4.6. Terepi szenzorbuszrendszerekA terepi szenzorbuszrendszerek az érzékelők jeleinek hálózati kezelésére, valamint a beavatkozók jelének hálózaton történő kiadására szolgálnak. Átalakítják a hagyományos PLC-k struktúráját, a nagyszámú be/ki modulok helyett egy hálózati kártya kerül a PLC-be, az érzékelők és beavatkozók közvetlenül a buszra csatlakoznak (4.54. ábra). Az érzékelő-beavatkozó jellegű buszok előnyei: nagymértékű kábelmegtakarítás és a nagyobb zavarvédettség. Fizikai átviteli közegként csavart érpár, koaxiális kábel és optikai kábel használatos. Egyes megoldásokban a tápfeszültséget is a buszkábelen továbbítják, sőt vannak olyan megoldások is, amelyek a 230 V-os hálózatot használják adatátviteli közegként. Utóbbi csak korlátozott frekvenciatartományban használatos, ami kis adatátviteli sebességet tesz lehetővé.  4.54. ábra. Hagyományos (a), ill. busz jellegű I/O kezelés (b)  

   

A be/ki jelek kezelése kétféle: a központi kezelésű, ill. az elosztott vezérlésű.A központi kezelés esetén a PLC-ben masterkártya van, amely a be/ki eszközökről a buszon érkező jeleket a PLC számára feldolgozhatóvá alakítja. A PLC-ben futó vezérlés nem látja, hogy az adatok a buszon kerültek oda. Ilyen feldolgozáshoz master-slave és multi-master hálózat egyaránt használatos.Az elosztott feldolgozási mód esetén az adatfeldolgozás vagy annak egy része az I/O eszközökön történik. Ily módon minden egység elvégzi a maga részfeladatát, adott esetben beavatkozik a folyamatba, és a hálózaton csak azokat az adatokat küldi tovább, amelyek más részfeladathoz is szükségesek.Az érzékelő/beavatkozó jellegű terepi buszok protokollhatékonysága szerint közlekedő adatokat két nagy csoportba lehet sorolni: be- és kimeneti adatok, ill. paraméterek. A be- és kimeneti adatforgalom jellemzői: 1-2 bit-től néhány bájtnyi adatmennyiség és előírt frekvenciájú mintavételezés. A paraméterbeállításokkal kapcsolatos adatforgalom rendszerint az intelligens egységek beállítására szolgál (pl. határértékek), és többnyire 10...100 bájtnyi adatforgalmat jelent. Ezen adatok átvitele nem időkritikus.Az érzékelő/beavatkozó típusú terepi buszrendszerek megfelelő protokolljának kiválasztása fontos szempont a részben ellentétes igények miatt. A két leggyakrabban használt átviteli protokoll a következő.

Az üzenetátviteli protokollt leginkább a master-slave buszhozzáférésnél használják. A 4.55. ábra szemléletesen mutatja a master által kiadott lekérdezések és az erre adott slave válaszok, valamint a master által küldött parancsok és az erre adott slave nyugtázások időbeni lefolyását egy ciklusidőn belül.  4.55. ábra. Üzenetorientált átvitel időviszonyai  

   

Függetlenül az átvitt hasznos adat mennyiségétől (1 bit ...10 Kbájt), a kommunikáció lebonyolításához szükséges adatokat (cím, CRC stb.) mindig elküldik. A nagyméretű, paraméter jellegű adatok átvitele is egyetlen ciklus alatt történik. Belátható, hogy a slave egységek számának növelésével nő a ciklusidő. Annak érdekében, hogy az üzenetorientált protokollal biztosítani lehessen a szükséges átviteli sebességet, meg kell növelni az órajel frekvenciáját, ami újabb problémákat vethet fel, például nő a zavarérzékenység.Az összegzőkeret típusú protokoll a hálózatba kötött összes elem adatát egyetlen nagy keretbe egyesíti. A protokollhoz tartozó ún. fejléc-információ minden ciklusban csakegyszer küld el. Az adatátvitel hatásfoka közel független a modulok számának növekedésétől, ezért optimális megoldás a nagyszámú, de igen rövid üzenetekkel dolgozó hálózaton. A ciklusidő könnyen számítható és tartható (4.56. ábra). A módszer hátránya, hogy a nagyobb adatblokkot igénylő paraméterek továbbítására nem előnyös.  4.56. ábra. Összegzőkeret-protokoll időviszonyai  

   

4.6.1. INTERBUSAz INTERBUS rendszert a Phoenix Contact cég fejlesztette ki, és 1993-ban DIN 12258 számon megjelent az INTERBUS S nemzetközi szabvány [22]. Az INTERBUS S főbb műszaki adatai a 4.7. táblázatban találhatók.  4.7. táblázat. INTERBUS S műszaki adatai  

   

Az INTERBUS gyűrűtopológiájú hálózat, de a hálózaton belül algyűrűket is létre lehet hozni a terminálmodulokkal. Bármely két modul között szabadon lehet választani az átviteli közeget. Az INTERBUS erőssége az összegzőkeret típusú protokollból következő nagy adatátviteli hatékonyság és a kiszámítható ciklusidő.Az INTERBUS hálózat gyűrűként van kialakítva és az üzenet minden egyes résztvevőn áthalad. A hálózat nagyméretű léptetőregiszterként képzelhető el úgy, hogy a regiszter egyik fele a masterben, másik fele elosztva a slave-ekben van. A slave-enkénti regiszterek mérete az eszköz funkciójától függ. A master és az egyes elemek regisztereinek összekapcsolásából áll össze a gyűrűstruktúra. A masterregiszter (memória) igénye megegyezik az összes modul adatainak összegével. A bemeneti, ill. kimeneti adatok a modulok (slave-k) fizikai sorrendjében követik egymást (4.57. ábra).  4.57. ábra. INTERBUS léptetőregiszter  

   

Minden ciklus a fejléccel kezdődik (Loop Back Word, LBW) és a master folyamatosan lépteti az adatokat egyik modultól a következőig, amíg a fejléc vissza nem érkezik a master-be. Ekkor a kimeneti adatok a megfelelő slave-eknél vannak, és azok beolvassák. Ugyanakkor a slave-ok beírják bemeneti adataikat az összesítőkeretbe, majd a master ismét addig tolja körbe az összesítőkeretet, amíg a Loop Back szó alapján fel nem ismeri, hogy a teljes INTERBUS telegramot áttolta a tolóregiszter megfelelő részébe. Ezután a PLC-feldolgozási művelete következik, amelynek végén a master beállítja a kimeneti értékeket, és a ciklus kezdődik elölről.

Az INTERBUS telegram felépítése a 4.58a ábra szerinti. A nagyobb adatmennyiséget igénylő paraméterátvitel jelentősen növeli a telegram hosszát. A paraméterblokk átvitele nem időkritikus, ezért átvitele több ciklus alattis megtörténhet. Ezt szemlélteti a 4.58b ábra. Ily módon a ciklusidő nem növekszik és nagyobb adatblokkok átvitele is lehetséges viszonylag alacsony órajel-frekvencia mellett, ami zavarvédelmi szempontból előnyös.  4.58. ábra. INTERBUS keretformátuma  

   

Az INTERBUS S konfigurálásakor először meg kell nevezni a csatlakoztatott résztvevőket. A szabványosítás ellenére az InterBus S kezelése egyszerű, mert szinte minden buszparaméter rögzített, és a tiszta I/O adatcseréhez nincs szükség szolgáltatásokra, szemben pl. a PROFIBUS-szal. Egy tipikus INTERBUS-kialakítást szemléltet a 4.59. ábra (Phoenix Contact).  4.59. ábra. Jellegzetes INTERBUS-kialakítása  

   

Az INTERBUS masteregysége lehet egy PC, vagy egy Phoenix Contact modul, de lehet szinte valamennyi PLC-gyártó cég INTERBUS csatolómodulja. Az INTERBUS nem kifejezetten érzékelő-beavatkozó busz, hiszen intelligens (smart) modulokat is tartalmaz, amelyek az elosztott adatfeldolgozást is lehetővé teszik. Az INTERBUS-nak saját érzékelő-beavatkozó busza van (Sensor Loop). Az érzékelőhurok egyszerű buszkapocs segítségével építhető be egy meglévő INTERBUS rendszerbe külön master nélkül sodrott érpárral. A Sensor Loop esetén a telegramban egy további buszkapocs jelenik meg, és az érzékelők hasznos adatai a telegramban lesznek. Az érzékelőhurok elemeinek információja az összesítőkeretet egy résztvevővel növeli. A 4.59. ábra szemléletesen mutatja a gyűrűtopológiájú INTERBUS-hálózatot és a Sensor Loop kialakítását.Az INTERBUS alapú vezérlés és kommunikáció programozását a PC-n futtatható PC WORX szoftver támogatja, amely három fő funkciót lát el:

– INTERBUS-konfigurálás;

– IEC 1131 szabványú programozás;

– folyamatvizualizálás.

