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RES Les réseaux cours RES-2.2 Le bus AS-I / CAN

Lycée Jules Ferry sur 11 TSI2

1- Introduction : quelques bases sur les réseaux

1-1 Pyramide du CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Le Computer Integrated Manufacturing (CIM) est un concept décrivant l'automatisation complète des

processus de fabrication. C’est-à-dire que tous les équipements d’une usine fonctionnent sous le contrôle

permanent des ordinateurs, automates programmables et autres systèmes numériques.

Un niveau supérieur décide ce qu'un niveau inférieur exécute.

Il s'agit d'une représentation comportant 4 niveaux auxquels correspondent des niveaux de décision.

Les « fournisseurs de communication » adaptent les performances de leurs réseaux en fonction des

niveaux du CIM sur lesquels ceux-ci seront positionnés. Il en résulte que presque tous les réseaux

d'automatismes sont dits « propriétaires ».

Les constructeurs d’automates programmables ont créé des réseaux et des bus adaptés aux

besoins. Ainsi à chaque niveau, correspond un bus ou un réseau :

ANALYSER

Identifier les architectures matérielles et fonctionnelles d’un réseau de communication

Cours Cours RES 2.2 TSI1 TSI2

Les réseaux X

Période

Les bus de terrain : Protocole As-i et CAN 1 2 3 4 5

Cycle 7 : Matériaux / Réseaux Durée : 2 semaines X

FIG. 1: CHAQUE NIVEAU UN BUS OU UN RESEAU.

Réseaux informatiques ETHERNET

MMS

Réseaux locaux industriels

ETHWAY

FIPWAY

PROFIBUS

FMS

Bus de terrain FIPIO

MODPLUS+

INTERBUS-S

PROFIBUS DP

DEVICE NET

Bus capteurs

actionneurs AS-i

CAN

SERIPLEX

INTERBUS LOOP

Pilotage

de

machine

Pilotage de

processus

Évolués

Messages longs

Tps de réaction peu critique

Simples

Messages courts

Tps de réaction rapides



➢ Les "sensor bus", bus capteurs et actionneurs unitaires simples,

➢ les "device bus", bus et réseaux pour la périphérie d’automatisme : variateurs, robots, axes…

➢ les "field bus", réseaux de communication entre unités de traitement: automates programmables, superviseurs, commandesnumériques …

➢ les réseaux locaux industriels, pour l'établissement de la communication entre l’automatisme et le monde informatique.

1-2 Le modèle OSI (Open System Interconnection) :

Modèle théorique de communication entre ordinateurs proposés par l’ISO.

C’est une architecture de référence, en 7 couches, qui définit la façon dont les informations sont traitées

entre le matériel et les logiciels d’application.

Les messages sont échangés uniquement entre deux couches adjacentes.

Lorsque deux hôtes

communiquent, on parle de

communication d'égal à égal ;

c'est-à-dire que la couche n de

la source communique avec la

couche n du destinataire.

2- Le bus AS-I :

2-1 Définition :

AS-i (ActuatorSensor interface) est un bus de capteurs et d'actionneurs. Il est déterministe avec des temps

de réponse très courts. Il s'appuie sur un standard industriel ouvert soutenu par l'association AS-i

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

AS-i offre l'avantage de ne pas être un réseau propriétaire. Son raccordement vers le niveau supérieur

dans la hiérarchie des réseaux peut être réalisé au travers des passerelles ou en utilisant les capacités de

communication d'un coupleur de bus (automate…).

Abonné récepteur Abonné émetteur

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

COUCHE 7

COUCHE 6

COUCHE 5

COUCHE 4

COUCHE 3

COUCHE 2

COUCHE 1

COUCHE 7

COUCHE 6

COUCHE 5

COUCHE 4

COUCHE 3

COUCHE 2

COUCHE 1

Médium

FIG. 2: ÉCHANGE DE DONNEES ENTRE DEUX ABONNES SUIVANT LE MODELE OSI



2-2 Son modèle OSI :

Il est basé sur un profil simplifié dans lequel sont supprimées les couches réseau, transport, session, et

présentation (couches 3 à 6). Le gain en rapidité est significatif.

