COMUNICAZIONI DIGITALI: i bus di comunicazione nel settore

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCATRONICA
______
TESI DI LAUREA TRIENNALE
COMUNICAZIONI DIGITALI:
i bus di comunicazione nel settore industriale
Relatore: Prof. DIEGO DAINESE
Laureando: MATTEO SCAPIN
Matricola 595247
ANNO ACCADEMICO 2011-2012
Indice generale
1 I bus di comunicazione digitale...................................................................................3
1.1.La comunicazione digitale......................................................................................3
1.1.1.Comunicazione parallela e seriale...................................................................4
1.1.2.Sincronizzazione e codifica.............................................................................4
1.1.3.Comunicazione sincrona e asincrona..............................................................5
1.2.I bus di comunicazione digitali...............................................................................6
1.2.1.Concetti generali e terminologia.....................................................................7
1.2.2.Sincronizzazione, timing e handshaking.........................................................8
1.2.3.Rilevamento degli errori e fault tolerance.......................................................9
1.2.4.Disadattamento di impedenza e Return Loss................................................10
2 PROFIBUS, Process Fieldbus....................................................................................12
2.1.Introduzione..........................................................................................................12
2.2.Caratteristiche e funzioni di base..........................................................................13
2.3.Profili di comunicazione.......................................................................................15
2.4.Tempo di risposta..................................................................................................17
2.5.Efficienza..............................................................................................................18
2.6.Fault tolerance, interoperabilità, sostituibilità......................................................18
2.7.PROFIBUS time-cycle..........................................................................................19
2.8.Esempi ed applicazioni.........................................................................................20
3 CAN Bus, Controller Area Network.........................................................................22
3.1.Introduzione..........................................................................................................22
3.2.Caratteristiche e proprietà.....................................................................................22
3.3.Il CAN Bus secondo il modello ISO-OSI.............................................................23
3.4.Comunicazione: caratteristiche e sensori..............................................................26
3.5. Struttura dei messaggi..........................................................................................27
3.6. Tipologie e gestione degli errori..........................................................................29
3.7.Esempi ed applicazioni.........................................................................................31
4 FlexRay........................................................................................................................32
4.1.Introduzione..........................................................................................................32
4.2.Caratteristiche principali.......................................................................................32
1
4.3.Topologia e layout del network.............................................................................34
4.4.Il protocollo FlexRay............................................................................................36
4.5.Communication cycle...........................................................................................37
4.6.Data Frame............................................................................................................39
4.7.Data Security and Error Handling.........................................................................40
4.8.Esempi ed applicazioni.........................................................................................40
5 Fibra ottica..................................................................................................................42
5.1.Introduzione..........................................................................................................42
5.2.Caratteristiche principali.......................................................................................42
5.3.Principio di funzionamento...................................................................................44
5.4.Tipi e applicazioni.................................................................................................46
5.5.Attenuazione e dispersione...................................................................................48
5.6.Applicazioni e prospettive future..........................................................................50
6 Conclusioni..................................................................................................................52
6.1.Bus a confronto.....................................................................................................52
6.1.1.PROFIBUS....................................................................................................52
6.1.2.CAN Bus.......................................................................................................53
6.1.3.FlexRay.........................................................................................................53
6.1.4.Fibra Ottica....................................................................................................54
6.1.5.Confronto conclusivo....................................................................................54
Bibliografia.....................................................................................................................55
2
CAPITOLO 1
I bus di comunicazione digitale
1.1.La comunicazione digitale
Con il termine comunicazioni si intende l'insieme delle discipline scientifiche e tecniche che si
occupano dello studio, della progettazione, della costruzione e dell'utilizzo di sistemi per la
trasmissione a distanza di informazioni rappresentate sotto forma di segnali elettrici.
La funzione di trasmissione è la caratteristica essenziale di qualsiasi sistema di comunicazione,
il cui scopo specifico è il trasferimento di dati (o informazioni) tra parti diverse.
La comunicazione può essere simplex (fig. 1.1 a), quando una parte trasmette ed una parte
riceve, o duplex, quando ogni parte può trasmettere e può ricevere.
Distinguiamo ulteriormente tra due tipi di comunicazione duplex.
In comunicazione full duplex (fig. 1.1 b), ambo le parti possono trasmettere simultaneamente.
Ogni sistema comprende sistemi reciprocamente indipendenti di ricezione e trasmissione. Tale
comunicazione richiede due canali separati di comunicazione.
Nella comunicazione half duplex (fig. 1.1 c), quando una parte trasmette, l'altra riceve e non può
trasmettere nello stesso tempo. Entrambe le parti utilizzano lo stesso canale bidirezionale per
trasmettere i dati.
Fig. 1.1: a) simplex; b) full duplex; c) half duplex.
Nella comunicazione elettronica distinguiamo tra comunicazione analogica e comunicazione
digitale. Nella comunicazione analogica i dati sono composti da segnali che cambiano con
continuità (onde acustiche, onde acustiche trasformate in onde elettriche, segnali radio e simili).
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Nella comunicazione digitale, i segnali sono composti da stati distinti (tensione diversa o livelli
di corrente senza livelli intermedi). I dati sono composti da bit (cifre binarie, 0 o 1) che
compongono numeri binari a 8-bit, chiamati byte, o numeri a 16-bit chiamati word.
L'uso della comunicazione digitale sta oggi aumentando sia nel campo industriale sia nei settori
della telefonia, della televisione e dell'automotive: i segnali analogici sono convertiti in numeri
binari e trasmessi sotto forma di segnali digitali.
1.1.1.Comunicazione parallela e seriale
Nella comunicazione parallela i bit costituenti l'informazione vengono trasmessi su più linee
contemporaneamente. Il sistema che trasmette può essere connesso al sistema ricevente con un
cavo a conduttori multipli nel quale ogni conduttore trasmette 1 bit del numero binario. Per
esempio per trasmettere numeri binari a 8-bit è usato un cavo a 8 fili, e un segnale di massa è
usato in modo che i livelli di tensione di entrambi i sistemi siano allineati sullo stesso livello di
riferimento. Ogni conduttore costituisce un canale di comunicazione.
La comunicazione parallela è adatta per distanze estremamente brevi. Quando è necessario
trasmettere dati su distanze lunghe si preferisce usare un minor numero di canali di
comunicazione. Si usano pertanto tipi diversi di comunicazione – linee telefoniche,
comunicazione wireless (in cui ogni frequenza costituisce un canale di comunicazione),
comunicazione ottica e comunicazioni infrarosse (IR).
Nella comunicazione seriale i bit vengono trasmessi in sequenza su una sola linea, uno dopo
l'altro. Questo rallenta la velocità di comunicazione (almeno in rapporto alla comunicazione
parallela), ma permette la trasmissione di dati su distanze molto lunghe (inclusa la
comunicazione via satellite). Inoltre, rispetto alla comunicazione parallela, la comunicazione
seriale è più economica.
1.1.2.Sincronizzazione e codifica
I bit possono essere trasmessi usando numerosi metodi di codifica. Il termine codifica si
riferisce al modo in cui i bit sono rappresentati nella trasmissione delle stringhe di impulsi.
Lo scopo è far sì che la trasmissione possa avvenire alla massima velocità consentita affinché il
ricevitore possa ricevere e decodificare correttamente le informazioni.
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Questa velocità dipende anche dal tipo di canale di comunicazione.
Il compito principale della codifica è identificare quale bit è 0 e quale 1.
Un primo metodo è la trasmissione completamente binaria o bipolare, nel quale esiste un
impulso specifico per il bit 0 e un altro per il bit 1: il bit 1 può essere spedito come un impulso
di segno positivo e il bit 0 come un impulso di segno negativo. Quando non c'è nessun impulso,
la linea è a tensione di 0 Volt.
Un altro metodo è chiamato trasmissione semi-binaria o unipolare, nel quale vi è un impulso
solamente per il bit 1, mentre i bit 0 sono espressi dall'assenza di impulsi.
