introduction aux réseaux de communication industriels · 2020. 4. 6. · reseau 3 routage des...

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Réseauxde communication industriels

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Description du modèle OSIISO = International Organization for Standardization

COUCHE PRESENTATION

6 Transcodage du format : pour permettre à des entités de nature différente de dialoguer (ex: PC / Mac)

COUCHE APPLICATIONCOUCHE APPLICATION

77 Protocole : définit un langage commun d ’échanges entre les équipements (sémantique et signification des informations)

STATION

Notion de bus

Exemple : Modbus

COUCHETRANSPORT

4 Contrôle de l ’acheminement de bout en bout : reprise sur erreurs signalées ou non par la couche réseau

COUCHE RESEAU

3 Routage des données : établissement du chemin entre différents réseaux

COUCHELIAISON

2 Contrôle de la liaison : adressage, correction d ’erreur, gestion du fluxGestion de l’accès au médium : définit quand on peut émettre

COUCHE PHISIQUE

1Le hardware : le médium utilisé : paire torsadée, câble coaxial, fibre optique…, la forme des signaux véhiculés, la connectique

Notion de réseau

Exemple: TCP/IP

TCP : Transmission Control Protocol (Couche 4)

IP : Internet Protocol (Couche 3)

SESSIONLAYER

5 Organise et synchronise les échanges entre utlisateurs

Chapitre 4 : LA COUCHE RESEAU

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1) Couche physique

Médium : paire torsadée, câble coaxial ou Fibres optique. Topologie : anneau, bus, étoile ou libre Nombre max de noeuds Débit brut exemple: de 2 kb/s à 1,25 Mb/s Longueur de 500 m à 2700 m Codage de type Manchester

2) Couche liaison Méthode d’accès CSMA/CA Code CRC 16 bits, 8 Bits etc Trame de données d’au plus 256 octets etc Type de Communication

3) Couche réseauPossibilité de sous adressage par un routeur

La couche est par définition chargée de l'acheminement des paquets échangés entre des stations qui ne sont pas nécessairement directement interconnectées routage.

La fonction de cette couche est essentielle dans les réseaux grandes distances à topologie maillée. Une station d'interconnexion sera appelée répéteur, concentrateur, switch, convetisseur, pont, routeur ou passerelle suivant les fonctionnalités qu'elle remplit.

Couche physique, liaison, réseau Chapitre 4 : LA COUCHE RESEAU

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Répéteur = RepeaterConcentrateur = hubSwitchConvertisseur = transceiver Pont = BridgeRouteur = Router Passerelle = Gateway

Les produits d'interconnexionChapitre 4 : LA COUCHE RESEAU

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Répéteur - Hub - SwitchRépéteur = Repeater

Permet l’extension d’un réseau par segmentsIl amplifie et rétablit le même type de signal

Exemple = répéteur RS485

1 1

Segment 2Segment 1


COUCHE PRESENTATION 6

COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4


COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4

1

Répéteur

STATION A STATION B

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Répéteur - Hub - Switch

Concentrateur = Hub

1 1 1 1

Permet l’extension d’un réseau en étoileIl amplifie et rétablit le même type de signal sur tous les ports

Exemple = Hub Ethernet(Ne diminue pas le nombre de collisions)


Convertisseur = TransceiverPermet l’extension d’un réseau par segmentsde nature différentes.

Exemple = convertisseur RS232/RS485

1 1

Segment 2Segment 1

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Pont = Bridge Permet de relier 2 réseaux utilisant le même protocolemais des couches basses différentes

Exemple = Bridge Modbus RS485 / Ethernet TCP-IP1 1

Réseau 2Réseau 1

2 2

Transceiver - BridgeChapitre 4 : LA COUCHE RESEAU


COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4


COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4

1 1

Pont

STATION A STATION B

2

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RouteurRouteur = Router

Permet de relier 2 réseaux de même nature.