Couche 1 (couche physique) :

Assure la transmission d‘une suite de bits sur le média de

transmission.

Décrit les interfaces mécaniques (connecteurs) et électriques.

Décrit les mécanismes d‘activation et de désactivation des

connexions physiques.

Décrit les protocoles d‘échange de bits (informe la couche

supérieure en cas de problème de transmission physique).

Décrit le support de transmission (médium).

Dans le cas D’AS-interface :

La Topologie est libre.

➢ Le support de transmission est réalisé par un simple câble à deux conducteurs. Un câble spécifique détrompé et auto cicatrisant de couleur jaune peut être utilisé. Il véhicule l’alimentation des esclaves et en superposition les données.

➢ La longueur du câble est déterminée par la progression

du signal sur le câble et la chute de tension de ce dernier.

Ces deux paramètres autorisent une distance maximale

de 100 m entre l'esclave le plus éloigné et le maître.

Deux types d'équipements placés sur la couche physique permettent d'augmenter cette longueur :

100 m 100 m

300 m

100 m 100 m

50

0 m

100 m

100 m

Alimentation

Maître

Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave

Esclave Esclave Esclave Esclave

Répéteur Répéteur

Répéteur Répéteur

Esclave Esclave Esclave Alimentation Alimentation

Esclave Esclave Alimentation Alimentation

FIG. 3 : MODELE OSI D'AS-INTERFACE

COUCHE 1

COUCHE 2

COUCHE 3

COUCHE 4

COUCHE 5

COUCHE 6

COUCHE 7

Physique

Liaison

Réseau

Transport

Session

Présentation

Application



➢ Les répéteurs régénèrent les signaux et permettent de connecter deux segments du bus AS-Interface. Chaque segment peut mesurer 100 m. Deux répéteurs en cascade sont autorisés au maximum. La distance entre un esclave et son maître ne peut pas dépasser 300 m.

➢ Les terminaisons de ligne passives ou actives permettent d'augmenter la longueur du segment jusqu’à 200 m

➢ Les données binaires subissent un traitement particulier :

- encodage suivant un code Manchester II,

- modulation basée sur le principe des impulsions alternatives (APM) fournissant un signal de type sin².

Elles sont ensuite transformées en une suite d’impulsions de courant qui seront converties en tension par le

câble AS-i.

FIG. 5 : TRAITEMENT DES DONNEES BINAIRES

0 0 0 0

0 0

1 1

1 2 4 5 3 6 Bit N°

Données

émises

Données

codées

Manchester II

ModulationAP

M

(signal sin²)

Courant

émis

60 mA

+2V

-2V

L'augmentation d'impulsions (2 par bit) :

Synchronisation plus facile à réaliser et

identification d'erreur efficace grâce à la

redondance

L'impulsion sin² :

Spectre de fréquence de bande étroit et

réduction des réflexions à la fin du câble.

Le signal sans composante DC : Exigé

quand les données et l’alimentation sont

combinées sur le même câble.



Couche 2 (liaison) :

Assure la transmission sans erreur d‘un bloc de données (trame).

Permet le transfert fiable d‘informations entre systèmes connectés.

Structure les données sous forme de trames.

Détecte les erreurs de transmission et provoque éventuellement la correction (retransmission).

Régule le flux d‘informations sur la liaison.

ANALYSER

Décoder une trame en vue d’analyser les différents champs


Le maître émet une requête sous forme de trame et attend la réponse de l’esclave pendant un certain

temps. Au-delà de ce dernier, s’il n'a pas reçu de réponse valide, le maître considère la réponse comme

négative et peut réémettre sa requête ou envoyer la requête suivante. Après réception d'une réponse

correcte, le maître respecte un temps de pause, puis aborde une nouvelle transaction.

Le temps de bit est de 6 μs, Soit un débit de données brutes de 166,67 kbit/s. La durée de cycle maximal

de 5 082 μs, soit 5 ms.

