Bus CAN pour ascenseurs

Les détails de cet important système de transmission de données sont donnés de A à Z.

Le bus CAN (Controller Area Network) est l'une des nombreuses méthodes de communication électronique à bus série qui a trouvé la faveur ces dernières années dans la technologie des ascenseurs. Son succès exceptionnel dans cette application et dans des applications similaires est dû à sa fiabilité et à son faible coût, avec un nombre de fils réduit dans le(s) câble(s) de déplacement et tout au long de l'installation. Il y a moins de terminaisons et une plus grande immunité au bruit électronique.

Objectifs d'apprentissage

Après avoir lu cet article, vous devriez avoir appris :
Raisons du succès remarquable du bus CAN
Différences entre les bus série et parallèle
Pourquoi le bus CAN fonctionne bien dans les installations d'ascenseur
Différences entre les sous-couches LLC et MAC
Pourquoi les réflexions de données sont nocives

En guise de contexte, cet article passera en revue certaines définitions et retracera comment le bus CAN a été développé pour la première fois en tant qu'innovation automobile. Mais, d'abord, qu'est-ce qu'un bus ? Comme le nom d'un gros véhicule utilisé dans les transports publics, le mot est dérivé du latin « omnibus », qui signifie « pour tous ».

Pour un électricien, « bus » désigne une barre ou une bande métallique, souvent de section rectangulaire, qui conduit l'électricité dans la distribution d'énergie électrique. Habituellement, une grande partie de l'électricité est conduite sur des distances relativement courtes, souvent à l'intérieur d'une enceinte d'appareillage de commutation. Dans les systèmes informatiques et de communication (c'est ce dont nous traitons ici), « bus » a un sens différent, quoique lié. Plutôt qu'un seul conducteur, c'est le système complet qui véhicule les données. C'est le chemin entre les circuits intégrés ou d'autres dispositifs sur une carte de circuit imprimé, entre les dispositifs sur des cartes adjacentes, entre les ordinateurs d'un réseau local ou entre des pièces d'équipement électrique à différents endroits. Un bus comprend le câble avec un ou plusieurs (parfois plusieurs) conducteurs et le matériel à chaque extrémité, ainsi que le logiciel et la documentation écrite et les protocoles. Ainsi, un bus de données n'est pas seulement un conducteur métallique comme dans les travaux électriques, mais un sous-système complet, y compris son fondement théorique.

Au début de la transmission de données, le support dominant était le bus parallèle, mais il a été largement supplanté par le bus série, une large catégorie qui comprend I2C, SPI, RS232, LIN, FlexRay, audio, USB et MIL-STD-1553.

Le bus parallèle est antérieur aux technologies de bus série. Le premier est plus facile à comprendre et plus simple à dépanner et à réparer, mais beaucoup moins efficace, et comme beaucoup plus de câblage et de terminaisons sont nécessaires, l'installation initiale est plus coûteuse. La transmission de données en série utilise certains concepts de multiplexage complexes, mais comme elle se résout en circuits à deux fils (pour la plupart), une grande partie du travail est simple plug-and-play.

Un bus parallèle a plusieurs conducteurs séparés qui transmettent des données simultanément, alors que dans un bus série, les bits de données sont acheminés séquentiellement, un à la fois, bien que très rapidement. Cela semblerait suggérer qu'un bus parallèle pourrait transmettre des données plus rapidement qu'un bus série, mais ce n'est pas le cas en raison de certaines inefficacités dans la transmission de données parallèle. D'une part, il n'est pas possible pour un bus parallèle de supporter les vitesses d'horloge élevées présentes dans un bus série. Un bus parallèle a généralement des conducteurs séparés pour le signal d'horloge, la transmission de données, la réception de données, les signaux d'établissement de liaison et autres. La vitesse de transmission globale est limitée par le plus lent de ces canaux. De plus, en raison des conducteurs multiples, il existe un plus grand potentiel de diaphonie et de perte capacitive inductive et parallèle en série, en plus d'une désadaptation d'impédance caractéristique entraînant des réflexions de signal et des erreurs de données. Le câblage parallèle est également plus sujet aux dommages physiques et il y a plus de terminaisons à craindre.

La communication parallèle est toujours utilisée à l'intérieur des circuits intégrés, de la production industrielle, de l'instrumentation scientifique et des dispositifs de mémoire vive. Cependant, le passage à la communication série s'est poursuivi à un rythme soutenu et sera sans aucun doute la vague du futur.