Exemple = Routeur Ethernet TCP-IP2 2

Réseau 2Réseau 1

3 3

1 1



COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4


COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4

1 1

Routeur

STATION A STATION B

2 23 3

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PasserellePasserelle = Gateway

Permet de relier 2 réseaux de nature différenteExemple = Passerelle FIPIO / Modbus

2 2

Réseau 2Réseau 1

7 7

1 1



COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4


COUCHE TRANSPORT

COUCHE RESEAU 3

COUCHE LIAISON 2

COUCHE PHISIQUE 1

SESSION LAYER 5

4

1 1

Convertisseur de protocole

2 23 3

COUCHE APPLICATIONCOUCHE APPLICATION COUCHE APPLICATIONCOUCHE APPLICATION7 7 7

Passerelle

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Routeur - PasserelleChapitre 4 : LA COUCHE RESEAU

Il existe deux situations d’acheminement d’un paquet:

Le destinataire appartient au même réseau local que la station source, le transfert est donc direct.

Le destinataire appartient à un autre réseau. Il faut envoyer le paquet vers un premier routeur qui l’expédie éventuellement vers un suivant et ainsi de suite jusqu’au routeur connecté au réseau de destination, qui l’envoie à la station adressée.

L’établissement du chemin à effectuer s’appelle le routage.


Cette couche doit assurer une frontière (indépendance stable et durable) entre l'aspect transmission pris en charge par les couches basses du modèle OSI et l'aspect traitement et exploitation des informations réalisé par les couches supérieures.

Cette couche n'est pas typique des réseaux locaux; elle assure le transport de bout en bout entre les communicateurs distants.

Assurer la détection et la reprise des erreurs.

Contrôler le flux d'un nœud.

Fragmenter à l'émission et de réorganiser à la réception.

Optimiser l'emploi des ressources de transmission disponibles dans le cas où plusieurs stations sont reliées sur un même nœud.

Établir et libérer les connexions de transport.

LA COUCHE TRANSPORT

Chapitre 4 : LA COUCHE TRANSPORT


LA COUCHE SESSION

Cette couche organise et synchronisme les échanges entre les utilisateurs.Elle ne se préoccupe pas des problèmes techniques propres à la transmission des informations, mais fournit les mécanismes permettant de coordonner les échanges.

Les échanges sont structurés en activité et en unité de dialogue, afin de gérer correctement les arrêts et les reprises au point d’arrêt.

LA COUCHE SESSIONChapitre 4 : LA COUCHE SESSION


L’activité C’est une entité indépendante de la connexion de session. Dans une session plusieurs activités consécutives peuvent se dérouler. Une activité peut aussi se prolonger sur plusieurs sessions. Une activité peut être interrompue puis reprise au cours de la même connexion de session ou d’une connexion ultérieure.

Une activité est décomposée à l’aide de points de synchronisation majeure en une suite d’unités de dialogue.

L’unité de dialogue Dans une unité de dialogue, tous les éléments sont complètements séparés de ceux qui la précèdent et qui la suivent. Le point de synchronisation majeure indique la fin d’une unité de dialogue et le début de la suivante.

L’unité de dialogue est également structurée à l’aide de points de synchronisation mineure.



L’unité de dialogue Dans une unité de dialogue, tous les éléments sont complètements séparés de ceux qui la précèdent et qui la suivent. Le point de synchronisation majeure indique la fin d’une unité de dialogue et le début de la suivante. L’unité de dialogue est également structurée à l’aide de points de synchronisation mineure.



Quand une activité est interrompue, la reprise peut s’effectuer par une reprise, on se positionne sur le point de synchronisation courant. Par une position, on se positionne sur un point de synchronisation négocié quelconque.



La couche présentation ne traite plus de communication, elle met en forme les données qui lui sonttransmises par les applications. Elle résout les différences syntaxiques.

L'implantation des applications sur des machines hétérogènes interconnectées par un réseau pose en généraldes problèmes de format et de syntaxe des données (problèmes de présentation).Pour garantir la meilleure portabilité possible, la tendance est de spécifier et d'écrire les applicationsindépendamment des contraintes des réseaux et des machines. Ce principe conduit à la définitiond'applications travaillant en mode virtuel.

L'adaptation des données peut se faire au niveau:

Du codage de caractère (ASCII, etc. ....).

De la structure des fichiers sur les disques.

Des caractéristiques des périphériques (visus, imprimantes, etc. …).

De la compression des fichiers.