Un terzo metodo è chiamato trasmissione a gruppo di bit o multi-livello. In questo metodo ogni
impulso rappresenta più bit. Questo è possibile se sono disponibili più livelli di tensione in cui
ciascun livello rappresenta una combinazione diversa di bit. Per esempio, se gli impulsi hanno
quattro livelli di tensione, questi possono essere usati per rappresentare le quattro possibili
combinazioni di due bit, come illustrato in fig. 1.2.
Fig. 1.2: Con quattro livelli di tensione disponibili, ogni livello è rappresentato da una combinazione di 2 bit.
1.1.3.Comunicazione sincrona e asincrona
La comunicazione sincrona è definita solitamente come comunicazione nella quale, insieme con
i segnali dati trasmessi sulla linea dati, dei segnali di clock vengono trasmessi su una linea
separata, per indicare quando campionare la linea dati e identificarne i bit.
Questo tipo di comunicazione viene usata, ad esempio, tra una tastiera (che contiene un
controllore indipendente) e un computer.
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Nella comunicazione sincrona vi è sincronizzazione a livello di bit: la linea cambia stato con
ogni bit, permettendo al ricevitore di re-sincronizzarsi con ciascun bit, rilasciando un impulso di
clock per ogni bit nei dati.
Nella comunicazione asincrona ogni sequenza di bit trasporta informazioni sufficienti alla sua
decodifica, con opportuni bit di start e stop: dopo l'identificazione del bit di avvio, il ricevitore
testa la linea e acquisisce i bit. La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore avviene
solamente a livello di byte, e la linea cambia stato solamente quando c'è un cambio del valore
dei bit sulla linea.
1.2.I bus di comunicazione digitali
Un sistema computerizzato è costituito da un numero di componenti distinti: processori,
memorie e periferiche. Questi componenti devono condividere e scambiarsi informazioni
costituite da istruzioni o dati, e affinché ciò sia permesso è necessario fornire un mezzo fisico
per il trasferimento delle informazioni e stabilire un set di regole mutualmente condivise che
governino la comunicazione. Questa combinazione di regole (bus protocol) e mezzo fisico per il
trasporto di segnali costituisce un bus.
I bus giocano un ruolo significativo nell'integrazione di sistemi di acquisizione real-time e
sistemi di controllo, dove forniscono l'interfaccia tra un computer e gli strumenti che misurano e
controllano i fenomeni fisici del mondo esterno. La parola bus è spesso utilizzata in un senso
più ristretto per indicare qualsiasi tipologia di interconnessione lineare.
Un bus protocol base definisce le regole che governano l'uso del bus per il trasferimento di byte
e word di dati tra dispositivi. Il modo in cui questi tasselli di informazione sono raggruppati e
interpretati può essere anch'esso soggetto di ulteriori regole, ad esempio la sintassi e la
semantica dei messaggi passati attraverso il bus. Tali regole possono essere applicate da
procedure software invocate da linguaggi computazionali di alto livello, che forniscono
un'appropriata interfaccia all'utente.
Pur non esistendo un bus adatto ad ogni applicazione, le ragioni tecniche per l'esistenza di
decine di tipologie di bus sono difficili da trovare. Spesso considerazioni di mercato conducono,
secondo una propria logica, al design di nuovi bus.
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1.2.1.Concetti generali e terminologia
I trasferimenti delle informazioni su un bus sono inizializzati dai bus master. Potendo esserci più
master sullo stesso bus vi è la necessita di risolvere eventuali conflitti tramite un processo di
arbitraggio. Solamente a un master per volta, detto bus master corrente o commander, è
consentito il controllo del bus. L'access latency (latenza di accesso) è il tempo impiegato dal
master per prendere controllo del bus e il bus tenure (possesso del bus) è l'intervallo di tempo
nel quale il bus è occupato da un commander.
Un commander può dare inizio al trasferimento dei dati tra dispositivi chiamati listeners e
talkers, o, più generalmente, partecipare al trasferimento con uno o più slave. Uno slave viene
selezionato dal commander immettendo nel bus informazioni di indirizzo: gli slave comparano
queste informazioni con un set di indirizzi validi internamente noti e, se trovano corrispondenza,
diventano connessi. Indirizzi che portano alla connessione di più slave sono detti broadcast
addresses.
Il termine generico utilizzato per rappresentare master e slave connessi a un bus è dispositivo.
Un dispositivo può agire come master e come slave, ma non contemporaneamente.
Una volta connessi, gli slave diventano responder e partecipano al trasferimento delle
informazioni con il commander. Quando il trasferimento è completato, il commander termina la
connessione con i responder, che diventano quindi disconnessi.
Fig. 1.3: Struttura concettuale di una comunicazione tramite bus.
Questa sequenza di azioni – creazione della connessione, trasferimento dei dati, interruzione
della connessione – viene detta transaction (transazione). Un commander può successivamente
cedere il controllo del bus o continuare con altre transaction.
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Le transaction sul bus sono sincronizzate tramite informazioni temporali che indicano quando
indirizzi e dati sono validi. Inoltre quasi tutti i bus possiedono meccanismi per generare segnali
di interrupt. Un interrupt corrisponde a una richiesta di attenzione, fatta da un dispositivo sul
bus a un altro dispositivo.
L'ammontare delle informazioni che fluiscono tra dispositivi che implementano un bus protocol
è spesso molto grande. Per ridurre il numero di linee bus separate richieste per tali informazioni
si ricorre a varie tecniche di multiplexing e time-sharing. Il rischio di degradare le performance
utilizzando tali tecniche deve essere bilanciato con il potenziale risparmio dovuto all'utilizzo di
meno linee.
1.2.2.Sincronizzazione, timing e handshaking
Una volta guadagnato il controllo del bus, il commander procede all'adempimento del bus cycle.
Un bus cycle coinvolge lo scambio di informazioni tra commander e responder, dove
l'informazione può essere un indirizzo, una word di dati, o entrambi se non vi è multiplexing.
Segnali di timing (temporizzazione) sono utilizzati per indicare quando l'informazione è valida e
sono generati sia in modo sincrono che asincrono.
In un sistema con bus asincroni il commander invia un impulso (strobe timing signal) per
indicare la validità dell'informazione sulle linee del bus e il responder restituisce un segnale per
confermare la ricezione (acknowledge timing signal). Tale segnale accompagnato dai dati per
un'operazione di lettura, permette al commander di sapere che il responder ha risposto. Tale
meccanismo è chiamato handshaking.
L'handshaking avviene quindi tra un talker (il commander) e un listener (il responder) che si
interscambiano segnali per regolare la velocità, i protocolli di compressione, di controllo degli
errori e le regole mutualmente valide prima di iniziare la trasmissione vera e propria.
Maggiore è la complessità dell'handshaking, minore è la velocità del sistema.
Nella maggior parte dei sistemi a bus sincroni, un segnale di clock è generato centralmente e
inviato a tutti i dispositivi collegati al bus. I cambiamenti dello stato delle linee del bus
avvengono solo ad istanti di tempo fissati dal clock. La durata del bus cycle è impostata dalla
frequenza di clock, regolata a sua volta dal dispositivo più lento collegato al bus. Per evitare
questa riduzione delle performance generali del sistema si possono utilizzare dei protocolli di
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attesa (wait protocol). Ad esempio, un responder può inviare un segnale di attesa (wait signal)
finché non è pronto ad eseguire l'azione richiesta. I dispositivi che rispondono velocemente non
richiederanno alcuna attesa mentre i dispositivi più lenti impiegheranno svariati periodi di clock
prima di essere in grado di rispondere.
I meriti relativi dei sistemi a bus sincroni ed asincroni sono soggetto di molte controversie.
Considerazioni di marketing sembrano spesso pesare più di serie questioni tecniche.
1.2.3.Rilevamento degli errori e fault tolerance
Quando le informazioni vengono trasferite tra i vari dispositivi esiste una possibilità che la
configurazione di bit recuperata possa risultare diversa da quella originale.
