buses de campo y sistemas monomaestro multimaestro 1

BUSES DE CAMPO,SISTEMAS MONOMAESTRO/MULTIMAESTRO

2.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS BUSES DE CAMPO

Un bus de campo es un sistema de trasmisión de información que simplifica la instalación y operación de máquinas 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 información 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 están 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. La propia definición 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 aparición de los buses de campo la técnica de comunicación que dominaba en

la industria era el lazo de corriente de 4-20 mA, que aunque ofrece un medio con alto grado de inmunidad sólo podía 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 intentó hacer del lazo de corriente un estándar, lo cierto es que cada fabricante introdujo diferentes niveles de señal.

Frente a las limitaciones del lazo de corriente, los buses de campo nos ofrecen mayores prestaciones. A continuación se enumeran las ventajas que supone utilizar buses de campo:

- Reducción del cableado. Habitualmente en la industria los autómatas 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 maraña de cables que se forma a la entrada del controlador y si además 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 instalación de los mismos es bastante elevado. Por si fuera poco, si ocurre algún fallo en los cables sería difícil detectar en cuál ha ocurrido porque tendríamos que comprobarlos uno por uno. Los buses de campo usan muy pocas líneas, algunos sólo dos. Como se puede observar, la reducción en costes de cableado e instalación es evidente, además en caso de rotura del cable sería más fácil de detectar ya que sólo tenemos que comprobar un cable, el del bus de campo.

- Información digital. El hecho de que la información que circula por el bus sea digital aporta más precisión al sistema y una mayor inmunidad ante el ruido que un sistema analógico.

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- Protección contra ruido. Muchos de estos buses vienen preparados para funcionar en medio de fuertes campos electromagnéticos mediante la utilización de cables apantallados. Además algunos poseen medidas adicionales para poder operar en atmósferas potencialmente explosivas. Todo esto convierte a los buses de campo en sistemas idóneos para trabajar en ambientes hostiles pudiendo extender de esta manera el abanico de aplicaciones donde pueden ser utilizados.

- Facilidad de mantenimiento y autodiagnóstico. Al simplificar el cableado se pueden realizar funciones de mantenimiento preventivo y predictivo, de una forma más fiable y actualizada. El hecho de que los elementos que se conectan al bus sean dispositivos inteligentes hace que podamos asignarles tareas de autodiagnóstico que permitan ahorrarnos tiempo y dinero a la hora de detectar y reparar averías.

- Mayor velocidad. La velocidad de comunicación puede ser un elemento crítico ya que tiene que dar tiempo a que el controlador pueda actualizar todas sus entradas sin que el programa en ejecución pierda ninguna variación por lo que el tiempo de comunicación en todos los dispositivos no debería ser superior a 7ms. Como consecuencia habría que incrementar la velocidad de transmisión por encima de los 750 Kbps. Los buses de campo pueden ofrecer estas velocidades.

- Mayor longitud. Las tecnologías empleadas en los buses de campo permiten aumentar las distancias respecto al lazo de corriente, más allá de los 500m. Además pueden integrarse en redes jerárquicas con pasarelas entre medios físicos pudiendo cubrir un área extensa.

- Ampliable. La inclusión de nuevos elementos en el sistema es mucho más fácil ya que sólo habrá que hacer la conexión al bus mediante un conector en T o un conector-derivador en el punto del bus más cercano al sensor/actuador en cuestión.

- Simplicidad. Para utilizar los buses de campo sólo se hacen uso de las capas física, de enlace y aplicación, lo cual simplifica el trabajo del diseñador y del usuario, ya que este último prácticamente sólo debería ocuparse de la capa física y la capa de usuario.

2.2 COMPARATIVA

El bus de campo que fue finalmente escogido para elaborar el sistema domótico descrito en el capítulo 3 es CAN. De la especificación de CAN se pueden extraer dos características fundamentales:

- Acceso por contienda con arbitraje de bits. Posee las ventajas de un bus de

acceso por contienda sin desperdiciar tiempo en caso de colisión de tramas, ya que el arbitraje de bits resuelve el conflicto a favor de un único nodo sin destruir la información transmitida por éste.

- Comunicación 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 único mensaje transmitido al bus pueda ser recogido por varios nodos simultáneamente. Además, los mensajes son filtrados por hardware, lo que evita tener que implementar algoritmos de selección.

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De la primera característica se deriva la posibilidad de establecer prioridades a los mensajes según su identificador y la ventaja de tener un bus con un alto rendimiento pudiendo conseguir velocidades de transmisión altas (hasta 1Mbps).

De la segunda característica se deriva la posibilidad de establecer una comunicación mucho más efectiva en entornos en los que varios elementos necesitan compartir cierta información entre sí, como es el caso de la domótica. Esto ha propiciado el desarrollo de una arquitectura de protocolos sobre la cual se asienta el modelo de sistema domótico expuesto en el capítulo 3, y que aprovecha precisamente esta característica.

Dentro de los buses de campo industriales, CAN se muestra como el más versátil, razón

que impulsó a descartar otros buses como PROFIBUS o Ethernet.

PROFIBUS está muy orientado a las aplicaciones industriales y aunque es bastante robusto es también más complejo, mientras que CAN a pesar de ser más sencillo, es capaz de ofrecer el servicio de comunicación que demandan las aplicaciones de domótica con una buena calidad y mucho más flexible, ya que se adapta bien a casi cualquier aplicación, no sólo a las de carácter industrial.

Ethernet está más orientado a la transmisión de datos en redes de área local, y aunque

ofrece una comunicación de banda ancha (del orden de 100Mbps), en aplicaciones de domótica no es necesario un ancho de banda tan grande. Por otra parte, Ethernet sólo ofrece comunicación punto a punto o por difusión 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 domótica hay que decir que existen buses

con prestaciones superiores a CAN en este ámbito, pero también hay muchos con prestaciones inferiores. Habría sido más sencillo escoger directamente un bus de campo de este tipo pero se ha creído más conveniente utilizar CAN por la siguiente razón: El objetivo de este proyecto es el de dar a conocer las ventajas de la utilización de buses de campo y demostrar con un ejemplo práctico que estos buses se pueden aplicar como solución de comunicación a problemas reales. Por éste y otros motivos se ha preferido diseñar una solución propia, que aunque implica un mayor esfuerzo, es mucho más enriquecedora en cuanto a conocimientos adquiridos. A continuación se detallan las razones adicionales que motivaron al descarte de otros buses:

X10 a pesar de su facilidad de instalación (utiliza la red eléctrica y no necesita cableado

adicional), está muy limitado en prestaciones y ofrece una velocidad de transmisión muy pobre.

EHS mejora en cierto modo X10 pero sigue teniendo una velocidad de transmisión muy baja

y fue también descartado.

Aunque es cierto que BatiBUS ofrece algunas de las ventajas más importantes de CAN, su velocidad también es muy baja y fue descartado.

LONWorks sí ofrece redes domóticas más robustas y estructuradas. El problema es que

no es un estándar abierto y sobre todo que las redes LONWorks son complejas y caras, razón por la cual este bus sólo ha tenido éxito en redes domóticas para grandes edificios y hoteles. En el ámbito del hogar CAN puede ofrecer una solución más barata y sencilla con unas prestaciones similares.

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2.3 PROFIBUS 2.3.1 INTRODUCCIÓN

Profibus es un bus industrial abierto independiente de fabricantes que sigue los

estándares europeos EN 50170 y EN 50254 que aseguran tal condición. La organización que vela por este bus de campo es Profibus internacional (PI). Dentro de esta organización se encuentran inscritos más de 800 participantes de todo el mundo. Este es un bus que define todas las características de una red de comunicación serie industrial. Se utiliza como medio de intercambio de información entre dispositivos distribuidos en campo.

Actualmente, más de 150 compañías de alta reputación han reconocido las ventajas de

PROFIBUS y se han unido al PNO (PROFIBUS User Organization) o a alguna organización 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 adaptación dentro de la

industria. Este campo abarca desde el nivel de sensores y actuadores hasta el nivel de celdas. Usa la misma técnica de transmisión y el mismo protocolo de acceso al bus con funciones de aplicación diferenciadas. Esto permite una reducción significativa de esfuerzo en la instalación, mantenimiento y entrenamiento.

El rango de productos PROFIBUS se está extendiendo continuamente. Un sumario de los

productos y servicios disponibles en el mercado se puede localizar en la guía de productos electrónicos PROFIBUS, que puede ser obtenida del PNO.

La comunicación en un sistema industrial se puede dar a tres niveles, de forma separada

o conjunta:

1) Nivel de actuador/sensor. Las señales binarias de los sensores y actuadores son transmitidas a través del bus de estos dispositivos de manera cíclica al maestro de la red. Para este nivel se suele utilizar ASInterface.

2) Nivel de campo. Este nivel conecta a todos los periféricos tales como módulos E/S, transductores de señal con el sistema de automatización por una comunicación en tiempo real. En este nivel los datos son también enviados de forma síncrona mientras que las alarmas, los parámetros y los datos de diagnóstico de la comunicación son enviados de forma asíncrona en momentos puntuales. Para este nivel PROFIBUS ofrece una solución transparente y especialmente preparada para procesos de automatización.

3) Nivel de célula. 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 comunicación, pudiendo estar esta capa integrada en el sistema de comunicaciones interno de una compañía mediante Internet, intranet, mediante los protocolos más usuales TCP/IP y Ethernet.

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Fig 2.1. Esquema de comunicación industrial con Profibus

En resumen, el uso más habitual de Profibus es la interconexión de diferentes dispositivos

de distintos fabricantes sin unas especiales exigencias, pudiendo ser utilizado para aplicaciones donde el tiempo del bus sea crítico y con los objetivos de comunicación complejos.

2.3.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES

Este bus se basa en la comunicación 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 petición.

- Dispositivos secundarios (Slaves Devices). Periféricos 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 relé, convertidores de frecuencia, electroválvula, etc. Su papel es pasivo, pudiendo sólo transmitir cuando se les ha realizado una petición previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicación pero son muy numerosos.

Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes:

- Datos de entrada y de salida al proceso. - Funciones de diagnóstico y verificación. - Configuración de dispositivos. - Programas entre los controladores. - Parámetros de control.

Se podría decir que las principales características de Profibus son:

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- Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compañía, está controlado por un comité de estandarización. Por lo tanto, permite la comunicación 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 comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos son repetidos hasta que la confirmación de recepción es enviada.

- Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de automatización, permitiendo el intercambio de datos entre controladores y entre elementos de campo.

- Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo.

- Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser incorporado en cualquier momento al bus sin necesidad de reformar la estructura, incluso sin enturbiar la comunicación existente.

2.3.3 PERFILES

Profibus ofrece protocolos de comunicaciones según la aplicación 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 comunicación compleja. Los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus son:

- Profibus-DP (Descentralized Periphery), para el control distribuido. Diseñado para

la comunicación entre sistemas de control automático y entradas y salidas distribuidas o remotas en campo. Ofrece la funcionalidad de intercambiar datos de forma rápida y cíclica. Su principal ventaja es que es plug and play, en cuanto a que se permite la identificación automática de los dispositivos.

- Profibus-PA (Processs Automation), automatización de procesos. Permite que tanto sensores como actuadores sean conectados en una línea de bus. Su aplicación está definida en procesos situados en áreas de seguridad intrínseca, denominadas Ex, y está regido según el estándar internacional IEC 1158-2, especialmente indicado para las actividades petroleras y químicas.