LA COUCHE PRESENTATIONChapitre 4 : LA COUCHE PRESENTATION


La couche application est l'interface entre les utilisateurs et le système de communication. Seuls les services de la couche application sont visibles de l'utilisateur. Elle a pour rôle de fournir à ces utilisateurs un maximum de facilités. Les besoins donc les fonctionnalités à apporter, sont fortement dépendants du domaine d'action des utilisateurs.La couche application offre donc des services très différents d'un réseau à un autre suivant que celui-ci supporte une application de bureautique générale, une application industrielle de niveau usine, une application industrielle de niveau cellule, etc. ...Quelques modules sont présentés sur le schéma ci-contre.

LA COUCHE APPLICATIONChapitre 4 : LA COUCHE APPLICATION

Modules utilisés par la couche d‘application

Messagerie Transfert des données par voix

FTP Telnet NFSSMTP POP IMAP


Rapelle Type de topologieChapitre 4 : LA COUCHE APPLICATION

Réseaux en Bus

Réseaux en Anneau



Réseaux en étoile

Réseaux en Maitre esclave



Accés partagé par un jeton

Accés clients serveur


Les bus de terrain "normalisés" permettent de proposer dans le domaine des automatismes distribués des solutions ouvertes, performantes, évolutives et économiques.

BUS DE TERRAINChapitre 4 : BUS DE TERRAIN

Objectigs des Reseaux de Terrain

Fiabilsation de la transmissionDonnées transmises Detection, Correction

Accés , multiples , directsCapteur fournissant à plusieurs systèmes simultanément.Accés du niveau cellule

Economie et simplificationMoins de cartes coupleur

1 Bus au lieu de plusieurs liaisons point à point

Amelioration de l‘efficacité de scrutationCycle de scrutation plus courtPlus de capteurs rafraichis par cycle


Dans un bus de terrain, le contrôleur d'automatisme pilote sa périphérie industrielle composée de concentrateurs d'entrées / sorties, digitaux ou analogiques, électriques ou pneumatiques etdes capteurs / pré actionneurs de toute sorte tels que variateurs de vitesse, systèmes d'identification ou autressystèmes dédiés.

Le lien entre l'unité de traitement et sa périphérie doit être vu ici comme une extension du bus de l'automate. L'utilisateur ne voit pas la différence en terme de performance et de mise en œuvre entre ce quireste physiquement dans le rack local et ce qui est déporté sur le bus de terrain.

La décentralisation de la périphérie industrielle favorise la réalisation de machines modulaires et permet de tirer des fonctions de prétraitement et de diagnostic disponibles sur les capteurs et pré actionneurs intelligents.

Elle facilite le déport des postes de conduite et de diagnostic au cœur de l'installation,là ou ils sont réellement utiles.



AVANTAGES DU BUS DE TERRAINIl est généralement admis que la durée de vie d’une installation tourne autour d’une dizaine d’années et que la partie “automatisme” de cette installation se situe autour de 20% du coût total de l’investissement.

PHASE D’ETUDE

Un gain moyen de 20% grâce à une approche modulaire du point de vue matériel comme logiciel cela permet une parallélisassions des tâches de développement réduisant les délais d'étude.

PHASE D’EXPLOITATION

Les avantages apportés par le bus de terrain sont liés à la décentralisation au plus bas des traitements: Amélioration des possibilités de travail en marche dégradée.Suivi plus grand de la qualité des produits.Amélioration de la maintenance préventive (capteurs intelligents).Estimation d'un gain de 15% environ.



ConclusionLe bus de terrain apporte à chaque étape d'une automatisation un gain non négligeable. Les applications étant différentes des disparités importantes sont remarquées en fonction des topologies d'installation.L'utilisation d'un bus de terrain entraine en moyenne des gains est de 10 à 20%.