Gli errori possono essere introdotti dalla presenza di rumore e interferenze durante la
trasmissione dell'informazione attraverso un bus. Poiché la frequenza di tali errori è in generale
molto bassa, la maggior parte dei bus è sprovvista di sistemi di rilevamento degli errori.
I moderni bus ad alte performance generano e controllano uno o più bit di parità per bus cycle:
questo metodo semplice di rilevazione degli errori si basa sul principio che se tutte le
configurazioni di bit elaborate presentano un numero dispari di 1 e ne viene individuata una con
un numero pari, allora c'è la possibilità che si sia verificato un errore. Per garantire che tutte le
configurazioni contengano un numero dispari di 1 è necessario aggiungere davanti al bit più
significativo (MSB, Most Significant Bit, il bit più a sinistra) un bit di parità, che corrisponde ad
un 1 o ad uno 0 a seconda che la configurazione iniziale abbia un numero pari o dispari di 1.
Quando viene rilevato un errore di parità legato a un indirizzo, la richiesta di connessione viene
ignorata. Quando, invece, viene rilevato un errore di parità legato ai dati, si procede alla
ritrasmissione dell'informazione.
Questo metodo ha tuttavia dei limiti nel rilevamento di più errori su una stessa configurazione di
bit. Per questo sono stati sviluppati sistemi di rilevazione più avanzati detti codici a ridondanza
ciclica (CRC, Cyclic Redundancy Codes).
Il CRC si basa su un algoritmo che calcola un codice binario, detto cyclic redundancy code,
come risultato di alcune operazioni aritmetiche e logiche sui dati. Questo codice è inviato
insieme ai dati attraverso il bus, e il ricevente esegue le stesse operazioni verificando che il
risultato coincida con quello ricevuto: se ciò non si verifica si è in presenza di un errore. Le
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moderne implementazioni del CRC non eseguono i calcoli con delle formule, ma utilizzano
delle tabelle preformattate per velocizzare il processo.
Oltre alla trasmissione degli errori, nei dispositivi collegati al bus si possono verificare delle
anomalie. Una considerazione importante riguarda la vulnerabilità del sistema a un singolo
punto di fallimento e quanto rapidamente il sistema può essere riconfigurato.
Un'anomalia che fa passare a un dispositivo un segnale indesiderato influenza tutti i dispositivi
successivi collegati, mentre un'anomalia a un dispositivo che chiede un interrupt o la
partecipazione a un ciclo di arbitraggio non influenza direttamente l'attività degli altri
dispositivi. I sistemi che supportano la riconfigurazione software tramite tecniche quali la reallocazione degli indirizzi logici, permettono l'isolamento dei dispositivi difettosi o la
sostituzione con unità di standby.
Molti dei nuovi sistemi includono un bus seriale provvisorio che fornisce un percorso
alternativo al bus principale nel caso di fallimento dei dispositivi. Questo sistema rende più
facile l'individuazione e la correzione di condizioni di anomalia. Il bus seriale può essere
utilizzato anche durante le normali operazioni per trasportare messaggi di interrupt e monitorare
le performance del bus principale.
1.2.4.Disadattamento di impedenza e Return Loss
Se il segnale propagandosi incontra delle discontinuità (connettori, deformazioni, ecc.) viene in
parte riflesso a causa del disadattamento di impedenza. Il return loss è un parametro che
quantifica la perdita di potenza dovuta alle riflessioni sulla linea, e si esprime come il rapporto
tra la potenza incidente (Pi) del segnale inviato e la potenza del segnale riflesso (Pref) alla
sorgente.
Espresso in dB, il return loss è:
RL=10log
 
Pi
P ref
[ dB ]
Maggiore è il valore di RL, minore è l'energia del segnale riflesso.
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Il return loss è un modo efficace per caratterizzare il disadattamento della linea, soprattutto
quando le riflessioni sono piccole.
Fig. 1.4: a) attenuazione del segnale di ingresso per disadattamento della linea; b) attenuazione e distorsione per
effetto eco
Come si può osservare in fig. 1.4, il segnale che percorre la linea viene in parte riflesso a causa
delle discontinuità dell'impedenza del canale, e l'energia riflessa riduce la potenza del segnale
trasmesso.
Può verificarsi anche un effetto eco quando il segnale riflesso non viene completamente
assorbito dalla sorgente e una nuova tensione si sovrappone ai segnali presenti sulla linea, dando
luogo a un'ulteriore distorsione del segnale iniziale.
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CAPITOLO 2
PROFIBUS, Process Fieldbus
2.1.Introduzione
Il PROFIBUS è un sistema di comunicazione digitale con un ampio range di applicazioni, ed è
adatto sia per operazioni veloci e temporalmente critiche sia per complesse operazioni di
calcolo. Nato dal lavoro combinato del governo tedesco e di alcune tra le industrie leader alla
fine degli anni '80, il PROFIBUS è oggi la tecnologia più diffusa nel settore dei bus di campo.
Fig. 2.1 – Logo PROFIBUS
I requisiti che deve soddisfare un bus di campo sono assai diversi. Nell'industria di processo le
linee di produzione sono spesso "ibride". I processi primari caratterizzati da operazioni come
reazione, miscelazione o separazione vengono combinati con le applicazioni dei processi
secondari, della logistica di ingresso o della logistica di uscita (identificazione, trasporto, prova,
imballaggio o stoccaggio).
Per l'automazione di processi, in ambienti spesso aggressivi, dannosi per la salute o a rischio
d'esplosione, sono di fondamentale importanza il collegamento diretto di apparecchiature a
sicurezza intrinseca con relativa alimentazione tramite il mezzo trasmissivo nonché l'elevato
contenuto informativo della comunicazione. Per le applicazioni manifatturiere sono invece
importanti la velocità e la funzionalità deterministica.
Il PROFIBUS può soddisfare tutte queste esigenze come bus di campo attualmente unico al
mondo. Con tecniche di trasmissione combinabili tra di loro, un profilo di comunicazione
uniforme e profili applicativi addizionali per le tipiche funzionalità delle apparecchiature, il
PROFIBUS è in grado come nessun altro bus di campo di collegare tra di loro in modo
omogeneo la produzione di processo e la produzione manifatturiera.
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Una simile architettura di bus omogenea offre un enorme risparmio economico. La riduzione dei
costi riguarda la tecnica costruttiva, il montaggio e il cablaggio ma anche la pianificazione,
l'engineering, la messa in servizio, il test e la documentazione.
2.2.Caratteristiche e funzioni di base
Nell'industria di processo, la trasmissione convenzionale dei segnali tra i sensori e i moduli di
ingresso/uscita del sistema di controllo è realizzata tramite collegamenti punto a punto paralleli
con conduttori in rame. Al contrario, i sistemi a bus di campo come il PROFIBUS consentono la
comunicazione digitale tra il sistema di controllo e le apparecchiature nel campo tramite un
unico bus seriale (fig. 2.2). La conseguente riduzione dell'onere di cablaggio e dell'hardware di
ingresso/uscita rappresenta un enorme potenziale di risparmio.
Fig. 2.2 – Confronto fra trasmissione convenzionale a conduttori paralleli e trasmissione PROFIBUS con singolo bus
seriale.
Una caratteristica del PROFIBUS è la comunicazione deterministica (fig. 2.3), caratterizzata
dalla trasmissione ciclica di dati di processo e dall'inoltro aciclico di dati di progettazione, di
allarme/interrupt e di diagnostica. I PROFIBUS utilizzano un metodo di comunicazione detto
token-passing (passaggio del testimone): nella rete sono presenti più master, ma solo uno di essi
è attivo in ogni momento. La comunicazione è simile al meccanismo master-slave, e la cessione
del token avviene in modo voluto, ciclico o in caso di rottura del master attivo.
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La finestra temporale per la comunicazione aciclica viene considerata automaticamente nella
progettazione. Se il volume di dati in arrivo è maggiore della capacità di questa finestra, la
comunicazione aciclica con un nodo viene ripartita su più cicli.