- Profibus-FMS (Field Message Specification), especificación de los mensajes en el bus de campo. Se trata de una serie de tareas de comunicación, de propósito general, en el nivel de comunicaciones de célula. Es el más alto nivel de comunicaciones que aborda este bus, y permite la coordinación de gran cantidad de aplicaciones de comunicación: buses de ordenadores industriales, robots,… En Profibus-FMS se realiza la comunicación entre los dispositivos principales.

Desarrollo cronológico de los diferentes perfiles:

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1990

1992

1994

1996

FMS

DP

PA

PA plus DPV1

Fig. 2.2. Desarrollo cronológico 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 física y de enlace, así como el interfaz de usuario. Las capas

3 a 7 no están definidas. El DDLM (Direct Data Link Mapper) proporciona un interfaz de usuario sencillo para el acceso a la capa 2. Como medio físico se usa la tecnología RS-485, fibra óptica o ambas.

En Profibus-FMS se definen las capas físicas, de enlace y de aplicación. La capa de

aplicación consiste en el FMS (Fieldbus Message Specification) y el LLI (Lower Layer Interface). FMS contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario un amplio conjunto de servicios. LLI permite proporcionar a FMS una interfaz independiente del dispositivo con la capa de enlace.

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Dicha capa implementa el protocolo de acceso al bus y la seguridad de datos. Como medio físico se emplea RS-485, fibra óptica o ambas.

Profibus-PA utiliza el protocolo de Profibus-DP y le añade como característica particular la

definición de los perfiles de dispositivo. Como medio de transmisión utiliza el estándar IEC 1158- 2, lo que le permite su utilización en zonas de seguridad intrínseca. Mediante un dispositivo puente es fácil acoplar redes Profibus-DP con redes Profibus-PA.

Por su parte, Profibus-DP y Profibus-FMS usan las mismas tecnologías de transmisión y

protocolo uniforme de acceso al medio, por ello, ambas pueden operar simultáneamente sobre el mismo cableado.

2.3.5 MEDIOS FÍSICOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS

El área de aplicación de los sistemas de bus de campo está determinada por la tecnología

disponible para el nivel físico. Igual que las demandas generales del sistema han llevado a éste a una arquitectura en bus, hacen falta satisfacer también características específicas a este nivel como son funcionamiento en ambientes agresivos, transmisión de datos y potencia en el mismo cable, etc. Actualmente existen tres métodos de transmisión:

- RS-485: Medio de transmisión para aplicaciones generales de automatización en

cadenas de montaje y fabricación. - IEC 1158-2: Medio de transmisión para uso en procesos de automatización. - Fibra óptica: Medio de transmisión caracterizado por presentar inmunidad a

interferencias y capacidad de salvar enlaces de largas distancias.

Los desarrollos futuros intentarán usar Ethernet comercial como nivel físico para Profibus. Es posible utilizar acopladores para enlaces entre los diferentes métodos de transmisión.

2.3.5.1 RS-485

Es la tecnología de transmisión más usada por Profibus. Se utiliza en aplicaciones donde se

necesita alta velocidad de transmisión y simplicidad de instalación. Utiliza un par trenzado de cobre apantallado.

Características principales:

- Topologías: Bus lineal, con distintos segmentos y terminadores activos en ambos

extremos. También puede confeccionarse la red en árbol, generalización del bus. Por medio de repetidores se pueden conseguir diferentes segmentos del bus.

- Cable: Par trenzado apantallado, de cobre con diferentes recubrimientos según el ambiente.

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Fig. 2.4. Cable par trenzado apantallado para enlace Profibus

- Velocidad de transmisión: Entre 9.6K – 12M, según la distancia que haya que

cubrir. Dado que la velocidad es única 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 según la longitud del enlace

- Distancia de transmisión sin repetidor hasta 1200 metros. - El número de estaciones máximo sin repetidores es 32, con repetidores se puede

llegar hasta 127. La estructura del bus permite la expansión de la red. Sólo hay que insertar un nuevo dispositivo, mediante un derivador de línea, y, si está en el extremo, conectar el terminal o conmutador terminador de línea.

- Conectores de diferentes tipos. El que recomienda la norma es el sub-D de 9 pines.

Todos los dispositivos irán conectados al bus mediante derivadores, que recibirán un

cable en la entrada (IN) y permitirán la continuidad de la línea por la salida (OUT). Si el dispositivo es final de línea, ésta morirá en él. Los derivadores tendrán integrada las resistencias adecuadas en caso de terminar o no la línea. Una representación del conexionado por RS-485 es:

EA EA EP

T T T

R

EP EP T T T

R

EP EA

T T T

Fig. 2.5. Esquema de un posible conexionado por RS-485

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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica

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 línea, R es un repetidor de RS-485, y la línea negra que conecta los diferentes equipos es par trenzado.

Al conectar una estación al bus se debe asegurar el no conectar el cableado de datos al

revés. El uso de una línea de datos apantallada es de absoluta necesidad para lograr un sistema inmune al ruido electromagnético. La pantalla debe estar conectada a la masa a ambos lados del cable, incluso se debe proteger las líneas de datos de los cables de alta tensión. El 90 % de los problemas ocurridos en una red Profibus son atribuidos a un incorrecto cableado e instalación; estos problemas pueden ser solventados usando comprobadores de buses que pueden detectar la mayoría de estos problemas.

2.3.5.2 FIBRA ÓPTICA

La red de fibra óptica en Profibus es la opción para grandes distancias de transmisión o para

los ambientes industriales más afectados por las interferencias electromagnéticas. A menudo se utiliza una red mixta con elementos eléctricos y ópticos. La red de dispositivos ópticos consiste en:

- Módulos de enlace óptico. Estos módulos configuran un enlace óptico, junto con

las fibras ópticas. De estos módulos se obtiene además una salida eléctrica para conectar a las estaciones participantes en la red.

- Elementos de conexión de los que cuelgan otras estaciones. Tienen entrada y salida óptica. Algunos fabricantes ofrecen conexión directa a la red óptica sin necesidad de pasar a red eléctrica.

La topología de una red óptica podría ser:

Fig. 2.6. Posible topología de una red óptica.

En el esquema EO, es el enlace óptico, siendo de nuevo T el terminador de línea, EA el

terminal maestro y EP el terminal esclavo, la línea azul gruesa representa un canal de fibra doble, mientras que la línea a trazos es un canal de fibra simple.

Las características generales de las redes ópticas en Profibus son:

- Topología: permite crear una red en bus lineal, anillo y estrella. - Cable: fibra óptica de plástico para la longitud de onda de 660 nm. Si es vidrio

puede emplearse una longitud de onda de 800 a 1500 nm. Además, se tendrá en

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cuenta si el cable deber ser instalado en el interior o exterior, al igual que el cable eléctrico, para seleccionar la resistencia del cable.

- Las distancias de transmisión pueden llegar a ser hasta de 10 y 15 km. - El número máximo de estaciones es de 127. La expansión de la red se complica.

Deben coexistir sistemas eléctricos y ópticos. Aparecen conectores de fibra, adaptadores fibra-RS485, conectores de par de fibra (uno para transmitir y otro para recibir). Los dispositivos de enlace ópticos disponen de conexiones ópticas y también de cable de bus.

Por lo general, los dispositivos de enlace óptico incorporan funcionalidades como la

detección del estado de enlace, sincronización a la velocidad de transmisión del enlace, funciones de repetidor de señal óptica, etc.

2.3.5.3 IEC 1158-2

Este método de transmisión, con una tasa de transferencia de 31.25 Kbit/s, es usada en

procesos de automatización en industrias químicas y petroquímicas, en zonas potencialmente explosivas, debido a la seguridad intrínseca que ofrecen las dos líneas de alimentación por las que se transmiten los datos y se suministra corriente. Los principios de este estándar son definidos como el modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe COncept). Éste fue desarrollado en Alemania por el PTB (Instituto federal de física técnica) y hoy es internacionalmente reconocido como el modelo básico de cableado para buses de campo en zonas peligrosas. El FISCO está basado en:

- Cada segmento tiene sólo una fuente de alimentación. - Cuando alguna estación está enviando tramas no hay alimentación 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 línea. - Sólo están permitidos topologías lineales, en árbol 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 transmisión y los telegramas. En Profibus, la capa 2 se denomina FDL (Fieldbus Data Link). El MAC es determinista, de modo que sólo una estación tiene derecho a transmitir en cada momento. En particular ha sido diseñado para cumplir:

- En las comunicaciones entre sistemas activos (maestros), encargados de tareas

de control complejas, debe asegurarse que cada estación tenga suficiente tiempo para ejecutar sus tareas de comunicación dentro de un intervalo de tiempo definido.

- Las tareas de comunicación cíclicas se implementarán de la forma más sencilla posible para permitir la comunicación entre un maestro y uno o varios esclavos.

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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 comunicación entre cada maestro y su periferia.

Fig. 2.7. Nivel de enlace. Configuración 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 cesión al nodo que lo recibe, el derecho a acceder al bus. El testigo sigue una secuencia según anillo lógico, con un tiempo máximo predeterminado para la rotación completa del testigo.

La comunicación maestro-esclavo permite que el maestro que posee el testigo en un instante

determinado se comunique con los esclavos que dependen de él. El maestro puede enviar mensajes a los esclavos y leer las contestaciones de éstos. De esta forma, es posible tener un sistema con un único maestro y múltiples esclavos, un sistema formado sólo por estaciones activas o un sistema híbrido.

La capa de enlace también 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, así como un bit de paridad para cada byte según se define en el estándar IEC 870-5-1.

El modo de funcionamiento es sin conexión. 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 terminación

De 1 a 8 bytes 1 byte De 1 a 256 bytes 1 byte Tabla 2.2 Formato de la trama del nivel físico de Profibus

2.3.7 PROFIBUS DP

PROFIBUS DP está diseñado 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

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a través de un enlace rápido serie con sus dispositivos periféricos. El intercambio de datos con estos periféricos es principalmente cíclico. El controlador central (maestro) lee la información de entrada desde los esclavos y envía de retorno a los mismos la información de salida. Es importante que la duración del ciclo del bus sea menor que la duración del ciclo del programa del controlador, el cual es de aproximadamente de 10 ms en la mayoría de las aplicaciones. Un sumario de las características técnicas de PROFIBUS-DP queda reflejado en la siguiente tabla:

Técnica de transmisión:

PROFIBUS DIN 19 245 Parte 1. EIA RS485 par de cables trenzados o fibra óptica.

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 híbrido de acuerdo a DIN 19 245 Parte 2. Soporta sistemas mono-maestro o multi-maestro.

Dispositivos maestros y esclavos.

Comunicación:

Peer to peer (transferencia de data de usuario) o multicast (sincronización). Transferencia de datos de usuario Maestro esclavo cíclico o transferencia de datos maestro maestro acíclico.

Modos de operación:

Operar (Operate): Transferencia cíclica de datos de entrada y salida. Borrar (Clear): Borrado de datos de entrada y salida.

Detener (Stop): Solo es posible en funciones maestro- maestro.

Sincronización:

Sincronización 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 cíclica de datos entre maestros DP y esclavos DP. Activación o desactivación individual de esclavos DP.

Chequeo de la configuración de los esclavos DP.

Mecanismos de Autodiagnostico.

Sincronización de entradas y salidas.

Asignación de direcciones a los esclavos a través del bus.

Configuración del maestro DP a través del bus.

246 bytes máximos de entrada / salida de datos por

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esclavo DP (32 bytes típicos).