Les réseau de bas niveau sont très diverses aussi, la figure suivante montre les différents types de capteurs et d’actionneur et leur utilisation ainsi que les réseau capteurs/actionneurs qui les utilisent :


Champs d’application des réseaux capteurs/actionneurs


ASiChapitre 4 : ASi

HistoriqueASi et le modèle ISOLa couche physiqueLa couche liaisonLa couche applicationLes profilsPoints forts- points faibles


Industrial Automation - Customer View - Services - Formation PhW - Intro_RLI_fr - 09 / 2003

Chapitre 8 : ASi

1990 : 11 sociétés et 2 universités majoritairement allemandes créent le consortium ASi afin de définir une interface « low cost » pour raccorder des capteurs et actionneurs

Historique

1992 : Premiers chips disponiblesCréation de l ’association ASi internationale : http://www.as-interface.net/ basée en Allemagne. Schneider entre dans l ’association. 1995 : Création d ’associations nationales de promotion (France, Pays Bas, UK)

2001 : Spécifications ASi V2 : 62 esclaves, support de produits analogiques, diagnostic amélioré.Intégration de produits de sécurité : « Safety at work »

Chapitre 4 : ASi

http://www.as-interface.net/


Désignation: Actuator Sensor Interface (Interface pour Capteurs et Actionneurs)

ASI repose sur la norme internationale CEI , c'est un système de câblage non propriétaire, les produits ASI sontcertifiés par des laboratoires indépendants des constructeurs.

Il permet en moyenne jusqu'à 20% d'économie globale par rapport à un câblage classique.Il résulte de l'association d'un groupe de 11 sociétés spécialisées dans les capteurs et les actionneurs(Balluf, Baumer, Elesta, Festo, Ifm, Leuze, Pepperl & Fuchs, Sick,Siemens, Turck, Visolux).

BUS DE TERRAIN ASIChapitre 4 : BUS DE TERRAIN


ARCHITECTURETopologie de type bus composé physiquement de deux fils non blindés supportant l'alimentation et la communication des capteurs et des actionneurs.On peut utiliser des composants standards du marché à l'aide de modules déportés intreface ASI

La première spécificité du bus ASI est qu'il n'a besoin que d'un seul câble de deux fils pour transporter à la fois l'alimentation électrique 24 VCC et les données.

Sa seconde spécificité est que vous pouvez rapidement et facilement ajouter un nouvel équipement esclave en utilisant des modules encliquetables.




Chapitre 8 : ASi

ASi et le modèle ISO

VIDE

VIDE

VIDE

VIDE

Maître / esclave

Alimentation et communication sur le même support

InterfacesE/S TOR

génériquesCapteurs TOR Départ moteurs

E/Sanalogiques

etc...

APPLICATION

PRESENTATION

SESSION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON = LLC + MAC

PHYSIQUE

7

6

5

4

3

2

1

3 couches utilisées +des profils

Client / Serveur via requêtes

Chapitre 4 : ASi



Chapitre 8 : ASi

Medium : Câble plat jaune 2 fils avec détrempagePossibilité utilisation câble rond non blindé

Topologie : LibrePas de fin de lignes

Distance maximum :100 m sans répéteur500 m avec répéteurs(2 répéteurs max entre le maître et l ’esclave le plus éloigné)

Débit : 167 Kbits/s1 transaction (data exchange) dure 150 micro-sec. Temps de cycle = 5 ms pour 31 esclaves 10 ms pour 62 esclaves

Nbre max équipements : ASi V1 : 1 maître + 31 esclavesASi V2 : 1 maître + 62 esclaves A/B

La couche physiqueChapitre 4 : ASi



Chapitre 8 : ASi

4 types de raccordement définis dans la charte ASi Schneider

Les types de raccordement

Bornier à visou à ressort

ASI+

ASI-

Prise vampire

ASI-

ASI+

Connecteur débrochablejaune 2 points

52

34

1

Prise M12 (mâle sur produit)

IP20 IP65

Chapitre 4 : ASi



Utilisation de deux fils standards de 1,5 mm2 à 2,5 mm2.

Utilisation d’un câble spécifique ASI (inversion des fils impossible)

Moteur avec interface A.S.I. intégré

Prise vampire

Remarque:En standard la consommation maximum de chaque esclave est de 100 mA. Si un esclave à besoin de plus, on peut utiliser une alimentation auxiliaire.


câble plat à détrompage mécanique - même technologie utilisée pour données et puissance

connecteurs à «prises vampires» - simple & sûr - indice de protection jusqu’à IP67, même après déconnexion

esclaves à connexion directe - capteurs, actionneurs - terminaux d’électrovannes - modules électriques

Les données sont transmises par le biais de méthodes matérielles, premièrement en les encodant(codage de Manchester), puis en modulant l'alimentation électrique avec des pulsations alternativespour transférer les données (méthode ATM).