Fig. 2.3 – Comunicazione deterministica su PROFIBUS
Il contenuto di informazioni notevolmente maggiore della trasmissione digitale implica ulteriori
vantaggi quali la comunicazione bidirezionale e una precisione molto elevata (risoluzione di 32
bit).
Il PROFIBUS è un bus semplice, robusto e affidabile, che può essere ampliato online e
impiegato in ambienti standard non critici come pure in aree a rischio d'esplosione.
Come bus aperto universale il PROFIBUS gestisce sia comunicazioni veloci con
apparecchiature da campo intelligenti decentrate, sia
comunicazione e contemporanea
alimentazione d'energia per trasmettitori e attuatori.
Grazie al suo concetto modulare con tecniche di trasmissione complementari, un protocollo di
comunicazione omogeneo ed una molteplicità di profili sovrapposti per applicazioni specifiche
(DP/PA, I/O remoti per PA, PROFIsafe, sistemi di identificazione o di pesatura/dosaggio), il
PROFIBUS può essere impiegato sia nell'industria manifatturiera sia nell'industria di processo.
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2.3.Profili di comunicazione
I profili sono utilizzati nelle tecnologie dell'automazione per definire specifiche proprietà e
comportamenti di famiglie di dispositivi e sistemi.
Il PROFIBUS ha un design modulare e offre un range molto ampio di profili applicativi,
coprendo così diverse esigenze per applicazioni specifiche.
La tecnologia PROFIBUS si è evoluta attraverso varie revisioni, che in alcuni casi hanno
portato a nuove tipologie di PROFIBUS.
I due profili di comunicazione più diffusi sono il PROFIBUS DP e il PROFIBUS PA (fig. 2.4)
Fig. 2.4 – tecniche di trasmissione con profili PROFIBUS DP e PROFIBUS PA
Il PROFIBUS DP (Decentralized Periphery) è il profilo più diffuso, progettato per elevate
velocità di trasmissione (fino a 12 Mbit/s) e brevi tempi di reazione (fino a 1 ms), ed è quindi
perfettamente adatto all'impiego per il comando diretto di apparecchiature da campo intelligenti,
come avviatori di motore, apparecchiature di analisi, regolatori di processo o pannelli operatore.
Il PROFIBUS DP può essere realizzato tramite tecniche di trasmissione elettrica semplici ed
economiche, sulla base di un cavo schermato a due fili (RS 485), o tecniche di trasmissione
ottica con cavi in fibra di vetro o di plastica, per la trasmissione veloce di grandi quantità di dati
in ambienti fortemente inquinati da disturbi e su grandi distanze.
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Con moduli OLM (Optical Link Module) è possibile la realizzazione di una rete ottica in
struttura lineare, ad anello o a stella. In questo caso la struttura ad anello garantisce
automaticamente la tolleranza da rottura conduttore (rete fault-tolerant). La distanza tra due
OLM può arrivare fino a 15 km. In virtù della trasmissione ottica pressoché senza perdite
d'energia, l'estensione complessiva della rete è limitata solo dai tempi di propagazione dei
segnali.
Il PROFIBUS PA (Process Automation) è un profilo orientato al controllo di processo che
standardizza il metodo di trasmissione dei dati misurati, ed è progettato specificatamente per
l'utilizzo in ambienti pericolosi.
Il PROFIBUS PA consente la trasmissione digitale di dati e la contemporanea alimentazione di
energia, prestandosi perfettamente all'impiego nell'industria di processo per l'integrazione diretta
di apparecchiature come attuatori pneumatici, elettrovalvole o sensori per la misura e l'analisi.
Nonostante la velocità relativamente bassa di 31,25 kbit/s, il tempo di comunicazione tipico di
un trasduttore di misura è di circa 10 ms. Sono pertanto realizzabili tutte le applicazioni tipiche
dell'industria di processo, anche con impianti molto estesi.
Esiste anche un profilo per la comunicazione tra apparecchiature orientate alla sicurezza nel
campo, chiamato PROFIsafe.
Il profilo PROFIsafe viene implementato come strato software addizionale nelle
apparecchiature e nei sistemi, senza che siano modificati i meccanismi di comunicazione
standard di PROFIBUS. E' pertanto possibile impiegare senza modifiche le apparecchiature
PROFIsafe in rete PROFIBUS, insieme ad apparecchiature standard, a scelta anche ridondanti.
Fig. 2.5 – comunicazione PROFIsafe tramite lo stesso bus.
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Come mostrato in fig. 2.5, dati standard e orientati alla sicurezza vengono trasmessi con
PROFIsafe tramite lo stesso cavo di bus. Una comunicazione senza collisioni è possibile tramite
un sistema di bus con componenti di rete indipendenti dal mezzo trasmissivo.
PROFIsafe riconosce una molteplicità di possibili errori nella comunicazione seriale – ritardo,
perdita, ripetizione o alterazione di dati, sequenze errate, indirizzamenti errati.
PROFIsafe rileva questi errori mediante numerazione progressiva dei telegrammi di sicurezza,
timbratura oraria per i telegrammi in arrivo e relativo riconoscimento, identificazione di
trasmettitore e ricevitore, salvataggio supplementare dei dati (Cyclic Redundancy Check).
2.4.Tempo di risposta
Un requisito cruciale nelle applicazioni a bus di campo è legato al tempo di risposta. In altre
parole deve esserci la garanzia che il sistema di comunicazione soddisfi una richiesta di
trasmissione dati entro un intervallo di tempo massimo, possibilmente molto breve. Nel caso dei
PROFIBUS significa minimizzare il ritardo massimo che si presenta tra l'inoltro di una richiesta
di servizio al network e la ricezione del corrispondente messaggio.
Il PROFIBUS supporta uno schema a due livelli di priorità: i frame con alta priorità hanno
sempre la precedenza su quelli a bassa priorità, e un master può inviare al massimo un
messaggio ad alta priorità ogni volta che ottiene il controllo del bus (token).
Le trasmissioni a bassa priorità e il polling con gli slave possono essere eseguiti solamente se il
tempo di ciclo del token misurato è inferiore a un tempo di ciclo stabilito. In questo modo un
messaggio ad alta priorità può soffrire di un ritardo massimo che è fortemente dipendente dal
tempo di ciclo del token.
E' utile notare che le richieste a bassa priorità sono accodate nel trasmettitore, e sono eseguite
dal network solamente quando le trasmissioni urgenti lo permettono.
Il livello ad alta priorità può essere utilizzato solo con le connessioni acicliche convenzionali, in
modo che il polling ciclico degli slave possa essere ritardato quando la quantità di traffico
urgente sia molto elevata. Lo standard raccomanda che il livello ad alta priorità venga utilizzato
esclusivamente da eventi veramente importanti.
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2.5.Efficienza
I bus di campo sono particolarmente orientati alle applicazioni che richiedono uno scambio
periodico di piccoli pacchetti di informazioni, con una frequenza che può essere molto elevata.
Il termine efficienza è utilizzato per esprimere il ratio tra l'ammontare dei dati utili trasmessi
attraverso il network in un time cycle e il numero di bit richiesti per trasmettere tali
informazioni.
Nei PROFIBUS, quando viene stabilita una connessione ciclica master-slave, il trasferimento
delle informazioni avviene solo quando nuovi valori nei dati diventano disponibili nel
trasmettitore; i ricevitori (slave) hanno una copia locale di ognuno dei dati coinvolti nella
trasmissione, e tale copia è aggiornata ogni qualvolta un nuovo valore viene recepito. Se il
valore è invariato rispetto a quello nel buffer locale del ricevitore, lo slave risponde al master
con un segnale di acknowledgement molto breve per comunicare la ridondanza delle
informazioni. Questo meccanismo permette di limitare l'occupazione della banda del sistema,
evitare la trasmissione di dati ridondanti e mantenere i messaggi che viaggiano sul network più
brevi possibili, massimizzando così l'efficienza del bus.