4.6.2. ASI-buszAz ASI-busz tipikus beavatkozó-érzékelő (Actuator Sensor Interface) busz, amely kéteres vezetéken biztosítja a jelek kétirányú továbbítását, sőt ezen a vezetéken történik a tápfeszültség-ellátás is. Az ASI-busz 60, főként PLC-ket gyártó cég által támogatott szabvány. Az ASI-busz technológiájának filozófiai alapja az, hogy a PLC-PLC összeköttetések szintjéről az érzékelő- és beavatkozóelemek fizikai szintjére hozza le a kommunikációt. Ehhez egyrészt a buszra csatlakoztatható érzékelők és beavatkozók szükségesek, másrészt a PLC-be kell beépíteni azokat a funkciókat, amelyek a buszra csatlakozó elemek kezelését végzik. Ez tehát egy master-slave rendszer, ahol a PLC-be épített (ill. programozott) master lekérdezi a slave-ket. 31 slave csatlakoztatható egyetlen master-re, amit 5 ms alatt lekérdez a rendszer.Az ASI-csipDr. Madarász László megjelent cikksorozata [1] alapján a rendszer jellemzői a következők. Az ASI-busz fizikai közege speciális kéteres kábel. Különlegessége az aszimmetrikus profil (csak egy alkalmasan kiképzett csatlakozóba helyezhető), a nagy rugalmasság, ill. a speciális szigetelőanyag. A ,,vámpírcsatlakozó” felhelyezése után is megőrzi IP67-es védettségét, sőt a csatlakozó eltávolítása után is visszanyeri ezt a védettséget. A kéteres kábel szállítja a tápfeszültséget és leválasztó áramkör segítségével ez adja a PLC-kben lévő master-nek az információt. Az ASI-busz fizikailag egy integrált csip (4.60. ábra). Egyelőre az ASI-busz a kétállapotú jelek kezelésére alkalmas, az analóg interfészeket kezelő csipek fejlesztése folyik.

 

4.60. ábra. ASI-csip felépítése

 

   

Az ASI kábelen lévő feszültségből az ASI-csip tápegység áramköre állítja elő a szenzorok, aktuátorok működéséhez szükséges 24 V-os feszültséget (a tényleges tartomány 19...26 V), amelynek legnagyobb terhelése 35 mA. A kiegészítő 5 V-os tápfeszültség a saját belső elektronika működéséhez szükséges. Az ASI-csip 4 bitet fogadhat a master-től és 4 bitet tud visszaküldeni. Információt küldhet a master számára a belső állapotáról és beállítóparamétereket fogadhat a master-től. A csipben egy tápellátás-hiba-logika gondoskodik a hibamentes információkezelésről. A védő áramkör a termikus és túláramvédelmen kívül ún. Jabber-Inhibit (fecsegést kizáró) kapcsolási részletet is tartalmaz. Ez a slave-et leválasztja az ASI rendszerről, ha valamiért folyamatos adás alakul ki, a meghibásodott egység nem zavarja a rendszer működését. Az ASI-csipben lévő vezérlőegység dekódolja a master felhívását és generálja a slave válaszát, ami a buszvezetékre kerül. Ha adatfelhívás zajlik, a masterből érkezett adatokat érvényesíti, mint kimenő adatokat, és a slave által érzékelt bemenő adatokat a slave válaszába szerkesztve küldi azokat a masterhez.

Az ASI-csip négy adatpontját a csatolómodul, ill. a szenzor, aktuátor gyártásakor konfigurálják bemenetként vagy kimenetként. Az ASI rendszerben 16 bemenet/kimenet konfigurációt definiáltak, csak ezek valamelyike használható. A 16 lehetőséget a 4.8. táblázat mutatja be.  4.8. táblázat. Az ASI-csip bemenet/kimenet konfigurálása  

   

A táblázatból úgy tűnhet, hogy egyes konfigurációk többször is előfordulnak, így pl. a 3 és a B jelű bemenet/kimenet kód egyaránt két bemenetet és két kimenetet jelent. Mégsem azonos értékű ez a két eset, ugyanis a D0 jellege döntő az egység minősítésében, ez adja meg a slave funkcióját. Ha a D0 bemenet, a slave ézékelő, ha pedig a D0 kimenet, a slave beavatkozó. Az F kódolás azt jelenti, hogy nincs megkötött konfiguráció. A lehetséges ASI-egységeket profiljelzések formájában jellemzik az ASI rendszer kialakítói. A profiljelzés célja, hogy egységes, gyártófüggetlen készülékazonosítási rendszer jöjjön létre. A profiljelzés a slave-ben rögzített adat, a master-be a bekapcsolása után lefutó üzembevételi fázis során küldi a slave.Az ASI-csip paraméterek beállítását is lehetővé teszi (négy biten). A paraméterek standard értékét a master nem felejtő tárolóban őrzi, a rendszer újraindításakor az értékeket tölti be a slave egységeibe. A paraméterkezelés révén lehetséges pl. a szenzor kapcsolójelénél polaritást váltani, mérési tartományt módosítani, kapcsolási tulajdonságokat változtatni.A paraméterezés az ASI rendszerben újabb lényeges előnyökkel jár:– egyazon készülék (pl. szenzor) nagyszámú különféle paraméterezéssel használható, a készülék általános célú lehet, amit a paraméterezéssel lehet speciálissá tenni;

– az ASI rendszer üzeme közben, ha szükséges, bármikor váltható az egységek paraméterezése. Ez például érzékelőcserénél előnyös.

Minden slave címezhető, hogy a master egyedileg tudjon velük kommunikálni. A címzési tartomány: 1...31. Egy ASI-csatolómodul, egy intelligens szenzor mindig önálló címmel rendelkezik. Az ASI-csiphez kapcsolódó EEPROM-ban őrződik a cím, így tápfeszültség nélkül sem vész el, de szükség esetén átcímezhető. A cím az ASI rendszerbe szabályosan bekötött eszközzel beállítható a címzőfelhívással. Az ASI-kábelre csatlakoztatás előtt is beállítható a cím. Kifejezetten erre a célra gyártják az ASI címzőkészülékét. Ehhez közvetlenül csatlakoztatják a slave-egységet, s a készülék nyomógombjain lehet billentyűzni a kívánt címet. További címzési lehetőség a programozó- és szervizkészülék (PRG). A PRG is alkalmas az ASI rendszertől független címbeállításra, de az ASI-kábelre csatlakoztatva ez a készülék képes a master működését szimulálni, s így is címezhetnek vele (egyébként a készülék különféle slave-működéseket is szimulál).

Az ASI-busz világszabvány, amely minden gyártó számára nyitott. Az ASIC áramkörön alapuló ASI csipetvagy az érzékelőkbe vagy a csatlakozóba építik. A rendszer konfigurálása a PLC fejlesztőrendszerrel egyszerű: definiálni kell a csatlakoztatott elemeket. A továbbiakban a beépített önteszt ellenőrzi a rendszer működését.