Les réseaux informatiques ont migré vers la communication série, qui est, par nécessité, utilisée pour tout type de transmission de données longue distance, car le coût et les pertes inhérentes au câblage parallèle multiconducteur longue distance sont prohibitifs.

Contrairement à cette impression, depuis que la technologie série a proliféré, de nombreuses variantes ont émergé, chacune avec une topologie, une couche physique et un protocole de fonctionnement distinctifs. Certains transmettent les données en flux avec des trames, un mécanisme d'arbitrage pour éviter les collisions de données et une architecture maître/esclave. Un système d'adresses peut être utilisé pour une réception sélective, ou des données peuvent être acheminées pour que tous (nœuds) entendent. La transmission peut être unidirectionnelle ou duplex intégral.

Comme on peut s'y attendre, les fabricants d'ascenseurs ont reconnu les avantages de la transmission série et la pertinence unique du bus CAN. Robert Bosch GmbH, le grand fabricant d'équipements électroniques automobiles et de produits connexes situé près de Stuttgart, en Allemagne, a commencé à travailler sur le bus CAN en 1983. L'idée était de remplacer le faisceau de câblage automobile de l'ancien monde par une communication par bus série qui relierait les nombreux sous-systèmes introduits dans les nouvelles voitures et camions. Cette nouvelle technologie, bien sûr, nécessiterait des puces électroniques. En 1987, les semi-conducteurs Intel et Philips ont commencé à répondre au besoin, puis, en 1988, BMW a sorti sa Série 8, qui incorporait un système électrique multiplex de bus CAN.

Bosch a continué à spécifier les détails du bus CAN, le dernier en date du CAN 2.0 (1991). La partie A spécifie un identifiant de 11 bits et est considéré comme le format standard, tandis que la partie B, le format étendu, utilise un identifiant de 29 bits. Ces deux parties sont étiquetées « CAN 2.0A » et « CAN 2.0B ». Bosch distribue gratuitement les normes, en plus des spécifications et des livres blancs associés.

Un acteur clé dans ce domaine a été l'Organisation de normalisation (ISO), qui a publié ISO 11898 en 1993. La partie 1 de cette norme décrit la couche liaison de données, et la partie 2 couvre la couche physique du CAN haut débit. Par la suite, l'ISO a publié ISO 11898-3, qui concerne la couche physique de ce qui est devenu le bus CAN à faible vitesse et tolérant aux pannes.

L'utilisation du bus CAN s'est étendue bien au-delà de son application initiale dans les automobiles aux machines industrielles et agricoles, aux systèmes médicaux, à la navigation nautique et au contrôle des systèmes d'ascenseur. Il existe plusieurs types de technologies, toutes utilisant des contrôleurs intégrés à faible coût :

  • Le bus CAN haute vitesse intègre une signalisation différentielle, ce qui le rend relativement insensible au bruit. Il fonctionne généralement à 0.5-1.0 Mbps. Deux fils, tous deux isolés de la terre, sont nécessaires.
  • Le bus CAN basse vitesse est moins coûteux à mettre en œuvre et est utilisé dans des applications moins critiques, telles que la radio automobile et le contrôle des portes. En raison de la fréquence plus basse, la signalisation différentielle n'est pas requise, car l'immunité au bruit est moins un problème. Un seul fil est utilisé, le châssis du véhicule servant de retour à la terre.
  • Le bus CAN tolérant aux pannes est une implémentation hybride. Il s'agit essentiellement d'un bus CAN haut débit dans lequel l'un des fils est supprimé. Il est largement utilisé dans les automobiles pour contrôler les airbags.
  • CAN FD (avec « FD » signifiant « débit de données flexible ») est une technologie émergente qui devrait permettre des messages plus longs avec moins de retard.

Bien que son développement soit exclusivement destiné aux harnais automobiles, en une décennie, l'utilisation du bus CAN s'est étendue à de nombreux domaines - avionique, contrôle d'usine et d'usine, dispositifs médicaux et bien d'autres.

En ce qui concerne la technologie des ascenseurs, le bus CAN convient parfaitement. Une installation de groupe (comme dans un grand gratte-ciel) se compose de plusieurs voitures circulant verticalement dans des puits séparés. Grâce au miracle des câbles roulants, une quantité modeste d'énergie électrique, ainsi qu'un nombre adéquat de bus de données série, peuvent être acheminés vers les voitures en mouvement.