Couche 7 (application) :

Fournit les divers services de communication :

Définit les mécanismes communs aux applications réparties et la signification des informations échangées

et contient les interfaces entre le bus de terrain et les systèmes utilisateurs.

REQUETE MAITRE PAUSE

MAITRE REPONSE ESCLAVE

PAUSE

ESCLAVE REQUETE MAITRE

temps 84s 18 à60s 42s 6 à12s 84s

TRAME TRAME

FIG. 6: ECHANGES MAITRE/ESCLAVE

FIG. 7: CONSTITUTION D'UNE TRAME MAITRE

5 bits d'adresse esclave (1 à 31)

0 réservé à la fonction adressage

automatique

5 bits d'information

Fonction du type de requête

I3 permet la sélection A/B (AS-i V2.1)

ST CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB

Bit de

début

ST=0

Bit de fin

EB = 1 Bit de contrôle

0 = échange de paramètres, données, définis par I0 à I4

1 = commande définie par I0 à I4

Bit de contrôle de parité paire

n’incluant pas le bit de fin

FIG. 8: CONSTITUTION D'UNE TRAME ESCLAVE EN REPONSE A UNE REQUETE MAITRE

ST I3

Bit de

début

ST=0

I2 I1 I0 PB EB

Bit de contrôle de parité paire

n’incluant pas le bit de fin

Bit de fin

EB = 1

4bits d'informations

retournées au Maître




Tableau regroupant les différentes requêtes pouvant être envoyées par le Maître et les réponses attendues

en retour par l’Esclave.

Maître Esclave

CB A4………A0 I4 I3………I0 I3………I0

Échange de données 0 Adresse 0 Sorties Entrées

Écriture et lecture de

paramètres 0 Adresse 1

Nouvelle

configuration

Nouvelle

configuration

Attribution d'adresse 0 0 Nouvelle

adresse Nouvelle adresse

Suppression

d’adresse 1 Adresse 0 0000

Acquittement par

l’esclave → 0110

Réinitialisation

d'esclave 1 Adresse 1 1100

Acquittement par

l’esclave → 0110

Lecture de la con-

figuration des

entrées/sorties

1 Adresse 1 0000 État de configuration

Lecture de

l'identificateur de

l'esclave

1 Adresse 1 0001 Code ID

Lecture de l'état de

l'esclave 1 Adresse 1 1110 Statuts

Lecture et remise à

zéro des bits d'état 1 Adresse 1 1111

Renvoi l’état puis

RAZ

FIG. 9 : TABLEAU DE REQUETES

Exemple : requête du maître pour forcer les 4 sorties d’un nœud esclave Tout Ou Rien d’adresse 5 à la

valeur 3.



2-3 Structure matérielle d’un bus AS-I :

Le bus AS-i est constitué :

• D’une alimentation spécifique AS-i.

• D’un maître AS-i.

• D’esclaves AS-i.

Caractéristiques de l’alimentation :

• Mode différentiel et TBTS : Bonne immunité aux perturbations.

• Transmission par courant porteur : Un seul câble alimente les esclaves et véhicule les données.

U alim

30V

Alimentation + transfert des données

L

R AS-I + V +

R

L AS-I - V-

C

C

Primaire

Redressement Découplage



3- Le bus CAN : Controller Area Network

3-1 Présentation

Le CAN a été lancé en 1990 pour répondre aux besoins de l'industrie automobile devant la montée de

l'électronique embarquée. En 2005 une voiture moyenne comporte une centaine de microcontrôleurs.

Pour éviter les 2 kms de câblage d'une grosse voiture actuelle, soit 100 kg de cuivre, il fallait définir un

bus série simplifiant énormément l'intégration des fils dans le châssis.

En pratique, il y a trois bus CAN différents dans une voiture, à des débits différents :

• un bus très rapide pour gérer la sécurité (freinage, ABS, détection chocs, airbags...) ;

• un bus à vitesse moyenne pour gérer le moteur (commandes et capteurs) ;

• un bus lent pour gérer tous les accessoires (lampes, moteurs d’asservissements, boutons...).

