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Presentation Transcript

  1. Les couches applicatives de CAN Device Net Controller Area Network CAN Open - CAL SDS Présentation Patrick MONASSIER Université Lyon 1 France

  2. Device Net Présentation

  3. DeviceNet - Présentation • Normalise la Couche 7 ISO + partie basse de la couche 1 ISO • S’appuie sur CAN ISO 11898 - Commercialisation fin 1994 • Appartient à l’organisme ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) qui est une association d’offreur de services autour de DeviceNet - Le but de l’ODVA est de promouvoir DeviceNet. • En 1997 environ 200 sociétés - Plus de 100 produits différents : Rockwell Automation, OMRON, Hitachi, AEG, Schneider, Hohner, Yaskawa, Mitsubichi, Crouzet, Softing, Leroy Automatique, NSI, Vector, Lumberg... • Spécifications disponibles, pas de licence, le système est ouvert. • ODVA 8222 Wiles Road , suite 287, Coral Springs, FL33067 USA Tel (1) 954 340 5412 Fax (1) 954 340 5413 • Allen Bradley Rockwell Ave de l’Europe 78941 Velizy Cedex France Tel 01 3067 7200 Fax 01 3465 3233 http://www.odva.org

  4. DeviceNet et les couches ISO Couche Application DeviceNet Couche Application Couche liaison de données Signal Physique Transmetteur/Récepteur Support de transmission ISO Couche 7 ISO Couche 2 Protocole CAN ISO Couche 1 Couche physique DeviceNet Médium

  5. DeviceNet - Les couches ISO • Couche Communication de données • Messagerie et mode de connexion • Modes d’adressages • Echange de donnes • Fragmentation • Profils de communication • Couche Physique • Medium de transmission et topologie du réseau • Connexion au medium • Possibilités d’alimentation par les stations DeviceNet

  6. Couche Communication de données • DeviceNet s’appuie sur la trame CAN 2.0A(identifieur 11 bits) • Le protocole DeviceNet est complètement intégré dans la trame • 2 modes de messagerie • Implicite ou haute priorité pour Entrées/Sorties (temps réel) • Explicite ou basse priorité pour diagnostics, configuration... • 2 modèles de communication • Modèle Producteur/Consommateur (Broadcast) en implicite • Modèle Client/Serveur (point à point) souvent en explicite • Les 2 modes de messageries et les 2 modèles de communication sont définis dans l’identifieur de la trame CAN

  7. Connexions et messages • La communication DeviceNet est établie sur le mode «objets» • Avant d’échanger des données, il faut établir une connexion • Une connexion est établie entre deux ou plusieurs points finaux • Le Connection Object est l’un des Communication Objects • C’est le container des caractéristiques de la communication • 2 types principaux de connexions • I/O connections (Implicite, pour les Entrées/Sorties) • Explicit Messaging Connections(diagnostics, configurations...)

  8. I/O connections & I/O messages Station émettrice Station réceptrice I/O data I/O message I /O data Application Connection Connection Application I/O messages I/O Connection I/O Connection I /O messages Les IO data sont inclues dans le champs des données de la trame CAN (8 octets maxi). DeviceNet ne définit aucune information quant au protocole régissant les données. La signification des données est implicite selon le I/O connection (connection ID associé).

  9. Explicit Messaging Connections Station 1 Station 2 Explicit messages Question Question Connection Connection Réponse Réponse Les connection Explicites sont à usage multiple. Les messages qui sont construits dans la trame CAN, sont constitués d’un Connection ID et d’une information de protocole message. DeviceNet ne fournit pas d’indications sur le protocole. Il définit un protocole de fragmentation permettant des échanges de taille supérieure à 8 octets (trame CAN).