Mecanismos de seguridad y protección:

Todos los mensajes son enviados con distancia Hamming de HD=4.

Watchdog en los esclavos DP.

Protección de acceso en las entradas / salidas de los esclavos DP.

Monitorización 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 configuración y programación. Dispositivo maestro DP clase 1 (DPM1), por ejemplo controladores centrales tales como PLC.

Cableado e instalación:

Acoplamiento y desacople de estaciones sin afectar a las otras estaciones. Técnica de transmisión de dos conductores probados y de fácil manejo.

Tabla 2.3. Características principales de Profibus DP.

2.3.7.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

Una gran terminación no es suficiente para un uso exitoso de un sistema de bus. Mejor

dicho, una instalación y servicio sencillo, buenas facilidades de diagnóstico y una transmisión libre de errores son necesarias para cumplir con los requerimientos de los usuarios. PROFIBUS- DP combina estos requisitos de una manera óptima.

PROFIBUS-DP necesita, aproximadamente, 6 ms a 1.5 Mbits/s para la transmisión de 512

bits de datos de entrada-salida distribuida en 32 estaciones. Esto cumple el requerimiento para un corto tiempo de reacción del sistema. La figura 2.8 muestra el tiempo de transmisión de PROFIBUS-DP, dependiendo del número de estaciones y la velocidad de transmisión. Este considerable incremento de la velocidad en comparación con PROFIBUS-FMS, resulta principalmente del uso del servicio SRD (envío y recepción de datos, send and receive data) de la capa 2. Este servicio permite la transmisión de datos de entrada y salida en un solo ciclo de mensaje. Adicionalmente, la mejora en el desempeño resulta del incremento de la velocidad de transmisión a 12 Mbits/s.

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Fig. 2.8. Tiempo de ciclo de Bus dependiendo de la velocidad de transmisión y del nº de dispositivos

esclavos en el sistema.

2.3.7.2 DIAGNÓSTICO

Las extensas funciones de diagnóstico de PROFIBUS-DP permiten una rápida localización

de fallos. Los mensajes de diagnóstico son transmitidos al bus y recogidos por el maestro. Operan en tres niveles:

- Diagnóstico relacionado a estaciones: Estos mensajes abarcan estados

operacionales generales de todos los dispositivos. Ejemplo: bajo voltaje en el dispositivo.

- Diagnóstico relacionado a los módulos: Estos mensajes indican que un fallo se presenta en un rango de I/O específico de una estación. Ejemplo: módulo de 8 bits de salida.

- Diagnóstico 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 número 7.

2.3.7.3 INSTALACIÓN Y SERVICIO

La técnica de transmisión RS-485 es muy sencilla de utilizar. Esto permite una enorme

flexibilidad en la configuración del sistema. La instalación del par trenzado de cables no requiere destreza. La estructura del bus permite acoplar o desacoplar estaciones sin afectar a las demás estaciones. Adicionalmente, es posible configurar el sistema paso a paso.

2.3.7.4 CONFIGURACIÓN 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 descripción de la configuración del sistema consiste de: el número de estaciones, la asignación entre dirección de estaciones y direcciones de entrada y salida, la consistencia de la trama de datos, formato del mensaje de diagnóstico y los parámetros del bus.

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Cada sistema PROFIBUS-DP contiene diferentes tipos de dispositivos. En una clasificación por aplicación existen tres tipos principales:

- DP-maestro clase 1 (DPM1). Este es el controlador central, el cual intercambia

información con las estaciones descentralizadas (esclavos DP) en un ciclo de mensaje definido. Los dispositivos típicos son los PLC's, los controles numéricos o los controladores de robots.

- DP-maestro clase 2 (DPM2). Este tipo de dispositivos son usados para programación, configuración y diagnóstico. Son utilizados durante la instalación para definir la configuración del sistema.

- DP-esclavo A. Los esclavos DP son dispositivos periféricos (sensores, actuadores) que recogen información de entrada y emiten información de salida al periférico. También es posible fabricar dispositivos solamente para entrada o salida de datos. Los dispositivos DP típicos son dispositivos con entradas o salidas binarias de 24 Vdc o 110/220 Vac, entradas o salidas analógicas, contadores, etc. El número de datos de entrada y salida depende del dispositivo y está limitado a un máximo de 246 bytes. Muchos de los esclavos DP disponibles actualmente tienen únicamente un máximo de 32 bytes de entradas y 32 bytes de salidas. En la mayoría de los casos, este límite se debe a razones de implementación.

En sistemas mono-maestro, solo un maestro está 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 están conectados al PLC a través del bus. Esta configuración provoca la menor duración del ciclo de bus.

Fig. 2.9. Sistema DP mono-maestro

En configuración multi-maestro, varios maestros DP están activos en el bus, funcionando

como subsistemas (cada uno formado por un maestro con sus esclavos asignados) u operando como dispositivos de configuración o diagnóstico. La imagen de entrada y salida puede ser leída por cada maestro. Sólo a un maestro (el cual fue asignado por configuración) se le permite escribir a la salida de un esclavo DP. Los sistemas multimaestro producen un ciclo de bus más largo que los sistemas monomaestro.

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2.3.7.5 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA

Las especificaciones PROFIBUS-DP incluyen una descripción 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 configuración. 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 información de entrada de los esclavos DP y

mantiene a las salidas en su estado de ‘a prueba de fallos’. - Operar (Operate). El DPM1 está en estado de transferencia de datos. En una

secuencia de mensajes cíclicos, la trama de datos de entrada es leída 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 reacción del sistema debido a fallos en la fase de transferencia de datos, por ejemplo, la caída de un esclavo-DP, está determinada por el parámetro de configuración "Autoclear" del DPM1. Si este parámetro 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 está habilitado para transmitir la trama de datos válida. Después, DPM1 cambia al estado Limpiar.

Si "Autoclear" es falso, el DPM1 se mantiene en su estado de Operación incluso en el caso de que se produzca un fallo de esclavo-DP. El usuario puede determinar la reacción del sistema.

2.3.7.6 TRANSFERENCIA CÍCLICA DE DATOS

La transferencia de datos del usuario entre el DPM1 y sus esclavos DP asignados es

ejecutada automáticamente por DPM1 mediante un orden recurrente definido. Durante la configuración del bus del sistema, el usuario define la asignación de esclavos DP a un DPM1 y cuales de estos esclavos DP están incluidos o excluidos del ciclo de mensajes.

La interacción entre el DPM1 y sus esclavos DP está estructurada en fases de

parametrización, configuración y transferencia de trama de datos. En las fases de parametrización y configuración, cada esclavo DP compara su configuración real con la trama de datos de configuración recibida desde su DPM1. Cuando verifica su configuración, el tipo de dispositivo, formato y longitud de la información así como el número de entradas y salida tienen que ser idénticas. El usuario, en consecuencia tiene una extensa protección contra fallos de configuración mediante estas pruebas. Sólo si estas pruebas concluyen con éxito, el esclavo DP está 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 adición a la transferencia de tramas de datos de usuario ejecutada automáticamente, es posible enviar datos de usuario de parametrización definidos por los esclavos DP.

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POWER_ON

Set_Slave_Address

WAIT_PRM

WAIT_CFG

Slave_Diagnose

Get_Config

Slave_Diagnose

Set_Param, OK

Get_Config

Check_Config, OK

Set_Param, NOT OK

Check_Config, NOT OK

DATA_EXC

Set_Param, OK

Check_Config, OK

Data_Exchange, OK

Fig. 2.10. Funcionamiento de un dispositivo esclavo DP

2.3.7.7 TRANSFERENCIA DE DATOS ENTRE DPM1 Y LOS DISPOSITIVOS DE CONFIGURACIÓN

Como complemento a las funciones maestro-esclavo, PROFIBUS DP permite funciones

maestro-maestro. Son usadas entre DPM1 y los dispositivos de configuración y programación (DPM2). Principalmente, estas funciones permiten la configuración del DPM1 a través del bus.

Además de las facilidades de Upload y Download, la función maestro-maestro permite

habilitar o deshabilitar dinámicamente la transferencia de tramas de datos entre DPM1 y los esclavos seleccionados, así como el cambio del modo de operación del DPM1.

2.3.7.8 MODOS SYNC Y FREEZE

En adición a la transferencia cíclica de datos de usuario, el cual es realizado en forma

automática por DPM1, es posible enviar datos de comando de control desde un maestro DP a un único esclavo DP, grupo de esclavos o a todas las demás 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 sincronización del manejo de evento de los esclavos DP.

Las estaciones seleccionadas entran en modo sync, después de que el maestro envía 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 física se mantiene sin cambios. Cuando el esclavo

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DP recibe el siguiente comando sync del maestro, los datos de salida son emitidos al periférico. 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 después de recibir el siguiente comando freeze. El usuario puede detener el modo freeze con el comando unfreeze.

2.3.7.9 MECANISMOS DE PROTECCIÓN

Debido al rango de aplicación del PROFIBUS DP, es necesario equipar al sistema con una protección efectiva contra fallos de parametrización 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 éxito, en cuyo caso, el usuario sería informado del fallo. Si el error de reacción automática ha sido habilitado (Auto_clear = true), el DPM1 abandona el estado de operación (operate), cambia las salidas de todos los esclavos DP asignados a su condición 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 éxito con DPM1 dentro del intervalo del temporizador Watchdog, cambia las salidas a su condición de fail-safe.

Para garantizar la operación segura en sistemas multimaestro, es necesario realizar una

protección de acceso para las entradas y las salidas de los esclavos DP. Esta protección asegura que solo será 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 leída por cualquier otro maestro DP sin derecho de acceso.

2.3.7.10 LA BASE DE DATOS DE DISPOSITIVOS

Las características 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 codificación de esta información está estandarizada. Lo que permite una configuración conveniente de cualquier esclavo DP con dispositivos de configuración de cualquier fabricante. El PNO administra esta información, independientemente del fabricante, y ofrece la misma a requerimiento.

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Fig. 2.11. Archivo GSD. Base de datos de dispositivos Profibus DP

2.3.7.11 NÚMERO DE IDENTIFICACIÓN

Cada tipo de esclavo DP tiene que tener un número de identificación individual. Este número

es necesario para permitir al DPM1 identificar el tipo de esclavo DP conectado sin un significativo gasto en protocolo. El DPM1 compara el número de identificación de cada esclavo DP conectado con el número de identificación de los datos de configuración determinado por la configuración del dispositivo. La transferencia de datos de usuario en la fase de operación del sistema solamente empezará cuando el esclavo DP correcto esté conectado en el bus con la dirección de estación adecuada. Esto asegura una alta protección contra fallos de parametrización. El fabricante es requerido por el PNO para aplicar un número de identificación individual para cada tipo de esclavo DP. El PNO administra los números de identificación junto a la información de la base de datos del dispositivo.

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2.4 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK)

2.4.1 INTRODUCCIÓN

Controller Area Network (CAN) es un protocolo de comunicación serie que soporta eficientemente el control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad. El aumento de la complejidad de los sistemas electrónicos para automoción y la exigencia de mayor seguridad y confort por parte de los usuarios motivaron a Bosch a diseñar un bus de campo que diera solución a estas necesidades. CAN ha sido estandarizado internacionalmente de manera que numerosos fabricantes de semiconductores han desarrollado circuitos integrados basados en este estándar.

