CAN Bus per Ascensori

I dettagli di questo importante sistema di trasmissione dei dati sono forniti, da zero.

Il bus CAN (Controller Area Network) è uno dei numerosi metodi di comunicazione elettronica del bus seriale che ha trovato il favore negli ultimi anni nella tecnologia degli ascensori. Il suo eccezionale successo in questa e in applicazioni simili è dovuto alla sua affidabilità e al basso costo, con un numero ridotto di fili nei cavi in ​​movimento e durante l'installazione. Ci sono meno terminazioni e una maggiore immunità al rumore elettronico.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver imparato:
♦ Ragioni dell'eccezionale successo del CAN bus
♦ Differenze tra bus seriale e parallelo
♦ Perché il bus CAN funziona bene negli impianti di ascensori
♦ Differenze tra i sottolivelli LLC e MAC
♦ Perché i riflessi sui dati sono dannosi

A titolo di sfondo, questo articolo esaminerà alcune definizioni e traccerà come il bus CAN è stato sviluppato per la prima volta come innovazione automobilistica. Ma, prima di tutto, cos'è un autobus? Come il nome di un grande veicolo utilizzato nel trasporto pubblico, la parola deriva dal latino "omnibus", che significa "per tutti".

Per un elettricista, "bus" indica una barra o una striscia di metallo, spesso di sezione rettangolare, che conduce elettricità nella distribuzione di energia elettrica. Di solito, molta elettricità viene condotta su distanze relativamente brevi, spesso all'interno di un quadro elettrico. Nei sistemi informatici e di comunicazione (che è ciò di cui ci occupiamo qui), "bus" ha un significato diverso, sebbene correlato. Piuttosto che un singolo conduttore, è il sistema completo che trasmette i dati. È il percorso tra circuiti integrati o altri dispositivi su un circuito stampato, tra dispositivi su schede adiacenti, tra computer in una rete locale o tra apparecchiature elettriche in luoghi diversi. Un bus include il cavo con uno o più (a volte molti) conduttori e l'hardware a entrambe le estremità, oltre a software e documentazione e protocolli scritti. Pertanto, un bus dati non è solo un conduttore metallico come nel lavoro elettrico, ma un sottosistema completo, compreso il suo supporto teorico.

Nella prima trasmissione di dati, il mezzo dominante era il bus parallelo, ma è stato ampiamente soppiantato dal bus seriale, un'ampia categoria che include I2C, SPI, RS232, LIN, FlexRay, audio, USB e MIL-STD-1553.

Il bus parallelo ha preceduto le tecnologie del bus seriale. Il primo è più facile da capire e più semplice da risolvere e riparare, ma molto meno efficiente e poiché sono necessari molti più cablaggi e molte più terminazioni, l'installazione iniziale è più costosa. La trasmissione seriale dei dati fa uso di alcuni concetti complessi di multiplexing, ma poiché si risolve in circuiti a due fili (per la maggior parte), gran parte del lavoro è semplice plug-and-play.

Un bus parallelo ha più conduttori separati che trasmettono dati contemporaneamente, mentre in un bus seriale i bit di dati vengono convogliati in sequenza, uno alla volta, anche se molto rapidamente. Ciò sembrerebbe suggerire che un bus parallelo potrebbe trasmettere dati più velocemente di un bus seriale, ma non è così a causa di alcune inefficienze nella trasmissione parallela dei dati. Per prima cosa, non è possibile che un bus parallelo sostenga le elevate velocità di clock presenti in un bus seriale. Un bus parallelo ha tipicamente conduttori separati per il segnale di clock, la trasmissione dei dati, la ricezione dei dati, i segnali di handshake e altri. La velocità di trasmissione complessiva è limitata dal più lento di questi canali. Inoltre, a causa dei conduttori multipli, esiste un maggiore potenziale di diafonia e perdite induttive e capacitive in serie in serie, oltre al disadattamento di impedenza caratteristico che provoca riflessioni di segnale ed errori di dati. Il cablaggio in parallelo è anche più soggetto a danni fisici e ci sono più terminazioni di cui preoccuparsi.

La comunicazione parallela è ancora utilizzata all'interno di circuiti integrati, produzione industriale, strumentazione scientifica e dispositivi di memoria ad accesso casuale. Tuttavia, il passaggio alla comunicazione seriale è proseguito a ritmo sostenuto e sarà senza dubbio l'onda del futuro.

