-
2.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS BUSES DE CAMPO Un bus de campo es
un sistema de trasmisin de informacin que simplifica la
instalacin
y operacin de mquinas y equipamientos industriales. Generalmente
son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un
bus
serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs,
transductores, actuadores y sensores. Los buses de campo deben ser
capaces de hacer frente a los problemas que plantea la
industria: - Control integrado en diferentes niveles de
informacin y diferentes procesos en
una misma planta. - Cantidad elevada de sensores y actuadores. -
Distancia de control de mando superior a varias decenas de metros.
Los buses de campo se estn reemplazando progresivamente los
sistemas de control
aislados y centralizados por redes de control distribuido con
las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar
la eficiencia[2]. La propia definicin de control distribuido exige
que los dispositivos interconectados tengan cierta capacidad de
proceso de modo que parte de las tareas queden delegadas en los
diferentes nodos de la red, esto los convierte en dispositivos
inteligentes.
Antes de la aparicin de los buses de campo la tcnica de
comunicacin que dominaba en
la industria era el lazo de corriente de 4-20 mA, que aunque
ofrece un medio con alto grado de inmunidad slo poda proporcionar
un circuito conmutado de 20 mA full duplex con una velocidad de
9600 bps y alcanzando una distancia de 300 metros. A pesar de que
se intent hacer del lazo de corriente un estndar, lo cierto es que
cada fabricante introdujo diferentes niveles de seal.
Frente a las limitaciones del lazo de corriente, los buses de
campo nos ofrecen mayores prestaciones. A continuacin se enumeran
las ventajas que supone utilizar buses de campo:
- Reduccin del cableado. Habitualmente en la industria los
autmatas se
conectan a varios sensores y actuadores. Si tenemos en cuenta
que por cada actuador o sensor hay que instalar al menos dos cables
podemos imaginarnos la maraa de cables que se forma a la entrada
del controlador y si adems tenemos que llevar cada par de cables a
un sitio distinto se puede observar que tanto el coste en cableado
como el coste en la instalacin de los mismos es bastante elevado.
Por si fuera poco, si ocurre algn fallo en los cables sera difcil
detectar en cul ha ocurrido porque tendramos que comprobarlos uno
por uno. Los buses de campo usan muy pocas lneas, algunos slo dos.
Como se puede observar, la reduccin en costes de cableado e
instalacin es evidente, adems en caso de rotura del cable sera ms
fcil de detectar ya que slo tenemos que comprobar un cable, el del
bus de campo.
- Informacin digital. El hecho de que la informacin que circula
por el bus sea digital aporta ms precisin al sistema y una mayor
inmunidad ante el ruido que un sistema analgico.
CAPTULO 2. BUSES DE CAMPO Y DOMTICA
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
4
- Proteccin contra ruido. Muchos de estos buses vienen
preparados para funcionar en medio de fuertes campos
electromagnticos mediante la utilizacin de cables apantallados.
Adems algunos poseen medidas adicionales para poder operar en
atmsferas potencialmente explosivas. Todo esto convierte a los
buses de campo en sistemas idneos para trabajar en ambientes
hostiles pudiendo extender de esta manera el abanico de
aplicaciones donde pueden ser utilizados.
- Facilidad de mantenimiento y autodiagnstico. Al simplificar el
cableado se pueden realizar funciones de mantenimiento preventivo y
predictivo, de una forma ms fiable y actualizada. El hecho de que
los elementos que se conectan al bus sean dispositivos inteligentes
hace que podamos asignarles tareas de autodiagnstico que permitan
ahorrarnos tiempo y dinero a la hora de detectar y reparar
averas.
- Mayor velocidad. La velocidad de comunicacin puede ser un
elemento crtico ya que tiene que dar tiempo a que el controlador
pueda actualizar todas sus entradas sin que el programa en ejecucin
pierda ninguna variacin por lo que el tiempo de comunicacin en
todos los dispositivos no debera ser superior a 7ms. Como
consecuencia habra que incrementar la velocidad de transmisin por
encima de los 750 Kbps. Los buses de campo pueden ofrecer estas
velocidades.
- Mayor longitud. Las tecnologas empleadas en los buses de campo
permiten aumentar las distancias respecto al lazo de corriente, ms
all de los 500m. Adems pueden integrarse en redes jerrquicas con
pasarelas entre medios fsicos pudiendo cubrir un rea extensa.
- Ampliable. La inclusin de nuevos elementos en el sistema es
mucho ms fcil ya que slo habr que hacer la conexin al bus mediante
un conector en T o un conector-derivador en el punto del bus ms
cercano al sensor/actuador en cuestin.
- Simplicidad. Para utilizar los buses de campo slo se hacen uso
de las capas fsica, de enlace y aplicacin, lo cual simplifica el
trabajo del diseador y del usuario, ya que este ltimo prcticamente
slo debera ocuparse de la capa fsica y la capa de usuario.
2.2 COMPARATIVA
El bus de campo que fue finalmente escogido para elaborar el
sistema domtico descrito
en el captulo 3 es CAN. De la especificacin de CAN se pueden
extraer dos caractersticas fundamentales:
- Acceso por contienda con arbitraje de bits. Posee las ventajas
de un bus de
acceso por contienda sin desperdiciar tiempo en caso de colisin
de tramas, ya que el arbitraje de bits resuelve el conflicto a
favor de un nico nodo sin destruir la informacin transmitida por
ste.
- Comunicacin punto a multipunto. En CAN, los identificadores no
son direcciones de nodos particulares, sino que expresan el tipo de
contenido de la trama. Esto junto con las estructuras de buzones
dentro de los nodos CAN hacen posible que un nico mensaje
transmitido al bus pueda ser recogido por varios nodos
simultneamente. Adems, los mensajes son filtrados por hardware, lo
que evita tener que implementar algoritmos de seleccin.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
5
De la primera caracterstica se deriva la posibilidad de
establecer prioridades a los mensajes segn su identificador y la
ventaja de tener un bus con un alto rendimiento pudiendo conseguir
velocidades de transmisin altas (hasta 1Mbps).
De la segunda caracterstica se deriva la posibilidad de
establecer una comunicacin mucho ms efectiva en entornos en los que
varios elementos necesitan compartir cierta informacin entre s,
como es el caso de la domtica. Esto ha propiciado el desarrollo de
una arquitectura de protocolos sobre la cual se asienta el modelo
de sistema domtico expuesto en el captulo 3, y que aprovecha
precisamente esta caracterstica.
Dentro de los buses de campo industriales, CAN se muestra como
el ms verstil, razn
que impuls a descartar otros buses como PROFIBUS o Ethernet.
PROFIBUS est muy orientado a las aplicaciones industriales y aunque
es bastante
robusto es tambin ms complejo, mientras que CAN a pesar de ser
ms sencillo, es capaz de ofrecer el servicio de comunicacin que
demandan las aplicaciones de domtica con una buena calidad y mucho
ms flexible, ya que se adapta bien a casi cualquier aplicacin, no
slo a las de carcter industrial.
Ethernet est ms orientado a la transmisin de datos en redes de
rea local, y aunque
ofrece una comunicacin de banda ancha (del orden de 100Mbps), en
aplicaciones de domtica no es necesario un ancho de banda tan
grande. Por otra parte, Ethernet slo ofrece comunicacin punto a
punto o por difusin a todos los nodos de la red, mientras que en
este aspecto, CAN se muestra claramente superior.
En cuanto a los buses de campo utilizados en domtica hay que
decir que existen buses
con prestaciones superiores a CAN en este mbito, pero tambin hay
muchos con prestaciones inferiores. Habra sido ms sencillo escoger
directamente un bus de campo de este tipo pero se ha credo ms
conveniente utilizar CAN por la siguiente razn: El objetivo de este
proyecto es el de dar a conocer las ventajas de la utilizacin de
buses de campo y demostrar con un ejemplo prctico que estos buses
se pueden aplicar como solucin de comunicacin a problemas reales.
Por ste y otros motivos se ha preferido disear una solucin propia,
que aunque implica un mayor esfuerzo, es mucho ms enriquecedora en
cuanto a conocimientos adquiridos. A continuacin se detallan las
razones adicionales que motivaron al descarte de otros buses:
X10 a pesar de su facilidad de instalacin (utiliza la red
elctrica y no necesita cableado
adicional), est muy limitado en prestaciones y ofrece una
velocidad de transmisin muy pobre. EHS mejora en cierto modo X10
pero sigue teniendo una velocidad de transmisin muy
baja y fue tambin descartado. Aunque es cierto que BatiBUS
ofrece algunas de las ventajas ms importantes de CAN,
su velocidad tambin es muy baja y fue descartado. LONWorks s
ofrece redes domticas ms robustas y estructuradas. El problema es
que
no es un estndar abierto y sobre todo que las redes LONWorks son
complejas y caras, razn por la cual este bus slo ha tenido xito en
redes domticas para grandes edificios y hoteles. En el mbito del
hogar CAN puede ofrecer una solucin ms barata y sencilla con unas
prestaciones similares.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
6
2.3 PROFIBUS
2.3.1 INTRODUCCIN Profibus es un bus industrial abierto
independiente de fabricantes que sigue los
estndares europeos EN 50170 y EN 50254 que aseguran tal
condicin. La organizacin que vela por este bus de campo es Profibus
internacional (PI). Dentro de esta organizacin se encuentran
inscritos ms de 800 participantes de todo el mundo. Este es un bus
que define todas las caractersticas de una red de comunicacin serie
industrial. Se utiliza como medio de intercambio de informacin
entre dispositivos distribuidos en campo.
Actualmente, ms de 150 compaas de alta reputacin han reconocido
las ventajas de
PROFIBUS y se han unido al PNO (PROFIBUS User Organization) o a
alguna organizacin nacional afiliada. El PNO representa los
intereses de fabricantes y usuarios, coordinando el mantenimiento y
los desarrollos en el avance de la normativa PROFIBUS.
PROFIBUS se caracteriza por su funcionalidad y amplio campo de
adaptacin dentro de la
industria. Este campo abarca desde el nivel de sensores y
actuadores hasta el nivel de celdas. Usa la misma tcnica de
transmisin y el mismo protocolo de acceso al bus con funciones de
aplicacin diferenciadas. Esto permite una reduccin significativa de
esfuerzo en la instalacin, mantenimiento y entrenamiento.
El rango de productos PROFIBUS se est extendiendo continuamente.
Un sumario de los
productos y servicios disponibles en el mercado se puede
localizar en la gua de productos electrnicos PROFIBUS, que puede
ser obtenida del PNO.
La comunicacin en un sistema industrial se puede dar a tres
niveles, de forma separada
o conjunta: 1) Nivel de actuador/sensor. Las seales binarias de
los sensores y actuadores son
transmitidas a travs del bus de estos dispositivos de manera
cclica al maestro de la red. Para este nivel se suele utilizar
ASInterface.