2.6.Fault tolerance, interoperabilità, sostituibilità
Le prime cinque fonti di guasti nei bus di campo sono: terminazioni, alimentazioni, cablaggio,
errori di configurazione, interfacce danneggiate o non certificate.
Il meccanismo di token ad anello dei PROFIBUS è sicuro contro perdita, corruzione dei dati o
guasti. I dispositivi sono liberi di entrare o lasciare l'anello logico in qualsiasi istante.
L'interoperabilità del PROFIBUS (fig. 2.6 a) consente all'utente di far funzionare in coesistenza
su un controllore apparecchiature da campo di produttori diversi.
Sulla base della descrizione (tramite file di testo GSD o tramite EDD, Electronic Device
Description) fornita dal produttore dell'apparecchiatura è possibile, con opportuni strumenti di
engineering, definire le caratteristiche e le funzioni della comunicazione ciclica master-slave e i
parametri specifici della comunicazione aciclica (come la diagnostica o la visualizzazione di
valori di misura).
Un ulteriore caratteristica dei PROFIBUS è la sostituibilità (fig. 2.6 b): grazie ad un profilo PA
indipendente dal produttore, è possibile sostituire apparecchiature PROFIBUS aventi un
determinato profilo con apparecchiature equivalenti di un altro produttore.
18
Fig. 2.6 – a) interoperabilità di apparecchiature di produttori diversi; b) sostituibilità di trasduttori di pressione di
produttori diversi.
2.7.PROFIBUS time-cycle
Lo scambio ciclico di valori variabili è una delle principali caratteristiche dei bus di campo. La
capacità di campionare dati dai sensori e inviare comandi agli attuatori a una frequenza
sufficientemente alta per un elevato numero di applicazioni a controllo automatico dipende da
quanto efficientemente un network esegue un trasferimento ciclico.
Si può quindi utilizzare come indice di analisi delle performance il tempo trascorso tra due
scambi successivi della stessa variabile ciclica.
Per un PROFIBUS l'espressione del time cycle TC è data da:
NM

Hi
T C =∑ T TC ∑ T
i=1
j=1
Li
high
MC i , j
∑ T
k =1
Ri
 low 
MC i ,k
retry
∑ T MC
i,l
l =1

Dove NM è il numero dei master nella rete, TTC è il tempo di ciclo del token e TMCi,n è il tempo di
ciclo del messaggio n-esimo inviato dall'i-esimo master. Hi, Li e Ri sono rispettivamente il
numero dei messaggi ad alta priorità, a bassa priorità e di retry inviati dall'i-esimo master in un
ciclo.
Per minimizzare il valore di TC è necessario che tutte le trasmissioni vadano a buon fine
(assenza di retry) e che tutti i messaggi siano inviati alla priorità più bassa.
19
2.8.Esempi ed applicazioni
La Norsk Hydro Energy gestisce la più grande piattaforma per l'estrazione di petrolio e gas nel
Mare del Nord, in Norvegia. Questa piattaforma doveva essere modernizzata durante l'esercizio.
Lo scopo era quello di convertire gradualmente l'impianto esistente con un sistema di controllo
di processo con una comunicazione realizzata tramite PROFIBUS.
La struttura d'impianto progettata è così omogenea fino al livello di campo. Oltre alla periferia
standard decentrata viene collegata a PROFIBUS anche la periferia di ingresso/uscita orientata
alla sicurezza. Con la sua struttura di profilo PROFIBUS soddisfa tutte le esigenze per il settore
applicativo descritto.
I vantaggi della soluzione PROFIBUS partono dall'interoperabilità e la sostituibilità, grazie ai
quali la completa modernizzazione dell'impianto è stata eseguita durante l'esercizio evitando
l'interruzione del processo di estrazione.
Tramite PROFIBUS è stato collegato un grande numero di punti di misura. La possibilità di
continuare ad utilizzare le periferiche esistenti ha rappresentato per Norsk Hydro Energy
un'elevata protezione degli investimenti già fatti.
Fig. 2.7: Norsk Hydro Energy - Oil & Gas Plattform, Norvegia
20
Presso la Bitburger Brauerei Th. Simon, fabbrica di birra in Germania, vengono prodotte
giornalmente quasi 200000 bottiglie di birra di vario tipo. La Bitburger Brauerei adotta già dal
1992 soluzioni di automazione basate su PROFIBUS.
Per la modernizzazione dell'impianto doveva essere impiegato un PROFIBUS PA, che nel 1997
aveva dimostrato per la prima volta tutta la sua validità nell'automazione delle cantine di
fermentazione e di stoccaggio.
Nell'impianto automatizzato, la comunicazione tra controllori e periferia di processo avviene
tramite PROFIBUS. Le apparecchiature da campo intelligenti vengono integrate via PROFIBUS
PA.
In virtù delle possibilità offerte per la realizzazione di sistemi multimaster, PROFIBUS era
perfettamente adatto all'impiego per il progetto. A salvaguardia degli investimenti già fatti è
stato possibile combinare parti dell'impianto già esistenti con parti completamente nuove.
L'accoppiamento e il disaccoppiamento di apparecchiature PROFIBUS PA è stato possibile
senza influenzare altri nodi di comunicazione.
Grazie all'impiego di PROFIBUS i costi sono risultati inferiori di oltre il 50% rispetto alla
tecnologia convenzionale. La comunicazione omogenea tramite PROFIBUS ha comportato
ulteriori vantaggi per Bitburger: oltre all'elevata precisione di misura ed alla gestione coerente
dei dati in tutto l'impianto, vi è il vantaggio di una maggiore efficacia della diagnostica, della
manutenzione preventiva e di quella ordinaria.
Fig. 2.8: Bitburger Brauerei Th. Simon - Birreria, Germania
21
CAPITOLO 3
CAN Bus, Controller Area Network
3.1.Introduzione
Nel 1986 la Bosch, su richiesta del gruppo Mercedes e di BMW, cercò di risolvere gran parte
dei problemi che si riscontravano nella diffusione delle informazioni tra i sempre più numerosi
dispositivi elettronici presenti all'interno di un'autovettura (Air Conditioning Control, Antiblock
Braking System, Traction Control, ecc.).
Nacque così il CAN Bus, il più noto e diffuso tra i bus di campo di livello inferiore.
La larga diffusione del protocollo CAN in questi venticinque anni ha determinato un'ampia
disponibilità di chip ricetrasmettitori, di microcontrollori che integrano porte CAN, di tools di
sviluppo, oltre che una sensibile diminuzione del costo di questi sistemi, fattore determinante
per far sì che uno standard si affermi nell'ambito industriale.
3.2.Caratteristiche e proprietà
Il CAN (Controller Area Network) è un protocollo di comunicazione nato in ambito
automobilistico, ma ora usato sempre più anche in ambito navale e in ambiente industriale.
Il CAN Bus è un bus seriale di comunicazione digitale con un livello di sicurezza molto elevato.
I diversi nodi di una rete, che comunicano tra loro attraverso un doppino intrecciato, non hanno
un indirizzo specifico, e pertanto possono essere aggiunti o tolti senza dover riorganizzare il
sistema.
Il metodo di comunicazione è di tipo multi-master, in cui tutti i nodi possono essere master e
tutti possono chiedere in qualsiasi istante di trasmettere sul bus. Per risolvere i conflitti ogni
nodo è dotato di un identificativo, che determina la priorità che il dispositivo ha nella
competizione per accedere al bus, e in base all’identificativo il ricevente decide se processare il
dato o meno.
22
Fig 3.1 – Velocità di trasmissione massima in un CAN Bus in relazione alla sua lunghezza.
Dal grafico di fig. 3.1 si osserva che per distanze inferiori ai 40 metri, il CAN Bus opera con
una velocità massima di trasmissione (bit rate) pari a 1 Mbit/s, mentre per distanze più lunghe la
velocità si riduce, sino ad una distanza massima di 1 km alla quale può operare con un bit rate di
50 kbit/s.