Le reti di computer sono migrate alla comunicazione seriale, che è, necessariamente, utilizzata per qualsiasi tipo di trasmissione di dati a lungo raggio, poiché il costo e le perdite intrinseche nel cablaggio parallelo multiconduttore a lunga distanza sono proibitivi.

Contrariamente a questa impressione, poiché la tecnologia seriale è proliferata, sono emerse numerose varianti, ognuna con una topologia, un livello fisico e un protocollo operativo distintivi. Alcuni trasmettono dati in flussi con frame, un meccanismo di arbitraggio per prevenire collisioni di dati e un'architettura master/slave. Un sistema di indirizzi può essere utilizzato per la ricezione selettiva, oppure i dati possono essere trasmessi per essere ascoltati da tutti (nodi). La trasmissione può essere unidirezionale o full duplex.

Come ci si può aspettare, i produttori di ascensori hanno riconosciuto i vantaggi della trasmissione seriale e l'idoneità unica del bus CAN. Robert Bosch GmbH, il grande produttore di apparecchiature elettroniche automobilistiche e prodotti correlati con sede vicino a Stoccarda, in Germania, ha iniziato a lavorare sul bus CAN nel 1983. L'idea era quella di sostituire il cablaggio automobilistico del vecchio mondo con la comunicazione bus seriale che avrebbe collegato i numerosi sottosistemi introdotti nelle nuove auto e camion. Questa nuova tecnologia, ovviamente, richiederebbe microchip. Nel 1987, i semiconduttori Intel e Philips iniziarono a soddisfare l'esigenza, quindi, nel 1988, la BMW uscì con la sua Serie 8, che incorporava un sistema elettrico multiplex CAN bus.

Bosch ha continuato a specificare i dettagli del bus CAN, l'ultimo in CAN 2.0 (1991). La parte A specifica un identificatore a 11 bit ed è considerata il formato standard, mentre la parte B, il formato esteso, utilizza un identificatore a 29 bit. Queste due parti sono etichettate "CAN 2.0A" e "CAN 2.0B". Bosch distribuisce gli standard gratuitamente, oltre alle relative specifiche e white paper.

Un attore chiave in questo campo è stata l'Organizzazione per la standardizzazione (ISO), che ha pubblicato la ISO 11898 nel 1993. La parte 1 di questo standard descrive il livello di collegamento dati e la parte 2 copre il livello fisico per il CAN ad alta velocità. Successivamente, ISO ha rilasciato la ISO 11898-3, che riguarda il livello fisico di quello che divenne noto come bus CAN a bassa velocità e tollerante ai guasti.

L'uso del bus CAN si è diffuso ben oltre la sua applicazione iniziale nelle automobili, ai macchinari industriali e agricoli, ai sistemi medici, alla navigazione nautica e al controllo dei sistemi di ascensori. Esistono diversi tipi di tecnologia, tutti che utilizzano controller integrati a basso costo:

• Il bus CAN ad alta velocità incorpora la segnalazione differenziale, rendendolo relativamente immune al rumore. In genere funziona a 0.5-1.0 Mbps. Sono necessari due fili, entrambi isolati da terra.
• Il bus CAN a bassa velocità è meno costoso da implementare e viene utilizzato in applicazioni meno critiche, come la radio automobilistica e il controllo delle porte. A causa della frequenza più bassa, non è richiesta la segnalazione differenziale, poiché l'immunità al rumore è meno problematica. Viene utilizzato un solo filo, con il telaio del veicolo che funge da ritorno a terra.
• Il bus CAN a tolleranza d'errore è un'implementazione ibrida. È essenzialmente un bus CAN ad alta velocità in cui viene eliminato uno dei fili. È ampiamente usato nelle automobili per controllare gli airbag.
• CAN FD (con "FD" che sta per "flexible data rate") è una tecnologia emergente che dovrebbe consentire messaggi più lunghi con un ritardo minore.

Nonostante il suo sviluppo fosse esclusivamente per cablaggi automobilistici, nel giro di un decennio, l'uso del CAN bus si è esteso a numerose aree: avionica, controllo di impianti e fabbriche, dispositivi medici e molti altri.

Per quanto riguarda la tecnologia degli ascensori, il bus CAN è una soluzione eccellente. Un'installazione di gruppo (come in un grande grattacielo) è composta da diverse auto che viaggiano verticalmente in vani separati. Attraverso il miracolo dei cavi viaggianti, alle vetture in movimento può essere portata una modesta quantità di energia elettrica, più un adeguato numero di bus seriali di dati.