2) Nivel de campo. Este nivel conecta a todos los perifricos
tales como mdulos E/S, transductores de seal con el sistema de
automatizacin por una comunicacin en tiempo real. En este nivel los
datos son tambin enviados de forma sncrona mientras que las
alarmas, los parmetros y los datos de diagnstico de la comunicacin
son enviados de forma asncrona en momentos puntuales. Para este
nivel PROFIBUS ofrece una solucin transparente y especialmente
preparada para procesos de automatizacin.
3) Nivel de clula. Los controladores programables tales como los
PLC y los IPC se comunican unos con otros en este nivel mediante
grandes paquetes y potentes funciones de comunicacin, pudiendo
estar esta capa integrada en el sistema de comunicaciones interno
de una compaa mediante Internet, intranet, mediante los protocolos
ms usuales TCP/IP y Ethernet.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
7
Fig 2.1. Esquema de comunicacin industrial con Profibus
En resumen, el uso ms habitual de Profibus es la interconexin de
diferentes dispositivos
de distintos fabricantes sin unas especiales exigencias,
pudiendo ser utilizado para aplicaciones donde el tiempo del bus
sea crtico y con los objetivos de comunicacin complejos.
2.3.2 CARACTERSTICAS GENERALES
Este bus se basa en la comunicacin controlada entre
maestro-esclavo. Definimos de
manera particular estos dispositivos como: - Dispositivos
maestros (Master Devices). Entre estas estaciones activas rota
un
permiso de acceso y control que les permite enviar mensajes sin
necesidad de peticin.
- Dispositivos secundarios (Slaves Devices). Perifricos
asignados a los maestros. Consisten en una serie de dispositivos lo
suficientemente inteligentes como para seguir las normas del
protocolo. Entre ellos podemos encontrar: sensores, actuadores tipo
rel, convertidores de frecuencia, electrovlvula, etc. Su papel es
pasivo, pudiendo slo transmitir cuando se les ha realizado una
peticin previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicacin pero son
muy numerosos.
Los datos que se desplazan por el canal fsico son de 5 tipos
diferentes: - Datos de entrada y de salida al proceso. - Funciones
de diagnostico y verificacin. - Configuracin de dispositivos. -
Programas entre los controladores. - Parmetros de control. Se podra
decir que las principales caractersticas de Profibus son:
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
8
- Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compaa, est
controlado por un comit de estandarizacin. Por lo tanto, permite la
comunicacin entre equipos de diferentes marcas sin la necesidad de
una pasarela de protocolo.
- Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y mensajes,
Profibus es un sistema de comunicacin altamente seguro puesto que
los mensajes defectuosos son repetidos hasta que la confirmacin de
recepcin es enviada.
- Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de
automatizacin, permitiendo el intercambio de datos entre
controladores y entre elementos de campo.
- Capacidad de diagnstico. El estndar Profibus define mltiples
formas de diagnsticos entre el sistema de control de procesos y los
dispositivos de campo.
- Expansin del sistema. Un equipo adicional puede ser
incorporado en cualquier momento al bus sin necesidad de reformar
la estructura, incluso sin enturbiar la comunicacin existente.
2.3.3 PERFILES
Profibus ofrece protocolos de comunicaciones segn la aplicacin
tanto para alta
velocidad como para gran cantidad de elementos direccionables,
caso de los sensores y actuadores, tanto para buses con largos
tiempos de respuesta como para aplicaciones de comunicacin
compleja. Los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus
son:
- Profibus-DP (Descentralized Periphery), para el control
distribuido. Diseado para
la comunicacin entre sistemas de control automtico y entradas y
salidas distribuidas o remotas en campo. Ofrece la funcionalidad de
intercambiar datos de forma rpida y cclica. Su principal ventaja es
que es plug and play, en cuanto a que se permite la identificacin
automtica de los dispositivos.
- Profibus-PA (Processs Automation), automatizacin de procesos.
Permite que tanto sensores como actuadores sean conectados en una
lnea de bus. Su aplicacin est definida en procesos situados en reas
de seguridad intrnseca, denominadas Ex, y est regido segn el
estndar internacional IEC 1158-2, especialmente indicado para las
actividades petroleras y qumicas.
- Profibus-FMS (Field Message Specification), especificacin de
los mensajes en el bus de campo. Se trata de una serie de tareas de
comunicacin, de propsito general, en el nivel de comunicaciones de
clula. Es el ms alto nivel de comunicaciones que aborda este bus, y
permite la coordinacin de gran cantidad de aplicaciones de
comunicacin: buses de ordenadores industriales, robots, En
Profibus-FMS se realiza la comunicacin entre los dispositivos
principales.
Desarrollo cronolgico de los diferentes perfiles:
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
9
FMS
DP
PA
PA plus DPV1
1990
1992
1994
1996
Fig. 2.2. Desarrollo cronolgico de los perfiles de Profibus
2.3.4 ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS La arquitectura de protocolos
de Profibus se basa en el modelo de referencia OSI, de
acuerdo con el estandar ISO 7498.
Fig. 2.3. Arquitectura de protocolos basada en el modelo OSI
Profibus-DP define las capas fsica y de enlace, as como el
interfaz de usuario. Las capas
3 a 7 no estn definidas. El DDLM (Direct Data Link Mapper)
proporciona un interfaz de usuario sencillo para el acceso a la
capa 2. Como medio fsico se usa la tecnologa RS-485, fibra ptica o
ambas.
En Profibus-FMS se definen las capas fsicas, de enlace y de
aplicacin. La capa de
aplicacin consiste en el FMS (Fieldbus Message Specification) y
el LLI (Lower Layer Interface). FMS contiene el protocolo de
aplicacin y proporciona al usuario un amplio conjunto de servicios.
LLI permite proporcionar a FMS una interfaz independiente del
dispositivo con la capa de enlace.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
10
Dicha capa implementa el protocolo de acceso al bus y la
seguridad de datos. Como medio fsico se emplea RS-485, fibra ptica
o ambas.
Profibus-PA utiliza el protocolo de Profibus-DP y le aade como
caracterstica particular la
definicin de los perfiles de dispositivo. Como medio de
transmisin utiliza el estndar IEC 1158-2, lo que le permite su
utilizacin en zonas de seguridad intrnseca. Mediante un dispositivo
puente es fcil acoplar redes Profibus-DP con redes Profibus-PA.
Por su parte, Profibus-DP y Profibus-FMS usan las mismas
tecnologas de transmisin y
protocolo uniforme de acceso al medio, por ello, ambas pueden
operar simultneamente sobre el mismo cableado.
2.3.5 MEDIOS FSICOS DE TRANSMISIN DE DATOS
El rea de aplicacin de los sistemas de bus de campo est
determinada por la tecnologa
disponible para el nivel fsico. Igual que las demandas generales
del sistema han llevado a ste a una arquitectura en bus, hacen
falta satisfacer tambin caractersticas especficas a este nivel como
son funcionamiento en ambientes agresivos, transmisin de datos y
potencia en el mismo cable, etc. Actualmente existen tres mtodos de
transmisin:
- RS-485: Medio de transmisin para aplicaciones generales de
automatizacin en
cadenas de montaje y fabricacin. - IEC 1158-2: Medio de
transmisin para uso en procesos de automatizacin. - Fibra ptica:
Medio de transmisin caracterizado por presentar inmunidad a
interferencias y capacidad de salvar enlaces de largas
distancias. Los desarrollos futuros intentarn usar Ethernet
comercial como nivel fsico para Profibus. Es posible utilizar
acopladores para enlaces entre los diferentes mtodos de transmisin.
2.3.5.1 RS-485 Es la tecnologa de transmisin ms usada por Profibus.
Se utiliza en aplicaciones donde
se necesita alta velocidad de transmisin y simplicidad de
instalacin. Utiliza un par trenzado de cobre apantallado.
Caractersticas principales:
- Topologas: Bus lineal, con distintos segmentos y terminadores
activos en ambos
extremos. Tambin puede confeccionarse la red en rbol,
generalizacin del bus. Por medio de repetidores se pueden conseguir
diferentes segmentos del bus.
- Cable: Par trenzado apantallado, de cobre con diferentes
recubrimientos segn el ambiente.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
11
Fig. 2.4. Cable par trenzado apantallado para enlace
Profibus
- Velocidad de transmisin: Entre 9.6K 12M, segn la distancia que
haya que
cubrir. Dado que la velocidad es nica en el bus, un dispositivo
principal suele marcarla y el resto se debe configurar a la
misma.
Tasa de bit (kbit/sec) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 Enlace de
1200 m 1200 m 1200 m 1000 m 400 m 200 m
Tabla 2.1. Velocidades permitidas con RS-485 segn la longitud
del enlace - Distancia de transmisin sin repetidor hasta 1200
metros. - El nmero de estaciones mximo sin repetidores es 32, con
repetidores se puede
llegar hasta 127. La estructura del bus permite la expansin de
la red. Slo hay que insertar un nuevo dispositivo, mediante un
derivador de lnea, y, si est en el extremo, conectar el terminal o
conmutador terminador de lnea.
- Conectores de diferentes tipos. El que recomienda la norma es
el sub-D de 9 pines.
Todos los dispositivos irn conectados al bus mediante
derivadores, que recibirn un
cable en la entrada (IN) y permitirn la continuidad de la lnea
por la salida (OUT). Si el dispositivo es final de lnea, sta morir
en l. Los derivadores tendrn integrada las resistencias adecuadas
en caso de terminar o no la lnea. Una representacin del conexionado
por RS-485 es:
R
T
T
EPT
EAT
EAT
R
EPT
EPT
EAT
EPT
Fig. 2.5. Esquema de un posible conexionado por RS-485
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
12
En el esquema, EA son las estaciones que hacen de maestros,
mientras que las EP son
las estaciones que hacen de esclavos, T son los derivadores con
y sin terminal de lnea, R es un repetidor de RS-485, y la lnea
negra que conecta los diferentes equipos es par trenzado.
Al conectar una estacin al bus se debe asegurar el no conectar
el cableado de datos al
revs. El uso de una lnea de datos apantallada es de absoluta
necesidad para lograr un sistema inmune al ruido electromagntico.
La pantalla debe estar conectada a la masa a ambos lados del cable,
incluso se debe proteger las lneas de datos de los cables de alta
tensin. El 90 % de los problemas ocurridos en una red Profibus son
atribuidos a un incorrecto cableado e instalacin; estos problemas
pueden ser solventados usando comprobadores de buses que pueden
detectar la mayora de estos problemas.
2.3.5.2 FIBRA PTICA La red de fibra ptica en Profibus es la
opcin para grandes distancias de transmisin o
para los ambientes industriales ms afectados por las
interferencias electromagnticas. A menudo se utiliza una red mixta
con elementos elctricos y pticos. La red de dispositivos pticos
consiste en:
- Mdulos de enlace ptico. Estos mdulos configuran un enlace
ptico, junto con
las fibras pticas. De estos mdulos se obtiene adems una salida
elctrica para conectar a las estaciones participantes en la
red.