Le système de communication de capteurs et d'actionneurs AS-I peut fournir des services de sûreté si cela s'avère nécessaire.


câble plat àdétrompage mécanique

boitier de l’esclaveprises vampires



Chapitre 8 : ASiExemple d ’architecture

Micro

Quantum

Alimentationdouble Asi-24 V

Bus ASi (câble jaune)

24 V (câble noir)Alimentation

Répartiteur passif

Répartiteur actifRépéteur

Alimentation ASi

Conversioncâble plat - câble rond

Départ-moteur coffret

TéBoîte à boutons

SEGMENT 2

SEGMENT 1

Premium

Chapitre 4 : ASi



UTILISATION

C1

C4

C3

C2

M1 M3M2

Maître

avec AS -Interface

câblage traditionnel


Chapitre 8 : ASi

Méthode d ’accès au médium : Maître / Esclave

Taille maxi des données utiles : 4 bits de sorties pour une requête(3 bits pour en ASi V2 pour les esclaves A/B)

4 bits d ’entrées pour une réponse

La couche liaison

Sécurité de transmission : Nombreux contrôles aux niveaux bits et trames

Délimiteur start bit, alternance des pulses,longueur pause entre 2 bits,parité en fin de trame, délimiteur end bit, longueur de la trame

Chapitre 4 : ASi


Protocole de type Maître/ EsclavesLe coupleur maître V1.0 peut contrôler jusqu'à 124E / 124S binaires soit 31 esclaves de 4E / 4S.En V2.1, il peut contrôler jusqu’à 248E / 186S binaires soit 62 esclaves (31A et 31B) de 4E / 3S.

La longueur du câble est de 100 m au maximum, pour des distances plus importantes il faut rajouter des répéteurs.

Il travaille à 200Kbps, le temps total de scrutation du maître est de 5 ms maxi pour traiter

les 124E / 124S et de 10 ms pour traiter 248E / 186S.

Chaque esclave est défini par un code d'identification (numéro d'esclave) et une configuration (nombre d'entrées/sorties).


Concentrateur = Hub

1 1 1 1


Chapitre 8 : ASi

Les profils

ASi V1 : 2 digitsProfil = IO_code . ID_code

IO_code = indique le nombre d’entrées et sorties de l’équipement (0 to F)ID_code = indique le type d’équipement (0 to F)

ASi V2 : 4 digitsProfil = IO_code . ID_code . ID1_code . ID2_code

IO_code = indique le nombre d’entrées et sorties de l’équipement (0 to F)ID_code = indique le type d’équipement (0 to F)ID1_code = utilisé pour la personnalisation client du produit (0 to F)ID2_code = indique le sous type du produit (0 to F)


Chapitre 8 : ASi

Les profils Trame ASI

Le fonctionnement du bus comporte plusieurs phases


Le coupleur maître est l'interface entre le bus ASI et l’Automate de commande (PC, API, etc. ....), Le coupleur maître permet aussi l'ouverture sur les réseaux supérieurs grâce à des passerelles MODBUS, PROFIBUS. Il interroge cycliquement les esclaves (Polling cyclique 5 ms à 10 ms). Les esclaves sont à l'écoute sur le bus et dès qu'ils reconnaissent leur adresse dans la trame d'appel émise par le maître ils répondent.

Un échange est considéré comme correct si après un appel du maître et avant la fin d'un time-out de 60 µs une réponse sans faute de l'esclave est réceptionnée.


DESCRIPTION DU COUPLEUR MAITRE CQM1 - ARM21



DESCRIPTION DU COUPLEUR MAITRE CQM1 - ARM21

Table image du bus A.S.I.



Chapitre 8 : ASi

Une douzaine de requêtes standardisées pour :

1 . Administration du réseau : adressage, identification, paramétrage, reset.