En regardant le système électrique qui est si basique à une installation de groupe d'ascenseurs, le plus important et le plus fondamental est l'alimentation, qui provient du service public d'électricité. Il s'agit en réalité d'un réseau électrique composé de nombreux générateurs en réseau, qu'ils soient reliés à des turbines individuelles ou, de plus en plus, à des panneaux solaires. Ce système de distribution complexe injecte des milliards d'électrons à travers l'entrée de service du bâtiment et via de nombreux circuits de dérivation protégés contre les surintensités jusqu'au point d'utilisation.

Dans une installation de groupe d'ascenseurs, l'électricité est utilisée de deux manières. Premièrement, il alimente les moteurs qui font le gros du travail et fournissent souvent un freinage par récupération, ainsi que l'alimentation des lumières, de la chaleur résistive, de la climatisation par évaporation, des fonctions de porte, etc. Tout cela peut être considéré comme le domaine analogique. L'autre usage de l'électricité, le domaine numérique, concerne la création, le traitement et l'affichage de l'information. Ces deux modes de fonctionnement sont tout aussi importants et, en fait, essentiels dans la fonctionnalité de l'ascenseur.

Les professionnels des ascenseurs, y compris les travailleurs de la conception et de l'installation et le personnel de maintenance, travaillent dans ces deux modes, souvent en combinaison. Pour créer une bonne installation d'ascenseur, il est nécessaire que ces personnes aient une compréhension approfondie des deux mondes. Le flux de puissance à travers un variateur de fréquence (VFD) vers le moteur est simple et facile à comprendre, même si, en raison des niveaux élevés de courant et de tension, il existe des défis et des dangers potentiels auxquels il faut faire face.

En revanche, le domaine numérique implique une courbe d'apprentissage plus raide. Lorsqu'une installation d'ascenseur fonctionne par intermittence ou pas du tout, et lorsque les problèmes d'alimentation électrique, de VFD, de transmission de puissance, de moteur et de chargement ont été éliminés, l'étape suivante consiste à examiner l'extrémité numérique, qui consiste en la transmission et la réception de données. Comme indiqué précédemment, le bus CAN joue un rôle important lorsqu'il s'agit de transmission numérique, et cela restera vrai dans un avenir prévisible.

La connectivité du bus CAN, comme les autres types de bus série, se compose d'une couche physique (y compris le codage des bits, la synchronisation, la synchronisation et les types de connecteurs et de câbles) et d'une couche de liaison de données, qui se compose d'un contrôle de liaison logique (LLC) et d'un accès au support. sous-couches de contrôle (MAC). La sous-couche LLC permet la transmission d'informations du début à la destination. Cela inclut le transfert de données et les demandes de données distantes, le filtrage des messages dans le cadre de l'acceptation des messages reçus et la gestion de la récupération (c'est-à-dire la notification de surcharge).

Un objectif principal de la spécification du protocole CAN est la sous-couche MAC, qui est destinée à une très grande catégorie : cadrage de message, arbitrage de support de communication, gestion de l'accusé de réception, détection d'erreur et signalisation. Si un défaut permanent imaginable est détecté, les états d'erreur doivent être surveillés et les opérations du nœud affecté limitées, et cette tâche est effectuée par un contrôleur. La norme Bosch d'origine ne couvrait pas tous les aspects de la couche physique. Les éléments exclus comprenaient les types de câbles et de connecteurs et les plages de tension et de courant acceptables. Au lieu de cela, la norme d'origine se concentrait sur le codage, la synchronisation et la synchronisation des bits.

Le type de signal qui est une caractéristique dominante dans le bus CAN est connu sous le nom de codage de bits non-retour à zéro (NRZ). Ceci est important, car cela implique un nombre minimum de transitions. Les états moyens qui s'établissent sont dominants, ce qui est arbitrairement égal à zéro, et récessifs, ce qui est un. Cela peut sembler rétrograde, mais comme la norme et la mise en œuvre sont cohérentes, ce n'est pas un problème.