- Elementos de conexin de los que cuelgan otras estaciones.
Tienen entrada y salida ptica. Algunos fabricantes ofrecen conexin
directa a la red ptica sin necesidad de pasar a red elctrica.
La topologa de una red ptica podra ser:
Fig. 2.6. Posible topologa de una red ptica.
En el esquema EO, es el enlace ptico, siendo de nuevo T el
terminador de lnea, EA el
terminal maestro y EP el terminal esclavo, la lnea azul gruesa
representa un canal de fibra doble, mientras que la lnea a trazos
es un canal de fibra simple.
Las caractersticas generales de las redes pticas en Profibus
son: - Topologa: permite crear una red en bus lineal, anillo y
estrella. - Cable: fibra ptica de plstico para la longitud de onda
de 660 nm. Si es vidrio
puede emplearse una longitud de onda de 800 a 1500 nm. Adems, se
tendr en
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
13
cuenta si el cable deber ser instalado en el interior o
exterior, al igual que el cable elctrico, para seleccionar la
resistencia del cable.
- Las distancias de transmisin pueden llegar a ser hasta de 10 y
15 km. - El nmero mximo de estaciones es de 127. La expansin de la
red se complica.
Deben coexistir sistemas elctricos y pticos. Aparecen conectores
de fibra, adaptadores fibra-RS485, conectores de par de fibra (uno
para transmitir y otro para recibir). Los dispositivos de enlace
pticos disponen de conexiones pticas y tambin de cable de bus.
Por lo general, los dispositivos de enlace ptico incorporan
funcionalidades como la
deteccin del estado de enlace, sincronizacin a la velocidad de
transmisin del enlace, funciones de repetidor de seal ptica,
etc.
2.3.5.3 IEC 1158-2 Este mtodo de transmisin, con una tasa de
transferencia de 31.25 Kbit/s, es usada en
procesos de automatizacin en industrias qumicas y petroqumicas,
en zonas potencialmente explosivas, debido a la seguridad intrnseca
que ofrecen las dos lneas de alimentacin por las que se transmiten
los datos y se suministra corriente. Los principios de este estndar
son definidos como el modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe
COncept). ste fue desarrollado en Alemania por el PTB (Instituto
federal de fsica tcnica) y hoy es internacionalmente reconocido
como el modelo bsico de cableado para buses de campo en zonas
peligrosas. El FISCO est basado en:
- Cada segmento tiene slo una fuente de alimentacin. - Cuando
alguna estacin est enviando tramas no hay alimentacin en el bus. -
Cada dispositivo de campo consume un nivel de corriente constante
mientras
funciona, no menos de 10 mA, actuando como un sumidero pasivo de
corriente. - En los dos extremos del bus se colocan terminadores de
lnea. - Slo estn permitidos topologas lineales, en rbol y en
estrella. Para trabajar en zonas peligrosas es necesario que todos
los componentes usados hayan
sido aprobados y certificados de acuerdo al modelo FISCO y al
IEC 1158-2 por agencias autorizadas como PTB, BVS (Alemania), UL,
FM (USA).
2.3.6 PROTOCOLO DE ACCESO AL MEDIO. NIVEL DE ENLACE Las tres
variaciones de Profibus usan el mismo control de acceso al medio,
incluyendo los
aspectos relacionados con la seguridad de los datos y el manejo
de los protocolos de transmisin y los telegramas. En Profibus, la
capa 2 se denomina FDL (Fieldbus Data Link). El MAC es
determinista, de modo que slo una estacin tiene derecho a
transmitir en cada momento. En particular ha sido diseado para
cumplir:
- En las comunicaciones entre sistemas activos (maestros),
encargados de tareas
de control complejas, debe asegurarse que cada estacin tenga
suficiente tiempo para ejecutar sus tareas de comunicacin dentro de
un intervalo de tiempo definido.
- Las tareas de comunicacin cclicas se implementarn de la forma
ms sencilla posible para permitir la comunicacin entre un maestro y
uno o varios esclavos.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
14
Por tanto, el control de acceso al medio de Profibus incluye un
sistema de paso de testigo
en bus (Token-bus) entre los maestros, junto con un sistema de
consulta maestro-esclavo para la comunicacin entre cada maestro y
su periferia.
Fig. 2.7. Nivel de enlace. Configuracin maestro/esclavo
El mecanismo de paso de testigo garantiza el derecho a acceder
al bus de cada maestro
durante un determinado periodo de tiempo. El paso de testigo es
un telegrama especial que permite la cesin al nodo que lo recibe,
el derecho a acceder al bus. El testigo sigue una secuencia segn
anillo lgico, con un tiempo mximo predeterminado para la rotacin
completa del testigo.
La comunicacin maestro-esclavo permite que el maestro que posee
el testigo en un
instante determinado se comunique con los esclavos que dependen
de l. El maestro puede enviar mensajes a los esclavos y leer las
contestaciones de stos. De esta forma, es posible tener un sistema
con un nico maestro y mltiples esclavos, un sistema formado slo por
estaciones activas o un sistema hbrido.
La capa de enlace tambin es la encargada de la seguridad de los
datos. Todos los
telegramas tienen distancia de Hamming 4, debido al uso de
delimitadores de comienzo y fin de trama especiales, as como un bit
de paridad para cada byte segn se define en el estndar IEC
870-5-1.
El modo de funcionamiento es sin conexin. Permite tanto el
direccionamiento unicast
como direcciones multicast y broadcast.
Bits de establecimiento
Delimitador de inicio
Profibus SDU (Unidad de datos de servicio)
Delimitador de terminacin
De 1 a 8 bytes 1 byte De 1 a 256 bytes 1 byte Tabla 2.2 Formato
de la trama del nivel fsico de Profibus
2.3.7 PROFIBUS DP
PROFIBUS DP est diseado para alta velocidad de transferencia de
datos en el nivel de
sensores y actuadores. En este nivel, los controladores tales
como los PLC's intercambian datos
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
15
a travs de un enlace rpido serie con sus dispositivos
perifricos. El intercambio de datos con estos perifricos es
principalmente cclico. El controlador central (maestro) lee la
informacin de entrada desde los esclavos y enva de retorno a los
mismos la informacin de salida. Es importante que la duracin del
ciclo del bus sea menor que la duracin del ciclo del programa del
controlador, el cual es de aproximadamente de 10 ms en la mayora de
las aplicaciones. Un sumario de las caractersticas tcnicas de
PROFIBUS-DP queda reflejado en la siguiente tabla:
Tcnica de transmisin: PROFIBUS DIN 19 245 Parte 1. EIA RS485 par
de cables trenzados o fibra ptica. 9600 bits/s hasta 12 Mbits/s.
100 mts a 12 Mbits/s, 900 mts a 1.5 Mbits/s expandible con
repetidores Medio de acceso: Protocolo de acceso al medio hbrido
de acuerdo a DIN 19
245 Parte 2. Soporta sistemas mono-maestro o multi-maestro.
Dispositivos maestros y esclavos. Comunicacin: Peer to peer
(transferencia de data de usuario) o multicast
(sincronizacin). Transferencia de datos de usuario Maestro
esclavo cclico
o transferencia de datos maestro maestro acclico. Modos de
operacin: Operar (Operate): Transferencia cclica de datos de
entrada
y salida. Borrar (Clear): Borrado de datos de entrada y salida.
Detener (Stop): Solo es posible en funciones maestro-
maestro. Sincronizacin: Sincronizacin de las entradas y/o
salidas de todos los
esclavos DP. Sync-mode: Las salidas son sincronizadas.
Freeze-mode: Las entradas son sincronizadas. Funcionalidad:
Transferencia cclica de datos entre maestros DP y
esclavos DP. Activacin o desactivacin individual de esclavos DP.
Chequeo de la configuracin de los esclavos DP. Mecanismos de
Autodiagnostico. Sincronizacin de entradas y salidas. Asignacin de
direcciones a los esclavos a travs del bus. Configuracin del
maestro DP a travs del bus. 246 bytes mximos de entrada / salida de
datos por
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
16
esclavo DP (32 bytes tpicos). Mecanismos de seguridad y
proteccin:
Todos los mensajes son enviados con distancia Hamming de
HD=4.
Watchdog en los esclavos DP. Proteccin de acceso en las entradas
/ salidas de los
esclavos DP. Monitorizacin de la transferencia de datos con
intervalo de
tiempo configurable en el DP-esclavo (DPM1). Tipos de
dispositivos: Dispositivo maestro DP clase 2 (DPM2), por
ejemplo
dispositivos de configuracin y programacin. Dispositivo maestro
DP clase 1 (DPM1), por ejemplo
controladores centrales tales como PLC. Cableado e instalacin:
Acoplamiento y desacople de estaciones sin afectar a las
otras estaciones. Tcnica de transmisin de dos conductores
probados y de
fcil manejo. Tabla 2.3. Caractersticas principales de Profibus
DP.
2.3.7.1 CARACTERSTICAS BSICAS Una gran terminacin no es
suficiente para un uso exitoso de un sistema de bus. Mejor
dicho, una instalacin y servicio sencillo, buenas facilidades de
diagnostico y una transmisin libre de errores son necesarias para
cumplir con los requerimientos de los usuarios. PROFIBUS-DP combina
estos requisitos de una manera ptima.
PROFIBUS-DP necesita, aproximadamente, 6 ms a 1.5 Mbits/s para
la transmisin de 512
bits de datos de entrada-salida distribuida en 32 estaciones.
Esto cumple el requerimiento para un corto tiempo de reaccin del
sistema. La figura 2.8 muestra el tiempo de transmisin de
PROFIBUS-DP, dependiendo del nmero de estaciones y la velocidad de
transmisin. Este considerable incremento de la velocidad en
comparacin con PROFIBUS-FMS, resulta principalmente del uso del
servicio SRD (envo y recepcin de datos, send and receive data) de
la capa 2. Este servicio permite la transmisin de datos de entrada
y salida en un solo ciclo de mensaje. Adicionalmente, la mejora en
el desempeo resulta del incremento de la velocidad de transmisin a
12 Mbits/s.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
17
Fig. 2.8. Tiempo de ciclo de Bus dependiendo de la velocidad de
transmisin y del n de dispositivos
esclavos en el sistema. 2.3.7.2 DIAGNSTICO Las extensas
funciones de diagnstico de PROFIBUS-DP permiten una rpida
localizacin
de fallos. Los mensajes de diagnstico son transmitidos al bus y
recogidos por el maestro. Operan en tres niveles:
- Diagnstico relacionado a estaciones: Estos mensajes abarcan
estados
operacionales generales de todos los dispositivos. Ejemplo: bajo
voltaje en el dispositivo.
- Diagnstico relacionado a los mdulos: Estos mensajes indican
que un fallo se presenta en un rango de I/O especfico de una
estacin. Ejemplo: mdulo de 8 bits de salida.