El ejemplo más habitual de aplicación del bus CAN es el ABS, que requiere la actuación

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 automoción, sus características le permiten adaptarse a un amplio rango de aplicaciones, desde redes de alta velocidad hasta cableado de bajo coste para múltiples elementos, pudiendo controlar máquinas, sensores, etc. con velocidades de hasta 1 Mbit/s.

De acuerdo con el modelo OSI, CAN se subdivide en capas, de las cuales el estándar define

las dos primeras, capa física y capa de enlace. No existen los niveles del 3 al 6 puesto que se pasa directamente a la capa de aplicación desde la de enlace. Una peculiaridad de CAN es que las capas de enlace y aplicación no están totalmente separadas sino que guardan un cierto vínculo que quedará patente cuando se muestre la estructura de tramas del nivel de enlace. Existen dos partes dentro de la especificación CAN 2.0[3], la A y la B, y aunque utilicen diferentes nombres para las subcapas del nivel de enlace, su misión es la misma. Básicamente la única 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 demás, el funcionamiento es el mismo.

NIVEL CAN 2.0 A CAN 2.0 B

Aplicación (Protocolo específico) (Protocolo específico)

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace CAN Object layer LLC

CAN Transfer layer MAC

Físico ISO 11898 ISO 11898 Fig. 2.12 Torre de protocolos en aplicaciones CAN

Antes de entrar en detalle es conveniente citar las dos características más 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: podríamos asignar un identificador para los datos de temperatura, otro para los de velocidad, etc. De esta manera se pueden

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establecer comunicaciones punto a multipunto ya que sólo los nodos a los que interese el mensaje lo recibirán.

- 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 más prioridad sin que esto suponga la modificación 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 FÍSICO

El nivel físico de CAN está estandarizado por el ISO (International Organization for Standardization) en la norma ISO 11898[4]. La transmisión puede efectuarse de dos formas, la primera es a través de una sola línea, siempre que todos los nodos tengan una referencia de tierra común y los niveles de tensión estarían referidos a tierra. La segunda es a través de dos hilos en modo diferencial. Nos centraremos en esta última forma puesto que es la que regula el estándar ISO 11898.

En la figura 2.13 se muestra la disposición típica del bus CAN. En ella podemos observar

que el bus está formado por dos líneas, 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 reseñar que el bus debe estar terminado en los extremos con resistencias

de terminación de 120 Ohmios. Además no es conveniente incluir las resistencias de terminación en los nodos que están colocados en los extremos puesto que si estos nodos son retirados, el bus se quedará sin terminación y se pueden dar reflexiones que imposibiliten una correcta comunicación.

CANH

CANL

Terminador Terminador

Transceiver Transceiver

TX RX

Controlador (digital)

TX RX

Controlador (digital)

Nodo 1 Nodo n

Fig. 2.13 Esquema de conexión de los nodos al bus CAN

El bus está en estado recesivo cuando todos los transmisores están desactivados. La

tensión de las líneas del bus en este caso es generado por las resistencias de terminación y los circuitos de recepción de los nodos, que muestran una impedancia alta entre las líneas 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 través de las

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resistencias de terminación y consecuentemente una tensión diferencial entre ambas líneas 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 tensión de

modo común, y se considerarán como un ‘1’ lógico siempre que la tensión diferencial no supere un cierto umbral máximo. El bus está en estado recesivo cuando se quiere transmitir un ‘1’ o cuando el bus está en reposo.

En el estado dominante la tensión diferencial es mayor que un umbral mínimo. Un bit

dominante sobreescribe a un bit dominante y ocurre cuando uno o más nodos quieren transmitir un ‘0’ lógico.

CANH

V

CANL

Recesivo Dominante Recesivo

t

Fig. 2.14 Niveles de tensión en el bus CAN

A continuación se muestran los umbrales de tensión que se definen en la especificación:

Recesivo Parámetro Notación Unidad Mínimo Típico Máximo

Tensión del bus en modo común

VCANH V 2,5 7,0

VCANL V -2,0 2,5

Tensión diferencial Vdiff mV -120 0 12

Tabla 2.4 Niveles de tensión para el estado recesivo

Dominante Parámetro Notación Unidad Mínimo Típico Máximo

Tensión del bus en modo común

VCANH V 3,5 7,0

VCANL V -2,0 1,5

Tensión diferencial Vdiff mV 1,2 2,0 3,0

Tabla 2.5 Niveles de tensión para el estado dominante

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La especificación ISO 11898 no define el tipo de conectores y cables a usar pero sí define

los parámetros eléctricos mínimos que deben cumplir los materiales. En el caso del cable se recomienda que tengan una impedancia característica en torno a los 120 Ω, una resistencia de menos de 70mΩ/m y un retraso de línea específico de menos de 5ns/m En cuanto a la topología

hay que procurar que se parezca lo más posible a una línea recta para evitar reflexiones. Los parámetros que debe cumplir la topología son:

Parámetro Notación Unidad Mínimo Máximo

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

transmisión. En la siguiente tabla se muestra una comparativa entre la longitud máxima del bus y la velocidad:

Velocidad Tiempo de Bit Longitud Máxima

1 Mbps 1 µS 40 m

800 Kbps 1,25 µS 50 m

500 Kbps 2 µS 100 m

250 Kbps 4 µS 250 m

125 Kbps 8 µS 500 m

50 Kbps 20 µS 1000 m

20 Kbps 50 µS 2500 m

10 Kbps 100 µS 5000 m

Tabla 2.7 Relación entre velocidad de transmisión y longitud del bus

Otra de las limitaciones que hay que tener en cuenta es el número de nodos que se pueden insertar en la red. Aunque la norma no especifica ningún límite, lo cierto es que el bus está limitado por carga y dependiendo del tipo de transceiver que usemos podremos poner más o menos nodos. Como valor de referencia se puede establecer un máximo de 64 nodos.

La capa física se encarga también de otros aspectos tales como la codificación de bits, los

tiempos de bit y la sincronización, que serán vistos en detalle más adelante.

2.4.3 NIVEL DE ENLACE

En este nivel está la clave fundamental para entender el funcionamiento de CAN. Gracias a esta capa, CAN ofrece una comunicación con las siguientes características:

- Establece prioridades para los mensajes. - Garantiza los tiempos de latencia. - Permite una configuración flexible. - La comunicación es punto a multipunto sincronizada. - Permite sistemas multimaestro.

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- Detecta y señaliza errores. - Retransmite automáticamente mensajes en caso de colisión tan pronto como el

bus esté 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 núcleo 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. - Codificación de la trama (Insertando/extrayendo bits de relleno). - Gestión del acceso al medio. - Detección de errores. - Señalización de errores. - Generación de asentimientos. - Serialización / deserialización de los datos.

Esta subcapa está supervisada por una entidad de gestión denominada “Fault Confinement”,

que es un mecanismo de autocomprobación para distinguir entre leves perturbaciones y fallos permanentes.

La subcapa LLC se encarga de las siguientes tareas:

- Filtrado de mensajes. - Notificación de sobrecarga. - Autorrecuperación.

Las diferentes características 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 está libre cualquier unidad puede empezar a transmitir un mensaje.

Encaminamiento de la información. En un sistema CAN, los nodos no necesitan

conocer la configuración de la red y no necesitan por tanto direcciones. Esto tiene importantes consecuencias:

- Flexibilidad. Se pueden añadir nuevos nodos sin que suponga una modificación del hardware o software de ningún 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 simultáneamente.

Velocidad de transmisión. Es posible elegir la velocidad para cada sistema, sin

embargo, dentro de un sistema, todos los nodos transmiten a la misma velocidad.

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Prioridades. El identificador determina la prioridad del mensaje en los accesos al bus.

Petición 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 está libre, cualquier nodo puede empezar a transmitir un

mensaje. Si dos o más 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 información ni el tiempo.

Seguridad. Para lograr un alto nivel de seguridad en la transferencia de datos, se han

implementado medidas de detección de errores y autocorrección en cada nodo CAN. Las medidas de detección de errores son:

- Monitorización de la información escrita al bus. - Código de redundancia cíclico. - Bits de relleno. - Comprobación 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

está siendo recibido y lo asentirán si el mensaje es consistente. En caso contrario lo señalarán 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 saldrá 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 está 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

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Comienzo de trama. Consiste en un único bit dominante. Su misión 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 según si nos encontramos ante una trama

estándar o una trama extendida. Las tramas estándar 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 estándar

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 estándar y

siempre está a 1 de modo que en una colisión entre una trama estándar y una extendida en las que coincidan los 11 primeros bits del identificador, siempre prevalezca la trama estándar.

El bit IDE (Identifier Extensión) determina si el identificador es de 11 ó 29 bits, por tanto este

bit tiene el valor 0 en las tramas estándar 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 están 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 máxima de 8 bytes, por tanto, el valor máximo que puede codificarse en el DLC es 8. Aunque con 4 bits podríamos codificar valores desde el 0 al 15, los valores mayores que 8 no están permitidos.

Campo de datos. Puede contener desde 0 a 8 bytes de información. Dentro de cada byte,

los bits están ordenados de manera que el bit más significativo es el primero que se transmite.

CRC (Código de redundancia cíclico). Este campo se divide en dos partes, por un lado un código de redundancia para poder detectar errores y por otro un delimitador del CRC. El código 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.

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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 comprobación del CRC con resultado satisfactorio, sobrescribirán 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 excepción de que el bit RTR va a 1 y que el campo de datos está vacío independientemente del valor del DLC. Este tipo de tramas se utilizan cuando se quiere solicitar determinada información a un nodo. El nodo solicitante envía 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 información correspondiente. Por supuesto el nodo receptor debe tener preparada previamente la información actualizada en el buzón correspondiente para que cuando llegue una trama remota la información que se envíe automáticamente 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 superposición de señales de error procedentes de diferentes nodos. El segundo es un delimitador de error.

SEÑAL 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 señales de error:

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- Señal de error activo: Consiste en seis bits dominantes consecutivos. - Señal de error pasivo: Consiste en seis bits recesivos consecutivos a menos que

otros nodos los sobrescriban con sus señales de error activo.

Un nodo en estado de “error activo” que detecta una condición de error lo indica transmitiendo una señal de error activo. Esta señal 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 demás nodos detectan una condición de error e inician la transmisión de sus propias señales de error. Por eso, la secuencia de bits dominantes que realmente se ven en el bus resulta de la superposición de diferentes señales 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 condición de error intenta indicarla transmitiendo una señal de error pasivo. Este nodo espera a que aparezcan 6 bits de la misma polaridad, empezando a contar desde el principio de la señal de error pasivo.

Una vez que se han terminado de transmitir todas las señales 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 señal de sobrecarga y el delimitador de sobrecarga.

Hay tres tipos de condiciones de sobrecarga, que conducen ambas a la transmisión de este tipo de tramas:

- Las condiciones internas de un receptor pueden hacer que éste necesite introducir un retraso en la recepción de la próxima trama de datos o trama remota para que pueda procesar la tarea que tenga pendiente.

- La detección de un bit dominante en el último bit de un delimitador de error o de un delimitador de sobrecarga. En este caso el nodo transmitirá una trama de sobrecarga, no una trama de error y los contadores de errores no serán incrementados.

- Detección de un bit dominante en el primer y segundo bit de INTERMISSION.

SEÑAL DE SOBRECARGA

DELIMITADOR DE SOBRECARGA

de 6 a 12 bits 8 bits

Fig. 2.21 Estructura de una trama de sobrecarga

La señal de sobrecarga consiste en seis bits dominantes consecutivos y la forma

resultante de este campo es análoga a la de la señal 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.