Tous les nœuds sont synchronisés sur les fronts binaires et, par conséquent, tous les nœuds sont d'accord en ce qui concerne la valeur du bit actuellement transmis. Pour que cela se produise en continu, chaque nœud doit maintenir une forme de synchronisation qui aligne le débit au niveau du récepteur avec celui des bits transmis. Pour ce faire, les nœuds sont synchronisés en accord avec les arêtes de transition. La synchronisation serait compromise par une longue séquence, ce qui entraînerait une dérive de l'horloge des bits des nœuds. Pour éviter ce résultat, un bourrage de bits (également connu sous le nom de remplissage de bits) est utilisé. L'idée ici est qu'un bit est inséré dans le flux après toute exécution de cinq bits identiques (00000 ou 11111). Le bourrage de bits est initié au niveau de l'émetteur et supprimé au niveau du récepteur avant le traitement du contenu de la trame, ce qui maintient une synchronisation précise.

La synchronisation des bits, nécessaire au protocole d'arbitrage et à une gestion efficace des données, s'effectue initialement à la réception du bit de départ accompagnant chaque transmission asynchrone. Ensuite, si les messages doivent être correctement reçus, une resynchronisation continue est nécessaire. La synchronisation des bits est en outre conditionnée par d'autres exigences spécifiées dans le protocole. Par exemple, pour améliorer l'arbitrage de bus et l'accusé de réception de message et la signalisation d'erreur, les nœuds sont capables de changer l'état des bits de récessif à dominant. Lorsque cela se produit, une autre exigence est que tous les autres nœuds du réseau soient informés du changement pendant la transmission des bits. Le temps de bit doit être suffisant pour que le transit de bit effectue l'aller-retour de l'expéditeur au destinataire et vice-versa.

Un retard de propagation doit être suffisant pour la transmission du signal, en plus de tout retard de signal se produisant dans les émetteurs et les récepteurs. Le délai total dépend de la distance entre les nœuds les plus éloignés.

Les concepteurs d'appareils programment les contrôleurs CAN à l'aide de registres. Il est nécessaire de déterminer la quantité de retard de propagation, et cela détermine la longueur de bus maximale à un débit de données donné ou le débit de données à une longueur de bus donnée. La couche physique est soumise à des contraintes qui résultent de l'exigence que tous les nœuds restent synchronisés au niveau du bit au moment de la transmission.

Les concepteurs de bus CAN doivent absolument éviter les réflexions de données. Ils ont deux causes principales : une incompatibilité d'impédance entre l'entrée ou la sortie et le câble, et de longues longueurs de tronçon à faible impédance. Ce sont généralement des problèmes de conception, donc une fois qu'un système est opérationnel, il ne devrait pas y avoir de problème, à moins qu'un câble ne soit pincé ou endommagé, ou qu'une terminaison se desserre ou s'oxyde. Le CAN à grande vitesse est le plus critique à cet égard.

Des résistances de terminaison sont utilisées pour réaliser l'adaptation d'impédance. ISO 11898 spécifie un câble de 120 ohms, donc des résistances de 120 ohms sont utilisées aux terminaisons. Lorsque plusieurs appareils sont situés le long du câble, seuls ceux aux extrémités de la ligne nécessitent des résistances de terminaison. Dans le CAN basse vitesse, tous les périphériques réseau nécessitent des résistances de terminaison pour chaque ligne de données. Ceux-ci sont intégrés au matériel par certains fabricants, il est donc important de consulter la documentation d'installation.

Dans le protocole CAN, il y a quatre trames possibles. La trame de données contient des données qui sont envoyées à un ou plusieurs récepteurs. La trame contient une demande d'informations en relation avec une trame de données qui a le même identifiant. Une trame d'erreur est envoyée lorsqu'un des nœuds du réseau détecte une erreur. Une trame de surcharge est utilisée pour demander un délai supplémentaire, si nécessaire, avant la reprise de la transmission de la trame de données ou de la trame distante.

Les trames de données envoient des informations aux récepteurs qui, contrairement à d'autres types de bus série, ne sont pas identifiés par des adresses discrètes. Au lieu de cela, les nœuds de réception spécifient les messages qu'ils recevront en accord avec les informations qu'ils contiennent encodées dans l'identifiant de la trame. Les messages CAN peuvent avoir l'un des deux types d'identifiants alternatifs. Les trames standard ont des champs d'identifiant de 11 bits. Les trames étendues ont des champs d'identifiant de 29 bits. Ils peuvent tous deux être transmis sur un même bus par les mêmes nœuds ou par des nœuds différents. Les arbitres peuvent différencier ces types de trames.