- Diagnstico relacionado a los canales: Estos mensajes muestran
que hay un fallo en un bit de entrada o salida (canal). Ejemplo:
cortocircuito en el canal de salida nmero 7.
2.3.7.3 INSTALACIN Y SERVICIO La tcnica de transmisin RS-485 es
muy sencilla de utilizar. Esto permite una enorme
flexibilidad en la configuracin del sistema. La instalacin del
par trenzado de cables no requiere destreza. La estructura del bus
permite acoplar o desacoplar estaciones sin afectar a las dems
estaciones. Adicionalmente, es posible configurar el sistema paso a
paso.
2.3.7.4 CONFIGURACIN DEL SISTEMA Y TIPOS DE DISPOSITIVOS
PROFIBUS-DP permite sistemas mono-maestro o multi-maestro. Es
posible conectar
hasta 126 estaciones (maestros o esclavos) en el mismo bus. La
descripcin de la configuracin del sistema consiste de: el nmero de
estaciones, la asignacin entre direccin de estaciones y direcciones
de entrada y salida, la consistencia de la trama de datos, formato
del mensaje de diagnstico y los parmetros del bus.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
18
Cada sistema PROFIBUS-DP contiene diferentes tipos de
dispositivos. En una
clasificacin por aplicacin existen tres tipos principales: -
DP-maestro clase 1 (DPM1). Este es el controlador central, el cual
intercambia
informacin con las estaciones descentralizadas (esclavos DP) en
un ciclo de mensaje definido. Los dispositivos tpicos son los
PLC's, los controles numricos o los controladores de robots.
- DP-maestro clase 2 (DPM2). Este tipo de dispositivos son
usados para programacin, configuracin y diagnstico. Son utilizados
durante la instalacin para definir la configuracin del sistema.
- DP-esclavo A. Los esclavos DP son dispositivos perifricos
(sensores, actuadores) que recogen informacin de entrada y emiten
informacin de salida al perifrico. Tambin es posible fabricar
dispositivos solamente para entrada o salida de datos. Los
dispositivos DP tpicos son dispositivos con entradas o salidas
binarias de 24 Vdc o 110/220 Vac, entradas o salidas analgicas,
contadores, etc. El nmero de datos de entrada y salida depende del
dispositivo y est limitado a un mximo de 246 bytes. Muchos de los
esclavos DP disponibles actualmente tienen nicamente un mximo de 32
bytes de entradas y 32 bytes de salidas. En la mayora de los casos,
este lmite se debe a razones de implementacin.
En sistemas mono-maestro, solo un maestro est activo en la fase
operativa. La figura 2.9
muestra la estructura de un sistema PROFIBUS-DP mono-maestro. El
PLC es el maestro del proceso. Los esclavos DP distribuidos estn
conectados al PLC a travs del bus. Esta configuracin provoca la
menor duracin del ciclo de bus.
Fig. 2.9. Sistema DP mono-maestro
En configuracin multi-maestro, varios maestros DP estn activos
en el bus, funcionando
como subsistemas (cada uno formado por un maestro con sus
esclavos asignados) u operando como dispositivos de configuracin o
diagnstico. La imagen de entrada y salida puede ser leda por cada
maestro. Slo a un maestro (el cual fue asignado por configuracin)
se le permite escribir a la salida de un esclavo DP. Los sistemas
multimaestro producen un ciclo de bus ms largo que los sistemas
monomaestro.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
19
2.3.7.5 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA Las especificaciones
PROFIBUS-DP incluyen una descripcin detallada de
comportamiento del sistema. Esto facilita la interoperabilidad
de los dispositivos. El comportamiento del sistema es afectado
principalmente por el estado de DPM1. El estado puede ser
controlado local o remotamente por los dispositivos de
configuracin. Usualmente, se dan los siguientes estados:
- Detenido (Stop). En este estado no ocurre transferencia de
datos entre el DPM1 y
los esclavos DP. - Limpiar (Clear). El DPM1 lee la informacin de
entrada de los esclavos DP y
mantiene a las salidas en su estado de a prueba de fallos. -
Operar (Operate). El DPM1 est en estado de transferencia de datos.
En una
secuencia de mensajes cclicos, la trama de datos de entrada es
leda del esclavo-DP y la trama de datos de salida es escrita en el
esclavo-DP.
El DPM1 transmite su estado local en un intervalo de tiempo
configurable, con un
comando multicast, a todos los esclavos DP asignados. La reaccin
del sistema debido a fallos en la fase de transferencia de datos,
por ejemplo,
la cada de un esclavo-DP, est determinada por el parmetro de
configuracin "Autoclear" del DPM1. Si este parmetro es "cierto", el
DPM1 lleva las salidas de todos los esclavos-DP asignados a su
estatus de fail-safe (a prueba de fallos), lo que significa que no
est habilitado para transmitir la trama de datos vlida. Despus,
DPM1 cambia al estado Limpiar.
Si "Autoclear" es falso, el DPM1 se mantiene en su estado de
Operacin incluso en el caso de que se produzca un fallo de
esclavo-DP. El usuario puede determinar la reaccin del sistema.
2.3.7.6 TRANSFERENCIA CCLICA DE DATOS La transferencia de datos
del usuario entre el DPM1 y sus esclavos DP asignados es
ejecutada automticamente por DPM1 mediante un orden recurrente
definido. Durante la configuracin del bus del sistema, el usuario
define la asignacin de esclavos DP a un DPM1 y cuales de estos
esclavos DP estn incluidos o excluidos del ciclo de mensajes.
La interaccin entre el DPM1 y sus esclavos DP est estructurada
en fases de
parametrizacin, configuracin y transferencia de trama de datos.
En las fases de parametrizacin y configuracin, cada esclavo DP
compara su configuracin real con la trama de datos de configuracin
recibida desde su DPM1. Cuando verifica su configuracin, el tipo de
dispositivo, formato y longitud de la informacin as como el nmero
de entradas y salida tienen que ser idnticas. El usuario, en
consecuencia tiene una extensa proteccin contra fallos de
configuracin mediante estas pruebas. Slo si estas pruebas concluyen
con xito, el esclavo DP est listo para pasar a la fase de
transferencia de datos. La figura 2.10 muestra los principios de
transferencia de data de usuario entre el DPM1 y los esclavos DP En
adicin a la transferencia de tramas de datos de usuario ejecutada
automticamente, es posible enviar datos de usuario de
parametrizacin definidos por los esclavos DP.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
20
POWER_ON
WAIT_PRM
WAIT_CFG
DATA_EXC
Set_Slave_Address
Slave_DiagnoseGet_Config
Slave_DiagnoseSet_Param, OKGet_Config
Check_Config, OK
Check_Config, OKSet_Param, OK
Data_Exchange, OK
Check_Config, NOT OKSet_Param, NOT OK
Fig. 2.10. Funcionamiento de un dispositivo esclavo DP 2.3.7.7
TRANSFERENCIA DE DATOS ENTRE DPM1 Y LOS DISPOSITIVOS DE
CONFIGURACIN Como complemento a las funciones maestro-esclavo,
PROFIBUS DP permite funciones
maestro-maestro. Son usadas entre DPM1 y los dispositivos de
configuracin y programacin (DPM2). Principalmente, estas funciones
permiten la configuracin del DPM1 a travs del bus.
Adems de las facilidades de Upload y Download, la funcin
maestro-maestro permite
habilitar o deshabilitar dinmicamente la transferencia de tramas
de datos entre DPM1 y los esclavos seleccionados, as como el cambio
del modo de operacin del DPM1.
2.3.7.8 MODOS SYNC Y FREEZE En adicin a la transferencia cclica
de datos de usuario, el cual es realizado en forma
automtica por DPM1, es posible enviar datos de comando de
control desde un maestro DP a un nico esclavo DP, grupo de esclavos
o a todas las dems estaciones. Estos comandos son transmitidos como
comandos multicast. El uso de estas funciones permite el modo sync
o freeze de los esclavos DP. Estos modos permiten la sincronizacin
del manejo de evento de los esclavos DP.
Las estaciones seleccionadas entran en modo sync, despus de que
el maestro enva un
comando sync. En este modo, la salida de los esclavos DP
seleccionados se congela en su estado actual. Durante los
siguientes ciclos de intercambio de datos, los datos de salida son
almacenados en el esclavo DP, pero la salida fsica se mantiene sin
cambios. Cuando el esclavo
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
21
DP recibe el siguiente comando sync del maestro, los datos de
salida son emitidos al perifrico. El usuario puede detener el modo
sync con el comando unsync.
De la misma manera, el comando freeze habilita el modo freeze de
los esclavos DP. Este
comando permite congelar las entradas a su valor presente. Los
datos de entrada se actualizan despus de recibir el siguiente
comando freeze. El usuario puede detener el modo freeze con el
comando unfreeze.
2.3.7.9 MECANISMOS DE PROTECCIN Debido al rango de aplicacin del
PROFIBUS DP, es necesario equipar al sistema con una
proteccin efectiva contra fallos de parametrizacin o fallos en
el bus. PROFIBUS DP utiliza mecanismos de control en el maestro DP
y en los esclavos DP. Estos son implementados como temporizadores
de perros guardianes o Watchdog timers.
- En el maestro DP: El DPM1 monitoriza la transferencia de datos
de usuario de los
esclavos DP con el Data_Control_Timer (temporizado de control de
trama de datos). Para cada esclavo DP se utiliza un temporizado de
control individual. Este temporizador expira si dentro de un
intervalo de control de datos, no ocurre una transferencia de datos
de usuario con xito, en cuyo caso, el usuario sera informado del
fallo. Si el error de reaccin automtica ha sido habilitado
(Auto_clear = true), el DPM1 abandona el estado de operacin
(operate), cambia las salidas de todos los esclavos DP asignados a
su condicin de fail-safe y los cambia a su estado de Limpieza
(Clear).
- En los esclavos DP: El esclavo DP usa el temporizador Watchdog
para detectar fallos del DPM1 asignado o del bus. Si un esclavo DP
reconoce que no ocurre una transferencia de datos de usuario con
xito con DPM1 dentro del intervalo del temporizador Watchdog,
cambia las salidas a su condicin de fail-safe.
Para garantizar la operacin segura en sistemas multimaestro, es
necesario realizar una
proteccin de acceso para las entradas y las salidas de los
esclavos DP. Esta proteccin asegura que solo ser posible el acceso
directo de las entradas y salidas desde el DPM1 asignado. Para
todos los otros mensajes maestros DP, los esclavos DP ofrecen una
imagen de las entradas y salidas, la cual puede ser leda por
cualquier otro maestro DP sin derecho de acceso.