  10. Identifieur CAN selon DeviceNet 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Valeur Hex 0 Groupe 1 Source MAC ID 000-3FF Message groupe 1 Message ID 1 0 MAC ID Groupe 2 400-5FF Message groupe 2 Message ID 1 1 Groupe 3 Source MacID 600-7BF Message groupe 3 Message ID 1 1 1 1 1 Groupe 4 7C0-7EF Message groupe 4 Message ID 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7F0-7FF ID non valides

  11. Groupe de priorité La construction des identifieurs selon DeviceNet permet de définir 3 groupes distinct, fonction des bits de poids fort: Bit 10 Bit 9 Groupe Priorité Application 0 x groupe 1 haute Entrées/sorties 1 0 groupe 2 moyenne Maître/Esclave 1 1 groupe 3 basse messages groupe 4 très faible non définie

  12. Définitions • Message ID identifie un message particulier à l’intérieur d’un groupe de messages spécifiques. • Source MAC ID désigne la station assurant la transmission. Les groupes 1 et 3 imposent sa présence dans l’identifieur. • Destination MAC IDdésigne la station destinatrice du message. • L’accès au bus est défini par la valeur message ID pour les groupes 1 et 3, et par la valeur du MAC ID pour le groupe 2. • Bien que d’autres configurations soient possibles, par définition, les groupes sont utilisés pour les connexion: • Entrées/Sorties pour le groupe 1 • Entrées/Sorties et messages explicites pour le groupe 2 • Messages explicites pour le groupe 3

  13. Etablissement d’une connexion • Le but de la couche applicative DeviceNetest de fournir, pour des applications particulières, des informations pertinentes d’Entrées/Sorties en temps réel. • DeviceNetdéfinit, construit la configuration complète, dynamique, des I/O connections entre stations. • Une grande partie des Connection Information peut être configurée à la mise sous-tension de la station. • DeviceNet pédéfinit un jeu de connexions Maître/Esclaves: le predefined Master/Slave Connection Set .

  14. Modes d’adressage de DeviceNet MAC ID #1 MAC ID #2 MAC ID #4: Object classe #5 Instance #2: Attribute #1 réseau instance #1 object classe #5 object classe #7 Attribute #1 Attribute #2 instance #1 instance #2 instance #1 MAC ID #3 object classe #5 MAC ID #4

  15. CAN Open PRESENTATION de la COUCHE APPLICATIVE

  16. CANopen principes • La couche applicative CANopen décrit un concept de réseau basé sur la couche applicative CAL et sur le protocole CAN. • Le CANopen Communication profile a été defini en 1995 par le CiA, et débouchait sur le premier I/O Device Profile en 1996. • Les deux profils (Communication et I/O Device) de CANopen utilisent des services de la couche applicative CAL. • L’objectif de la couche applicative CANopen est de faciliter, permettre et autoriser la création économique de: • systèmes de commandes décentralisées. • systèmes d’entrées/sorties distribuées. • systèmes capteurs actionneurs mis en réseau.

  17. CANopen relations entre CAL et CANopen • La spécification CAL, définie en premier, représente un ensemble de services et d’objets, sans mode d’emploi précis. • L’un des buts de CANopen est de définir quels services et quels objets doivent être utilisés, avec quels paramètres et comment interpréter ces paramètres. • CANopen peut être vu comme un mode d’emploi de CAL. • CANopen permet de construire une couche applicative sur le concept de Device Profiles(profiling) • Cette construction présente des avantages: • Les caractéristiques obligatoires font que la fonctionnalité minimale du réseau est atteinte • Les possibilités de performances optionnelles donnent une grande souplesse aux extensions possibles. • Les Hooks(crochets) ouvrent la possibilité de concevoir des éléments spécifiques standards multiconstructeurs.