Guardando all'impianto elettrico che è così basilare per un'installazione di un gruppo di ascensori, il più importante e fondamentale è l'alimentazione, che ha origine presso l'utenza elettrica. In realtà si tratta di una rete elettrica composta da numerosi generatori in rete, siano essi collegati a singole turbine o, sempre più, a pannelli solari. Questo complesso sistema di distribuzione inietta trilioni di elettroni attraverso l'ingresso di servizio dell'edificio e attraverso numerosi circuiti derivati ​​protetti da sovracorrente fino al punto di utilizzo.

In un'installazione di un gruppo di ascensori, l'elettricità viene utilizzata in due modi. Innanzitutto, alimenta i motori che svolgono il lavoro pesante e spesso forniscono la frenata rigenerativa, oltre ad alimentare luci, calore resistivo, aria condizionata evaporativa, funzioni delle porte e simili. Tutto questo può essere considerato il dominio analogico. L'altro modo in cui viene utilizzata l'elettricità, il dominio digitale, ha a che fare con la creazione, l'elaborazione e la visualizzazione delle informazioni. Queste due modalità operative sono ugualmente importanti e, di fatto, essenziali nella funzionalità dell'ascensore.

I professionisti degli ascensori, compresi gli addetti alla progettazione e installazione e il personale di manutenzione, lavorano in queste due modalità, spesso in combinazione. Per creare una buona installazione di ascensori, è necessario che queste persone abbiano una conoscenza approfondita di entrambi i mondi. Il flusso di potenza attraverso un azionamento a frequenza variabile (VFD) al motore è semplice e facile da capire, anche se, a causa degli alti livelli di corrente e tensione, ci sono sfide e potenziali pericoli che devono essere affrontati.

Al contrario, il dominio digitale comporta una curva di apprendimento più ripida. Quando un'installazione di ascensore funziona in modo intermittente o non funziona affatto e quando i problemi di alimentazione, VFD, trasmissione di potenza, motore e carico sono stati eliminati, il passo successivo è guardare all'estremità digitale, che consiste nella trasmissione e ricezione dei dati. Come indicato in precedenza, il bus CAN svolge un ruolo significativo quando è coinvolta la trasmissione digitale e ciò rimarrà vero per il prossimo futuro.

La connettività del bus CAN, come altri tipi di bus seriale, consiste in un livello fisico (inclusi codifica bit, temporizzazione, sincronizzazione e tipi di connettori e cavi) e un livello di collegamento dati, che consiste in controllo del collegamento logico (LLC) e accesso al mezzo sottolivelli di controllo (MAC). Il sottolivello LLC consente la trasmissione di informazioni dall'inizio alla destinazione. Ciò include il trasferimento dei dati e le richieste di dati remoti, il filtraggio dei messaggi come parte dell'accettazione dei messaggi ricevuti e la gestione del ripristino (ad es. notifica di sovraccarico).

Un punto focale principale della specifica del protocollo CAN è il sottolivello MAC, che è per una categoria molto ampia: framing dei messaggi, arbitraggio del mezzo di comunicazione, gestione del riconoscimento, rilevamento e segnalazione degli errori. Se viene rilevato un errore permanente concepibile, è necessario monitorare gli stati di errore e limitare le operazioni del nodo interessato e questa attività viene eseguita da un controller. Lo standard Bosch originale non copriva tutti gli aspetti del livello fisico. Gli elementi esclusi includevano tipi di cavi e connettori e intervalli di tensione e corrente accettabili. Invece, lo standard originale si concentrava sulla codifica dei bit, sui tempi e sulla sincronizzazione.

Il tipo di segnale che è una caratteristica dominante nel bus CAN è noto come codifica bit senza ritorno a zero (NRZ). Questo è importante, perché comporta un numero minimo di transizioni. Gli stati medi che si stabiliscono sono dominanti, che è arbitrariamente equiparato a zero, e recessivi, che è uno. Questo può sembrare indietro, ma poiché lo standard e l'implementazione sono coerenti, non è un problema.