2.3.7.10 LA BASE DE DATOS DE DISPOSITIVOS Las caractersticas
principales de cada esclavo DP y cada DPM1 tienen que ser
documentada por el fabricante y ser entregada al usuario del
dispositivo en forma de una hoja de datos del dispositivo y un
archivo de base de datos. La estructura, contenido y codificacin de
esta informacin est estandarizada. Lo que permite una configuracin
conveniente de cualquier esclavo DP con dispositivos de
configuracin de cualquier fabricante. El PNO administra esta
informacin, independientemente del fabricante, y ofrece la misma a
requerimiento.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
22
Fig. 2.11. Archivo GSD. Base de datos de dispositivos Profibus
DP
2.3.7.11 NMERO DE IDENTIFICACIN Cada tipo de esclavo DP tiene
que tener un nmero de identificacin individual. Este
nmero es necesario para permitir al DPM1 identificar el tipo de
esclavo DP conectado sin un significativo gasto en protocolo. El
DPM1 compara el nmero de identificacin de cada esclavo DP conectado
con el nmero de identificacin de los datos de configuracin
determinado por la configuracin del dispositivo. La transferencia
de datos de usuario en la fase de operacin del sistema solamente
empezar cuando el esclavo DP correcto est conectado en el bus con
la direccin de estacin adecuada. Esto asegura una alta proteccin
contra fallos de parametrizacin. El fabricante es requerido por el
PNO para aplicar un nmero de identificacin individual para cada
tipo de esclavo DP. El PNO administra los nmeros de identificacin
junto a la informacin de la base de datos del dispositivo.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
23
2.4 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK)
2.4.1 INTRODUCCIN
Controller Area Network (CAN) es un protocolo de comunicacin
serie que soporta
eficientemente el control distribuido en tiempo real con un alto
nivel de seguridad. El aumento de la complejidad de los sistemas
electrnicos para automocin y la exigencia de mayor seguridad y
confort por parte de los usuarios motivaron a Bosch a disear un bus
de campo que diera solucin a estas necesidades. CAN ha sido
estandarizado internacionalmente de manera que numerosos
fabricantes de semiconductores han desarrollado circuitos
integrados basados en este estndar.
El ejemplo ms habitual de aplicacin del bus CAN es el ABS, que
requiere la actuacin
conjunta de las revoluciones del motor y del carburador para
reducir el par cuando una rueda motriz patina. Pero aunque
inicialmente fue utilizado para la automocin, sus caractersticas le
permiten adaptarse a un amplio rango de aplicaciones, desde redes
de alta velocidad hasta cableado de bajo coste para mltiples
elementos, pudiendo controlar mquinas, sensores, etc. con
velocidades de hasta 1 Mbit/s.
De acuerdo con el modelo OSI, CAN se subdivide en capas, de las
cuales el estndar
define las dos primeras, capa fsica y capa de enlace. No existen
los niveles del 3 al 6 puesto que se pasa directamente a la capa de
aplicacin desde la de enlace. Una peculiaridad de CAN es que las
capas de enlace y aplicacin no estn totalmente separadas sino que
guardan un cierto vnculo que quedar patente cuando se muestre la
estructura de tramas del nivel de enlace. Existen dos partes dentro
de la especificacin CAN 2.0[3], la A y la B, y aunque utilicen
diferentes nombres para las subcapas del nivel de enlace, su misin
es la misma. Bsicamente la nica diferencia que existe entre CAN 2.0
A y CAN 2.0 B es que la parte A utiliza identificadores de 11 bits,
compatible con anteriores versiones de CAN, mientras que B utiliza
identificadores de 29 bits. Por lo dems, el funcionamiento es el
mismo.
NIVEL CAN 2.0 A CAN 2.0 B Aplicacin (Protocolo especfico)
(Protocolo especfico) Presentacin Sesin Transporte Red
CAN Object layer LLC Enlace
CAN Transfer layer MAC
Fsico ISO 11898 ISO 11898 Fig. 2.12 Torre de protocolos en
aplicaciones CAN
Antes de entrar en detalle es conveniente citar las dos
caractersticas ms importantes de
CAN, clave esencial para comprender las enormes ventajas que
trae consigo utilizar este bus: - Los identificadores no son
direcciones de nodos concretos, sino que expresan el
contenido del mensaje. Por ejemplo: podramos asignar un
identificador para los datos de temperatura, otro para los de
velocidad, etc. De esta manera se pueden
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
24
establecer comunicaciones punto a multipunto ya que slo los
nodos a los que interese el mensaje lo recibirn.
- El tipo de acceso al medio es basado en contienda pero con la
particularidad de que no se desperdicia tiempo, debido a que las
colisiones se resuelven mediante un arbitraje de bits en el que
gana el nodo con ms prioridad sin que esto suponga la modificacin
de ninguno de los bits que este nodo ha transmitido. Esto es algo
parecido a lo que ocurre en un canal D de un acceso RDSI.
2.4.2 NIVEL FSICO El nivel fsico de CAN est estandarizado por el
ISO (International Organization for
Standardization) en la norma ISO 11898[4]. La transmisin puede
efectuarse de dos formas, la primera es a travs de una sola lnea,
siempre que todos los nodos tengan una referencia de tierra comn y
los niveles de tensin estaran referidos a tierra. La segunda es a
travs de dos hilos en modo diferencial. Nos centraremos en esta
ltima forma puesto que es la que regula el estndar ISO 11898.
En la figura 2.13 se muestra la disposicin tpica del bus CAN. En
ella podemos observar
que el bus est formado por dos lneas, CANH Y CANL, dentro de un
cable, que puede estar apantallado o no, por tanto pueden ser
utilizados cables UTP (Unshielded twisted pair) y STP (Shielded
twisted pair).
Es importante resear que el bus debe estar terminado en los
extremos con resistencias
de terminacin de 120 Ohmios. Adems no es conveniente incluir las
resistencias de terminacin en los nodos que estn colocados en los
extremos puesto que si estos nodos son retirados, el bus se quedar
sin terminacin y se pueden dar reflexiones que imposibiliten una
correcta comunicacin.
Fig. 2.13 Esquema de conexin de los nodos al bus CAN El bus est
en estado recesivo cuando todos los transmisores estn desactivados.
La
tensin de las lneas del bus en este caso es generado por las
resistencias de terminacin y los circuitos de recepcin de los
nodos, que muestran una impedancia alta entre las lneas del
bus.
Un bit dominante es enviado al bus cuando al menos uno de los
nodos tiene habilitado su
transmisor y quiere escribir un bit dominante. Esto provoca un
flujo de corriente a travs de las
Terminador Terminador
CANH
CANL
Transceiver
Controlador (digital)
TX RX
Nodo 1
Transceiver
Controlador (digital)
TX RX
Nodo n
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
25
resistencias de terminacin y consecuentemente una tensin
diferencial entre ambas lneas del bus. El bus puede estar en uno de
los dos estados: recesivo o dominante.
En el estado recesivo, las tensiones en CANH y CANL son fijadas
al nivel de tensin de
modo comn, y se considerarn como un 1 lgico siempre que la
tensin diferencial no supere un cierto umbral mximo. El bus est en
estado recesivo cuando se quiere transmitir un 1 o cuando el bus
est en reposo.
En el estado dominante la tensin diferencial es mayor que un
umbral mnimo. Un bit
dominante sobreescribe a un bit dominante y ocurre cuando uno o
ms nodos quieren transmitir un 0 lgico.
Fig. 2.14 Niveles de tensin en el bus CAN
A continuacin se muestran los umbrales de tensin que se definen
en la especificacin: Recesivo Parmetro Notacin Unidad
Mnimo Tpico
Mximo
VCANH
V
2,5
7,0
Tensin del bus en modo comn
VCANL
V
-2,0
2,5
Tensin diferencial
Vdiff
mV
-120
0
12
Tabla 2.4 Niveles de tensin para el estado recesivo Dominante
Parmetro Notacin Unidad
Mnimo Tpico
Mximo
VCANH
V
3,5
7,0
Tensin del bus en modo comn
VCANL
V
-2,0
1,5
Tensin diferencial
Vdiff
mV
1,2
2,0
3,0
Tabla 2.5 Niveles de tensin para el estado dominante
V
t
CANH
CANL
Recesivo Dominante Recesivo
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
26
La especificacin ISO 11898 no define el tipo de conectores y
cables a usar pero s define
los parmetros elctricos mnimos que deben cumplir los materiales.
En el caso del cable se recomienda que tengan una impedancia
caracterstica en torno a los 120 , una resistencia de menos de
70m/m y un retraso de lnea especfico de menos de 5ns/m En cuanto a
la topologa hay que procurar que se parezca lo ms posible a una
lnea recta para evitar reflexiones. Los parmetros que debe cumplir
la topologa son:
Parmetro Notacin Unidad Mnimo Mximo Longitud del bus L m 0 40
Longitud del stub o latiguillo l m 0 0,3 Distancia entre nodos D m
0,1 40 Nota: especificaciones para 1Mbit/s
Tabla 2.6 Distancias a tener en cuenta en el cableado del bus
CAN Las limitaciones del bus dependen de varios factores como por
ejemplo la velocidad de
transmisin. En la siguiente tabla se muestra una comparativa
entre la longitud mxima del bus y la velocidad:
Velocidad Tiempo de Bit Longitud Mxima 1 Mbps 1 S 40 m 800 Kbps
1,25 S 50 m 500 Kbps 2 S 100 m 250 Kbps 4 S 250 m 125 Kbps 8 S 500
m 50 Kbps 20 S 1000 m 20 Kbps 50 S 2500 m 10 Kbps 100 S 5000 m
Tabla 2.7 Relacin entre velocidad de transmisin y longitud del
bus Otra de las limitaciones que hay que tener en cuenta es el
nmero de nodos que se
pueden insertar en la red. Aunque la norma no especifica ningn
lmite, lo cierto es que el bus est limitado por carga y dependiendo
del tipo de transceiver que usemos podremos poner ms o menos nodos.
Como valor de referencia se puede establecer un mximo de 64
nodos.
La capa fsica se encarga tambin de otros aspectos tales como la
codificacin de bits, los
tiempos de bit y la sincronizacin, que sern vistos en detalle ms
adelante.
2.4.3 NIVEL DE ENLACE En este nivel est la clave fundamental
para entender el funcionamiento de CAN. Gracias
a esta capa, CAN ofrece una comunicacin con las siguientes
caractersticas: - Establece prioridades para los mensajes. -
Garantiza los tiempos de latencia. - Permite una configuracin
flexible. - La comunicacin es punto a multipunto sincronizada. -
Permite sistemas multimaestro.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
27
- Detecta y sealiza errores. - Retransmite automticamente
mensajes en caso de colisin tan pronto como el
bus est libre. - Distingue entre errores temporales y
permanentes pudiendo desconectar nodos
defectuosos. 2.4.3.1 LAS SUBCAPAS DEL NIVEL DE ENLACE: LLC Y MAC
La subcapa MAC representa el ncleo del protocolo de CAN. Presenta
los mensajes
recibidos desde la subcapa LLC y acepta los mensajes para ser
pasados a la subcapa LLC. La subcapa MAC es responsable de las
siguientes tareas: - Encapsulado / desencapsulado de datos. -
Codificacin de la trama (Insertando/extrayendo bits de relleno). -
Gestin del acceso al medio. - Deteccin de errores. - Sealizacin de
errores. - Generacin de asentimientos. - Serializacin /
deserializacin de los datos. Esta subcapa est supervisada por una
entidad de gestin denominada Fault
Confinement, que es un mecanismo de autocomprobacin para
distinguir entre leves perturbaciones y fallos permanentes.