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2.4.3.6 ESPACIO ENTRE TRAMAS

Tanto las tramas de datos como las tramas remotas están 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 último mensaje, “Suspensión de transmisión”.

INTERMISSION BUS LIBRE

3 bits indefinido a) Espacio entre tramas para nodos en estado “error activo”

INTERMISSION SUSPENSIÓN DE

TRANSMISIÓN 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 Suspensión de transmisión consiste en una secuencia de 8 bits recesivos consecutivos. La duración del espacio denominado Bus libre es indefinida y termina cuando algún 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 colisión cuál es el nodo que puede seguir transmitiendo. Esta decisión 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 lógico pero que al transmitir un uno lógico ponen su salida en alta impedancia.

Si un solo nodo empieza a transmitir una trama, automáticamente 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 más estaciones intentan transmitir al mismo tiempo. En este caso cuando cualquiera de los nodos que intentan transmitir detecten diferencia entre el bit que ellos están transmitiendo y el bit que se observa en el bus, y siempre que se encuentren transmitiendo el campo de arbitraje, entenderán que han perdido la contienda y por tanto deben dejar de transmitir inmediatamente. Estos nodos volverán a intentar la transmisión cuando el bus esté libre de nuevo.

El siguiente ejemplo ilustra el funcionamiento del mecanismo de arbitraje:

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Fig. 2.23 Ejemplo de arbitraje en el bus CAN

En la figura se aprecia cómo el nodo 1 deja de transmitir en cuanto se percata de que en

el bus hay un nivel dominante (0) cuando él había transmitido un nivel recesivo (1). Lo mismo le ocurre al nodo 3 unos bits después. Al final sólo queda el nodo 2 que es el que finalmente transmite su trama sin haber desperdiciado tiempo y sin haber destruido la información del nodo ganador.

También se puede apreciar que el valor del identificador del nodo 2 es el más bajo (00011000011b = 195d), frente al nodo 1 (001XXXXXXXXb > 256d) y al nodo 3 (0001101XXXXb > 208d). Por tanto los mensajes con identificadores más bajos tendrán más preferencia.

Si dos o más 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 detectarían sería un error de bit, emitirían las correspondientes tramas de error y destruirían la trama que estaban transmitiendo. En ese caso sí se habría desperdiciado tiempo y los nodos tendrían que reintentar la transmisión de nuevo.

2.4.5 FILTRADO DE MENSAJES

Aunque la especificación CAN no regula del todo la forma de intercambiar información

entre el sistema microprocesador y el controlador CAN, lo cierto es que la mayoría de dispositivos establecen para ello una serie de buzones (mailboxes). En el caso de los buzones de transmisión, cada uno de ellos lleva un campo con el identificador que incluirán en sus mensajes y en el caso de los buzones de recepción, cada uno puede llevar uno o más filtros. Los filtros se componen de un identificador y una máscara. De esta manera en un buzón de recepción 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 máscara.

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1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0

1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0

1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1

ID del mensaje 1

ID del mensaje 2

ID del mensaje 3

ID del filtro

El mensaje 1 entraría en el buzón porque su identificador coincide con el identificador del filtro en los bits que especifica la máscara (los que están a 0). El mensaje 2 entraría en el buzón por la misma razón aunque los dos últimos bits no coincidan ya que por la configuración de la máscara esos bits no deben ser comprobados. El mensaje 3 no entraría en el buzón puesto que tiene 2 bits diferentes dentro de la zona del identificador que sí es comprobada.

Máscara 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 éstas puesto que no contienen datos, y en su lugar inicia automáticamente una transmisión de una trama de datos con la información que estuviera guardada en dicho buzón por el sistema microprocesador.

2.4.6 CODIFICACIÓN

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 método de bits de relleno. Siempre que el transmisor detecta cinco bits consecutivos de idéntico valor en el flujo de bits que va a ser transmitido, inserta automáticamente un bit complementario en el flujo que realmente se transmite. Los restantes campos de dichas tramas tienen un formato fijo y no están afectados.

El flujo de bits en un mensaje es codificado de acuerdo con el método 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, también 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 está 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 envía una señal de error pasivo mientras otros nodos ponen en el bus un nivel dominante debido a sus señales de error activo.

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- Error en bits de relleno. Cuando se detectan 6 bits consecutivos con el mismo valor en alguno de los campos codificados con el método de bits de relleno, se genera este tipo de error.

- Error en CRC. Los receptores recalculan el CRC de los mensajes que le están llegando y si detectan discrepancia entre el CRC que han obtenido y el que reciben en la trama, lo señalan 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 último 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 está 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 señal de error activo o pasivo según el estado del nodo, a excepción de los errores en CRC. Ante errores en el CRC, la trama de error se transmite justo después 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 señales de error activo cuando detecte un error.

Un nodo en error pasivo también puede tomar parte en las comunicaciones pero a la hora de señalar un error debe hacerlo con la señal de error pasivo, y además, después de una transmisión, los nodos en error pasivo deben esperar un tiempo antes de iniciar una nueva transmisión.

Un nodo en “bus off” está 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 transmisión - Contador de errores de recepción

Los contadores son modificados de acuerdo a las siguientes reglas:

1) Cuando un receptor detecta un error, el contador de errores de recepción es

incrementado en 1 excepto cuando se trata de un error de bit durante el envío de una señal de error o de sobrecarga.

2) Cuando un receptor detecta un bit dominante como primer bit tras enviar una señal de error, el contador de errores de recepción será incrementado en 8

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3) Cuando el transmisor envía una señal de error el contador de errores de transmisión es incrementado en 8. Para esta regla hay dos excepciones, la primera se aplica al caso en que el transmisor esté en error pasivo y detecte un error de asentimiento por no recibir un asentimiento con bit dominante y no detectar bits dominantes mientras envía su señal de error pasivo, ya que esto significaría que el nodo es el único activo en el bus. La segunda excepción se aplica al caso en que el transmisor envía una señal 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 transmisión 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 señal de error activo o de sobrecarga, el contador de errores de transmisión es incrementado en 8.

5) Si un receptor detecta un error de bit mientras manda una señal de error activo o de sobrecarga, el contador de errores de recepción es incrementado en 8.

6) Cualquier nodo tolera hasta 7 bits dominantes consecutivos tras mandar una señal de error activo, de error pasivo o de sobrecarga. Si se detectan más bits dominantes consecutivos de los especificados por ese límite, el transmisor incrementará en 8 su contador por cada grupo de 8 bits dominantes consecutivos que esté de más. Los receptores incrementarán su contador de errores de la misma manera.

7) Tras una transmisión con éxito, el contador de errores de transmisión es decrementado en 1 a menos que el contador ya valga cero.

8) Tras la recepción de un mensaje con éxito, el contador de errores de recepción es decrementado en 1 si tiene un valor entre 1 y 127. Si tenía un valor de 0, no se decrementa. Si tenía un valor mayor de 127, se le asigna un valor entre 119 y 127

9) Un nodo está en error pasivo cuando el contador de errores de transmisión o el de recepción iguala o excede de 128.

10) Un nodo está en “bus off” cuando el contador de errores de transmisión 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 transmisión como el de recepción son menores o iguales a 127.

12) Un nodo que está en “bus off” puede pasar a error activo con sus contadores a cero tras ocurrir 128 veces la detección de 11 bits recesivos consecutivos.

2.4.8 SINCRONIZACIÓN

Para conseguir la sincronización, la especificación CAN divide el tiempo de bit en los

siguientes segmentos:

- Segmento de sincronización (SYNC_SEG). - Segmento de propagación (PROP_SEG). - Segmento de fase 1 (PHASE_SEG1). - Segmento de fase 2 (PHASE_SEG2).

Tiempo de bit

SYNC_SEG PROP_SEG PHASE_SEG1 PHASE_SEG2

Fig. 2.25 Segmentos del tiempo de bit

Punto de muestreo

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El segmento de sincronización es el periodo de tiempo dentro del cual se produce el flanco y sirve para sincronizar al nodo. El segmento de propagación es un tiempo de espera para compensar los retrasos en la línea. Los segmentos de fase son empleados para compensar los errores de fase del flanco y pueden ser alargados o acortados por el mecanismo de resincronización. El punto en el que realmente se muestrea el bit ocurre justo al finalizar el segmento de fase 1.

Estos segmentos están 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 cuántos de ellos formen cada segmento, así será el tiempo de bit. El segmento de sincronización tiene una longitud de 1 “Time quantum”. Tanto el segmento de propagación como el segmento de fase 1 pueden variar entre 1 y 8 “Time quantum”. Por su parte, el segmento de fase 2 está formado por un número de “Time quantum” de manera que sumen un tiempo equivalente al máximo entre el segmento de fase 1 y el tiempo de procesamiento de la información. Existen dos tipos de sincronización que se detallan a continuación:

- Sincronización 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 sincronización. - Resincronización: Se utiliza para corregir pequeños errores de fase. Para ello se

alarga el segmento de fase 1 o se acorta el segmento de fase 2 en un número de “Time quantum” no superior al límite establecido por el ancho de salto de resincronización, que es un parámetro configurable.

La sincronización obedece a las siguientes reglas:

1) Sólo un tipo de sincronización es posible dentro de un tiempo de bit 2) Un flanco será usado para sincronización sólo si el valor detectado en el punto de

muestreo anterior difiere del valor en el bus inmediatamente después del flanco 3) La sincronización dura se lleva a cabo siempre que hay una transición de recesivo a

dominante durante el estado de reposo del bus. 4) Todas las demás transiciones de recesivo a dominante que cumplan las reglas 1 y 2

serán usadas para resincronización.

2.5 ETHERNET

La topología de red tipo Bus es una arquitectura abierta, flexible y robusta. Una o más secciones acopladas en paralelo, y los nodos, forman un único segmento de red. El bus es la parte básica para la construcción de redes Ethernet. Como la topología de bus es un diseño en paralelo, nuevos nodos pueden ser instalados en alguna parte sin afectar a la comunicación. El Bus principal también puede ser expandido en sus puntos finales con una mínima afección y nuevas secciones pueden ser insertadas en la parte media de algún segmento.

En términos generales, Ethernet es un sistema para el transporte digital de datos a través

de sistemas de cómputo local. Ethernet es una tecnología de transmisión 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 último a través de

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puentes). Permite topología en Bus o árbol con comunicación semidúplex. Las velocidades van desde los 10 Mbits/s a los 100 Mbits/s de FAST-Ethernet.

Es uno de los estándares de red que más rápidamente evolucionan, debido a su uso masivo

en redes ofimáticas. Ethernet permite a los Pc’s y estaciones de trabajo de distintos fabricantes comunicarse usando estándares acordados para el envío de paquetes de información. Soporta una topología de Bus y usa un canal compartido de comunicaciones, manejado por acceso múltiple de medición de portadora con detección de colisión (CSMA/CD)[5].

Ethernet está bien adaptada a las aplicaciones en que el soporte de comunicaciones local

tiene que procesar a menudo un elevado tráfico con puntas elevadas de intercambio de datos.

2.5.1 NIVEL FÍSICO

La Capa Física describe las características físicas 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 detección de portadora y colisiones, así como la interfaz eléctrica y mecánica con el medio conectado. Esta capa incluye: Topología, estaciones de trabajo, hardware de transmisión, equipo usado, etc.