2 . Echanges cyclique des entrées - sorties : Data exchanges4 bits de sorties maximum les esclaves standards, 3 pour les esclaves A/B4 bits d ’entrées maximum pour tous les esclavesTemps de cycle : 5 ms max pour 31 esclaves, 10 ms pour 62

3 . Surveillance cyclique du réseau : Read StatusRemontée des défauts périphériques des esclaves ASi V2Temps de cycle : 155 ms pour 31 esclaves, 310 ms pour 62 esclaves

4 . Transmission des données de paramétrage : Write Parameter Par programmation requête Write Parameter4 bits de sorties maximum les esclaves standards, 3 pour les esclaves A/B155 ms maximum pour 31 esclaves, 310 ms pour 62

La couche application


Chapitre 8 : ASi

Les profils

Pour garantir l ’interchangeabilité des produits, chaque esclave ASi est identifié et défini par un profil figé gravé dans le silicium (Read only).

Le profil des esclaves ASi V1 est défini par 2 digits hexa-décimaux.

Le profil des esclaves ASi V2 est défini par 4 digits hexa-décimaux.



Exemple de structureLe lien avec la zone IR de l’automate(pour les adresses de la table image du Bus ASI) est défini par les switchs SW1~SW3 et par la position du coupleur maître ASI par rapport à la CPU.19 esclaves maximum sur le bus ASI5 Canaux pour les entrées du Bus ASI ici de IR02 à IR065 Canaux pour les sorties du Bus ASI ici de IR102 à IR106



19 esclaves maximum sur le bus ASI5 Canaux pour les entrées du Bus ASI ici de IR02 à IR065 Canaux pour les sorties du Bus ASI ici de IR102 à IR106



Chapitre 8 : ASi

Points forts - points faibles

Points forts

Temps de cycle rapide et déterministe

Facilité de câblage

Simplicité d ’utilisation car très bien

intégré dans PL7

Evolution de l ’architecture aisée

Points faibles

Quelques bits échangés

Nombre d ’esclaves maximum

Longueur du bus : 100 m



Avantages

détection automatique de défauts de câblage

augmenter le nombre d’E/S sans changer les enveloppes

élargissement du réseau n’importe où et n’importe quand

installation possible par personnel non-qualifié

pré-assemblage des systèmes en usine au lieu de sur site


BUS DE TERRAIN CANChapitre 4 : BUS DE TERRAIN

Le bus CAN (Controller Area Network) est né du besoin de trouver une solution de communication série dans les véhicules automobiles. Il a été initialement développé par la société Bosch, au milieu des années 80, puis a fait l'objet d'une normalisation ISO 11898 et 11519.

DéfinitionsNœud : sous-ensemble relié à un réseau de communication et capable de communiquer sur le réseau selon un protocole de communication (ici le protocole CAN). Chaque nœud peut détecter des erreurs sur un message qui ne lui est pas destiné et en informer les autres nœuds.Valeurs du bus : le bus peut avoir l’une des deux valeurs logiques complémentaires définies, non pas en 0 et 1 comme d’habitude, mais sous la forme de bit nommé dominant ou récessif.



Message : chaque information est émis sur le bus à l’aide d’un message (trame de bits) de format défini mais de longueur variable et limitée. Dès que le bus est libre, n’importe quel nœud relié au réseau peut émettre un nouveau message.

Routage des informations : des nœuds peuvent être ajoutés au réseau sans qu’il n’y ait rien à modifier tant au niveau logiciel que matériel.

Chaque message possède un identificateur (identifier) qui n’indique pas la destination du message mais la signification des données du message. Ainsi tous les nœuds reçoivent le message et chacun est capable de savoir grâce au système de filtrage de message si ce dernier lui est destiné ou non.

Trame de données et de requête : une trame de données transporte, comme son nom l’indique, des données. Une trame de requête est émise par un nœud désirant recevoir une trame de données (dans ce cas l’identificateur est le même pour les deux trames).

Débit (bit/s) : le débit peut varier entre différents systèmes, mais il doit être fixe et uniforme au sein d’un même système.

Priorités : en cas de demandes de prise du bus simultanées les identificateurs de chaque message permettent aussi de définir quel message est prioritaire sur tel autre.



Fonctionnement multi-maître : lorsque le bus est libre, chaque nœud peut décider d’envoyer un message. Seul le message de plus haute priorité prend possession du bus.