Az ASI-csippel nem rendelkező elemek is csatlakoztathatók a rendszerhez úgy, hogy a passzív csatlakozót beépített ASI-csipet tartalmazó aktív csatlakozóval kell kiváltani, amely illeszti az adott érzékelőt az ASI-buszos hálózatra. Ezzel bármely gyártó érzékelő- vagy beavatkozóelemei alkalmazhatók a hálózathoz. A rendszer fejlesztői gondoltak arra is, hogy nem mindig elegendő a kisáramú igénybevételre méretezett ,,sárga” kábel alkalmazása. Motorindító relék, mágneskapcsolók esetén a ,,fekete” kábelt kell használni. A ,,piros” kábel pedig a 230 V-os hálózathoz alkalmas.Az ASI kódolástechnikájaAz ASI rendszerben az információ sorosan közlekedik, egy időben csak egy irányban (fél duplex), vagy a master-től a slave felé, vagy fordított irányban. Az adatbiteket Manchester-kódban kezeli a rendszer. E kódolás jellegzetessége, hogy az egyes bitek időtartama kötött. A 0 bitet a bitidő közepén kialakított lefutóél reprezentálja, az 1-et a bitidő közepénél lévő felfutóél. A megoldás előnye, hogy minden egyes bit átvitelekor (legalább) egy jelszintváltás van, az egymás utáni azonos bitek is jól felismerhetők. A kódot fogadó egységnél az időzítésekre kell csak ügyelni, ismerni kell a bitidők időpontját. A 4.61a ábrán egy adatbitsorozat és Manchaster-kódja látható.Az információadó a Manchester-kód 1 szintjénél jelentős áramot vesz fel a tápegységből, a 0 szintnél kikapcsol, az adó tápárama jeleníti meg a kódot. Az ASI-vezetéken a tápegység kialakításának köszönhetően pozitív és negatív feszültségimpulzusok formájában jelenik meg a kód (4.61b ábra) [1].

 

4.61. ábra. ASI kódolástechnika (a) és jelalakok (b)

 

   

A buszvezetékek jelsorozatát alternatív impulzusmodulációnak (Alternative Pulse-Modulation, APM) hívják. A vevőben komparátorok állítják vissza a Manchester-kódot, amit logikai áramkörök értékelnek, s végül így áll elő az adó által kiküldött eredeti bitsorozat.

Az adónál a tápáram két szintje 0 mA, ill. 60 mA (a tényleges áramérték 55...68 mA közötti lehet), a feszültségimpulzusok amplitúdója kb. 2 V. A bitidő kötött: 6 μsμs. A bitidő közepén alakul ki a vevő bemenetén a pozitív vagy negatív feszültségimpulzus (az információs bit értékének megfelelően). Ha két azonos értékű bit követi egymást, a bithatáron is megjelenik egy további (ellenkező előjelű) impulzus.Az ASI rendszer jelkábelvégeit nem kell speciális lezáróelemekkel lezárni, a hierarchiától függően a rendszerben nagyszámú szabad kábelvég is lehet. A rendszerben a csatolásmentesítést a tápegységben lévő RL-tagok valósítják meg. A rendszer különböző pontjainak vevőbemenetein különböző értékű lesz a feszültségimpulzus, de az ASI-egységek erre fel vannak készítve, ilyen körülmények között is hibátlanul működnek. A hibamentes, zavarérzéketlen működés alapfeltétele a teljes szimmetria. A hiányzó árnyékolás miatt a vezetékbe becsatolódó zavarok a szimmetria miatt azonos fázisú zavarként jelennek meg, így nem befolyásolják a működést. Az ASI-egységek fejlesztése és gyártása során különösen nagy hangsúlyt kell fektetni a tökéletes szimmetria biztosítására. A termékek vizsgálata során csak azok az egységek kapják meg az ASI-termék jelzésviselésének jogát, amelyek az igen szigorú szimmetriakövetelményeket is kielégítik az egyéb paraméterek teljesítése mellett.ASI üzenetformátuma és kommunikációjaAz ASI üzenetformátumát a 4.62. ábra mutatja [2].  4.62. ábra. ASI üzenetformátum  

   

Jelölések:

   

A 14 bites masterfelhívás tartalmazza a címet, ami a slave-eszközt kiválasztja. A megcímzett slave válasza 18...30 μsμs szünet után érkezik és 7 bitből áll.Az ASI rendszerben definiált legfontosabb masterfelhívások: címzőfelhívás, parancsfelhívás, paraméterfelhívás és adatfelhívás.A gyári új slave a 00h címre reagál. A címzőfelhívás szolgál az ASI-kábelre csatlakoztatott új egység üzemi címének beállítására (a cím beállítható az ASI rendszeren kívül is a címzőkészülékekkel vagy a programozó- és szervizkészülékekkel, PSG).

Ha már minden slave rendelkezik az üzemi címével, az ASI-kommunikáció üzemszerűvé válik. Jellemzője, hogy ciklikus. A Master minden ciklusban, sorban megszólítja (egy-egy adatfelhívással, ennek felépítését láttuk a 4.62. ábrán) a rendszerben szereplő valamennyi slave-egységet, és fogadja azok válaszát. A ciklus végén egy paraméterfelhívás és egy diagnózisfelhívás következik, s ezek után a ciklus újraindul (4.63. ábra) [2]. Komplett kiépítés esetén a teljes ciklus időigénye 5 ms.  4.63. ábra. A master-slave közötti ciklikus kommunikáció ütemezése  

   

A master-slave közötti kommunikáció időviszonyait a 4.64. ábra [1] szemlélteti.  4.64. ábra. ASI kommunikáció időzítése  

   

A master tárolt táblázatból ismeri a rendszerben szereplő slave-ek címét és jellegét. Ha egy adatfelhívás válasz nélkül marad, a master ezt felismeri, és megismétli a felhívást. Ha másodszorra sem érkezik válasz, a master továbblép a ciklusban, de megjegyzi az eseményeket. Még további két ciklusban fog a választ nem küldő slave-vel próbálkozni a master (kétszer-kétszer), így tehát összesen hatszor hívja fel a hibás egységet. Ha hatszor válasz nélkül marad a felhívás, az adott slave adatait a master törli a táblázatból.

Az adatkommunikáció biztonsága a kódolási eljárás következtében igen jó, az impulzusok jelalakja, időzítése számos olyan kötöttséget tartalmaz, amit a vevő ellenőrizni tud. A hamis jeleket ki lehet szűrni, a protokoll pedig paritásbitet is lehetővé tesz.

Ha mindezen intézkedések ellenére hibás információ érkezik, a vevő a hibát felismeri, s az információt nem használja fel. Ilyen esetben az adatátvitel ismétlése kérhető. Végül a rendszer maradó hibája igen alacsony értékre szorítható. Az ASI a DIN 19244 szabvány szerint a legnagyobb adatintegritási osztályba tartozik.

Az ASI-kommunikáció az üzembe helyezési fázissal indul, ami a master bekapcsolásakor automatikusan megkezdődik. A master az összes lehetséges ASI-címet sorban lekérdezi, és válaszra vár. Ha egy megcímzett slave válaszol, a paramétereit a master behelyezi egy belső táblázatba. A slave a profiladat beküldésével válaszol, a táblázatban tehát a felismert címek és a slave jellegét megmutató profiladatok vannak. A slave profilja számérték, ami a slave jellegét írja

le. Ha a táblázat elkészült, a master áttér az üzemszerű ciklusokra. Az indulás előtt a felhasználó egy tervezett slave-táblázatot is elhelyezhet a masterben. Az üzembe helyezési fázis során ekkor is felépíti a valódi helyzetnek megfelelő táblázatot a master, majd a két táblát összehasonlítja. Ha eltérést talál, indulási hibajelzést küld a felsőbb szintű vezérlőegységnek.

Ciklusonként egy paraméterfelhívásra van lehetőség, egy slave címére. A paraméter-felhívással, pl. a működési tartomány beállítható, a kapcsolási küszöbérték változtatható. A diagnózisfelhívásban olyan címeket kérdez le a master, amelyek nem szerepelnek a belső táblázatban. Ha az ASI rendszerhez működés közben csatlakoztatnak egy slave-elemet (amelynek beállított címe van), e ciklusok egyikére reagálni fog. Mivel a ciklus időtartama legfeljebb 5 ms, legkésőbb 150 ms (azaz 30 ciklus) múlva a master már beírhatja az új eszközt a táblázatába.