La subcapa LLC se encarga de las siguientes tareas: - Filtrado
de mensajes. - Notificacin de sobrecarga. - Autorrecuperacin. Las
diferentes caractersticas de la subcapa LLC y del protocolo CAN
tienen una serie
consecuencias: Mensajes. Los mensajes son enviados al bus con un
formato fijo de longitud variable pero
limitada. Cuando el bus est libre cualquier unidad puede empezar
a transmitir un mensaje. Encaminamiento de la informacin. En un
sistema CAN, los nodos no necesitan
conocer la configuracin de la red y no necesitan por tanto
direcciones. Esto tiene importantes consecuencias:
- Flexibilidad. Se pueden aadir nuevos nodos sin que suponga una
modificacin del hardware o software de ningn otro nodo.
- Encaminamiento de mensajes. El identificador no indica el
destinatario del mensaje, sino el significado de los datos, por eso
todos los nodos pueden decidir mediante filtrado si deben recibir
ese mensaje o no.
- Multicast. Como consecuencia del filtrado de mensajes, varios
nodos pueden recibir el mismo mensaje simultneamente.
Velocidad de transmisin. Es posible elegir la velocidad para
cada sistema, sin
embargo, dentro de un sistema, todos los nodos transmiten a la
misma velocidad.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
28
Prioridades. El identificador determina la prioridad del mensaje
en los accesos al bus. Peticin de datos remotos. Enviando una trama
remota (Remote Frame) se puede
requerir a otro nodo que mande la correspondiente trama de
datos. Ambas tramas tienen el mismo identificador.
Arbitraje. Siempre que el bus est libre, cualquier nodo puede
empezar a transmitir un
mensaje. Si dos o ms nodos empiezan a transmitir mensajes al
mismo tiempo, el conflicto de acceso al bus es resuelto por
arbitraje de bits usando el identificador. Este mecanismo garantiza
que no se pierde ni la informacin ni el tiempo.
Seguridad. Para lograr un alto nivel de seguridad en la
transferencia de datos, se han
implementado medidas de deteccin de errores y autocorreccin en
cada nodo CAN. Las medidas de deteccin de errores son: -
Monitorizacin de la informacin escrita al bus. - Cdigo de
redundancia cclico. - Bits de relleno. - Comprobacin de la
estructura de la trama. Con este tipo de medidas se logra una
probabilidad residual de errores no detectados
menor que: [tasa de errores en el mensaje] 4.7E-11
Confinamiento de fallos (Fault confinement). Como ya se ha
mencionado, los nodos
CAN distinguen entre errores temporales y permanentes, siendo
capaces de desactivar los nodos defectuosos para que no perturben
el funcionamiento de la red.
Asentimientos. Todos los receptores comprueban la consistencia
de un mensaje que
est siendo recibido y lo asentirn si el mensaje es consistente.
En caso contrario lo sealarn con la pertinente trama de error.
Sleep mode. Para reducir el consumo los nodos CAN pueden entrar
en este modo si no
van a ser utilizados. El nodo saldr de este modo bien porque
detecte actividad en el bus o bien porque el sistema requiera que
el nodo CAN vuelva a estar operativo.
2.4.3.2 DATA FRAME (TRAMA DE DATOS) Una trama de datos est
compuesta de siete campos de bits: COMIENZO DE TRAMA,
CAMPO DE ARBITRAJE, CAMPO DE CONTROL, CAMPO DE DATOS, CRC,
ASENTIMIENTO y FINAL DE TRAMA. El campo de datos puede tener
longitud cero.
COMIENZO DE TRAMA
CAMPO DE ARBITRAJE
CAMPO DE CONTROL
CAMPO DE DATOS
CRC ASENTI- MIENTO
FINAL DE TRAMA
1 bit
12 bits/ 31 bits
6 bits
8 x n bits n= 0,1,,7,8
17 bits
2 bits
7 bits
Fig. 2.15 Estructura de una trama de datos
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
29
Comienzo de trama. Consiste en un nico bit dominante. Su misin
es delimitar el
comienzo de una trama y servir de referencia para que el resto
de nodos se sincronicen con el flanco de subida de este bit.
Campo de arbitraje. El formato es distinto segn si nos
encontramos ante una trama
estndar o una trama extendida. Las tramas estndar utilizan
identificadores de 11 bits mientras que las extendidas utilizan
identificadores de 29 bits.
IDENTIFICADOR RTR IDE R0 DLC
11 bits 1 bit 1 bit 1 bit 4 bits
Fig. 2.16 Campos de arbitraje y control en una trama estndar
IDENTIFICADOR (ID28 ID18)
SRR IDE
IDENTIFICADOR (ID17 ID0)
RTR
R1 R0
DLC
11 bits 1 bit 1 bit 18 bits 1 bit 1 bit 1 bit 4 bits Fig. 2.17
Campos de arbitraje y control en una trama extendida
Como ya se dijo, el identificador indica el contenido del
mensaje y a su vez define la
prioridad del mensaje. El bit RTR (Remote Transmission Request)
indica si se trata de una trama de datos (0) o
si se trata de una trama remota (1). El bit SRR (Substitute
Remote Request) sustituye al bit RTR de las tramas estndar y
siempre est a 1 de modo que en una colisin entre una trama
estndar y una extendida en las que coincidan los 11 primeros bits
del identificador, siempre prevalezca la trama estndar.
El bit IDE (Identifier Extensin) determina si el identificador
es de 11 29 bits, por tanto
este bit tiene el valor 0 en las tramas estndar y el valor 1 en
las tramas extendidas. Campo de control. Este campo tiene una
longitud de 6 bits como se aprecia en las
figuras 2.16 y 2.17. Los bits R0 y R1 estn reservados mientras
que los 4 bits del DLC (Data lenght code) indican la longitud en
bytes del campo de datos. De la figura 2.15 se desprende que el
campo de datos tiene una longitud mxima de 8 bytes, por tanto, el
valor mximo que puede codificarse en el DLC es 8. Aunque con 4 bits
podramos codificar valores desde el 0 al 15, los valores mayores
que 8 no estn permitidos.
Campo de datos. Puede contener desde 0 a 8 bytes de informacin.
Dentro de cada byte,
los bits estn ordenados de manera que el bit ms significativo es
el primero que se transmite. CRC (Cdigo de redundancia cclico).
Este campo se divide en dos partes, por un lado
un cdigo de redundancia para poder detectar errores y por otro
un delimitador del CRC. El cdigo de redundancia es del tipo BCH,
tiene una longitud de 16 bits y responde al siguiente polinomio
generador: X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
30
CRC Delimitador 15 bits 1 bit
Fig. 2.18 Campo CRC El CRC se calcula sobre los siguientes
campos sin contar los bits de relleno: Comienzo de
trama, Campo de arbitraje, Campo de control y Campo de datos. El
delimitador consiste en un bit con valor 1.
Campo de asentimiento. Este campo se compone de dos bits: la
ranura y el delimitador
de asentimiento. El nodo que transmite la trama pone ambos bits
a 1 (nivel recesivo). Todos los nodos que hayan recibido
correctamente la trama, incluyendo una comprobacin del CRC con
resultado satisfactorio, sobrescribirn la ranura de asentimiento
con un bit dominante (0) indicando al nodo transmisor que la trama
ha sido recibida correctamente.
Ranura de ACK Delimitador ACK
1 bit 1 bit Fig. 2.19 Campo de asentimiento
Final de trama. Este campo consiste simplemente en 7 bits
recesivos. 2.4.3.3 REMOTE FRAME (TRAMA REMOTA) La estructura de una
trama remota es exactamente igual que la de una trama de datos
con
la excepcin de que el bit RTR va a 1 y que el campo de datos est
vaco independientemente del valor del DLC. Este tipo de tramas se
utilizan cuando se quiere solicitar determinada informacin a un
nodo. El nodo solicitante enva una trama remota, sin datos y con un
determinado identificador. El nodo receptor reacciona enviando
inmediatamente una trama de datos con el mismo identificador y la
informacin correspondiente. Por supuesto el nodo receptor debe
tener preparada previamente la informacin actualizada en el buzn
correspondiente para que cuando llegue una trama remota la
informacin que se enve automticamente sea la adecuada.
2.4.3.4 ERROR FRAME (TRAMA DE ERROR) La trama de error consta de
dos campos. El primero viene dado por la superposicin de
seales de error procedentes de diferentes nodos. El segundo es
un delimitador de error.
SEAL DE ERROR DELIMITADOR DE ERROR
De 6 a 12 bits 8 bits Fig. 2.20 Estructura de una trama de
error
Hay dos tipos de seales de error:
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
31
- Seal de error activo: Consiste en seis bits dominantes
consecutivos. - Seal de error pasivo: Consiste en seis bits
recesivos consecutivos a menos que
otros nodos los sobrescriban con sus seales de error activo. Un
nodo en estado de error activo que detecta una condicin de error lo
indica
transmitiendo una seal de error activo. Esta seal viola la ley
de bits de relleno aplicados a todos los campos desde el comienzo
de trama hasta el CRC o destruye el formato de los campos de
asentimiento y final de trama. Como consecuencia, todos los dems
nodos detectan una condicin de error e inician la transmisin de sus
propias seales de error. Por eso, la secuencia de bits dominantes
que realmente se ven en el bus resulta de la superposicin de
diferentes seales de error y la longitud de esta secuencia puede
variar entre 6 y 12 bits.
Un nodo en estado de error pasivo que detecta una condicin de
error intenta indicarla transmitiendo una seal de error pasivo.
Este nodo espera a que aparezcan 6 bits de la misma polaridad,
empezando a contar desde el principio de la seal de error
pasivo.
Una vez que se han terminado de transmitir todas las seales de
error tanto pasivas como
activas, los nodos transmiten 8 bits recesivos al bus. Estos 8
bits forman el delimitador de error. 2.4.3.5 OVERLOAD FRAME (TRAMA
DE SOBRECARGA) La trama de sobrecarga contiene dos campos de dos
bits cada uno: la seal de
sobrecarga y el delimitador de sobrecarga. Hay tres tipos de
condiciones de sobrecarga, que conducen ambas a la transmisin
de
este tipo de tramas: - Las condiciones internas de un receptor
pueden hacer que ste necesite introducir
un retraso en la recepcin de la prxima trama de datos o trama
remota para que pueda procesar la tarea que tenga pendiente.
- La deteccin de un bit dominante en el ltimo bit de un
delimitador de error o de un delimitador de sobrecarga. En este
caso el nodo transmitir una trama de sobrecarga, no una trama de
error y los contadores de errores no sern incrementados.