  18. CANopen modèle ISO CANopen Device Profile CiA DS 401 à 406 Device profile A Device profile B Device profile C Standard Device «futur proof» ISO Couche 8 CANopen CANopen Communication Profile CiA DS 301 ISO Couche 7 Communication Profile ISO Couche 7 CAL (Can Application Layer) CAL ISO Couche 2 CAN Protocol (Data Link Layer) CAN ISO 11898 ISO Couche 1 Physical Layer CAL Bus CAN

  19. CANopen spécifications • Communication profile for Industrial System • CiA DS 301 3.0 1996 • Framework for Programmable devices • CiA DS 302 1.0 1997 • Devices profiles • For I/O modules CiA DS 401 1.4 1996 • For drives and motion control CiA DS 402 1.0 1997 • For Human machine interface CiA DS 403 • For measure & close-loop devices CiA DS 404 1.0 1997 • For Encoders CiA DS 406 1.0 1997

  20. CANopen modèle de communication • Services et Process Data Object- SDO et PDO • SDO: utilisée pour transmettre des paramètres et/ou données n’ayant pas d’aspect temps réel (configuration, chargement de programmes...) • PDO: utilisée pour transmettre les données applicatives temps réel • Modes de transmission des PDO • Synchrone • Asynchrone • Modes de déclenchement des PDO • événement • requêtes asynchrones • Objets de communication prédéfinis de CanOpen • SYNC objects • Time Stamp Objects • Emergency Objects

  21. CANopen Service Data Object SDO byte 0 bytes 1-3 bytes 4-7 Start of domain 3 bytes profile 4 bytes profile end of telegram command identification data telegram frame specification frame INITIATE COMMAND 16 bits 8 bits index sub-index data type data type unsigned 16 unsigned 8 byte 0 bytes 1-7 Start of domain 7 bytes profile end of telegram command data telegram frame specification frame SEGMENT COMMAND

  22. CANopentransmission synchrone et asynchrone Object SYNC Object SYNC fenêtre des objects SYNC PDO synchrones PDO asynchrones Période du cycle de communication Longueur de la fenêtre de synchronisation Message SYNC Message SYNC Messages actuels Messages de commande

  23. CAL CAN Application Layer PRESENTATION de la COUCHE APPLICATIVE

  24. CAL CAN Application Layer • Définition des spécifications d’une couche applicative système ouvert, basée sur le protocole CAN. • En 1992, par le CiA (CAN In Automation), naissance des CAL(CAN Application layers). • Pas de droit de licence, ni de royalties. • Fonction détaillées dans documents CiA / DS 201 à 205 • Contact: • CiACAN in Automation • Am Weichselgarten 26 • D-91508 Erlangen • Tel +49 9131 601091 • Fax +49 9131 601092 • http://www.can-cia.org

  25. CAL Les couches ISO Couche Application CAL ISO Couche 7 Couche Application Couche liaison de données Signal Physique Transmetteur/Récepteur Support de transmission ISO Couche 2 Protocole CAN ISO Couche 1 Couche physique CAL Médium

  26. CAL Présentation • CAL fournit aux utilisateurs: • l’administration du réseau et des couches • les fonctionnalités de maître et superviseur d’un système • les objets et services de communication standard • la distribution des identificateurs • CAL est constitué de 4 entités principales: • CMS CAN based Message Spécification • NMT Network Management • DBT identifier DistriBuTor • LMT Layer ManagemenT

  27. CAL Présentation CMS CMSdécrit le façon d’interfacer le réseau physique CAN (règles de codage). CMSdécrit aussi la description d’objets de communication (variables, event ...) Les objets CMS de base permettent une communication «orientée message» Les objets CMS évolués permettent de réaliser des connexions entre éléments dite «orientée communication» NMT Maitre CMS Spécification des messages basés sur CAN Variables Administration du réseau Esclave Evènements DBT Maitre Distributeur des identifications Domaines Esclave LMT Régles de codage Maitre Administartion des couches Esclave

  28. CAL Présentations DBT, NMT, LMT • DBT(identifier DistriBuTor) est responsable de l’affectation dynamique de la valeur des identifieurs. • NMT (Network ManagemenT) est responsable de l’administration du réseau • spécifie les services généraux et d’administration du réseau • réalise l’initialisation globale du réseau • initialise, si nécessaire, la distribution dynamique des identifieurs • assure la supervision du réseau en fonctionnement (fonction guarding) • basé sur une relation maître/esclave (1 maître NMT/ 255 esclaves NMT maxi) • (fonction guarding: détection des stations connectées, opérationnelles en temps réel) • LMT(Layer ManagemenT) définit des services permettant une configu- ration large du réseau et de certains paramètres des couches CAL: • numéros d’identificateurs individuels et des noeuds • paramètres temporels CAN (Nominal Bit time...) ...etc.