Tutti i nodi sono sincronizzati sui fronti di bit e, di conseguenza, tutti i nodi sono d'accordo rispetto al valore del bit attualmente trasmesso. Affinché ciò avvenga in modo continuo, ogni nodo deve mantenere una forma di sincronizzazione che allinei il bitrate al ricevitore con quello dei bit trasmessi. Per fare ciò, i nodi sono sincronizzati in accordo con i bordi di transizione. La sincronizzazione sarebbe compromessa da una lunga sequenza, che comporterebbe uno spostamento del clock del bit del nodo. Per evitare questo risultato, viene impiegato il bit stuffing (noto anche come bit padding). L'idea qui è che un bit viene inserito nel flusso dopo ogni esecuzione di cinque bit identici (00000 o 11111). Il bit stuffing viene avviato dal trasmettitore e rimosso dal ricevitore prima dell'elaborazione del contenuto del frame, che mantiene una sincronizzazione accurata.

La sincronizzazione dei bit, necessaria per il protocollo di arbitraggio e la gestione efficiente dei dati, viene eseguita inizialmente alla ricezione del bit di inizio che accompagna ogni trasmissione asincrona. Quindi, se i messaggi devono essere ricevuti correttamente, è necessaria la risincronizzazione su base continuativa. La temporizzazione dei bit è ulteriormente condizionata da altri requisiti come specificato nel protocollo. Ad esempio, per migliorare l'arbitrato del bus e il riconoscimento dei messaggi e la segnalazione degli errori, i nodi sono in grado di modificare lo stato dei bit da recessivo a dominante. Quando ciò accade, un ulteriore requisito è che tutti gli altri nodi della rete siano informati del cambiamento durante la trasmissione dei bit. Il tempo di bit deve essere sufficiente per il transito dei bit per effettuare il viaggio di andata e ritorno dal mittente al destinatario e viceversa.

Un ritardo di propagazione deve essere sufficiente per la trasmissione del segnale, oltre a qualsiasi ritardo del segnale che si verifica nei trasmettitori e ricevitori. Il ritardo totale dipende dalla distanza tra i nodi più distanti.

I progettisti di dispositivi programmano i controller CAN utilizzando i registri. E' necessario accertare l'entità del ritardo di propagazione, e questo determina la lunghezza massima del bus ad una data velocità di dati o la velocità di dati ad una data lunghezza di bus. Il livello fisico è soggetto a vincoli che derivano dal requisito che tutti i nodi rimangano sincronizzati a livello di bit al momento della trasmissione.

I progettisti di bus CAN devono assolutamente evitare riflessioni sui dati. Hanno due cause principali: mancata corrispondenza dell'impedenza tra ingresso o uscita e cavo e lunghe lunghezze di stub a bassa impedenza. Questi sono di solito problemi di progettazione, quindi una volta che un sistema è attivo e funzionante, non dovrebbero esserci problemi, a meno che un cavo non venga pizzicato o danneggiato o che una terminazione si allenti o si ossidi. Il CAN ad alta velocità è il più critico in questo senso.

I resistori di terminazione vengono utilizzati per realizzare l'adattamento di impedenza. La norma ISO 11898 specifica un cavo da 120 ohm, quindi vengono utilizzati resistori da 120 ohm alle terminazioni. Quando più dispositivi si trovano lungo il cavo, solo quelli alle estremità della linea richiedono resistori di terminazione. In CAN a bassa velocità, tutti i dispositivi di rete richiedono resistori di terminazione per ciascuna linea dati. Questi sono integrati nell'hardware da alcuni produttori, quindi è importante consultare la documentazione di installazione.

Nel protocollo CAN ci sono quattro possibili frame. Il frame di dati contiene dati che vengono inviati a uno o più ricevitori. Il frame contiene una richiesta di informazioni in relazione a un frame di dati che ha lo stesso identificatore. Un frame di errore viene inviato quando uno dei nodi di rete rileva un errore. Un frame di sovraccarico viene utilizzato per richiedere tempo aggiuntivo, se necessario, prima della ripresa della trasmissione del frame di dati o del frame remoto.

I frame di dati inviano informazioni ai ricevitori che, a differenza di altri tipi di bus seriali, non sono identificati da indirizzi discreti. Invece, i nodi riceventi specificano i messaggi che riceveranno in accordo con le informazioni che contengono come codificate nell'identificatore del frame. I messaggi CAN possono avere uno di due tipi alternativi di identificatori. I frame standard hanno campi identificativi a 11 bit. I frame estesi hanno campi identificativi a 29 bit. Entrambi possono essere trasmessi su un singolo bus dallo stesso nodo o da nodi diversi. Gli arbitri possono distinguere tra questi tipi di frame.