- Deteccin de un bit dominante en el primer y segundo bit de
INTERMISSION.
SEAL DE SOBRECARGA
DELIMITADOR DE SOBRECARGA
de 6 a 12 bits 8 bits
Fig. 2.21 Estructura de una trama de sobrecarga La seal de
sobrecarga consiste en seis bits dominantes consecutivos y la
forma
resultante de este campo es anloga a la de la seal de error. Lo
mismo ocurre con el delimitador de sobrecarga, que se corresponde
con una secuencia
de 8 bits recesivos al igual que el delimitador de error.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
32
2.4.3.6 ESPACIO ENTRE TRAMAS Tanto las tramas de datos como las
tramas remotas estn separadas de la trama
precedente, sea del tipo que sea, por un conjunto de bits
denominados INTERFRAME SPACE (Espacio entre tramas). En contraste,
las tramas de error y sobrecarga no van precedidas por este espacio
entre tramas, ni siquiera varias tramas de sobrecarga seguidas.
El espacio entre tramas contiene los campos de bits
INTERMISSION, Bus libre, y para nodos en estado de error pasivo que
han transmitido el ltimo mensaje, Suspensin de transmisin.
INTERMISSION BUS LIBRE
3 bits indefinido
a) Espacio entre tramas para nodos en estado error activo
INTERMISSION SUSPENSIN DE TRANSMISIN
BUS LIBRE
3 bits 8 bits indefinido b) Espacio entre tramas para nodos en
estado error pasivo
Fig. 2.22 Estructura del espacio entre tramas El campo
INTERMISSION consiste en una secuencia de 3 bits recesivos
consecutivos y el
campo Suspensin de transmisin consiste en una secuencia de 8
bits recesivos consecutivos. La duracin del espacio denominado Bus
libre es indefinida y termina cuando algn nodo
empieza a transmitir una trama.
2.4.4 ARBITRAJE EN EL BUS El arbitraje de bits es el mecanismo
que utiliza CAN para decidir en caso de colisin cul
es el nodo que puede seguir transmitiendo. Esta decisin se toma
teniendo en cuenta el campo de arbitraje, que contiene el
identificador.
Como ya se ha dicho, un bit dominante prevalece sobre uno
recesivo. Esto es posible gracias a los circuitos de los
transmisores que se comportan de forma similar a una puerta a
drenador abierto, que es capaz de fijar un cero lgico pero que al
transmitir un uno lgico ponen su salida en alta impedancia.
Si un solo nodo empieza a transmitir una trama, automticamente
el resto de nodos se ponen a recibir el mensaje y se abstienen de
transmitir al bus hast que el bus vuelva a quedar libre y necesiten
transmitir algo o hasta que se den condiciones de error o
sobrecarga.
El problema surge cuando dos o ms estaciones intentan transmitir
al mismo tiempo. En este caso cuando cualquiera de los nodos que
intentan transmitir detecten diferencia entre el bit que ellos estn
transmitiendo y el bit que se observa en el bus, y siempre que se
encuentren transmitiendo el campo de arbitraje, entendern que han
perdido la contienda y por tanto deben dejar de transmitir
inmediatamente. Estos nodos volvern a intentar la transmisin cuando
el bus est libre de nuevo.
El siguiente ejemplo ilustra el funcionamiento del mecanismo de
arbitraje:
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
33
Fig. 2.23 Ejemplo de arbitraje en el bus CAN En la figura se
aprecia cmo el nodo 1 deja de transmitir en cuanto se percata de
que en
el bus hay un nivel dominante (0) cuando l haba transmitido un
nivel recesivo (1). Lo mismo le ocurre al nodo 3 unos bits despus.
Al final slo queda el nodo 2 que es el que finalmente transmite su
trama sin haber desperdiciado tiempo y sin haber destruido la
informacin del nodo ganador.
Tambin se puede apreciar que el valor del identificador del nodo
2 es el ms bajo (00011000011b = 195d), frente al nodo 1
(001XXXXXXXXb > 256d) y al nodo 3 (0001101XXXXb > 208d). Por
tanto los mensajes con identificadores ms bajos tendrn ms
preferencia.
Si dos o ms nodos transmiten tramas con el mismo identificador y
bit RTR, en el
momento en que hubiera alguna discrepancia, por ejemplo, en el
campo de datos, los nodos lo que detectaran sera un error de bit,
emitiran las correspondientes tramas de error y destruiran la trama
que estaban transmitiendo. En ese caso s se habra desperdiciado
tiempo y los nodos tendran que reintentar la transmisin de
nuevo.
2.4.5 FILTRADO DE MENSAJES
Aunque la especificacin CAN no regula del todo la forma de
intercambiar informacin
entre el sistema microprocesador y el controlador CAN, lo cierto
es que la mayora de dispositivos establecen para ello una serie de
buzones (mailboxes). En el caso de los buzones de transmisin, cada
uno de ellos lleva un campo con el identificador que incluirn en
sus mensajes y en el caso de los buzones de recepcin, cada uno
puede llevar uno o ms filtros. Los filtros se componen de un
identificador y una mscara. De esta manera en un buzn de recepcin
pueden entrar un grupo de mensajes siempre que el identificador del
mensaje entrante coincida con el identificador del filtro en los
bits especificados en la mscara.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
34
1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 ID del mensaje 1
1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
ID del mensaje 2
1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 ID del mensaje 3
1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0
ID del filtro 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1
Mscara del filtro
Fig. 2.24 Ejemplo de filtrado con buzones En el caso de los
buzones configurados para recibir tramas remotas, el controlador
no
guarda los datos de stas puesto que no contienen datos, y en su
lugar inicia automticamente una transmisin de una trama de datos
con la informacin que estuviera guardada en dicho buzn por el
sistema microprocesador.
2.4.6 CODIFICACIN Los campos Comienzo de trama, Campo de
arbitraje, Campo de control, Campo de datos
y CRC de las tramas de datos y tramas remotas son codificados
con el mtodo de bits de relleno. Siempre que el transmisor detecta
cinco bits consecutivos de idntico valor en el flujo de bits que va
a ser transmitido, inserta automticamente un bit complementario en
el flujo que realmente se transmite. Los restantes campos de dichas
tramas tienen un formato fijo y no estn afectados.
El flujo de bits en un mensaje es codificado de acuerdo con el
mtodo de No-Retorno-a-cero (NRZ). Esto significa que durante todo
el tiempo de bit, el nivel generado se mantiene.
2.4.7 MECANISMOS CONTRA ERRORES
2.4.7.1 TIPOS DE ERRORES Hay cinco tipos de errores que se
pueden dar en un bus CAN: - Error de bit. Al tiempo que un nodo
transmite un bit al bus, tambin monitoriza el
nivel real en el bus, y cuando el valor detectado es diferente
del valor enviado se genera un error de bit excepto cuando se est
transmitiendo un bit que pertenece al campo de arbitraje o a la
ranura de asentimiento y siempre que detectemos un nivel dominante
cuando hayamos transmitido un nivel recesivo. Tampoco se interpreta
como un error de bit cuando un nodo enva una seal de error pasivo
mientras otros nodos ponen en el bus un nivel dominante debido a
sus seales de error activo.
El mensaje 1 entrara en el buzn porque su identificador coincide
con el identificador del filtro en los bits que especifica la
mscara (los que estn a 0). El mensaje 2 entrara en el buzn por la
misma razn aunque los dos ltimos bits no coincidan ya que por la
configuracin de la mscara esos bits no deben ser comprobados. El
mensaje 3 no entrara en el buzn puesto que tiene 2 bits diferentes
dentro de la zona del identificador que s es comprobada.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
35
- Error en bits de relleno. Cuando se detectan 6 bits
consecutivos con el mismo valor en alguno de los campos codificados
con el mtodo de bits de relleno, se genera este tipo de error.
- Error en CRC. Los receptores recalculan el CRC de los mensajes
que le estn llegando y si detectan discrepancia entre el CRC que
han obtenido y el que reciben en la trama, lo sealan como error en
el CRC.
- Error de formato. Este tipo de error ocurre cuando se detectan
bits ilegales en campos con un formato fijo. Si se detecta un bit
dominante durante el ltimo bit del campo Final de trama, no se
considera como error de formato.
- Error de asentimiento. Si un nodo transmisor no detecta un
nivel dominante durante la ranura de asentimiento de la trama que
est transmitiendo, genera este error.
En cuanto se detecta alguno de estos errores se transmite
inmediatamente a partir del
siguiente bit una trama de error utilizando una seal de error
activo o pasivo segn el estado del nodo, a excepcin de los errores
en CRC. Ante errores en el CRC, la trama de error se transmite
justo despus del delimitador de asentimiento siempre que no se haya
producido alguna de las otras condiciones de error antes.
2.4.7.2 CONFINAMIENTO DE NODOS DEFECTUOSOS (FAULT CONFINEMENT)
Los nodos pueden estar en tres estados: - error activo. - error
pasivo. - bus off (desactivado). Un nodo en error activo puede
tomar parte en las comunicaciones del bus con normalidad
y enviar seales de error activo cuando detecte un error. Un nodo
en error pasivo tambin puede tomar parte en las comunicaciones pero
a la hora
de sealar un error debe hacerlo con la seal de error pasivo, y
adems, despus de una transmisin, los nodos en error pasivo deben
esperar un tiempo antes de iniciar una nueva transmisin.
Un nodo en bus off est desactivado y no puede ejercer influencia
alguna sobre el bus.
Para hacer efectivo el mecanismo de confinamiento de nodos
defectuosos, se implementan dos contadores en cada nodo:
- Contador de errores de transmisin - Contador de errores de
recepcin Los contadores son modificados de acuerdo a las siguientes
reglas: 1) Cuando un receptor detecta un error, el contador de
errores de recepcin es
incrementado en 1 excepto cuando se trata de un error de bit
durante el envo de una seal de error o de sobrecarga.
2) Cuando un receptor detecta un bit dominante como primer bit
tras enviar una seal de error, el contador de errores de recepcin
ser incrementado en 8
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
36
3) Cuando el transmisor enva una seal de error el contador de
errores de transmisin es incrementado en 8. Para esta regla hay dos
excepciones, la primera se aplica al caso en que el transmisor est
en error pasivo y detecte un error de asentimiento por no recibir
un asentimiento con bit dominante y no detectar bits dominantes
mientras enva su seal de error pasivo, ya que esto significara que
el nodo es el nico activo en el bus. La segunda excepcin se aplica
al caso en que el transmisor enva una seal de error por un error de
bits de relleno ocurrido durante el arbitraje al haber enviado un
bit recesivo pero haber monitorizado un bit dominante. El contador
de errores de transmisin no se modifica si se dan los casos de
cualquiera de estas dos excepciones.
4) Si el transmisor detecta un error de bit mientras manda una
seal de error activo o de sobrecarga, el contador de errores de
transmisin es incrementado en 8.