Arbitrage : le problème de l’arbitrage résulte du fonctionnement multi maître. Si deux nœuds ou plus tentent d’émettre un message sur un bus libre il faut régler les conflits d’accès. On effectue alors un arbitrage bit à bit non destructif tout au long du contenu de l’identificateur. Ce mécanisme garantit qu’il n’y aura ni perte de temps, ni perte d’informations. Dans le cas de deux identificateurs des trames de requête et de données identiques, la trame de données gagne le bus.Lorsqu’un bit récessif est envoyé et qu’un bit dominant est observé sur le bus, l’unité considérée perd l’arbitrage, doit se taire et ne plus envoyer aucun bit.

Canal de liaison simple : le bus consiste en un simple canal bidirectionnel qui transporte les bits. A partir des données transportées, il est possible de récupérer des informations de resynchronisation.

Acquittement, validé : tous les récepteurs vérifient la validité d’un message reçu, et dans le cas d’un message correct ils doivent acquitter en émettant un flag.



Sécurité de transmission : dans le but d’obtenir la plus grande sécurité lors de transferts sur le bus, des dispositifs de signalisation, de détection d’erreurs, et d’autotests ont été implémentés sur chaque nœud d’un réseau CAN. On dispose ainsi d’un monitoring bus (vérification du bit émis sur le bus), d’un CRC (Cyclic Redundancy Check), d’une procédure de contrôle de l’architecture du message et d’une méthode de Bit-Stuffing.

Signalement des erreurs et temps de recouvrement des erreurs : tous les messages entachés d’erreur(s) sont signalés au niveau de chaque nœud par un flag. Les messages erronés ne sont pas pris en compte, et sont retransmis automatiquement.

Erreurs de confinement : un nœud CAN doit être capable de faire les distinctions entre des perturbations de courtes durées et des dysfonctionnements permanents. Les nœuds considérés comme défectueux doivent passer en mode switched off en se déconnectant (électriquement) du réseau.

Mode Sleep (sommeil) et Mode Wake-up (réveil) : afin de réduire la consommation d’énergie, chaque élément CAN peut se mettre en Sleep mode. Dans ce mode il n’y a aucune activité interne au nœud CAN considéré et ses drivers sont déconnectés du bus.La reprise de fonctionnement (mode Wake-up) s’effectue lorsqu’il y a une activité sur le bus ou par décision interne à l’élément CAN.



Couche 1 – Niveau BitCodageLa transmission des bits sur le bus CAN se fait en mode Bande de Base suivant un codage NRZ (Non Return to Zero).

Les transitions des bits s’effectuent sur chaque front montant de l’horloge.



Les nœuds sont câblés sur le bus par le principe du « OU câblé » du point de vue électrique (« ET câblé » du point de vue logique), ce qui veut dire qu'en cas d'émission simultanée de deux nœuds, la valeur 0 écrase la valeur 1.

On dit donc :que l'état logique « 0 » est l'état « dominant »,que l'état logique « 1 » est l'état « récessif ».

Les niveaux utilisés entre les deux lignes de la paire pour le CAN « low-speed » sont :

Les niveaux utilisés entre les deux lignes de la paire pour le CAN « high-speed » sont :



Les niveaux utilisés entre les deux lignes de la paire pour le CAN « low-speed » sont :

Les niveaux utilisés entre les deux lignes de la paire pour le CAN « high-speed » sont :



Le brochage sur le bus CAN est normalisé et utilise un connecteur DB-9:



Bit-StuffingCette méthode consiste, dès que l’on a émis 5 bits de même polarité sur le bus,à insérer un bit de polarité contraire pour casser des chaînes trop importantes de bits identiques.

On obtient ainsi dans le message un plus grand nombre de transitions ce qui permet de faciliter la synchronisation en réception par les nœuds. Cette technique est uniquement active sur les champs de SOF, d’arbitrage, de contrôle, de CRC (délimiteur exclu). Pour un fonctionnement correct de tout le réseau, cette technique doit être implémentéeaussi bien à la réception qu’à l’émission.

Longueur et débitLa longueur du bus dépend des paramètres suivants :Le délai de propagation sur les lignes physiques du bus. La différence du quantum de temps défini précédemment,du aux différences de cadencement des oscillations des nœuds. L'amplitude du signal qui varie en fonction de la résistance du câble et de l'impédance d'entrée des nœuds.



Remarques : la longueur du bus diminue lorsque le débit augmente. Au-delà d'une certaine distance(supérieure au km), il faudra mettre en place des répéteurs.