ASI kábele és tápegységeA rendszer csatlakozóit úgy alakították ki, hogy a két részből álló csatlakozó csak az ASI-busz speciális profilú kábelét tudja fogadni (4.65. ábra) [1].  4.65. ábra. ASI-kábel  

   

Az elektromos csatlakozást a különleges érintkezők adják, amelyek átszúrva a kábel szigetelőköpenyét tűikkel stabil elektromos kontaktust teremtenek, miközben megóvják a rendszer védettségét. A csatlakozót eltávolítva a kábel újra visszanyeri védettségét.

Az ASI-kábel jellemzői:– nem árnyékolt, nem sodrott kéteres lapos kábel;

– gyors csatlakoztatás, vámpírcsatlakozók;

– aszimmetrikus profil a polaritáscsere meggátolásához;

– vezeték-keresztmetszet: 2×1,5mm22×1,5mm2;– ajánlott hossz: 20, 50 és 100 méter;

– sárga kábel: adatátvitel; 24 V táplálás az érzékelőknek és a beavatkozóknak;

– fekete kábel: külön 24 V DC tápfeszültség;

– piros kábel: 230 V kiegészítő tápfeszültség.

Az ASI-busz szimmetrikus egyenfeszültségű tápegységének vázlata a 4.66. ábrán látható [1].   

4.66. ábra. ASI tápegység

   

A tápegység védővezetékét a technológiai műszerezés védőföldelésével kell összekötni, minimum 1,5mm21,5mm2keresztmetszetű vezetékkel. A kiegészítő tápfeszültség (a fekete kábelen át) 24 V egyenfeszültség. A gyártók különféle terhelhetőségű ASI tápegységeket kínálnak (a maximális terhelőáram értéke 2,2 A...7 A közötti). Az ASI tápegység bemeneti oldala lehet 24 V egyenfeszültség vagy 230 V hálózati feszültség. Az ASI tápegység a hálózat bármely pontján becsatlakoztatható, de az a legmegfelelőbb, ha a legnagyobb fogyasztású eszköz közelében kapcsolják az ASI-kábelre.Az ASI rendszer elemeiAz ASI rendszer főbb elemei:– ASI-master, amely végzi a kommunikációt a slave-k és a master között, és egyidejűleg küldi az információt a vezérlőegység vagy magasabb rendű buszrendszerek felé (PROFIBUS, Interbus stb.);– ASI tápegységmodul, amely a buszfeszültséget állítja elő és a slave-k adatleválasztásáról is gondoskodik;– ASI-slave-ek, intelligens szenzorok (pl. induktív és kapacitív közelítéskapcsolók, otptoelektronikai érzékelők, áramlásérzékelők stb.),– bemeneti-kimeneti egységek (slave-ek).Az ASI rendszer ún. egymaster-es rendszer (Single-Master System), azaz ASI érpárokon csak egyetlen master szerepű eszköz lehet. Ez hívja meg a ciklikus működés során egymás után az egyes slave-egységeket, és fogadja azok válaszát. A master az összes csatlakoztatott slave-elemet képes 5 ms alatt lekérdezni, azaz a master, ill. slave oldali adatok 5 ms-onként aktualizálódnak a működés során. A master felügyeli az ASI-kábelen a feszültségeket és az átvitt adatokat. Felismeri az átviteli hibákat éppúgy, mint egy slave-kiesést, ezeket az eseményeket képes jelenteni a fölérendelt irányítási szintű eszközöknek. Normál üzem közben megengedett egy slave eltávolítása vagy cseréje, új slave-egység beiktatása. A változásokat a master automatikusan követi s a pillanatnyi rendszerkonfigurációnak megfelelően működik. Az ASI-master két fő része a processzormodul és az analóg egység. A gyártók különféle megoldásokat ajánlanak a master felépítésére, így a felhasználó minden esetben az igényének leginkább megfelelő masterváltozatot integrálhatja a rendszerébe.A processzormodulban általában egy hatékony, általános célú mikrovezérlő a CPU (többnyire a 8051 mikrovezérlő család valamelyik tagja). A processzoregység feladata, hogy létrehozza az ASI rendszer és a fölérendelt irányítási szint közötti illesztést. Néhány processzormodulban különálló, gyors mikrovezérlőre bízzák az adatok párhuzamos-soros konverzióját, pl. egy Microcsip PIC 16C5x mikrovezérlőre. Az analóg egység végzi el az ASI-vezeték és a processzormodul közötti illesztési feladatokat. Vételkor a kötött bitidő, adatfelépítés, szabványos protokoll és a nagy biztonságot adó kódolás kihasználásával az analóg egység igen megbízhatóan dekódolja a vett jeleket, és logikai jelekké alakítja azokat. Adáskor a processzormodul digitális jeleiből az analóg egység állítja elő az ASI-kábelre kijutó jeleket. Az ASI-master leggyakoribb kialakítási lehetőségeit a 4.67. ábra foglalja össze.  4.67. ábra. ASI-master kialakításai  

   

Lehetséges master kialakítások:– PLC kiegészítő egységként kialakított master;

– magasabb irányítási szintet alkotó buszrendszerhez illesztőegységként kialakított master (pl. Profibus, Interbus, VME bus lehet a fölérendelt szinten);

– személyi számítógépbe helyezhető, bővítőkártyaként kialakított master;

– RS 232C szabványos soros vonalhoz illesztőegységként kialakított master.

Az ASI rendszer építési változataiAz alapelrendezésben minden slave párhuzamosan rákapcsolódik két csatlakozópontjával az ASI-kábel két erére. Ez az alapépítési forma is változtatható. A szokásos kialakításokat a 4.68. ábra szemlélteti. A leggyakoribb topológiák a csillag, a vonal és a fa.  4.68. ábra. ASI-slave felépítési topológiái  

   

Az alapelrendezés jellemzője, hogy minden ASI-résztvevő + pontja galvanikusan össze van kötve egymással, hasonlóképpen az összes résztvevő – pontja is. Látható, hogy a master, a tápegység és a slave-elemek a kábelrendszer bármely pontján csatlakoztathatók. Az alapelrendezés egyetlen komoly megkötése: az ASI-kábel összes hossza nem haladhatja meg a 100 m-t. Kiterjedtebb rendszer esetén ismétlő- (repeater-) egységet kell beiktatni az ASI rendszerbe (4.69. ábra).

  4.69. ábra. ASI-hálózat kialakítása repeaterrel  

   

Az ismétlő képes arra, hogy összekapcsoljon két ASI kábelrendszert. Az egyik kábelen megjelenő adatokat érzékeli, felerősíti és a másik kábelrendszerre kiadja. Logikai értelemben az ismétlővel összekapcsolt kábelrendszerek egyetlen ASI rendszerként működnek, áramkörileg azonban az egyes ASI-szegmensek galvanikusan függetlenek egymástól. Ez a magyarázata annak, hogy minden önálló ASI kábelszegmensre saját ASI tápegységet kell telepíteni (master továbbra is csak egyetlen lehet a teljes rendszerben). Egy ASI rendszerben akár több ismétlő is lehet, de a master és bármely slave között legfeljebb két ismétlőegység szerepelhet. Az ismétlőkkel erősített rendszerben az ASI-kábel teljes hosszúsága 300 m lehet.

Lehetőség van a slave-egységek összevonásával digitalizált analóg érték átvitelére is az ASI-slave-k összekapcsolásával. Az ASI-busz leginkább a szerelésautomatizálás és a mechatronikaterén terjedt el. Az ASI-busz nyitott rendszer, amelyhez máig 60 ország csatlakozott. Az egyik vezető vállalat a Groupe Schneider, amely új érzékelőit, kapcsolóeszközeit már az ASI-buszos technológiához gyártja. Az ASI-busz nagy alkalmazója a Siemens, amely a háromszintű informatikai rendszerének alsó szintjén használja az ASI-buszt.A PROFIBUS DP-hez DP/ASI csatolóval illesztett Siemens ASI rendszert mutat a 4.70. ábra, amelyen láthatunk példát az ASI csip nélküli és a csipes megoldására is. Az ASI modulok védettsége IP 67.  4.70. ábra. Kétszintű Siemens (PROFIBUS, ASI) rendszer felépítése  

   

4.6.3. CAN BusA CAN a Control Area Network rövidítése, kifejlesztése a Bosch és Intel cégek együttműködésének eredménye [8], [13], [25]. A CAN Bus kidolgozásánál az autóipari alkalmazásból eredően az alábbi célkitűzéseket fogalmazták meg:– az adatátviteli sebesség 5 Kbps...1 Mbps közötti legyen,

– a rendszer legyen képes rendkívül üzembiztos és hibamentes átvitelre,– az üzenetátvitel adattartalma legyen optimális arra a minimális adatmennyiségre, amely az autóipari érzékelők, beavatkozók kezelésére elegendő (0...8 bájt),

– a rendszer könnyen felépíthető és kezelhető legyen, az üzenetprotokollt kialakító elektronikai modulok tömeggyártásra alkalmasak legyenek,

– a buszkiépítés, az állomások csatlakoztatása egyszerű legyen.

