero e proprio Traslazione die segnale in un range opportuno per la conversione A/D Elaborazionedei dati Emissionedei dati su busCOMUNICAZIONE -Sensori Tipicamente un nodo intelligenteha un suo processore con una sua memoria. Esso in grado di gestire ed elaborare autonomemente i dati. I singoli microcontrollori, sono provvisti di ram, eeporom, convertitore A/D e di un interfacciamento con i dispositivi esterni.

6 Oggi, questa tecnologia, economicamentealla portata di IN AUTOCOMUNICAZIONE -Esempi Questi sono alcuni esempidegli apparati che il can bus in grado di mettere in comunicazione tra loro. Questo esempio applicato al mondo automobilistico.(notare come le periferiche critichesia state collegate sul bus pi veloce)COMUNICAZIONE -Caratteristiche Questo BUS ha capacit Multi-Master , ovvero tutti i nodi della rete posso trasmettere e pi nodi della rete possono chiedere il canale trasmissivo contemporaneamente. I nodi di una rete CAN non sono caratterizzati da indirizzi di rete nel senso convenzionale , ma i messaggi vengono instradati in base alla criticit del dispositivo mediante un -Caratteristiche In base all identificativo, il ricevente, pu scegliere se processareil dato o meno. L identificativo, inoltre, determina la priorit che il dispositivo ha nella competizione per l accesso al BUS CAN secondo il modello ISO-OSI Facendo riferimento alla schematizzazione in livelli definita dall ISO (International Standard Organization) col progetto OSI (Open System Interconnection) si pu ritenere che il Bus CAN implementi il Physical Layer ed il Data Link Layer, ovvero i due livelli pi bassi della pila, come logico per un protocollo pi vicino ad un Bus di Campoche ad una rete informatica del tipo Ethernet.

7 Il BUS CAN secondo il modello ISO-OSIIl Data Link Layer a sua volta implementato attraverso altri due livelli: l Object Layer ed il Transfer Layer. Il primo si occupa del filtraggio dei messaggiarrivati. In una comunicazione broadcast tutti i nodi ricevono gli stessi pacchetti: nell Object Layer si scartano quelli non rilevanti per il nodo considerato. Inoltre il livello di oggetto, si occupa della della gestione dei messaggi da trasmetteree dell interfaccia con l Application Layer. Il BUS CAN secondo il modello ISO-OSIIl BUS CAN secondo il modello ISO-OSI Il Data Link Layer, ha l importante compito dell arbitraggio nella competizioneper la contesa del canale trasmissivo, da parte dei vari nodi can che, contemporaneamente, ne richiedono l utilzzo. Quando 2 o pi nodi stanno trasmettendo contemporaneamente, il conflitto risolto con un meccanismo di ARBITRAGGIO che non ci siano n perdite di informazioni, n di tempo.

8 Durante ogni fase di arbitraggio, ogni stazione trasmittente, confronta il livello del bit trasmesso con il livello monitorato sul i due bit coincidono il nodo continua la trasmissione. Quando il livello associato al bit recessivo, mentre sul canale si riscontra un livello dominante, l unit interrompe immediatamente la trasmissioneLivello oggetto e livello di trasferimento Le propriet dell Object Layerdipendono dal particolare hardware che lo implementa. L ICche commercialmente va per la maggiore il SJA1000della Philips Semiconductor (CAN CONTROLLER ). Le caratteristiche del Transfer Layercostituiscono invece il nucleo del protocollo CAN e sono quindi rigidamente Transfer Layerdefinisce le modalit di trasferimento: formato dei messaggi, arbitraggio, segnalazione e correzione degli errori, esclusione dei nodi mal funzionanti, filtraggio messaggi.

9 Philips SJA1000 Stand-Alone CAN ControllerLivello applicazione La definizione dell Application Layer infine lasciata interamente al progettista (non standardizzato), al quale spettano i dettagli dell interfacciamento degli utenti verso il busIl Physical Layer Parliamo ora dell ultimo livello della pila ISO-OSIriguardante il CAN. Esso standardizzato in accordo con ISO 11898. Secondo il modello ISO-OSI (+ISO11898) il livello fisico deve specificare: il mezzo trasmissivo:nel bus CAN deve essere un singolo canale bidirezionale, che pu essere di tipo differenzialeo a cavo singolo e terra(meno usato del primo). Solitamente si usa un doppino intrecciato, schermatoo meno a seconda della rumorosit (elettrica e magnetica) dell ambiente. Il Physical Layer (Differential Signal Communication) Un problema molto grande, nella trasmissione di segnali, sono i disturbi di tipo RFI (Radio Frequency Interferences).

10 I disturbi RFI sono generati involontariamente (o volontariamente) dagli apparati tecnologici che oggi ci circondano. La prima linea di difesa contro le RFI schermare i cavicon un conduttore metallico che poi viene messo a terra. Per compensare i limiti di questa tecnica, si utilizza la tecnica chiamata DIFFERENCIAL. Questa tecnica sfrutta due cavi, dove viene inviato rispettivamente il segnale trasmesso come positivo, e lo stesso segnale trasmesso in negativo. I disturbi, che penetrano il cavo, saranno presenti in entrambi i cavi e avranno valori uguali. Il ricevente non deve far altroche la differenza trai due segnali, in modo tale che la parte di rumore risulter scomparsa. Questo metodo funziona bene sole se sui due cavi c lo stesso avere questo bisogna che i cavi occupino lo stesso spazio. Per arrivare a una legittima approssimazione, si avvolgono i due cavi insieme (Twisted Pair).