Il successo del CAN Bus è dovuto ai notevoli vantaggi tecnologici che offre: tempi di risposta
rigidi, semplicità e flessibilità del cablaggio, alta immunità ai disturbi, elevata affidabilità,
confinamento degli errori. Il maggior punto di forza del CAN Bus è, infatti, l’incredibile
capacità di gestire gli errori: il meccanismo di rilevamento degli errori e la capacità di gestirli e
di ritrasmettere i messaggi è affidata all’hardware. Se un nodo si guasta potrebbe mettere in crisi
l’intero sistema: il protocollo CAN fa sì che il nodo guasto si autoescluda dal sistema, evitando
così inconvenienti dovuti alla sua presenza.
E' stato calcolato che una rete basata su CAN Bus operante a 1 Mbit/s, con un'utilizzazione
media del bus del 50%, una lunghezza media dei messaggi di 80 bit e un tempo di lavorazione
di 8 ore al giorno per 365 giorni l'anno, avrà un errore non rilevato ogni 1000 anni. Praticamente
la rete non è soggetta ad errori per tutta la durata della sua vita.
3.3.Il CAN Bus secondo il modello ISO-OSI
Facendo riferimento alla schematizzazione in livelli definita dall'ISO (International Standard
Organization) col progetto OSI (Open System Interconnection), il CAN Bus implementa
solamente il Physical Layer (livello fisico) e il Data Link Layer (livello Data Link), ovvero i
due livelli più bassi della pila ISO-OSI (fig. 3.2).
23
Fig. 3.2 – pila ISO-OSI.
Lo scopo principale del Data Link Layer è di trasformare una trasmissione grezza in una linea
per il livello superiore che appaia libera da errori di trasmissione non segnalati. Dato che il
Physical Layer accetta e trasmette sequenze di bit senza far riferimento al loro significato o alla
loro struttura, è compito del Data Link Layer creare e riconoscere i limiti dei pacchetti.
Il Data Link Layer ha, inoltre, l'importante compito dell'arbitraggio nella competizione per la
contesa del canale trasmissivo da parte dei vari nodi che, contemporaneamente, ne richiedono
l'utilizzo. Durante la fase di arbitraggio, ogni stazione trasmittente confronta il livello del bit
trasmesso con il livello monitorato sul canale. Se i due bit coincidono il nodo continua la
trasmissione, altrimenti l'unità interrompe immediatamente l'operazione.
Il Data Link Layer è implementato attraverso altri due livelli (fig. 3.3): l'Object Layer (livello di
oggetto) ed il Transfer Layer (livello di trasferimento).
Fig. 3.3 – suddivisione del Data Link Layer secondo il modello ISO-OSI.
L'Object Layer si occupa del filtraggio dei messaggi ricevuti: in una comunicazione broadcast
tutti i nodi ricevono gli stessi pacchetti, e di volta in volta devono essere scartati quelli non
rilevanti per il nodo considerato. Inoltre l'Object Layer si occupa della gestione dei messaggi da
trasmettere e dell'interfaccia con l'Application Layer (il livello più alto della pila ISO-OSI).
24
Il Transfer Layer definisce le modalità di trasferimento: formato dei messaggi, arbitraggio,
segnalazione e correzione degli errori, esclusione dei nodi mal funzionanti, validazione dei
messaggi.
Le proprietà dell'Object Layer dipendono dal particolare hardware che lo implementa, mentre le
caratteristiche del Transfer Layer costituiscono il nucleo del protocollo CAN e sono quindi
rigidamente specificate.
La definizione dell'Application Layer è infine lasciata interamente al progettista (non è
standardizzato), al quale spettano i dettagli dell'interfacciamento degli utenti verso il bus.
Secondo il modello ISO-OSI il Physical Layer si occupa del trasferimento dei bit di
informazione tra nodi differenti all'interno di una rete, e deve quindi essere lo stesso per tutti i
nodi. Il Physical Layer deve anche specificare il mezzo trasmissivo: nel CAN Bus deve essere
un singolo canale bidirezionale, che può essere di tipo differenziale o a cavo singolo.
Solitamente si usa un doppino intrecciato, schermato o meno a seconda della rumorosità
(elettrica e magnetica) dell'ambiente.
Il Physical Layer si divide in tre sottogruppi: PLS, PMA, MDI.
Il PLS (Physical Signaling) si occupa della temporizzazione e sincronizzazione dei segnali sul
bus. Per la sincronizzazione utilizza la tecnica del Bit Stuffing (fig. 3.4) che consiste
nell'aggiungere, ogni volta che si hanno 5 bit consecutivi, un bit complementare (Stuff Bit).
Prima di essere scartato in ricezione, viene utilizzato per la sincronizzazione.
Fig. 3.4 – Bit Stuffing nella sincronizzazione dei dati in un CAN Bus.
Il PMA (Physical Medium Attachment) definisce la struttura di ogni nodo CAN e come esso è
connesso al Bus.
25
Il nodo CAN è composto da tre parti principali (fig. 3.5): il Transceiver, che rileva lo stato del
bus valutando la differenza di tensione tra CAN_H e CAN_L; il CAN Controller che trasmette e
riceve dati seriali dal microprocessore al bus (e viceversa); il Microcontroller che costituisce il
cuore del nodo CAN e gestisce tutte le operazioni che la periferica deve svolgere.
Fig. 3.5 – struttura di un nodo in un CAN Bus.
Il MDI (Medium Dependent Interface) stabilisce le caratteristiche elettriche e fisiche
standardizzate che devono avere il cavo del bus (tipo di media, impedenza di uscita, ritardo
della linea, ecc.) e il connettore che collega il nodo al bus.
3.4.Comunicazione: caratteristiche e sensori
La comunicazione nei CAN Bus avviene tramite dispositivi intelligenti, ovvero sensori o
attuatori in grado di produrre dati autonomamente per poi immetterli sulla linea.
Questa tipologia di apparecchiature è in grado, inoltre, di richiedere e utilizzare i dati prodotti da
un altro dispositivo intelligente.
I sensori intelligenti, prima di inviare un dato, svolgono determinati compiti: amplificazione del
piccolo segnale d'uscita dal sensore vero e proprio, traslazione del segnale in un range
opportuno per la conversione analogico-digitale (A/D), elaborazione ed emissione dei dati sul
bus.
26
Fig. 3.6 – layout e componenti di un sensore intelligente.
Come si può osservare in fig. 3.6, un nodo intelligente ha un processore e una memoria per
gestire ed elaborare autonomamente i dati.
I singoli microcontrollori sono provvisti di memoria RAM, eprom, convertitore A/D e di un
interfacciamento con i dispositivi esterni.
3.5. Struttura dei messaggi
Nel protocollo CAN esistono cinque differenti strutture di messaggi: Data Frame, Remote
Frame, Interframe Space, Overload Frame, Error Frame.
Il Data Frame (DF) è il tipo di messaggio più diffuso e permette la trasmissione dei dati da un
nodo trasmettitore (TX) a tutti gli altri, che si comportano quindi come ricevitori (RX).
Ciascun nodo decide separatamente se ritenere rilevanti i dati ricevuti o se scartarli.
Come si può osservare in fig. 3.7, il Data frame e' costituito da 7 campi.
Fig. 3.7 – Struttura del Data Frame in un CAN Bus.
27
Lo Start of Frame (SoF), costituito da un solo bit, segnala l'inizio di un messaggio e ha una
funzione di sincronizzazione per tutti gli altri nodi che riconoscono l'inizio della trasmissione.
L'Arbitration Field è costituito da 11 bit dell'identificatore del contenuto del messaggio più un
bit RTR (Remote Transmission Request) che distingue fra richiesta o trasmissione di un dato: se
si ha contemporaneamente la richiesta di un dato e la trasmissione dello stesso, la richiesta viene
abortita. Il Control Field è costituito da 6 bit, di cui 4 servono a specificare il numero di byte di
cui è composto il messaggio vero e proprio e 2 sono riservati per eventuali espansioni del
protocollo. Il Data Field contiene i dati veri e propri, per un massimo di 8 byte.