  29. CAL Primitives et types de services • 4 types de services • services locaux • services initialisés par le fournisseur • services non confirmés • services confirmés • 4 services de primitives • requête : demande de l’application à la couche applicative • indication : fournie par la couche applicative pour rapporter un événement interne • réponse : fournie par l’application vers la couche applicative pour répondre à une indication reçue • confirmation : fournie par la couche applicative à l’application pour rapporter le résultat d’une requête précédente. Voir les figures page suivante

  30. CAL Primitives et types de services Application X Application X requête indication Service local Service initialisé par un fournisseur Application X Application Y Application X Application Y requête indication indication confirmation réponse Service non confirmé Service confirmé

  31. CMS langage de modélisation pour applications distribuées • CMS est considéré comme le langage standard pour la spécification d’une interface de communication entre éléments CAN • Définit les services de communication entre les différentes entités CAL • Définit les règles de codage (encoding rules) • Offre des services de communication basés sur des objets CMS Les objets CMS • Les CMS variables permettent de lire et écrire des données via le réseau • Les CMS Events permettent de signaler des évènements se produisant dans d’autres noeuds • Les CMS Domains permettent le transfert de blocs de données de plus de 8 octets de longueur (fragmentation)

  32. CAL Les objets CMS • Les CMS variables • Les CMS Basic variables : Message CAN habituel (8 octets maxi) • Les CMS Multiplexed variables : réduit le nombre nécessaires d’identifieurs en définissant un jeu (set) assigné à un seul identifieur (codé dans le premier octet de données) - soit 7 octets de données utiles. • Les CMS Domains • Permet le tranfert de données dont la longueur est supérieure à 8 octets • Technique de fragmentation (packaging) et transmission temporelle séquentielle des données sur le réseau. • Les CMS Events (événements) • Représentes des données d’événements spontanés ou asynchrones • Transportent des données identifiant la cause de l’événement

  33. CAL Le jeu d’attributs des objets CMS • Name - Nom identifiant l’objet (voir Application Layer Naming Convention) • User Type - Client (consommé par un noeud) ou Serveur (fourni par un noeud) • Prority - 8 classes de priorités (codage de l’identifieur) • Inhibit Time - Temps d’inhibition permettant de contrôler la charge de communication du réseau CAN (temps minimal entre 2 transferts consécutifs d’un même message) • Data Type - classes conventionneles de données (entier, booléen, flottant...) • Error type - définit l’action qui doit être prise par CAL sur certains types d’erreurs • Access type - droit d’accès à l’objet CMA du point de vue du client

  34. NMTNetwork ManagemenT • assure la gestion du réseau en dehors de l’application courante... • administration du réseau, initialisation, présence des noeuds, guarding... • Relation Maître / Esclave - Il y a 1 maître NMT et jusqu’à 255 esclaves NMT • 2 identifieurs CAN sont spécifiquement réservés pour les services NMT • Les services NMT sont subdivisés en 3 groupes: • Module Control Services - Services de commande et contrôle de module • Error Control Services - Services de commande et contrôle d’erreur • Configuration Services - Services de commande et contrôle de configuration • Les Objets NMT sont de 3 types • objet réseau - jeu des modules physiques sur le réseau (255 maxi) • objet noeud déporté - module incluant un partie de la configuration réseau en commun avec le maître • objet noeud - Un objet noeud peut exister dans n’importe quel module • Les Classes de réseau CAL indiquent les possibilités du réseau(issu de la configuartion NMT) Classe de réseau Classe 0 Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Administration réseau - + + + + Erreur réseau - - + - + Configuration réseau - - - + + Contrôle de noeud - + + + + Distri. Dyn. des identif. - + + + +