L'état récessif d'un bus inactif est interrompu par le démarrage d'une trame avec un seul bit dominant. Ensuite, le champ identifiant définit la priorité d'arbitrage du message et le contenu des données qui composent le flux de messages. Il existe également d'autres champs : le champ de contrôle contient des informations relatives au type de message. Le contenu des données se trouve dans le champ de données. La somme de contrôle vérifie la véracité des bits du message. La réception est confirmée. Ceci est suivi par le délimiteur de fin et l'espace inactif ou les bits intertrame qui indiquent la séparation entre les trames.

Le but d'une trame distante est de demander des informations qui ont un identifiant spécifique à un nœud distant. Une trame distante est structurée à la manière d'une trame de données. L'identifiant du message demandé est indiqué dans le champ identifiant. La longueur des données du message demandé est indiquée dans le champ DLC. Dans le domaine de l'arbitrage, le bit RTR est récessif.

Dans le domaine extrêmement critique du fonctionnement des ascenseurs, où la sécurité humaine est toujours la plus grande préoccupation, les erreurs ne peuvent être tolérées. Le bus CAN est conçu pour une transmission de données fiable, et pour que cela puisse avoir lieu, le protocole a été conçu pour la détection des erreurs, la signalisation et l'autodiagnostic et les mesures de confinement des défauts, dont le but est d'empêcher les nœuds défectueux de contaminer l'ensemble du réseau .

Les normes CAN ne prennent pas en compte la fibre optique comme média dans le réseau, mais elle a été utilisée avec un grand succès. Dans cette configuration, par définition, la lumière dénote une dominante et l'obscurité est récessive. Les signaux optiques étant directement couplés au support, deux lignes doivent être prévues : une pour la transmission et l'autre pour la réception. De plus, pour permettre la surveillance des bits, les deux lignes doivent être couplées en externe.

La fibre optique présente les avantages habituels de l'immunité aux forces électromotrices, et ses propriétés non incendiaires sont un atout dans les zones où des gaz explosifs ou des liquides ou des poussières inflammables peuvent être présents. Néanmoins, l'article 770 du Code national de l'électricité contient des mandats pour une installation de fibre optique, et la conformité est essentielle pour obtenir le feu vert des inspecteurs du site et assurer une installation sûre à long terme.

Qu'il soit électrique ou fibre optique, l'arbitrage CAN est à la fois prioritaire et non préemptif. Cela signifie qu'un message véhiculé ne peut pas être remplacé par un message de priorité plus élevée comme dans certains autres protocoles de bus. Dans le bus CAN, les canaux sont câblés conformément à la « logique ET » qui connecte tous les nœuds. Les phases de contention et de transmission alternent pour acquérir l'accès au média. Si un support partagé n'est pas utilisé, un nœud peut lancer la transmission. Les nœuds qui ont des messages à transmettre transmettront l'identifiant dans les créneaux d'arbitrage. La logique ET résout les collisions, et le nœud qui lit ses bits comme inchangés est le gagnant et transmet le reste de son message, tandis que les autres nœuds écoutent et attendent une ouverture.

Dans le secteur des ascenseurs, la sécurité en ce qui concerne la transmission électrique et de données prend de plus en plus d'importance dans les discussions entre les professionnels de l'industrie. Reconnaissant l'importance de la tendance, CANopen Lift, le réseau normalisé pour les ascenseurs et les ascenseurs, travaille à la création d'une communauté mondiale de fabricants d'ascenseurs et de sous-ensembles dans le but de partager des informations dans ce domaine en évolution rapide. Dans ce domaine diversifié, la transmission des connaissances et de l'expertise est une entreprise hautement prioritaire, et dans ce domaine en constante évolution, les communications entre les participants sont plus importantes qu'à tout autre moment dans le passé.

Questions de renforcement de l'apprentissage

♦ Pourquoi le bus CAN était-il nécessaire dans l'industrie automobile ?
Qu'est-ce qu'un bus série ?
♦ Pourquoi les résistances de terminaison sont-elles utilisées dans les installations de bus CAN ?
Comment les états récessifs et dominants sont-ils notés dans le bus CAN ?
Quels sont les avantages de la fibre optique dans une installation de bus CAN ?

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