Lo stato recessivo di un bus inattivo è interrotto dall'inizio di un frame con un singolo bit dominante. Quindi, il campo dell'identificatore definisce la priorità di arbitraggio per il messaggio e il contenuto dei dati che comprende il flusso di messaggi. Ci sono anche altri campi: il campo di controllo contiene informazioni relative al tipo di messaggio. Il contenuto dei dati è nel campo dati. Il checksum verifica la veridicità dei bit del messaggio. La ricezione è confermata. Questo è seguito dal delimitatore finale e dallo spazio inattivo o dai bit interframe che denotano la separazione tra i frame.

Lo scopo di un frame remoto è richiedere informazioni che hanno un identificatore specifico da un nodo remoto. Un frame remoto è strutturato come un frame di dati. L'identificatore del messaggio richiesto è indicato nel campo identificatore. La lunghezza dei dati del messaggio richiesto è indicata nel campo DLC. Nel campo dell'arbitrato, il bit RTR è recessivo.

Nell'area estremamente critica del funzionamento degli ascensori, dove la sicurezza umana è sempre la principale preoccupazione, gli errori non possono essere tollerati. Il bus CAN è progettato per una trasmissione dati affidabile, e quindi questo può avvenire, il protocollo è stato progettato per il rilevamento degli errori, la segnalazione e l'autodiagnosi e le misure per il confinamento dei guasti, il cui scopo è impedire ai nodi guasti di contaminare l'intera rete .

Gli standard CAN non tengono conto della fibra ottica come supporto nella rete, ma è stata utilizzata con grande successo. In questa configurazione, per definizione, la luce denota dominante e il buio è recessivo. Poiché i segnali ottici sono direttamente accoppiati al supporto, devono essere previste due linee: una per la trasmissione e l'altra per la ricezione. Inoltre, per consentire il monitoraggio dei bit, le due linee devono essere accoppiate esternamente.

La fibra ottica presenta i consueti vantaggi dell'immunità alla forza elettromotrice e le sue proprietà non infiammabili sono un vantaggio in aree in cui possono essere presenti gas esplosivi o liquidi o polveri infiammabili. Tuttavia, l'articolo 770 del National Electrical Code contiene mandati per un'installazione in fibra ottica e la conformità è essenziale per ottenere il via libera dagli ispettori del sito e garantire un'installazione sicura a lungo termine.

Che si tratti di fibra elettrica o ottica, l'arbitrato CAN è allo stesso tempo basato sulla priorità e non preventivo. Ciò significa che un messaggio trasmesso non può essere sovrascritto da un messaggio di priorità più alta come in altri protocolli di bus. Nel bus CAN i canali sono cablati secondo la “logica AND” che collega tutti i nodi. Le fasi di contesa e trasmissione si alternano per acquisire l'accesso ai media. Se non viene utilizzato un supporto condiviso, un nodo può avviare la trasmissione. I nodi che hanno messaggi da trasmettere trasmetteranno l'identificatore negli slot di arbitrato. La logica AND risolve le collisioni e qualunque nodo legge i suoi bit come invariati è il vincitore e procede a trasmettere il saldo del suo messaggio, mentre gli altri nodi ascoltano e attendono un'apertura.

Nel settore degli ascensori, la sicurezza per quanto riguarda la trasmissione elettrica e dati sta guadagnando importanza come punto focale nelle discussioni tra i professionisti del settore. Riconoscendo l'importanza della tendenza, CANopen Lift, la rete standardizzata per ascensori e montacarichi, sta lavorando alla creazione di una comunità mondiale di produttori di ascensori e sottogruppi con l'obiettivo di condividere le informazioni in questo campo in rapida evoluzione. In quest'area diversificata, la trasmissione di conoscenze e competenze è un'impresa di alta priorità e, in quest'arena ancora in evoluzione, la comunicazione tra i partecipanti è più importante che in qualsiasi momento del passato.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

♦ Perché il bus CAN era necessario nell'industria automobilistica?
♦ Cos'è un bus seriale?
♦ Perché le resistenze di terminazione vengono utilizzate nelle installazioni CAN bus?
♦ Come sono indicati gli stati recessivi e dominanti nel bus CAN?
♦ Quali sono i vantaggi della fibra ottica in un'installazione CAN bus?