Il CRC Field è costituito da 16 bit, di cui i primi 15 contengono la sequenza di controllo (Cyclic
Redundancy Check) mentre l'ultimo è un bit di delimitazione.
L'ACK Field è costituito da 2 bit, uno detto ACK Slot ed uno di delimitazione detto ACK
Delimiter. Se il codice di ridondanza ciclica non rivela la presenza di un errore, il nodo mette un
bit nell'ACK Slot del Data Frame attuale.
L'End of Frame (EoF) è costituito da 7 bit che indicano la fine del Frame.
Il Remote Frame serve a sollecitare l'invio di un determinato Data Frame da parte di un nodo
interrogato. Il nodo trasmettitore interessato risponderà con un Data Frame contenente
l'informazione richiesta nel campo Data Field. La struttura del messaggio (fig. 3.8) è molto
simile a quella di un Data Frame, con l'assenza del Data Field.
Fig. 3.8 – Struttura del Remote Frame in un CAN Bus.
Il terzo tipo di messaggio per il CAN Bus è l'Interframe Space, che precede ogni Data Frame e
Remote Frame e ha una funzione separatrice. In termini di struttura non si tratta di un vero e
proprio messaggio, ma di una sequenza indefinita di bit suddivisa in campi per specificare gli
eventi che sono ammessi: sospensione, interruzione della trasmissione, bus idle (bus libero).
28
L'Overload Frame viene inviato da un nodo che risulta occupato (busy) per ritardare la
trasmissione del DF o RF successivo.
Poiché è sufficiente che un nodo invii un Overload Frame perché la comunicazione di tutti gli
altri venga automaticamente ritardata, per questo tipo di messaggi il protocollo CAN prevede un
meccanismo di confinamento dei nodi più lenti: non possono infatti essere inviati più di due
Overload Frame successivi da parte dello stesso ricevitore. Inoltre, i moderni chip di interfaccia
non prevedono la possibilità di inviare questo tipo di messaggi, che restano una prerogativa dei
chip obsoleti.
L'Error Frame (EF), infine, viene inviato da un nodo che rivela un errore e provoca la
ritrasmissione del messaggio da parte del nodo trasmettitore. Poiché è sufficiente che un solo
nodo segnali un errore per avere la ritrasmissione, il protocollo CAN prevede che ciascun nodo
monitorizzi il proprio stato di salute, autoescludendosi in caso di tasso di errore elevato.
3.6. Tipologie e gestione degli errori
Come sottolineato precedentemente, una delle caratteristiche principali del CAN Bus è
l'efficienza nella rilevazione e gestione degli errori, elemento critico nel campo delle
applicazioni automotive per il quale è stato sviluppato inizialmente.
In una rete CAN, i nodi che hanno rilevato un errore hanno la capacità di passare in una
modalità adeguata ed eventualmente autoescludersi dal bus. Questa caratteristica è chiamata
Fault Confinement.
Lungo il bus ci possono essere diverse cause per le quali si verifica un errore di trasmissione o
di ricezione. Le principali sono dovute a disturbi sulla linea, attenuazione e degradazione del
segnale su tratti lunghi.
Il meccanismo di rilevamento degli errori garantisce che siano rilevati tutti gli errori globali,
tutti gli errori locali del trasmettitore e al massimo cinque errori distribuiti casualmente in un
messaggio. Il tempo trascorso tra il rilevamento di un errore e la ritrasmissione del messaggio è
di circa 29 bit time (bit time = 1 / bit rate), se non ci sono altri errori.
Il protocollo CAN definisce 5 differenti tipi di errore, di cui 3 a livello di bit e 2 a livello di
messaggio, rilevati attraverso opportune tecniche descritte di seguito.
Si verifica un Bit Error quando una stazione trasmette un bit ma legge sul bus un valore
differente. Tramite un'operazione di monitoraggio ciascun nodo confronta i bit che invia con
29
quelli effettivamente presenti sul bus e in caso di discordanza si ha un Bit Error. Fa eccezione a
questo monitoraggio il campo identificatore di un DF o di un RF: la presenza di un bit diverso
da quello inviato viene infatti interpretata come perdita dell'arbitraggio e il nodo si pone in
modalità di ricezione.
Uno Stuff Error viene rilevato al sesto bit identico consecutivo in un campo codificato con Bit
Stuffing. Questa tecnica viene utilizzata nei messaggi di tipo DF e RF, mentre un EF viola
questa regola.
Un CRC Error è rilevato dal ricevitore quando la sequenza CRC inviata dal trasmettitore risulta
errata. Tramite controllo ciclico di ridondanza, ciascun nodo ricevitore calcola la sequenza CRC
corrispondente al messaggio ricevuto e la confronta con quella che il trasmettitore ha accodato
al messaggio stesso. In caso di differenza fra le due sequenze si ha un CRC Error.
Un Form Error è rilevato quando un campo contiene valori che non rispettano la forma fissata.
Tramite un controllo del frame, se il ricevitore rileva che non sono state rispettate le 5 possibili
strutture dei messaggi nei CAN Bus, genera un Form Error.
Un Acknowledgement Error viene rilevato dal trasmettitore quando non riscontra sul canale un
bit alto all'interno del segmento ACK Slot (nessuna unità ha ricevuto il pacchetto).
Ciascun nodo che riceve correttamente un DF o un RF è tenuto a inviare un bit '1' nel bit-time
del campo ACK di questo frame. Se la sovrascrittura non avviene il bit nell'ACK Slot resta '0' e
il trasmettitore invia un messaggio di errore: si ha Acknowledgement Error soltanto se nessuno
degli altri nodi invia un bit alto.
A ciascun tipo di errore è assegnata una determinata gravità tramite l'incremento di due
contatori presenti in ciascun nodo CAN, +1 nel Receive Error Counter (REC) per un errore in
ricezione, +8 nel Transmit Error Counter (TEC) per un errore in trasmissione.
Se entrambi i contatori sono inferiori a 128 il nodo si pone in uno stato detto Error Active,
secondo il quale la frequenza e la gravità degli errori sono trascurabili e il nodo può partecipare
normalmente alle attività del bus.
Se almeno uno due contatori è maggiore di 128 il nodo passa allo stato di Error Passive e viene
temporaneamente sospeso.
Se uno dei due contatori raggiunge il valore 256, il nodo è gravemente soggetto ad errori e,
passando allo stato di Bus Off, non partecipa alle attività del bus.
30
3.7.Esempi ed applicazioni
In campo automobilistico, le reti CAN vengono utilizzate in gran parte dei veicoli europei (e.g.
Audi, BMW, Renault, Volvo) per il coordinamento dei numerosi dispositivi elettronici a bordo
delle autovetture, come il sistema di condizionamento dell'aria, la chiusura centralizzata delle
porte, la motorizzazione dei sedili e degli specchi retrovisori, l'ABS (Antilock Braking System),
l'ECU (Electronic Control Unit).
Come si può notare in fig. 3.8, le periferiche critiche sono collegate sul bus più veloce.
Fig. 3.8 – Applicazione di un CAN Bus per collegare i dispositivi elettronici di un'automobile.
I vantaggi introdotti dall'uso di una rete CAN Bus sono particolarmente evidenti nelle
autovetture a propulsione ibrida, dove il sistema gestisce autonomamente il passaggio da una
forma di propulsione all'altra a seconda delle condizioni di moto, riducendo significativamente i
consumi e le emissioni.
Le reti basate su CAN Bus sono impiegate pesantemente in qualunque tipo di applicazione
industriale: esempi tipici sono i sistemi di controllo delle macchine tessili, delle macchine per la
stampa e il packaging (e.g. TetraPak) e dei robot industriali (e.g. ABB, Bosch).
Nel settore dell'edilizia, le reti CAN sono utilizzate principalmente per i sistemi di
condizionamento dell'aria, di illuminazione, di controllo degli ascensori e dell'oscuramento delle
vetrate.