  35. DBTidentifier DistriBuTor • Dans un système ouvert multi-constructeur, il doit être nécessaire de pouvoir réaffecter les identifieurs pour éviter tout conflit éventuel. • DBT a pour mission d’administrer les identifieurs et d’en assurer la distribution dynamique si nécessaire. • Le protocole CAN offre 2032 valeurs COB ID (CAN OBject distributor) • La valeur binaire du COB ID définit la priorité d’accès au medium. • Le processus de distribution est organisé en maître DBT et esclaves DBT • Tous les modules du réseau ne supportent pas l’allocation dynamique • 8 groupes de priorités sont définis par le DBT groupe COB ID groupe COB ID CMS priorité des objets 0 1 - 220 CMS priorité des objets 4 881 - 1100 CMS priorité des objets 1 221 - 440 CMS priorité des objets 5 1101 - 1320 CMS priorité des objets 2 441 - 660 CMS priorité des objets 6 1321 - 1540 CMS priorité des objets 3 661 - 880 CMS priorité des objets 7 1541 - 1760

  36. LMT Layer MagagemenT • LMT est basée sur une relation Maître/Esclave avec un maître LMT optionnel. • Sert à configurer les paramètres de chaque couche CAL dans le modèle de référence de CAN, via le réseau CAN. • Permet à un module (le maître LMT) de commander le réglage de certains paramètres des couches à d’autres modules (esclaves LMT) via le réseau CAN. • L’application a un accès direct à toutes les couches CAL • Sur le principe, ceci est en contradiction avec l’idée de conception structurées en couches selon le modèle ISO/OSI. LME Layer Magagement Entity • LME permet à une application de commander les réglages des • paramètres de la couche.

  37. DBTAffectation globale des COB ID CMS CAN Based Message Specification NMT Network ManagemenT DBT identifier DistriBuTor LMT Layer ManagemenT NMT service de Start/Stop 0 CMS priorités des objets 0 à 7 1 - 1760 NMT protocole Node Guarding 1761-2015 Réservé par le CiA 2016-2019 Services LMT 2020-2021 NMT Identité des noeuds 2022 Services DBT 2023-2024 De nombreuse sociétés proposent des packages logiciels d’aide à la conception d’applications utilisant CAL (langage C) Compter environ 4 à 30 Ko de ROM pour l’intégration du code binaire CAL. Services NMT 2025-2026 Réservé par l’autotest module 2027 Réservé par le CiA 2028-2031

  38. CAL CAN Application Layer PRESENTATION de la COUCHE PHYSIQUE

  39. CALCouche physique CAL et CANopen* (* voir présentation de CANopen) • La couche physique repose entièrement sur les spécifications CAN ISO 11898(paire torsadée, niveaux électriques...) • Les connecteurs sont définis par la recommandation CiA / DS102(connecteurssub-D 9 broches et cylindrique mini 5 broches) • Le débit va au delà de la norme CAN High Speed (ISO11898), de 0 à 1Mb/s débit longueur Nominal bit time Nbre time quanta long. time quanta position sample point 1Mb/s 25m 1us 8 125ns 6tq (125ns) 500Kb/s 100m 2us 16 125ns 14tq (1.75us) 125Kb/s 500m 8us 16 500ns 14tq (7us) 10Kb/s 5 Km 100us 16 6.25us 14tq (87.5us)

  40. SDS Smart Distributed System PRESENTATION de la COUCHE APPLICATIVE

  41. SDSSmart Distributed System • Protocole proposé parla société HONEYWELL • Parc Technologique de Saint Aubin • Bâtiment Mercury BP87 91193 Gif sur Yvette France • Tel 01 6019 8182 Fax 01 6019 8173 honeywell.sensing.com • Spécifications SDS : GS052-103 à 108 (1994..) http://www.honeywell/sensing/prodinfo/sds