Az adatátviteli sebesség meghatározásához a hathengeres motor 6000 n/min fordulata előgyújtási szögének két gyújtószikra közötti idejét (∼∼ 3,3 ms) vették a valós idejű működtetés alapvető követelményének. Az eredetileg autós felhasználásra tervezett CAN egyre jobban terjed ipari alkalmazásokban. A CAN-lapkákat a járművekben igen nagy számban használják, ezért a lapkaár alacsony. A CAN Bus főbb műszaki adatait a 4.9. táblázat [8] tartalmazza.  4.9. táblázat. A CAN busz műszaki adatai  

   

A CAN nem résztvevő-orientáltan (azaz címekkel), hanem üzenetorientáltan működik, vagyis az előállító/felhasználó típusú buszok csoportjába tartozik. Ha egy résztvevő adatokat akar küldeni, összeállítja és azonosítóval látja el a telegramot. Az azonosító csak egyszer létezik, ezért ha egy résztvevő felismeri azt a buszon, egyértelműen tudja, hogy mely adatok következnek. Így a busz minden résztvevője az azonosító alapján el tudja dönteni, hogy akarja-e venni az üzenetet, függetlenül attól, hogy ki küldi. CAN rendszerben tehát az adatok az azonosító révén tartalom szerinti címzéssel jutnak el a megfelelő vevőhöz. Minden vevőnek kellő ,,intelligenciával” kell rendelkeznie az adatok azonosításához.A CAN rendszerben az információ kódolása NRZ (Non Return to Zero) módszerű, tehát az egymás után következő 1-es bitértékek között a feszültségszint nem esik vissza nullára. Ennek előnye, hogy egy bit átviteléhez egy bitidő szükséges, viszont a bitszinkronizáció nehézkesebb, mint a minden bit átvitelénél átmenetet biztosító kódok esetén. Üzenetorientáltsága és a hozzáférési eljárás következtében a CAN különösen hasznos eseményvezéreltalkalmazásokban.A CAN 2.0.B szabvány szerinti üzenetkeretei:– normál üzenetkeret (4.71a ábra);– kibővített üzenetkeret (4.71b ábra);– kéréses üzenetkeret (4.71c ábra);– hibaüzenetkeret (4.71d ábra);– túlterheltség-üzenetkeret (4.71e ábra).  4.71. ábra. Üzenetkeretek bitfunkciói a CAN rendszerben  

   

A CAN üzenetkeretek bit- és bájtfunkcióiA CAN üzenetkeretek bitmezőinek felosztása: SOF (1 bit), arbitrációs mező (12 vagy 32 bit), ellenőrző mező (6 bit), adatmező (0...8 bájt), CRC-mező (16 bit), nyugtázómező (2 bit), EOF mező (7 bit).

START-bit (SOF, Start of Frame)A START-bit szerepe egyrészt a CAN résztvevők saját órajeleinek szinkronizálása, másrészt az üzenet indítása az első domináns (0) bit révén.

A buszvonal alaphelyzetben magas (1) szinten van és amennyiben valamelyik résztvevő használni kívánja, azzal kezdi az adást, hogy a vonalat alacsony, azaz 0 szintre húzza. Ez a feszültségszint-változás (1→01→0átmenet) azt eredményezi, hogy a többi résztvevő saját órajelét szinkronizálja az éppen adó egységéhez. Erre szükség van, mert az átviteli sebességhez szükséges órajelet minden résztvevő saját kvarcoszcillátora állítja elő, így ezeket szinkronizálni kell. Ahány jelátmenet van az üzenetben, annyiszor történik meg a résztvevők órajelének szinkronizálása. A mindenkori adó által a buszvonalra ültetett üzenet (bitfolyam) leolvasásához alapkövetelmény, hogy a vevő a saját órajeléből pontosan akkor képezze az olvasóimpulzust, amikor az egységnyi bitérték a bemenetén megjelenik (4.72. ábra).  4.72. ábra. NRZ kód mintavételezése  

   

A szinkronizálást a CAN-csip BTL (Bus Timing Logic) időzítőlogikája végzi úgy, hogy akár egyetlen bitidőn belül képes az olvasási idő beállítására. Az ún. kemény szinkronizálás a START-bit lefutóélére indul és üzenetolvasás közben is folyamatos utószinkronizálás történik, figyelemmel a vevőket összeköthető kábel jelterjedési idejére. Az NRZ-kód az egymás utáni azonos bitek esetén nem nyújt jelátmenetet, ezért a szinkronizálás biztosítására vezették be a bitbeültetési szabályt.A START-bit feladata a domináns bit előállítása. Ha a buszvonal szintje 1-es (recesszív), akkor mindig átírható 0-ra, de fordítva nem. Ennek az elvnek a felhasználásával valósíthatók meg a különféle jelzések (pl. adásigény, átviteli hiba) a rendszerben, hiszen elég a buszvonalat bármikor egy vagy több ütemnyi időre átírni 0-ra. Az átírást fizikailag a buszvonalat recesszív szinten tartó ellenállásosztóra kapcsolódó tranzisztorok végzik (4.73. ábra).   

4.73. ábra. A buszvonal áramköri kialakítása

   

ARBITRATION (döntési) bitmezőCAN rendszerben a buszhasználat jogosultságának eldöntésére és az adatok azonosítására szolgál a START-bitet követő arbitrációs bitmező. E mezőben található 11 + 1 bit (CAN 2.0.A) vagy 11 + 2 + 18 + 1 (CAN 2.0.B). Mindenkori 2-es számrendszerbeni értéke dönti el a buszhozzáférést úgy, hogy minél kisebb ez a számérték, annál nagyobb a buszhozzáférési prioritás. A tényleges arbitrációs bitek száma CAN 2.0. A esetén 11, CAN 2.0.B esetén 29.A CAN rendszerben nincsenek elsőbbséget élvező résztvevők, hanem az üzenetek tartalma között van prioritás, így mindig a magasabb prioritású üzenet kerül a vonalra. Mivel a domináns jel a 0, ezért a legmagasabb üzenet arbitrációs bitsorozatának számszerű értéke lesz a legkisebb a 2-es számrendszerben. Így az ilyen üzenetet adó résztvevő fogja alacsony szintre húzni a buszvonalat. Ehhez az üzenethez rendelt arbitrációs mező ugyanis a többi buszhozzáférést biztosító kezdeményezővel összehasonlítva a legtöbb domináns bitet tartalmazza a legmagasabb helyiértékeken.Az üzenetek prioritási sorrendjét a rendszertervezőnek kell meghatároznia és ennek megfelelően programoznia. Egy újabb állomás rendszerbe iktatásánál a prioritási sorrendet át kell programozni, kivéve amikor ez adja a legalacsonyabb prioritású üzenetet vagy csak vevőként fog üzemelni. Az üzenetek fontossági sorrendjének összeállítását és az arbitrációs kód meghatározását mutatja a 4.10. táblázat egy autóipari példán [25].  4.10. táblázat. Arbitrációs mező prioritásának meghatározása  

   

A táblázat bitkiosztása szerint a magasabb helyiértékű (itt sorszámú) bitek közül minél több domináns, annál fontosabb az üzenet, így annál magasabb prioritást élvez. Az X tetszőleges bitértékre utal. A többi buszvonalat használni igyekvő adó is folyamatosan összehasonlítja a busz pillanatnyi feszültségszintjét és a saját adását. Az első ötbitnyi időben mindhárom állomás ad jelet a vonalra. Amint valamelyik azt érzékeli, hogy az általa kiadott arbitrációs kód alacsonyabb prioritású, mint a buszon még adásjogért versenyzők bármelyikének kódja (azaz 1-est igyekezett a

vonalra felvinni és mégis 0-át érzékel), akkor visszalép és a továbbiakban már csak mint vevő figyel, hátha neki (is) szól az üzenet. Az ütközést elkerülő (CSMA/CA) buszhozzáférési eljárás biztosítja azt az alapfeltételt, hogy csak egyetlen üzenet lehet egy időben a buszvonalon. A buszhozzáférési jogosultság eldöntésének folyamatát három adni kívánó állomás esetében a 4.74. ábra szemlélteti.