La estación de trabajo simplemente se refiere a una computadora o terminal que es capaz

de desplegar información del sistema Ethernet y al mismo tiempo transmitir hacia el sistema Ethernet. Aunque todas las computadoras personales actualmente pueden trabajar como una estación en una LAN Ethernet, deben estar provistas de una tarjeta y software para configurarla. Cada una de estas estaciones debe tener una dirección única para que el sistema sepa donde dejar la información.

Dentro de la Capa Física se pueden distinguir varios tipos de Redes Ethernet:

- Capa Física 10 Base 2: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza tipo de cable coaxial RG-58 muy económico y probado. Topología de Bus.

- Capa Física 10 Base 5: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza cable coaxial RG-8 o RG-11, utilizado originalmente en las primeras etapas de desarrollo. Topología de Bus.

- Capa Física 10 Base T: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza cable multipar trenzado en topología Estrella.

- Capa Física 10 Base FL: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza Fibra Óptica en topología en Estrella.

- Capa Física 10 Base TX: Especificación Fast-Ethernet (IEEE 802.3) para cable multipar trenzado en topología Estrella.

- Capa Física 10 Base FX: Especificación Fast-Ethernet (IEEE 802.3) para Fibra Óptica en topología 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 específica del estándar IEEE 802.3 y se ocupa del control de acceso al medio compartido. La segunda es común a otros tipos de redes de área local como Token Ring, FDDI, etc., y se ocupa del control lógico del enlace de datos.

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2.5.2.1 MAC

La técnica de acceso al medio que usa la capa MAC de Ethernet es CSMA/CD, es decir, Acceso Múltiple con Escucha y Detección de Colisiones.

Cuando una estación quiere transmitir, primero debe escuchar el canal por si estuviera

ocupado por otra estación. En el caso de que se encuentre el canal libre, se empieza a emitir. Si el canal está ocupado, la estación espera insistentemente a que éste 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 está vacío se debe a los retardos de propagación de la señal por el medio físico: una estación tarda algún tiempo en detectar el comienzo de la transmisión de otra estación alejada.

Además puede darse el caso de que varias estaciones que deseen trasmitir, encuentren el

canal ocupado y decidan esperar a que acabe la transmisión en curso. La característica 1- persistente hará que después de la espera se produzca una colisión.

Para minimizar el impacto de las colisiones se obliga a las estaciones a auscultar el canal

mientras transmiten: si lo que envían no coincide con lo que reciben, se debe a que hay más estaciones transmitiendo. Una vez detectada de esta forma la colisión, se transmite una señal de corta duración y mayor potencia para asegurar que todos detecten la colisión. Acto seguido, se interrumpe la transmisión.

Después de producirse la colisión, las estaciones implicadas en la misma retransmitirán

sus tramas pasado un cierto tiempo. Si este tiempo fuera fijo se produciría una nueva colisión, de forma que se introduce una componente de aleatoriedad en la espera. Si el número de intentos rebasa cierta cantidad se abandona el intento de transmisión.

Obsérvese que este mecanismo no permite asignar prioridades de tráfico o estaciones, y

tampoco garantiza determinísticamente un determinado tiempo máximo 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 más que una capa de adaptación que, basándose 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, cómo se lleva a cabo el control lógico del enclace de datos, definiendo los campos que permiten a los protocolos de los niveles superiores compartir el uso del enalce de datos.

Siendo como es un protocolo de la capa de enlace, no sorprende que pertenezca a la familia

del HDLC, y al igual que éste, LLC puede ogrecer varios tipos de servicio a las capas superiores:

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- LLC tipo 1. Es simplemente un protocolo orientado a datagrama, no orientado a conexión. No realiza ningún tipo de detección o corrección de errores ni tampoco existirá ningún control de flujo.

- LLC tipo 2. Es un protocolo orientado a conexión. Numera los mensajes, tiene mecanismos de asentimiento, resincronización, y recuperación de errores.

- LLC tipo 3. Describe un protocolo de enlace semifiable. 2.5.3 ETHERNET COMO BUS DE CAMPO

El desarrollo de las Redes Ethernet estaba limitado hasta hace poco tiempo solamente a

la comunicación de ordenadores. Sin embargo, en la actualidad Ethernet está penetrando en el mercado de las Redes Industriales. La principal desventaja de estas redes es su carácter aleatorio (no determinista) debido a problemas inherentes del CSMA/CD (teoría de colisiones) y a la naturaleza probabilística de su protocolo que podría hacer esperar mucho tiempo a una trama, o la falta de definición de prioridades que podrían requerirse para transmisiones en tiempo real.

Con el método de acceso aleatorio al canal de comunicación, cualquier estación puede

comenzar una transmisión. En un método de acceso determinístico, cada estación debe esperar su turno para transmitir.

La búsqueda de una solución al carácter aleatorio dentro de las Redes Ethernet llevó a

diseñar un sistema que modifica la topología de Bus de la Red original, en base a multiplexores o switches (conmutadores) ubicados de tal manera que se transforman en el elemento central o concentrador de una Red con topología en Estrella. Este diseño, llamado FULL DUPLEX PORT SWITCHING (Puerta conmutada de comunicación simultánea) fué estandarizado según IEEE 802.3x y solucionó los problemas de colisiones de paquetes de información, dado que los multiplexores proporcionan un enlace de comunicación físico único entre dos estaciones, es decir, una transmisión punto a punto óptima. El multiplexor (sistema conmutador inteligente) controla el acceso de las estaciones al canal, pues recibe el paquete de información desde cualquier estación, y realiza la conmutación hacia la estación destinataria. El defecto de una red de este tipo es su alto costo. No obstante, estos últimos años ha habido un abaratamiento de precios que lo hacen más accesible acercándose, económicamente hablando, a lo que son los Buses de Campo.

VALORES IEEE 802,3

CARACTERISTICAS VALOR ETHERNET

10 BASE 5

10 BASE 2

100 BASE T

VELOCIDAD DATOS (Mbit/s) 10 10 10 100

METODO SEÑALIZACION BANDA BASE (BB) BB BB BB

LONG. MAX. SEGMENTO (m) 500 500 185 250 SOPORTE COAXIAL 50 Ohm Co. 50 Ohm Co. 50 Ohm Par Trenzado

TOPOLOGIA BUS BUS BUS ESTRELLA

Tabla 2.8 Tabla I de características básicas de Ethernet.

VALORES IEEE 802.3

CARACTERISTICAS 10 BASE T 100 BASE TX 100 BASE T4

VELOCIDAD DATOS (Mbit/s) 100 100 10

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METODO SEÑALIZACION BB BB B. ANCHA

LONG. MAX. SEGMENTO (m)

100 100 UTP O STP

1800

SOPORTE Par Trenzado Par Trenzado Co. 75 ohm

TOPOLOGIA ESTRELLA ESTRELLA BUS Tabla 2.9 Tabla II de características básicas de Ethernet.

2.6 BUSES DE CAMPO EMPLEADOS EN DOMÓTICA

2.6.1 INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA

2.6.1.1 DEFINICIÓN

Domótica es el término "científico" que se utiliza para denominar la parte de la tecnología

(electrónica e informática), que integra el control y supervisión de los elementos existentes en un edificio de oficinas o en uno de viviendas o simplemente en cualquier hogar[6]. También, un término muy familiar para todos es el de "edificio inteligente" que aunque viene a referirse a la misma cosa, normalmente tendemos a aplicarlo más al ámbito de los grandes bloques de oficinas, bancos, universidades y edificios industriales.

El uso de las TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) en la vivienda

genera nuevas aplicaciones y tendencias basadas en la capacidad de proceso de información y en la integración y comunicación entre los equipos e instalaciones. Así concebida, una vivienda inteligente puede ofrecer una amplia gama de aplicaciones en áreas tales como:

- Seguridad. - Gestión de la energía. - Automatización de tareas domésticas. - Formación, cultura y entretenimiento. - Monitorización de salud. - Comunicación con servidores externos. - Ocio y entretenimiento. - Operación y mantenimiento de las instalaciones, etc.

La definición de vivienda domótica o inteligente presenta múltiples versiones y matices.

También aquí son diversos los términos utilizados en distintas lenguas: "casa inteligente" (smart house), automatización de viviendas (home automation), domótica (domotique), sistemas domésticos (home systems), etc.

De una manera general, un sistema domótico dispondrá de una red de comunicación que

permite la interconexión de una serie de equipos a fin de obtener información sobre el entorno doméstico y, basándose en ésta, realizar unas determinadas acciones sobre dicho entorno.

Los elementos de campo (detectores, sensores, captadores, actuadotes, etc.), transmitirán

las señales a una unidad central inteligente que tratará y elaborará la información recibida. En función de dicha información y de una determinada programación, la unidad central actuará sobre determinados circuitos de potencia relacionados con las señales recogidas por los elementos de campo correspondientes.

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En este sentido, una vivienda domótica se puede definir como: "aquella vivienda en la que existen agrupaciones automatizadas de equipos, normalmente asociados por funciones, que disponen de la capacidad de comunicarse interactivamente entre sí de un bus doméstico multimedia que las integra".

2.6.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LA VIVIENDA INTELIGENTE

A partir de un análisis global del concepto, se pueden determinar unos rasgos generales

propios y comunes a los distintos sistemas de una vivienda inteligente que son los que la caracterizan como tal.

Estas características generales, junto con las consecuencias inmediatas emanadas de su uso, son las siguientes:

Control remoto desde dentro de la vivienda: a través de un esquema de comunicación con

los distintos equipos (mando a distancia, bus de comunicación, etc.). Reduce la necesidad de moverse dentro de la vivienda, este hecho puede ser particularmente importante en el caso de personas de la tercera edad o discapacitadas.

Control remoto desde fuera de la vivienda: presupone un cambio en los horarios en los que se realizan las tareas domésticas (por ejemplo: la posibilidad de que el usuario pueda activar la cocina desde el exterior de su vivienda, implica que previamente ha de preparar los alimentos) y como consecuencia permite al usuario un mejor aprovechamiento de su tiempo.

Programabilidad: el hecho de que los sistemas de la vivienda se pueden programar ya sea para que realicen ciertas funciones con sólo tocar un botón o que las lleven a cabo en función de otras condiciones del entorno (hora, temperatura interior o exterior, etc.) produce un aumento del confort y un ahorro de tiempo.

Acceso a servicios externos: servicios de acceso a Internet, telecompra, etc. Para ciertos colectivos estos servicios pueden ser de gran utilidad (por ejemplo, unidades familiares donde ambos cónyuges trabajan) ya que producen un ahorro de tiempo.

2.6.1.3 GESTIÓN DE LA DOMÓTICA

hogar: La domótica se encarga de gestionar principalmente los siguientes cuatro aspectos del Energía eléctrica: En este campo, la domótica se encarga de gestionar el consumo de

energía, mediante temporizadores, relojes programadores, termostatos, etc. También se aprovecha de la tarifa nocturna, mediante acumuladores de carga.

Confort: La domótica nos proporciona una serie de comodidades, como pueden ser el control

automático de los servicios de: Calefacción, Agua caliente, Refrigeración, Iluminación y la gestión de elementos como accesos, persianas, toldos, ventanas, riego automático, etc.

Seguridad: La seguridad que nos proporciona un sistema domótico es más amplia que la

que nos puede proporcionar cualquier otro sistema, pues integra tres campos de la seguridad que normalmente están controlados por sistemas distintos:

Seguridad de los bienes: Gestión del control de acceso y control de presencia, así como la

simulación de presencia. Alarmas ante intrusiones.