Il existe sous deux versions :

• CAN2.0A : trame standard identificateur de 11 bits (CAN standard) ;

• CAN2.0B : trame plus longue avec identificateur sur 29 bits (CAN étendu).

Il existe également deux types différenciés par leur

débit :

• le CAN Low Speed ;

• le CAN High Speed.

3-2 Principe de l’arbitrage

Le procédé d'attribution du bus est basé sur le principe de "l'arbitrage bit à bit", selon lequel les nœuds en compétition, émettant simultanément sur le bus, comparent bit à bit l'identificateur de leur message avec celui des messages concurrents. Les stations de priorité moins élevée perdront la compétition face à celle qui a la priorité la plus élevée.



Les stations sont câblées sur le bus par le principe du "ET câblé". En cas de conflit c'est à dire émission simultanée, la valeur 0 écrase la valeur 1.

Dans l'exemple ci-dessus, trois stations émettent simultanément :

• la station 1 perd la compétition puis la station 3 ;

• seule la station 2 pourra transmettre.

On appelle donc "état dominant" l'état logique 0, et "état récessif" l'état logique 1. Lors de l'arbitrage bit à bit, dès qu'une station émettrice se trouve en état récessif et détecte un état dominant, elle perd la compétition et arrête d'émettre. Tous les perdants deviennent automatiquement des récepteurs du message, et ne tentent à nouveau d'émettre que lorsque le bus se libère.

3-3 Les signaux du bus CAN

La transmission des données est effectuée sur une paire filaire différentielle. La ligne est donc

constituée de deux fils. Et les niveaux logiques (récessifs et dominants) sont obtenus par la différence

de potentiel entre les deux voies CAN L et CAN H.

Les niveaux de tension sur CANL et CANH dépendent du type Low Speed ou High Speed du bus.

Ces niveaux de tension correspondent à un codage dit NRZ (No Return to Zero : il n’y a jamais de courant nul sur la ligne. La masse n’est plus utilisée et les niveaux logiques correspondent à 2 niveaux de tensions distincts).

Débit max: 125Kbits/s Débit max: 1Mbits/s

3-4 Constitution d’une trame en format standard

ANALYSER

Décoder une trame en vue d’analyser les différents champs

Une trame se répartie en 7 champs :



Le début de trame SOF (Start Of Frame), 1 bit dominant ; la ligne étant précédemment au repos.

Composée de 12 bits (zone d'identification de la trame (11 bits + RTR) :

• les 11 premiers indiquent l’identité du contenu du message, et servent également à l’arbitrage (gestion des priorités)

• bit RTR (Remote Transmission Request) : détermine s'il s'agit d'une trame de données (ex : régime moteur) ou d'une trame de demande de message (ex : demande de T° eau). Le bit à 0 (dominant) pour une trame de données et le bit à 1 (récessif) pour une trame de demande.

Champ de commande constitué de 6 bits :

• les 2 premiers serviront pour une éventuelle évolution du protocole (bits de réserve) ;

• les 4 derniers permettent de coder le nombre d’octets du champ de données .

Ce champ contient de 0 à 8 octets de données (64 bits maxi)

Zone CRC (Cyclic Redundancy Code) de 15 bits : Ces bits sont recalculés à la réception et comparés

aux bits reçus. S'il y a une différence, une erreur CRC est déclarée.

Zone d'acquittement (ACKnowledge) composé d'un bit à l'état récessif ainsi qu'un bit séparateur ACK.

Le premier bit doit être forcé à l'état dominant par les stations ayant bien reçu cette trame.

Zone de fin de trame EOF (End Of Frame), 7 bits récessifs (à l’état 1).

Remarque : 3 bits à l’état 1 séparent obligatoirement 2 trames consécutives



3-5 Trame au format étendu

Champ d’arbitrage :

• SRR (Substitute Remote Request).

• IDE (Identifier Extension bit) qui établit la distinction entre format standard (état dominant) et format étendu (état récessif).

• RTR (Remote Transmission Request) détermine s'il s'agit d'une trame de données ou d'une d'une trame de demande de message.

3-6 Exemples

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