 

4.74. ábra. Ütköztetés szemléltetése a CAN-buszon

 

   

A 4.74. ábrán megfigyelhető, hogy a különböző arbitrációs kódok esetén a legmagasabb prioritású üzenet (3. állomás) jelenik meg a buszvonalon. Az ábra szemléletesen mutatja, hogy a busz recesszív bitje mindig átírható dominánsra, de fordítva ez nem lehet. Elsőként a 2. állomás vált át adásról vételre az 5. bitidőben, majd az 1. a 2. bit idején. A vevők minden üzenetet vesznek, de csak a beérkezett üzenet nyugtázása után kezdik megvizsgálni, hogy nekik szól-e az üzenet az arbitrációs mező alapján. Ehhez a vevőknek kell rendelkezniük az ehhez a döntéshez szükséges ,,intelligenciával”, amit úgy érnek el, hogy az egyes vevők memóriájába a rendszertervező beprogramozza azon üzenetek vagy üzenetcsoportok kódját, amelyet a vevőnek el kell fogadnia. Így a címzés indirekt formájú.Egyetlen esetben történhetne sínkonfliktus két, a buszt használni igyekvő résztvevő között, ha mindketten ugyanazt az arbitrációs bitsorozatot ültetik a vonalra. Ez a határeset azért fordulhat elő, mert a rendszerben nem csak adatokat lehet egy üzenetben küldeni, hanem adatkérést (Remote Frame) is végre lehet hajtani. Az adatkérő üzenetkeret (4.71c ábra) bitfunkcióiból kiderül, hogy az adatmező hiányzik, hiszen adatkérésről van szó.Ha az egyik résztvevő éppen megkezdi azon adatok adását, amelyet egy másik résztvevő egyidejűleg kér, akkor az arbitrációs mezők azonossága miatt nem dönthető el, hogy ki jogosult a busz használatára. A döntést az arbitrációs mezőt lezáró RTR-bit (Remote Transmission Request, adatátviteli kérelem) hozza meg, hiszen adás esetén ez domináns (0), míg a kérelem esetén recesszív (1) értékű. Tehát az adatküldőé lesz a buszhasználati jog, így sínkonfliktus nem lép fel.A CAN 2.0.A rendszer normál üzenetkeretének (4.71a ábra) 11 arbitrációs bitje összesen 2048 azonosítókódot (identifier) tesz lehetővé, de ebből csak 2032 realizálható, tehát ennyiféle üzenet kapcsolódhat a buszvonalra. Nagyobb rendszer kialakítását biztosítja a CAN 2.0.B szabvány üzenetkerete, amelynél az arbitrációs bitek száma 29, ami elvileg 536 870 912 különféle üzenet továbbítását biztosítja. Ilyen nagyszámú üzenet esetén fennáll annak a veszélye, hogy az alacsony prioritásúak csak igen ritkán (szélső esetben sohasem) kapnának buszhasználati jogot, ami a rendszert lebéníthatja.A kibővített üzenetkeret az első 11 azonosítóbit után SRR (Substitute Remote Request, adatkéréspótló) bitet tartalmaz, amely a normál üzenetkeret RTR bitjét helyettesíti, de értéke mindig recesszív (1). A következő IDE bit (Identifier Extension, kibővítésazonosító) értéke egyértelműen mutatja, hogy normál (IDE domináns), vagy kibővített (IDE recesszív) üzenetformátumról van szó. A kibővített arbitrációs mező a normál keretben hasonlóan itt is RTR bittel zárul. Az SRR bit jelentősége, hogy segítségével egy közös buszvonalon mindkét üzenetfajta (normál, ill. kibővített) egyidejűleg használható megfelelő hardver- és szoftverfeltételek mellett. Az SRR bit csak akkor írható át dominánsra, ha a buszvonalért versengő használó az első 11 arbitrációs bit alapján a legmagasabb prioritású, ráadásul éppen adatközlő üzenetet akar küldeni. A verseny ebben a pillanatban eldől, hiszen az SSR bit domináns értéket vesz fel és ezzel úgy az alap-, mint a kibővített módot használó további résztvevők kiesnek a buszvonal megszerzéséért folytatott küzdelemből, vagyis erre az üzenetre már csak vevők lehetnek.Amennyiben a fentiek szerint látszatra adásjogot nyert állomás csupán adatkérő üzenetet szeretne küldeni, akkor a buszvonal használatáért folyó verseny még nem dőlt el, mert az SRR bit marad recesszív, a következő IDE bit értéke pedig megmutatja, hogy az arbitrációs mező és ezzel együtt a

verseny folytatódik-e a CAN 2.0.B kibővített formátumát használó állomások között. Ha a kibővített formátumot használó résztvevő versenyben maradt, mert első 11 azonosítóbitje megegyezett a normál rendszerbeli versenytársáéval, még mindig nem biztos, hogy az adásjogot is megszerezte. Csak akkor nyeri el a buszhasználati jogot, ha adatokat akar küldeni (RTR domináns), de ha adatkérést kísérel meg (RTR recesszív), akkor az alaprendszer adatkérése a győztes. A leírtakból kiderül, hogy a kettős üzemmódban mindig az alapváltozat (CAN 2.0.A) üzenetei élveznek feltétlen prioritást a bővített változattal szemben.CONTROL (ellenőrző) bitmezőA CONTROL bitmezőben elhelyezkedő 6 bit tartalmazza a rendszerkódot, valamint azt az összegkódot, amelyet az üzenetben soron következő adatmezőben található adatbájtok képeznek. Mivel a CAN rendszerben 0-8 bájt között változhat az adatmező kitöltöttsége, ezért az adathossz előzetes megadására 4 bit elegendő. A maradék 2 bit közül az első (IDE) domináns 0 értéke azt tudatja a résztvevőkkel, hogy a CAN 2.0.A rendszerben használt 11 bites arbitrációs formáról van szó, míg ennek recesszív értéke (1) a kibővített 29 bites CAN 2.0.B rendszer üzenetére utal. A második bit (r0) fenntartott (rezervált) bit, amely a továbbfejlesztéseknél jelentősek, értékük domináns, azaz 0. A CONTROL-mező a hibafelismerésben is fontos szerepet játszik, hiszen közli a vevővel, hogy hány bájtot tartalmaz az üzenet. Ha a vett üzenet adatbájtszáma eltér a CONTROL-mezőben megadott értéktől, akkor az átvitel közben hiba történt.DATA (adat-) bitmezőAz üzenet következő mezeje az adatmező. Ebben bájtokban össszefogott adatbitek találhatók úgy, hogy a bájtok száma 0-tól 8-ig rugalmasan változhat. A változó hosszúságú adatmező az egész üzenet hosszát is megváltoztatja, hiszen az adatkérés 0 adatbájtot tartalmaz, így az ilyen üzenet lényegesen (éppen 64 bitidővel) rövidebb, mint a teljes, 8 adatbájtot kihasználó adattovábbítás. Az üzenetek átviteléhez szükséges idő változik az adatmező hosszának függvényében.CRC (hibafelfedő) bitmezőA következő 15 + 1 bitet tartalmazó mező a ciklikus redundancia vizsgálatához szükséges kódot (CRC) tartalmazza. A CRC-kód képzéséről a „Ciklikus redundancia ellenőrzése”. szakaszban volt szó.A CAN rendszerben alkalmazott CRC segítségével H=6H=6 Hamming távolság érhető el. Számítások szerint a maradék hiba valószínűsége hv=2−15hv=2−15, azaz ∼3⋅10−5∼3⋅10−5. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy átlagos átviteli sebesség és üzenethossz esetén egy gépjármű teljes üzemi élettartama alatt az adott hibavalószínűség mellett kb. 300 a fel nem ismert hibás üzenetek száma, holott ennyi idő alatt megközelíthetőleg 10 000 000 üzenet átvitelére kerül sor.CAN-busz esetén a hibavizsgálat a következő: az adó a buszra kijuttatott üzenetből, míg a vevők a kapott üzenetből szigorúan azonos szabályok alapján 15 bitből álló CRC-kódot képeznek. Amennyiben a küldött és a vett értékekből számított CRC-kód megegyezik, a vétel hibátlan volt, ha nem, akkor hibajelzést kell generálni.ACKNOWLEDGEMENT (nyugtázó) bitmezőA nyugtázómező 1 + 1 bitből áll és arra szolgál, hogy a vett üzenet hibás vagy hibátlan voltát visszajelezze az üzenetet küldőnek. A két, eredetileg recesszív bit közül jelzőfunkciója csak az elsőnek van. Mivel az adó által kiküldött üzenetet minden vevő figyeli és ha bármelyik hibátlannak találja, akkor ezt az első (ACK, Slot) bitet 1-es értékről átírja 0-ra, azaz dominánsra. Így az adó figyeli saját adását, azonnal észleli, hogy legalább egy vevő hibátlannak itélte az adott üzenetet. Hibás üzenet esetén a vevő recesszív állapotban hagyja az ACK, Slot bitet, amiről az adó felismeri, hogy egyetlen vevőhöz sem jutott el kifogástalan üzenet, így azt meg kell ismételni. A második bit mindig recesszív és csupán a nyugtázómező végét jelzi.