Nominal Bit TimeUne période d’horloge correspond à ce que l’on appelle le Nominal Bit Time. Le Nominal Bit Time représente donc la durée d’un bit sur le bus. Le niveau de tension est maintenu constant pendant la durée d'un bit (NRZ).

Chaque station reliée sur le bus doit être cadencée avec le même Nominal Bit Time pour pouvoir émettre et recevoir correctement les données circulant sur le bus.



Couche 2 – Niveau Trame

Trame de données

Le début de trame (SOF) n’est effectif que si le bus était précédemment au repos (bus idle).Il existe également 2 standards pour la couche de liaison de données :

ISO 11898 part A → CAN 2.0A « standard frame format » (identification sur 11bits),ISO 11898 part B → CAN 2.0B « extended frame format » (identification sur 29bits).

Il existe plusieurs types de trame :Trame de données,Trame de requête,Trame d'erreur,Trame de surcharge.Entre 2 trames, les émetteurs doivent respecter une pause (période d'intertrame) équivalente à la durée de 3 bits pendant laquelle le bus est maintenu à l'état récessif.



La trame de données sert à envoyer des informations aux autres nœuds.Une trame de données se compose de 7 champs différents :Le début de trame ou SOF (Start Of Frame) matérialisé par 1 bit dominant,

Le champ d'arbitrage (identificateur) composé de 11 bits,

Le champ de commande (ou de contrôle) composé de 6 bits,

Le champ de données composé de 0 à 64 bits (de 0 à 8 octets),

Le champ de CRC composé de 16 bits,

Le champ d'acquittement composé de 2 bits,

La fin de trame ou EOF (End of Frame) matérialisée par 7 bits récessifs.



La signification de certains bits : RTR : Remote Transmission Request bit, SRR : Subsitute Remote Request bit, IDE : Identifier Extension bit.

Le bit RTR (Remote Transmission Request) permet de déterminer le type de trame : RTR = état dominant : trame de données RTR = état récessif : trame de requête



ArbitrageDans une trame standard, le champ d’arbitrage est composé des 11 bits de l’identificateur plus un bit de RTR (Remote Transmission Request) qui est dominant pour une trame de données et récessif pour une trame de requête.

Comme nous l’avons vu précédemment, l’identificateur permet de router le message vers le bon nœud mais il indique aussi la priorité du message, qui détermine l'assignation du bus lorsque plusieurs stations émettrices sont en concurrences. Dans sa version standard, l'identificateur est codé sur 11 bits.Les priorités sont attribuées statiquement lors de l'analyse conceptuelle du réseau, au moyen de valeur binaire, et ne peuvent donner lieu à aucune modification dynamique.



ArbitrageLe procédé d’attribution du bus est basé sur le principe de l'arbitrage bit à bit,selon lequel les noeuds en compétition, émettant simultanément sur le bus, comparent bit à bit l'identificateur de leur message avec celui des messages concurrents. Les stations de priorité moins élevées perdront la compétition face à celle qui a la priorité la plus élevée.Les stations sont câblées sur le bus par le principe du "ET câblé", en cas de conflit c'est à dire émission simultanée, la valeur 0 écrase la valeur 1.On appelle donc l'état dominant l'état logique 0, et l'état récessif l'état logique 1.Les bits de l’identificateur sont transmis dans l’ordre, de ID_10 à ID_0 (du MSB vers LSB).

Dans l’exemple ci-dessus, les stations 1, 2 et 3 demandent le bus en même temps. Pour les départager, on applique la méthode d’arbitrage et les premières stations a émettre un bit récessif sont exclues et devront attendre que la station qui a pris le bus (la station avec la priorité la plus haute) libère la ligne.

Dans l’exemple la station 1 est exclue en premier puis la station 3. La station 2 a donc la plus haute priorité.



Trame de requêtesUne trame de requête est constituée de la même manière qu’une trame à deux différences près : Le champ de données est vide. Dans le champ d’arbitrage, le bit de RTR est récessif.Si un nœud a besoin d’un certain nombre de données, il va émettre une trame de requête dès que le bus sera libre en prenant soin d’indiquer dans le champ de contrôle (DLC) le nombre d’octets de données dont il a besoin.

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