5) Si un receptor detecta un error de bit mientras manda una
seal de error activo o de sobrecarga, el contador de errores de
recepcin es incrementado en 8.
6) Cualquier nodo tolera hasta 7 bits dominantes consecutivos
tras mandar una seal de error activo, de error pasivo o de
sobrecarga. Si se detectan ms bits dominantes consecutivos de los
especificados por ese lmite, el transmisor incrementar en 8 su
contador por cada grupo de 8 bits dominantes consecutivos que est
de ms. Los receptores incrementarn su contador de errores de la
misma manera.
7) Tras una transmisin con xito, el contador de errores de
transmisin es decrementado en 1 a menos que el contador ya valga
cero.
8) Tras la recepcin de un mensaje con xito, el contador de
errores de recepcin es decrementado en 1 si tiene un valor entre 1
y 127. Si tena un valor de 0, no se decrementa. Si tena un valor
mayor de 127, se le asigna un valor entre 119 y 127
9) Un nodo est en error pasivo cuando el contador de errores de
transmisin o el de recepcin iguala o excede de 128.
10) Un nodo est en bus off cuando el contador de errores de
transmisin es mayor o igual a 256
11) Un nodo en error pasivo pasa a error activo de nuevo cuando
tanto el contador de errores de transmisin como el de recepcin son
menores o iguales a 127.
12) Un nodo que est en bus off puede pasar a error activo con
sus contadores a cero tras ocurrir 128 veces la deteccin de 11 bits
recesivos consecutivos.
2.4.8 SINCRONIZACIN
Para conseguir la sincronizacin, la especificacin CAN divide el
tiempo de bit en los
siguientes segmentos: - Segmento de sincronizacin (SYNC_SEG). -
Segmento de propagacin (PROP_SEG). - Segmento de fase 1
(PHASE_SEG1). - Segmento de fase 2 (PHASE_SEG2).
SYNC_SEG PROP_SEG PHASE_SEG1 PHASE_SEG2
Fig. 2.25 Segmentos del tiempo de bit
Tiempo de bit
Punto de muestreo
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
37
El segmento de sincronizacin es el periodo de tiempo dentro del
cual se produce el flanco
y sirve para sincronizar al nodo. El segmento de propagacin es
un tiempo de espera para compensar los retrasos en la lnea. Los
segmentos de fase son empleados para compensar los errores de fase
del flanco y pueden ser alargados o acortados por el mecanismo de
resincronizacin. El punto en el que realmente se muestrea el bit
ocurre justo al finalizar el segmento de fase 1.
Estos segmentos estn formados a su vez de unidades menores
llamadas Time
Quantum que se derivan de un oscilador tras pasar un prescaler.
Dependiendo del valor de estos Time quantum y de cuntos de ellos
formen cada segmento, as ser el tiempo de bit. El segmento de
sincronizacin tiene una longitud de 1 Time quantum. Tanto el
segmento de propagacin como el segmento de fase 1 pueden variar
entre 1 y 8 Time quantum. Por su parte, el segmento de fase 2 est
formado por un nmero de Time quantum de manera que sumen un tiempo
equivalente al mximo entre el segmento de fase 1 y el tiempo de
procesamiento de la informacin. Existen dos tipos de sincronizacin
que se detallan a continuacin:
- Sincronizacin dura: Tras detectar un flanco se fuerza a
comenzar un nuevo tiempo
de bit, de este modo el flanco cae necesariamente en el segmento
de sincronizacin. - Resincronizacin: Se utiliza para corregir
pequeos errores de fase. Para ello se
alarga el segmento de fase 1 o se acorta el segmento de fase 2
en un nmero de Time quantum no superior al lmite establecido por el
ancho de salto de resincronizacin, que es un parmetro
configurable.
La sincronizacin obedece a las siguientes reglas: 1) Slo un tipo
de sincronizacin es posible dentro de un tiempo de bit 2) Un flanco
ser usado para sincronizacin slo si el valor detectado en el punto
de
muestreo anterior difiere del valor en el bus inmediatamente
despus del flanco 3) La sincronizacin dura se lleva a cabo siempre
que hay una transicin de recesivo a
dominante durante el estado de reposo del bus. 4) Todas las dems
transiciones de recesivo a dominante que cumplan las reglas 1 y
2
sern usadas para resincronizacin.
2.5 ETHERNET
La topologa de red tipo Bus es una arquitectura abierta,
flexible y robusta. Una o ms secciones acopladas en paralelo, y los
nodos, forman un nico segmento de red. El bus es la parte bsica
para la construccin de redes Ethernet. Como la topologa de bus es
un diseo en paralelo, nuevos nodos pueden ser instalados en alguna
parte sin afectar a la comunicacin. El Bus principal tambin puede
ser expandido en sus puntos finales con una mnima afeccin y nuevas
secciones pueden ser insertadas en la parte media de algn
segmento.
En trminos generales, Ethernet es un sistema para el transporte
digital de datos a travs
de sistemas de cmputo local. Ethernet es una tecnologa de
transmisin de datos de alta velocidad que fue lanzada en 1973 por
Xerox Corporation y registrada, posteriormente, junto con Digital e
Intel. Es compatible con el modelo OSI en los niveles 1, 2 y 3 (el
ltimo a travs de
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
38
puentes). Permite topologa en Bus o rbol con comunicacin
semidplex. Las velocidades van desde los 10 Mbits/s a los 100
Mbits/s de FAST-Ethernet.
Es uno de los estndares de red que ms rpidamente evolucionan,
debido a su uso
masivo en redes ofimticas. Ethernet permite a los Pcs y
estaciones de trabajo de distintos fabricantes comunicarse usando
estndares acordados para el envo de paquetes de informacin. Soporta
una topologa de Bus y usa un canal compartido de comunicaciones,
manejado por acceso mltiple de medicin de portadora con deteccin de
colisin (CSMA/CD)[5].
Ethernet est bien adaptada a las aplicaciones en que el soporte
de comunicaciones local
tiene que procesar a menudo un elevado trfico con puntas
elevadas de intercambio de datos.
2.5.1 NIVEL FSICO
La Capa Fsica describe las caractersticas fsicas de la red y el
hardware usado. Es la responsable del transporte de los datos hacia
y fuera del dispositivo conectado. Su trabajo incluye el codificado
y descodificado de los datos, la deteccin de portadora y
colisiones, as como la interfaz elctrica y mecnica con el medio
conectado. Esta capa incluye: Topologa, estaciones de trabajo,
hardware de transmisin, equipo usado, etc.
La estacin de trabajo simplemente se refiere a una computadora o
terminal que es capaz
de desplegar informacin del sistema Ethernet y al mismo tiempo
transmitir hacia el sistema Ethernet. Aunque todas las computadoras
personales actualmente pueden trabajar como una estacin en una LAN
Ethernet, deben estar provistas de una tarjeta y software para
configurarla. Cada una de estas estaciones debe tener una direccin
nica para que el sistema sepa donde dejar la informacin.
Dentro de la Capa Fsica se pueden distinguir varios tipos de
Redes Ethernet:
- Capa Fsica 10 Base 2: Especificacin Ethernet (IEEE 802.3) que
utiliza tipo de cable
coaxial RG-58 muy econmico y probado. Topologa de Bus. - Capa
Fsica 10 Base 5: Especificacin Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza
cable coaxial
RG-8 o RG-11, utilizado originalmente en las primeras etapas de
desarrollo. Topologa de Bus.
- Capa Fsica 10 Base T: Especificacin Ethernet (IEEE 802.3) que
utiliza cable multipar trenzado en topologa Estrella.
- Capa Fsica 10 Base FL: Especificacin Ethernet (IEEE 802.3) que
utiliza Fibra ptica en topologa en Estrella.
- Capa Fsica 10 Base TX: Especificacin Fast-Ethernet (IEEE
802.3) para cable multipar trenzado en topologa Estrella.
- Capa Fsica 10 Base FX: Especificacin Fast-Ethernet (IEEE
802.3) para Fibra ptica en topologa Estrella.
2.5.2 NIVEL DE ENLACE
El nivel de enlace en las redes Ethernet se divide en dos
subcapas denominadas MAC y
LLC. La primera de ellas es la especfica del estndar IEEE 802.3
y se ocupa del control de acceso al medio compartido. La segunda es
comn a otros tipos de redes de rea local como Token Ring, FDDI,
etc., y se ocupa del control lgico del enlace de datos.
-
Anlisis y aplicacin de los buses de campo a la domtica
39
2.5.2.1 MAC La tcnica de acceso al medio que usa la capa MAC de
Ethernet es CSMA/CD, es decir,
Acceso Mltiple con Escucha y Deteccin de Colisiones. Cuando una
estacin quiere transmitir, primero debe escuchar el canal por si
estuviera
ocupado por otra estacin. En el caso de que se encuentre el
canal libre, se empieza a emitir. Si el canal est ocupado, la
estacin espera insistentemente a que ste se libere, y cuando esto
ocurra, se transmite de inmediato (esto se conoce como
funcionamiento 1-persistente).
El hecho de que se produzcan colisiones a pesar de enviar las
tramas cuando se ha
interpretado que el canal est vaco se debe a los retardos de
propagacin de la seal por el medio fsico: una estacin tarda algn
tiempo en detectar el comienzo de la transmisin de otra estacin
alejada.
Adems puede darse el caso de que varias estaciones que deseen
trasmitir, encuentren el
canal ocupado y decidan esperar a que acabe la transmisin en
curso. La caracterstica 1-persistente har que despus de la espera
se produzca una colisin.
Para minimizar el impacto de las colisiones se obliga a las
estaciones a auscultar el canal
mientras transmiten: si lo que envan no coincide con lo que
reciben, se debe a que hay ms estaciones transmitiendo. Una vez
detectada de esta forma la colisin, se transmite una seal de corta
duracin y mayor potencia para asegurar que todos detecten la
colisin. Acto seguido, se interrumpe la transmisin.
Despus de producirse la colisin, las estaciones implicadas en la
misma retransmitirn
sus tramas pasado un cierto tiempo. Si este tiempo fuera fijo se
producira una nueva colisin, de forma que se introduce una
componente de aleatoriedad en la espera. Si el nmero de intentos
rebasa cierta cantidad se abandona el intento de transmisin.
Obsrvese que este mecanismo no permite asignar prioridades de
trfico o estaciones, y
tampoco garantiza determinsticamente un determinado tiempo mximo
de acceso al enlace: puede darse el caso de que una trama colisione
hasta su abandono, incluso a bajo nivel de carga (esto puede ser
improbable, pero no imposible).
2.5.2.2 LLC El LLC no es ms que una capa de adaptacin que,
basndose en el servicio
proporcionado por el MAC, da a la capa de red lo que esta
espera: un enlace entre dos equipos que pueda multiplexarse. El LLC
especifica, por tanto, cmo se lleva a cabo el control lgico del
enclace de datos, definie