EOF (End of Frame, keret üzenet/vége) bitmezőA CAN rendszerbeli üzenet keretformátuma egy üzenet vége mezővel záródik, ami 7 recesszív bitet (1) tartalmaz. Erről ismeri fel a vevő, hogy az üzenet véget ért. A következő üzenet megkezdéséig az előző üzenetet vevő egységeknek egy megadott idő szükséges a feldolgozáshoz, de legalábbis az adatok eltárolásához. A minimálisan szükséges idő három bitidő, amit egy közbenső (Interframe Space) mező biztosít. A következő üzenet kezdetéig lényegesen több idő is eltelhet, hiszen ez a mindenkori résztvevők üzenetküldési aktivitásától függ.

Az EOF-mezőben a bitbeültetési szabályt nem érvényesítik. A bitbeültetési szabály az egymást követő, azonos értékű bitek maximált számával függ össze. A CAN rendszer tervezői kikötötték, hogy egy adatkérő vagy adatküldő üzenetben a START-bit és a CRC-mező vége közötti bitsorozatban egymás után legfeljebb öt azonos bitérték fordulhat elő. Ez az igény elsősorban azért fogalmazódott meg, mert az NRZ bitkódolás miatt az egymás után következő azonos bitértékek esetén nincs meredek feszültségváltozás, ezért nincs a bitátvitel közben szinkronizálás, így előbb-utóbb hiba léphet fel az üzenet beolvasásakor a vevőnek az adóhoz viszonyított órajel elcsúszása miatt.

A bitbeültetési szabály alapján, ha az üzenet öt egymást követő recesszív (1), vagy domináns (0) bitet tartalmaz függetlenül attól, hogy folytatásként milyen bit következne, az adó egy ellentétes bitértéket iktat be. Ezt a beiktatott bitet a vevők értékeléskor kidobják a bitsorozatból, de erről a beiktatott bitről tudják, hogy a két üzenetfajta (adatközlő vagy adatkérő) valamelyike van a buszvonalon. A bitbeültetési szabály fennhatósága a két eddigi üzenetfajtánál a START-bittől kezdődően a CRC-mező záróbitjéig terjed.

CAN-üzenetekERROR (hiba-) üzenetA hibaüzenet (4.71d ábra) az egész rendszer működésére hat. Amennyiben legalább egy vevő ,,menetközben” felismeri a továbbított üzenet hibás voltát, akkor leadja a hibaüzenetet. Az üzenet hibajelzéssel kezdődik (Error Flag), ami hat domináns bit buszra jutását jelenti. Minden vevő azonnal felismeri, hogy az ún. ,,bitbeültetési” szabály sérült, hiszen legfeljebb öt azonos bit követheti egymást a szigorú előírások szerint.Amennyiben más vevők is ,,egyetértenek” a hibajelzéssel, akkor beültetnek még egy hibajelzést az üzenetbe, ezért a hibaüzenet minimum hat és maximum 12 domináns bitet tartalmazhat, majd nyolc recesszív bittel zárul. Ez a hibaüzenet vége, ami szintén kivétel a bitbeültetési szabály alól. A hibajelzés (6-12 domináns bit) megjelenésekor az üzenetet minden vevő automatikusan elveti, azaz érvénytelen üzenetként kezeli.

Célszerű megjegyezni, hogy az üzenetet adó is küldhet hibaüzenetet, hiszen az adás alatt saját kiadott bitsorozatát is folyamatosan hasonlítja össze a buszon lévővel (monitoring üzem), és eltérés esetén azonnal hibaüzenetet küld.

OVERLOAD (túlterheltség-) üzenetEz az üzenet (4.71e ábra) összesen két bitmezőből áll: a túlterheltség-jelző és az üzenet vége bitsorozatból. Ilyen üzenet két esetben jelenhet meg a buszon, ha valamelyik vevő feldolgozóprocesszora még egy kis időt ,,kér” a korábban kapott adatok kezeléséhez, vagyis nincs még kész új üzenet vételére, vagy ha az üzenetkeretek közötti szünetidőt (Interframe Space) biztosító három recesszív bit valamelyike helyett domináns bitet észlel. A túlterheltség-üzenet a következő üzenet buszra helyezését gátolja. A túlterheltséget jelző üzenet a hibajelzéshez hasonlóan hat domináns bitet juttat a buszra, majd ezt az üzenetet is nyolc recesszív bit zárja. A túlterheltség-üzenetet az Interframe Space első recesszív bitjének átírásával kezdi az egyik résztvevő, mire a többi, érzékelve a szünetidőben fellépő domináns bitet, leadja saját túlterheltség-üzenetét is, ami így összesen hét domináns bitre növekszik, majd az üzenet végét jelző nyolc recesszív bit jelenik meg, amelyekre nem érvényes a bitbeültetési szabály.A túlterheltség-üzenet domináns bitjei nem írják át az üzenet maradék részét, így nem is teszik azt használhatatlanná, hiszen a túlterheltségjelzés csak az üzenetek között fenntartott ,,pihenési” időben indítható.

A CAN rendszer kiváló hibafelismerő képességgel rendelkezik, jóllehet olyan alkalmazásokra szánták, ahol rendkívül magas zavarszintek is előfordulnak.

Tételezzük fel, hogy a CAN-buszon 500 Kbit/s a bitátviteli sebesség. Olyan a környezet (rendkívül erősen zavart), hogy 0,7 másodpercként fellép egyedi bithiba. Amennyiben a rendszer napi nyolc órát ,,dolgozna” és mindezt évente 365 napon keresztül tenné, akkor kereken 1000 évig tartó üzemidő alatt léphetne fel egyetlen olyan hiba, amit a rendszer nem ismerne fel. A hibakezelés megoldása olyan, hogy a hibás üzenetek nem vezethetnek hamisításhoz, hiszen nem is kerülnek feldolgozásra [25].Hibák felismerése a CAN rendszerbenBithiba felismeréseA bithiba felismerési hatóköre a Start-bitre, majd a Control-mező kezdőbitjétől a CRC-mező záróbitjéig terjed ki. Az arbitrációs mező azért kivétel, mert itt éppen a felismert bithiba ,,tudatja” az adni szándékozóval, hogy magasabb prioritású üzenet kerül a buszra, mint az övé, de ezért nem kell hibaüzenetet leadni.

A rendszer működésekor az összes résztvevő figyeli a buszon lévő adást, még az éppen üzenetet adó is, tehát azonnal felismeri, ha az általa adni kívánt bitérték helyett annak ellenkezője jelenik meg. Ekkor megszakítja adását és végrehajtja a szükséges hibakezelő rutint.