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Seguridad de las personas: Especialmente, para las personas mayores y los enfermos. Mediante el nodo telefónico, se puede tener acceso (mediante un pulsador radiofrecuencia que se lleve encima, por ejemplo) a los servicios de ambulancias, policía, etc.

Incidentes y averías: Mediante sensores, se pueden detectar los incendios y las fugas de gas y agua, y, mediante el nodo telefónico, desviar la alarma hacia los bomberos, por ejemplo.

También se pueden detectar averías en los accesos, en los ascensores, etc. Comunicaciones: Este aspecto es imprescindible para acceder a multitud de servicios

ofrecidos por los operadores de telecomunicaciones. La domótica tiene una característica fundamental, que es la integración de sistemas, por eso hay nodos (pasarela residencial) que interconectan la red domótica con diferentes dispositivos, como Internet, la red telefónica, etc.

2.6.1.4 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DOMÓTICO

Para poder clasificar técnicamente un sistema de automatización de viviendas, es necesario

tener claros una serie de conceptos técnicos, como son: tipo de arquitectura, medio de transmisión, velocidad de transmisión y protocolo de comunicaciones.

Tipo de Arquitectura

La arquitectura de un sistema domótico, como la de cualquier sistema de control,

especifica el modo en que los diferentes elementos de control del sistema se van a ubicar. Existen dos arquitecturas básicas: la arquitectura centralizada y la distribuida.

Arquitectura centralizada: Es aquella en la que los elementos a controlar y supervisar

(sensores, luces, válvulas, etc.) han de cablearse hasta el sistema de control de la vivienda (PC o similar). El sistema de control es el corazón de la vivienda, en cuya falta todo deja de funcionar, y su instalación no es compatible con la instalación eléctrica convencional en cuanto que en la fase de construcción hay que elegir esta topología de cableado.

Arquitectura distribuida: Es aquella en la que el elemento de control se sitúa próximo al

elemento a controlar. Hay sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a la capacidad de proceso,

pero no lo son en cuanto a la ubicación física de los diferentes elementos de control y viceversa, sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a su capacidad para ubicar elementos de control físicamente distribuidos, pero no en cuanto a los procesos de control, que son ejecutados en uno o varios procesadores físicamente centralizados.

En los sistemas de arquitectura distribuida que utilizan como medio de transmisión el

cable, existe un concepto a tener en cuenta que es la topología de la red de comunicaciones. La topología de la red se define como la distribución física de los elementos de control respecto al medio de comunicación (cable).

Cada elemento del sistema tiene su propia capacidad de proceso y puede ser ubicado en

cualquier parte de la vivienda. Esta característica proporciona al instalador domótico una libertad de diseño que le posibilita adaptarse a las características físicas de cada vivienda en particular.

Medio de Transmisión En todo sistema domótico con arquitectura distribuida, los diferentes elementos de control

deben intercambiar información unos con otros a través de un soporte físico (par trenzado, línea de potencia o red eléctrica, radio, infrarrojos, etc.).

44


A continuación enumeramos los siguientes tipos de medios: 1) LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. (Corrientes portadoras) Si bien no es el medio más adecuado para la transmisión de datos, si es una alternativa a

tener en cuenta para las comunicaciones domesticas dado el bajo coste que implica su uso, dado que se trata de una instalación existente por lo que es nulo el coste de la instalación, y además muy fácil el conexionado

Para aquellos casos en los que las necesidades del sistema no impongan requerimientos

muy exigentes en cuanto a la velocidad de transmisión, la línea de distribución de energía eléctrica puede ser suficiente como soporte de dicha transmisión.

2) SOPORTES METÁLICOS La infraestructura de las redes de comunicación actuales, tanto públicas como privadas,

tiene en un porcentaje muy elevado, cables metálicos de cobre como soporte de transmisión de las señales eléctricas que procesa.

En general se pueden distinguir dos tipos de cables metálicos:

a ) PAR METÁLICO Los cables formados por varios conductores de cobre pueden dar soporte a un amplio rango

de aplicaciones en el entorno domestico. Este tipo de cables pueden transportar voz, datos y alimentación de corriente continua.

b ) COAXIAL Un par coaxial es un circuito físico asimétrico, constituido por un conductor filiforme que

ocupa el eje longitudinal del otro conductor en forma de tubo, manteniéndose la separación entre ambos mediante un dieléctrico apropiado.

Este tipo de cables permite el transporte de las señales de video y señales de datos a alta velocidad. Dentro del ámbito de la vivienda, el cable coaxial puede ser utilizado como soporte de transmisión para:

- Señales de teledifusión que provienen de las antenas (red de distribución de las señales de TV y FM).

- Señales procedentes de las redes de TV por cable. - Señales de control y datos a media y baja velocidad.

3) FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es el resultado de combinar dos disciplinas no relacionadas, como son la

tecnología de semiconductores (que proporciona los materiales necesarios para las fuentes y los detectores de luz), y la tecnología de guiado de ondas ópticas (que proporciona el medio de transmisión, el cable de fibra óptica).

La fibra óptica esta constituida por un material dieléctrico transparente, conductor de luz, compuesto por un núcleo con un índice de refracción menor que el del revestimiento, que envuelve a dicho núcleo. Estos dos elementos forman una guía para que la luz se desplace por la fibra. La luz transportada es generalmente infrarroja, y por lo tanto no es visible por el ojo humano.

A continuación se detallan sus ventajas e inconvenientes: - Fiabilidad en la transferencia de datos. - Inmunidad frente a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencias.

45


- Alta seguridad en la transmisión de datos. - Distancia entre los puntos de la instalación limitada, en el entorno doméstico estos

problemas no existen. - Elevado coste de los cables y las conexiones. - Transferencia de gran cantidad de datos:

4) CONEXIÓN SIN HILOS a) INFRARROJOS El uso de mandos a distancia basados en transmisión por infrarrojos esta ampliamente

extendida en el mercado residencial para telecomandar equipos de Audio y Vídeo.

La comunicación se realiza entre un diodo emisor que emite una luz en la banda de IR, sobre la que se superpone una señal, convenientemente modulada con la información de control, y un fotodiodo receptor cuya misión consiste en extraer de la señal recibida la información de control.

Los controladores de equipos domésticos basados en la transmisión de ondas en la banda

de los infrarrojos presentan gran comodidad y flexibilidad y admiten un gran número de aplicaciones.

Al tratarse de un medio de transmisión óptico es inmune a las radiaciones electromagnéticas

producidas por los equipos domésticos o por los demás medios de transmisión (coaxial, cables pares, red de distribución de energía eléctrica, etc.). Sin embargo, habrá que tomar precauciones en el caso de las interferencias electromagnéticas que pueden afectar a los extremos del medio.

b) RADIOFRECUENCIAS La introducción de las radiofrecuencias como soporte de transmisión en la vivienda ha

venido precedida por la proliferación de los teléfonos inalámbricos y sencillos telemandos.

Este medio de transmisión puede parecer, en principio, idóneo para el control a distancia de los sistemas domóticos, dada la gran flexibilidad que supone su uso. Sin embargo, resulta particularmente sensible a las perturbaciones electromagnéticas producidas, tanto por los medios de transmisión, como por los equipos domésticos.

Las ventajas e inconvenientes de los sistemas basados en transmisión por radiofrecuencias, son:

- Alta sensibilidad a las interferencias. - Fácil interceptación de las comunicaciones. - Dificultas para la integración de las funciones de control y comunicación, en su

modalidad de transmisión analógica.

Protocolo de comunicaciones Una vez establecido el soporte físico y la velocidad de comunicaciones, un sistema domótico

se caracteriza por el protocolo de comunicaciones que utiliza, que no es otra cosa que el idioma o formato de los mensajes que los diferentes elementos de control del sistema deben utilizar para entenderse unos con otros y que puedan intercambiar su información de una manera coherente. Dentro de los protocolos existentes, se puede realizar una primera clasificación atendiendo a su estandarización:

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Protocolos estándar. Los protocolos estándar son los que de alguna manera son utilizados ampliamente por diferentes empresas y estas fabrican productos que son compatibles entre sí, como son el X-10, el EHS, el EIB y el BatiBus

Protocolos propietarios. Son aquellos que, desarrollados por una empresa, solo son capaces de comunicarse entre sí.

Preinstalación domótica

La preinstalación domótica es la posibilidad de dejar preparada una vivienda para que, con

el menor número de actuaciones, se le pueda instalar el sistema domótico en el momento en que el usuario lo demande. Para que un sistema pueda ofrecer una verdadera preinstalación domótica en una vivienda, ha de ser compatible con la instalación eléctrica actual, de tal manera que el usuario pueda, en la fase de construcción, elegir la preinstalación domótica y la instalación eléctrica convencional y con posterioridad, realizar cualquier tipo de automatización de su vivienda.

2.6.2 X10

X10 es un protocolo de comunicación que permite controlar aparatos eléctricos a través de

la instalación de red eléctrica. El estándar surgió hace 20 años como parte de los experimentos realizados por la empresa picosystem y lleva más de quince funcionando a nivel comercial.

El hecho de aprovechar la red eléctrica supone una gran ventaja a la hora de la instalación de estos sistemas, y es ésta precisamente la principal característica de X10.

La transmisión de una señal binaria en X10 se realiza mediante ráfagas de 120 kHz

superpuestas en los cruces por cero de la señal de la red eléctrica. La ausencia de ráfaga significa un cero lógico.

En un principio, se distinguen dos tipos de dispositivos X10, los transmisores

(transmitters), los receptores (receivers). Los transmisores envían comandos X10 codificados como una señal de baja intensidad que se superpone a la señal de la red. Se pueden tener hasta 256 dispositivos en una misma red. Cada uno de los receptores tiene una dirección. Estos son capaces de demodular la señal y si corresponde con su dirección actuar en consecuencia. Varios receptores pueden tener la misma dirección de tal forma que se puede actuar sobre ellos a la vez. Como los receptores no pueden responder a los transmisores no es posible saber el estado, por ejemplo no se puede preguntar si una luz está o no encendida. Para poder preguntar el estado se han introducido un tercer tipo de dispositivos que permite transmitir y recibir.

En la trama del protocolo se incluye un campo delimitador (start code), la dirección del

dispositivo (compuesta del house code y el device code), y la función o comando X10 que se quiere realizar. Los comandos básicos están representados por conjuntos de 4 bits y sirven básicamente para encender o apagar dispositivos.

Algunas aplicaciones típicas en el hogar, requieren que el control de los módulos de

activación se efectúe de forma manual con algún elemento que no tenga que estar conectado a la red eléctrica para resolver estas necesidades, el sistema X10 dispone de una amplia gama de “mandos a distancia”, que envían las señales de control a través del aire, por radiofrecuencia. Además, en determinadas aplicaciones, a veces es necesario situar un sensor en algún lugar de la vivienda donde no es accesible una toma eléctrica, para resolver algunas aplicaciones

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concretas el sistema X10 dispone de algunos sensores/emisores que transmiten las señales de control por radiofrecuencia.

En el caso de los transmisores de radiofrecuencia (mandos a distancia y

sensores/emisores), la señal de control que emiten es transmitida por el aire, por lo que para que esta señal sea introducida por la red eléctrica es necesario conectar en la misma unos elementos de X10, denominados transceptores. Los transceptores son unos módulos que se conectan a la red eléctrica y cuya función principal es la de recibir las señales de radiofrecuencia emitidas por los emisores e introducirlas en la red eléctrica.