  42. SDSSmart Distributed System • débit de 125Kb/s à 1 Mb/s • longueur: 1.2Km à 125Kb/s, 30m à 1Mb/s • 64 stations maxi sur le réseau (126 avec répéteur) • 4032 point maxi, analogiques ou digitaux • Modes de communication: • Evènementiel • Requête / réponse • Cyclique

  43. SDSLes couches ISO Couche Application SDS (APL) ISO Couche 7 Couche Application Couche liaison de données Signal Physique Transmetteur/Récepteur Support de transmission ISO Couche 2 Protocole CAN ISO Couche 1 Couche physique SDS Médium

  44. SDSLa couche applicative APL APLApplication Protocol Layer • 4 classes génériques de services disponibles par l’utilisateur • READ, WRITE, EVENT, ACTION • 2 à 126 éléments physiques sur un réseau • 126 adresses logiques maxi par élément physique • 32 éléments/objets indépendants par adresse logique • 255 attibuts, 255 actions, 255 events maxi par élément/objet

  45. SDS les Services de l’APL • Services READ & WRITE • permet de lire les entrées et écrire les sorties • permet l’accès à toutes les données visibles n’excédant pas 6 octets • supporte la gestion en Maître/esclave • Service EVENT • Permet la gestion d’évènements asynchrones ou spontanés générés par par une station ou un élément • Service ACTION • Permet de lancer des ordres de commandes • Principalement utilisé pour l’administration du réseau

  46. SDS les objets de l’APL Composant Physique contient... composant physique 126 adresses logiques maxi qui contiennent... adresse logique 32 éléments objets maxi qui contiennent... Objet attributs 255 attributs 255 actions 255 events maxi, en 3 tableaux actions events Liaison CAN Bus CAN

  47. SDS les paramètres des objets Le tableau Attributscontient les informations générales telles que: vitesse de communication, adresse logique de la station (1à126), Numéro de série, référence du produit... Le tableau Actionsindique les actions possibles sur le dispositif: changer l’adresse logique de la station, effacer / corriger les erreurs... Le tableau Eventsindique les évènements qui peuvent se produire sur ce dispositif: Changement d’état d’un capteur, dépassement de limite.....

  48. SDS Codage des Services Les services sont codés par la valeur du champ APDU Application Protocol Data Unit • Read: Lecture d’un attribut • Write Modification d’un attribut • Event Report Report d’un événement • Action Commande l’exécution d’une action • COS ON Report sur changement d’état ON • COS OFF Report sur changement d’état OFF • Write ON state Ecriture d’un ON sur un I/O • Write OFF state Ecriture d’un OFF sur un I/O COS = Change Of State

  49. SDS les messages Types de messageries utilisables avec SDS : gérées par l’APDU Application Protocol Data Unit Diffusion générale (broadcast) permettant la diffusion simultanée de messages à l’ensemble des stations. Point à Point direct (DPP Direct Peer to Peer) met en relation temporaire deux stations identifiées. Les types de messages SDS: Messages courts: messages d’information rapide Messages longs: messages de données (6 octets) Messages fragmentés: message longs (256 octets maximum)

  50. SDS APDU et trame CAN • L’objet CAN du SDS (APDU) s’appuie sur la trame CAN standard 2.0A • Il se compose de deux parties: le CAN Header et le Champ dedonnées • Le CAN Header(entête)utilise les champs suivants de la trame CAN 2.0A: • Les 11 bits de l’identifieur • Le bit RTR • Les 4 bits DLC • Les 2 ou 3 premiers octets des données • (messages longs et fragmentatés, point à point) • Le Champ de données utilise les octets de données de la trame CAN 2.0A: • 0 octets (vide) pour le message court • 6 octets pour le message long • 4 octets pour le message fragmenté • 5 octets en messagerie point à point