Bitbeültetési hiba felismerése

Amennyiben bármelyik résztvevő ezen szabály sérülését észleli, azonnal tudja, hogy adatátviteli hiba történt, tehát a felismerés pillanatában hibakezelő rutinra vált.

CRC-hiba felismeréseA CRC-hiba felismerési hatóköre a Start-bittől az adatmező záróbitjéig tart. Amennyiben a CRC-mezőben elküldött ellenőrző összeg és az üzenetvevő által számított vizsgálóösszeg nem egyezik, a vevő hibakezelő rutinra vált.

ACK-hiba felismeréseAmikor az üzenetadó azt tapasztalja, hogy a recesszív bitként küldött ACK-Slot bitet egyetlen vevő sem írta át dominánsra, vagyis minden vevő hibásnak ítélte, akkor átvált a hibakezelő rutinra.

Formai hiba felismeréseA rendszerben küldhető üzenetek szigorú formai előírásoknak tesznek eleget. Így például a CRC- és az ACK-mezők záróbitje és bármelyik üzenet végét jelző mező bitsorozata mindig recesszív. Ha akár csak egyetlen domináns bit is észlelhető, az egyértelműen átviteli hibát jelez. A formai hiba felismerése a hibakezelő rutint kiváltja.

Amennyiben a hibaüzenet egyetlen vevő részéről folyamatosan ismétlődik, ami automatikusan kiváltja az adó állandó üzenetismétlését is (a szabályok szerint a hibaüzenet megjelenése után 31 bitidővel később), akkor ez a vevő statisztikai elemzés alapján saját hibaüzenetét letiltja (error passive), mert meghibásodása valószínűsíthető, de a helyesnek ítélt üzeneteket továbbra is visszaigazolja, vagyis a rendszer többi eleme normálisan működhet tovább. Amennyiben a meghibásodás súlyosabb, akkor a sérült állomás képes önmagát lekapcsolni a buszról és teljes passzivitásra (bus passive) váltani.

Működési kritériumok, alkalmazási megfontolásokA CAN-szabvány kétféle sebességű változata terjedt el:

– kis sebességű CAN rendszer 5...125 Kbps;

– nagy sebességű CAN rendszer 0,5...1 Mbps.

Az első CAN integrált áramkört (AN 82526) az Intel cég fejlesztette ki. A CAN integrált áramkörök funkció szerint két csoportra oszthatók, CAN controller-ek és CAN transceiver-ek. A CAN controller a CAN protokollal kapcsolatos műveleteket végzi a beérkező és a kiküldött adatokon. A CAN transceiver a controller adatait alakítja a buszhoz és viszont. A CAN controller az alábbi feladatokat látja el.AdatküldésA mikrovezérlőktől kapott adatbájtok, arbitrációs mező, kontrollmező és az RTR bit mint elengedhetetlenül szükséges alapadatok ismeretében megtörténik a CRC-mező adatainak kiszámítása, az üzenet keretformába rendezése, a buszvonal ,,megszerzése”, az adatok elküldése, a monitoringüzem ellátása és a hibák kezelése és szükség esetén az üzenet ismétlése stb.

ÜzenetvételÜzenetvételnél a következő müveletek hajtódnak végre: a szinkronizálási folyamat fenntartása, az akceptanciavizsgálat (BasicCAN vagy FullCAN változattól függően a mikrovezérlőt jobban vagy kevésbé terhelve) elvégzése, a kontrollvizsgálat lefolytatása, a CRC-vizsgálat és ellenőrzés elvégzése, a vett adatok továbbítása a mikrovezérlőhöz stb.

A kétvezetékes CAN-busz egy CAN H és CAN L vezetékből áll. A két vezeték rendszerint bifiláris, azaz ellensodrott árnyékolatlan vagy árnyékolt kivitelű. A CAN-jelek zavarvédettségét az ellenfázisú jelek, a bifiláris kábelezés növeli. A CAN IC vevő bemenete differenciálerősítős kialakítású, tehát működtetéséhez szimmetrikus (ellenfázisú) jelet igényel. A CAN H és CAN L vezetékek feszültségviszonyait a 4.75. ábra szemlélteti.  4.75. ábra. CAN buszvonal feszültségszintjei  

   

A CAN H és CAN L buszvonalak közötti feszültségkülönbség értéke:– recesszív (1) bit átvitelekor 0V (max. 0,5 V), mivel mindkét vonal 2,5 V-on van,

– domináns (0) bit átvitelekor 2 V (min. 0,9), mivel a H vonal 3,5 V, az L vonal 1,5 V-on van.

A leírtak alapján a CAN transceiver feladatai:– vételkor a buszvonalakon érkező üzenetbiteket kell áttennie a controller által értelmezhető TTL szintre (0...+5 V),

– adáskor a controller TTL szintű kimenőjeleit kell átalakítani a 4.75. ábra szerinti CAN H és CAN L szintekre.Ezt szemlélteti a 4.76. ábra, ahol dd a domináns, rr a recesszív bitre utal.  4.76. ábra. CAN transceiver funkciója  

   

A vonali feszültségértékek tipikusak, de nem kötelezően előírtak. Például a 24 V-os táplálású haszonjárműveknél magas jelszintű transceiver-eket alkalmaznak, amelyeknél a vonalak közötti feszültségkülönbség az 1-es szint esetén 9 V, míg a 0 bitérték esetén 24 V. A magas jelszintű kialakítás alacsonyabb bitsebességet tesz lehetővé a jelfelfutás okozta elektromágneses zajok miatt, ugyanakkor nagyobb zajvédettséget biztosít.

A transceiver-ek döntő többsége akkor is működőképes marad, ha egy másik egység kimenete vagy akár saját vonalmeghajtó tranzisztorainak valamelyike zárlatossá válik. A CAN-szabvány igen szigorú előírásokat tartalmaz a buszkábelre. A maximális kábelhossz megadásánál nagyon fontos a jelterjedési idő. Az adó által kiadott domináns és recesszív bit a jelterjedési időt figyelembe véve különböző késéssel érkezik az egyes alállomásokhoz. Fontos, hogy az így kialakuló legnagyobb időkésés nem érheti el a mindenkori bitidő felét, hiszen az üzenet visszaigazolása ugyanazzal az időkéséssel jelenik meg a vevőtől az adóhoz. A CAN-hálózat kialakításánál a buszvonalhossz mellett a leágazáshossz is fontos. A leágazások reflexiós pontok, amelyek további csillapításokat és jelterjedési időnövekedést okoznak. Ezért a leágazókábelek hosszúságát is maximálják (4.77. ábra). Például 2 Kbps adatátviteli sebesség mellett a leágazókábelek egyenkénti hossza legfeljebb 2 m lehet, de ennél nagyobb sebességeknél már csak 0,3 m. A leágazások teljes hossza egyik esetben sem haladhatja meg a 30 métert [25].  4.77. ábra. Leágazásos állomáscsatlakoztatás CAN-busz esetén  

   

A CAN-processzorok közül a Microchip MCP 2510 CAN vezérlő felépítését mutatjuk be vázlatosan. Az áramkör blokkvázlata a 4.78. ábra szerinti [13].Az eszköz fő részei: a CAN protokollvezérlő (protocol engine), a vezérlőrész és az SPI protokoll-interfészblokk.  4.78. ábra. MCP 2510 CAN vezérlő vázlata  

   

A CAN protokollvezérlő kezeli a CAN-busz hozzáférési folyamatát, valamint az üzenetek vételét és adását. Ennek a része a CSMA/CA típusú buszhozzáférés-vezérlőlogika. A vezérlőegység főként a megszakításkezelést biztosítja, míg az SPI interfész (soros perifériaillesztő) révén tart kapcsolatot a külvilággal.

Több mikrovezérlőből álló CAN rendszer látható a 4.79. ábrán [13].

 

4.79. ábra. MCP 2510 CAN rendszer felépítése

 

   

Az ábrából kitűnik, hogy a CAN-busz főként mikrovezérlővel kombinált egységeket képes kezelni. A jövőben a CAN-busz nagy mérvű elterjedése várható. Erre utal a CAN-protokolltól eltérő, 1995-ben elfogadott CAN-openszabvány.