2.6.3 EHS

El estándar EHS (European Home System) surgió como un proyecto apoyado por la Comisión europea en el año 1984 en el cual estaba involucrada la industria europea. El proyecto trataba de crear una tecnología que permitiera la implantación de la domótica en el mercado residencial de forma masiva. El resultado fue la especificación del EHS en el año 1992. Esta basada en la arquitectura de niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.

Desde su inicio han estado involucrados los fabricantes europeos más importantes de

electrodomésticos, las empresas eléctricas, las operadoras de telecomunicaciones y los fabricantes de equipamiento eléctrico. La idea era crear un protocolo abierto que permitiera cubrir las necesidades de interconexión de los productos de todos estos fabricantes y proveedores de servicios.

Tal y como fue pensado, el objetivo de la EHS es cubrir las necesidades de

automatización de la mayoría de las viviendas europeas cuyos propietarios que no se pueden permitir el lujo de usar sistemas más potentes pero también más caros (como Lonworks, EIB o Batibus) debido a la mano de obra especializada que exige su instalación. EHS viene a cubrir, por prestaciones y objetivos, la parcela que tienen el CEbus norteamericano y el HBS japonés y rebasa las prestaciones del X10 que tanta difusión ha conseguido en EEUU.

La asociación EHSA es la encargada de emprender y llevar a cabo diversas iniciativas para

aumentar el uso de esta tecnología en las viviendas europeas. Además se ocupa de la evolución y mejora tecnológica del EHS y de asegurar la compatibilidad total entre fabricantes de productos con interfaz EHS.

2.6.3.1 NIVEL FÍSICO DE EHS

Entre los años 1992 y 1995 la EHSA auspició el desarrollo de componentes electrónicos que

implementaran la primera especificación. Como resultado nació un circuito integrado de ST- Microelectronics (ST7537HS1) que permitía transmitir datos por una canal serie asíncrono a través de las líneas de baja tensión de las viviendas (ondas portadoras o "powerline communications"). Esta tecnología, basada en modulación FSK, consigue velocidades de hasta 2400 bps y además también puede utilizar cables de pares trenzados como soporte de la señal.

En la actualidad, se están usando o se están desarrollando otros medios físicos para dar

soporte a EHS. Entre ellos podemos destacar el par trenzado, con el que se están intentando

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conseguir velocidades de hasta 64 Kbps, o el uso de infrarrojos y radiofrecuencia, con los que se alcanzan velocidades de tan sólo 1200 bps.

2.6.3.2 PROTOCOLO EHS

Este protocolo está totalmente abierto, esto es, cualquier fabricante asociado a la EHSA puede desarrollar sus propios productos y dispositivos que implementen el EHS. Con un filosofía Plug&Play, se pretende aportar las siguientes ventajas a los usuarios finales:

- Compatibilidad total entre dispositivos EHS. - Configuración automática de los dispositivos, movilidad de los mismos (poder

conectarlo en diferentes emplazamientos) y ampliación sencilla de las instalaciones. - Compartir un mismo medio físico entre diferentes aplicaciones sin interferirse entre

ellas. - Cada dispositivo EHS tiene asociada una subdirección única dentro del mismo

segmento de red que además de identificar unívocamente a un nodo también lleva asociada información para el enrutado de los telegramas por diferentes segmentos de red EHS.

Después de la aparición de diversos productos y soluciones basadas en EHS, esta

tecnología está convergiendo, junto con EIB y BatiBUS, en un único estándar europeo, llamado Konnex.

2.6.4 LONWORKS

LONWorks es un estándar propietario desarrollado por la empresa Echelon. El estándar

ha sido ratificado por la organización ANSI como oficial en Octubre de 1999 (ANSI/EIA 709.1-A- 1999)[7].

Echelon presentó la tecnología LONWorks en el año 1992, desde entonces multitud de

empresas viene usando esta tecnología para implementar redes de control distribuidas y automatización. Aunque está diseñada para cubrir los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de control, sólo ha tenido éxito de implantación en edificios de oficinas, hoteles o industrias. Pero, debido a su coste, los dispositivos LONWorks no han tenido una implantación masiva en los hogares, sobretodo porque existían otras tecnologías de prestaciones similares mucho más baratas.

El éxito que ha tenido LONWorks en instalaciones profesionales, en las que importa

mucho más la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a que desde su origen ofrece una solución con arquitectura descentralizada, extremo a extremo, que permite distribuir la inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en la vivienda y que cubre desde el nivel físico al nivel de aplicación de la mayoría de los proyectos de redes de control.

Según Echelon, su arquitectura es un sistema abierto a cualquier fabricante que quiera

usar esta tecnología sin depender de sistemas propietarios, que permite reducir los costes y aumentar la flexibilidad de la aplicación de control distribuida. Aunque Echelon usa el concepto de "sistema abierto", realmente no es una tecnología que pueda implementarse si no es con un circuito integrado registrado por Echelon.

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El estándar LONWorks se basa en el esquema propuesto por LON(Local Operating Network). Este consiste en un conjunto de dispositivos inteligentes, o nodos, que se conectan mediante uno o más medios físicos, pudiendo alcanzarse velocidades de hasta 1,25 Mbps sobre par trenzado, y que se comunican utilizando un protocolo común. Por inteligente se entiende que cada nodo es autónomo y proactivo, de forma que puede ser programado para enviar mensajes a cualquier otro nodo como resultado de cumplirse ciertas condiciones, o llevar a cabo ciertas acciones en respuesta a los mensajes recibidos.

Un nodo LON se puede ver como un objeto que responde a varias entradas y que produce

unas salidas. El funcionamiento completo de la red surge de las distintas interconexiones entre cada uno de los nodos. Mientras que la función desarrollada por uno de los nodos puede ser muy simple, la interacción entre todos puede dar lugar a implementar aplicaciones complejas. Uno de los beneficios inmediatos de LON es que un pequeño número de nodos pueden realizar un gran número de distintas funciones dependiendo de cómo estén interconectados.

LONWorks utiliza para el intercambio de información (ya sea de control o de estado) el

protocolo LonTalk. Este tiene que ser soportado por todos los nodos de la red. Toda la información del protocolo está disponible para cualquier fabricante.

2.6.4.1 PROTOCOLO LONTALK

LonTalk ha sido creado dentro del marco del control industrial por lo que se enfoca a

funciones de monitorización y control de dispositivos. Dentro de este marco se han potenciado una serie de características:

Fiabilidad: El protocolo soporta acuso de recibo (acknowledgments) extremo a extremo

con reintentos automáticos. Variedad de medios de comunicación: tanto cableado como radio. Entre los que están

soportados: Par trenzado, red eléctrica, radio frecuencia, cable coaxial y fibra óptica. Tiempo de Respuesta: Se utiliza un algoritmo propietario para predicción de colisiones que

consigue evitar la degradación de prestaciones que se produce por tener un medio de acceso compartido.

Para simplificar el enrutamiento de mensajes, el protocolo define una jerarquía de

direccionamiento que incluye dirección de dominio, subred y nodo. Cada nodo está conectado físicamente a un canal. Un dominio es una colección lógica de nodos que pertenecen a uno o más canales. Una subred es una colección lógica de hasta 127 nodos dentro de un dominio. Se pueden definir hasta 255 subredes dentro de un único dominio. Todos los nodos de una subred deben pertenecer al mismo canal, o los canales tienen que estar conectados por puentes (bridges). Cada nodo tiene un identificador de 48-bits único, asignado durante la fabricación, que se usa como dirección de red durante la instalación y configuración.

La comunicación entre nodos se completa con las variables de red. Cada nodo define una

serie de variables de red que puede ser compartidas por los demás nodos. Cada nodo tiene variables de entrada y de salida, que son definidas por el desarrollador.

Siempre que el programa que se ejecuta en un nodo escribe un nuevo valor en una de sus

variables de salida, este se propaga a través de la red a todos los nodos cuyas variables de entrada estén conectadas a esta variable de salida. Todas estas acciones están implementadas dentro del protocolo. Sólo se podrán ligar variables de red que sean del mismo tipo. Esta forma

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de comunicación es orientada a datos(eventos), encontraste a la comunicación orientada a comandos.

Para guardar la interoperatibilidad entre productos de distintos fabricantes, se definen las

variables a partir de una definición de tipos estándar (Standard Network Variable Types). Echelon mantiene una lista de unos 100 tipos accesible a cualquier fabricante. A continuación se citan algunos de estos tipos

- Temperatura. - Humedad relativa. - Estado del dispositivo. - Tiempo real. - Tensión. - Intensidad. - Potencia. - Nivel de sonido. - Velocidad. - Etc.

2.6.4.2 COMPONENTES DE UNA RED LONWORKS

Se pueden distinguir dos partes:

Transmisor LONWorks (Transceivers): Estos dispositivos sirven de interfaz entre el chip

Neuron y el medio físico. Dependiendo del medio físico la velocidad de transmisión y topología se escogerá un transceiver u otro.

Circuito Integrado Neuron: Es el corazón de la tecnología LONWorks. Contiene toda implementación del protocolo LonTalk. Cada CI Neuron tiene tres procesadores de 8-bit, dos dedicados al protocolo y un tercero a la aplicación del nodo.

Fig. 2.26 Estructura de una red LONWorks completa

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Los desarrolladores de LONWorks tiene a su disposición lenguaje para programar el CI Neuron, llamada Neuron C, que es una extensión de C ANSI. Para la configuración e instalación de dispositivos LONWorks se incluye una herramienta sobre Windows, ICELAN-G, que permite realizar fácilmente las ligaduras de las variables de entrada/salida de un nuevo nodo con las variables de los ya existentes.

2.6.5 BATIBUS

BatiBUS es un estándar creado en Francia certificado como estándar europeo por el

CENELEC. Actualmente se encuentra inmerso en un proceso de convergencia con otros dos buses, EIB y EHS, para conseguir un único estándar europeo para la automatización de oficinas y viviendas que se ha denominado “Konnex”.

Entre las características de BatiBUS podemos destacar que la velocidad binaria es única (4800 bps) la cual puede ser suficiente en algunas aplicaciones de control distribuido.

La instalación del cable del bus se puede hacer en diversas topologías: bus, estrella,

anillo, árbol o cualquier combinación de estas. Lo único que hay que respetar es no asignar direcciones idénticas a dos dispositivos de la misma instalación.

En cuanto al protocolo, hay que decir que está totalmente abierto, esto es, al contrario de

los que sucede con el protocolo LonTalk de la tecnología LONWorks, el protocolo del BatiBUS lo puede implementar cualquier empresa interesada en introducirlo en su cartera de productos.

A nivel de acceso, este protocolo usa la técnica CSMA-CA, (Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance) similar a Ethernet pero con resolución positiva de las colisiones. Esto es, si dos dispositivos intentan acceder al mismo tiempo al bus ambos detectan que se está produciendo una colisión, pero sólo el que tiene más prioridad continua transmitiendo el otro deja de poner señal en el bus. Esta técnica es muy similar a la usada en el bus EIB y también en el bus CAN.

La filosofía es que todos los dispositivos BatiBUS escuchen lo que han enviado cualquier

otro, todos procesan la información recibida, pero sólo aquellos que hayan sido programados para ello, filtrarán la trama y la entregaran a la capa de aplicación.

Al igual que los dispositivos X-10, todos los dispositivos BatiBUS disponen de unos micro-

interuptores circulares o miniteclados que permiten asignar una dirección física y lógica que identifican unívocamente a cada dispositivo conectado al bus.

buses de campo y sistemas monomaestro multimaestro 1

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