Altre applicazioni speciali dei CAN Bus sono i sistemi telescopici (e.g. gli osservatori delle
Hawaii e di Greenwich), i simulatori di volo (e.g. Eurocopter), impianti per esperimenti fisici ad
alta energia (e.g. CERN a Ginevra, BESSY a Berlino, NIKHEF ad Amsterdam) e impianti
medici per l'angiografia e la tomografia.
31
CAPITOLO 4
FlexRay
4.1.Introduzione
Nelle prossime generazioni di automobili si avranno una serie di importanti innovazioni:
appositi sensori ottici rileveranno i veicoli nelle vicinanze per evitare incidenti, l'energia
dissipata in frenata verrà utilizzata per rigenerare le batterie, gli airbag si adatteranno in
dimensione, peso e posizione in base al passeggero; altri miglioramenti si avranno nella
sicurezza, nelle emissioni, nella comunicazione, nel comfort e l'intrattenimento, nell'assistenza
alla guida, nella diagnostica e nella manutenzione.
Fig. 4.1 – Logo FlexRay.
Il numero sempre maggiore di componenti elettronici su un'autovettura richiede un network
veloce, sicuro e affidabile. Il protocollo FlexRay, creato nel 2000 da un consorzio formato da
alcune delle più grandi industrie automobilistiche (BMW, Daimler Chrysler, General Motors,
Volkswagen) ed elettroniche (Motorola, Philips, Bosch), si sta affermando come standard nelle
generazioni attuali e future di automobili.
4.2.Caratteristiche principali
Il FlexRay si focalizza su un set di bisogni primari per l'industria moderna dell'automotive, che
includono velocità di trasmissione più elevate rispetto agli standard precedenti, comunicazioni
32
flessibili, topologie di rete versatili e operazioni fault-tolerant. Il FlexRay, quindi, fornisce la
velocità e l'affidabilità richieste dai sistemi integrati nelle auto di prossima generazione, con un
bit rate massimo di 10 Mbit/s disponibile su doppio canale (per un bit rate totale di 20 Mbit/s) e
alcune caratteristiche di sicurezza di cui altri bus non dispongono.
I messaggi nei FlexRay possono avere una lunghezza del frame variabile da 2 a 254 byte.
Per soddisfare diversi requisiti di comunicazione, il FlexRay fornisce in ogni communication
cycle sia comunicazioni statiche (con un tempo di trigger fisso) che dinamiche (con un tempo di
trigger variabile). Durante la configurazione del sistema, è necessario impostare la durata del
communication cycle, il quale è suddiviso in due finestre temporali: statica e dinamica.
La prima, adatta per messagi triggerati sulla dimensione temporale, è riservata alle
comunicazioni di tipo sincrono ed è in grado di garantire valori prefissati di latenza.
La seconda è invece riservata alle comunicazioni di tipo asincrono ed è adatta per messaggi
triggerati sugli eventi, per i quali è previsto un meccanismo di priorità simile a quello adottato
dai CAN bus. Tale metodo di comunicazione è detto deterministico, in cui l’output corretto è
sempre determinato dai corrispondenti input: questo comportamento può essere esteso all'intero
network, rendendolo così un sistema predicibile. Per garantire un comportamento
deterministico, la sincronizzazione del clock è molto importante nell’architettura FlexRay.
In ogni communication cycle, ciascun nodo di sincronizzazione presente nella rete trasmette un
messaggio di sync (in genere una rete FlexRay include almeno quattro nodi di
sincronizzazione). Quando ciascun nodo riceve il messaggio di sync, compara il suo clock con
quello trasmesso dal nodo di sincronizzazione ed esegue le necessarie correzioni per renderli
uguali. Se questa operazione fallisce su un certo nodo, gli altri possono continuare a funzionare
poichè sono stati correttamente sincronizzati.
Molti aspetti del FlexRay sono progettati per mantenere bassi i costi fornendo al contempo
massime performance. Per connettere tra loro i vari nodi di una rete, FlexRay utilizza un
cablaggio tramite cavo non schermato a due fili. Oltre al funzionamento come sistema a singolo
canale (come il CAN Bus), il FlexRay può operare come un sistema dual-channel a doppio cavo
(fig.4.2).
Fig. 4.2 – Comunicazione dual-channel su bus FlexRay tra due ECU (Electronic Control Unit) di un veicolo.
33
Il doppio canale rende i dati disponibili attraverso un network ridondante, caratteristica vitale
per un sistema ad alta affidabilità, e riduce gli effetti del rumore esterno sul network senza
l'utilizzo di costose schermature. La configurazione dual-channel permette di avere, quindi,
un'elevato fault-tolerance o una larghezza di banda maggiore.
I bus FlexRay richiedono delle terminazioni alle estremità, che possono essere dei resistori
connessi tra la coppia di cavi. Impedenze troppo elevate o troppo basse possono portare alla
rottura di un network FlexRay: tranne alcune applicazioni specifiche, i network FlexRay tipici
hanno impedenze di cablaggio variabili nel range 80-110 Ω, e i nodi alle estremità sono
terminati in modo da combaciare con tali valori. Le moderne interfacce FlexRay su PC
contengono dei resistori di terminazione on-board per semplificare il cablaggio.
4.3.Topologia e layout del network
FlexRay offre diverse configurazioni flessibili che supportano differenti topologie di rete.
A seconda del layout del sistema e del livello di utilizzo del FlexRay, la selezione della corretta
topologia permette di ottimizzare i costi, le performance e l'affidabilità.
I requisiti principali di una topologia di network FlexRay sono il contenimento degli errori e dei
guasti, il supporto per comunicazioni ridondanti, un layout flessibile ed estensibile.
Una topologia comunemente utilizzata è il Multi-drop Bus (fig. 4.3), costituito da un singolo
cavo di rete che connette più dispositivi. Ognuno di questi dispositivi può diramarsi fino a una
distanza massima di 0,2 m dal cavo principale (core trunk) del bus, con una lunghezza massima
del cavo tra due nodi pari a 12 m. I terminali della linea hanno dei resistori installati che
eliminano i problemi dovuti alla riflessione dei segnali.
Fig. 4.3 – Topologia Multi-drop Bus in un network FlexRay.
Il Multi-drop Bus si adatta facilmente al cablaggio dei veicoli che spesso condividono un simile
layout, semplificando così l'installazione e riducendo la quantità di cavi attraverso il mezzo.
34
Una seconda topologia di network FlexRay è la configurazione a stella (Star Network, fig. 4.4),
che consiste in diversi collegamenti individuali connessi a uno stesso nodo centrale attivo, fino
ad un massimo di 16 diramazioni, ognuna con una lunghezza massima di 12 m.
La configurazione a stella permette di far funzionare un network FlexRay su lunghe distanze o
di segmentare la rete in modo da renderla più affidabile: se uno dei rami viene tagliato o
cortocircuitato, gli altri nodi continuano a funzionare. Dal momento che l'utilizzo di cavi su
lunghe distanze tende ad aumentare la sofferenza al rumore esterno, implementare più
ramificazioni riduce la quantità di cavo esposto e di conseguenza l'immunità al rumore.
Fig. 4.4 – Topologia Star Network.
Il Multi-drop Bus e lo Star Network possono essere combinati per formare una topologia ibrida,
l'Hybrid Network (fig. 4.5). Questa soluzione unisce i vantaggi della facilità di utilizzo e dei
costi ridotti della configurazione a singolo bus con le performance e l'affidabilità
della
configurazione a stella.
Fig. 4.5 – Topologia Hybrid Network.
35
4.4.Il protocollo FlexRay
Il protocollo FlexRay fornisce opzioni di funzionamento sia per comunicazioni deterministiche
che arrivano in un intervallo temporale prevedibile (nell'ordine dei microsecondi) sia per
comunicazioni dinamiche basate su eventi. Il FlexRay gestisce tale diversificazione grazie a un
communication cycle preimpostato che definisce uno spazio apposito per dati statici e dinamici.
Questo spazio è stabilito al momento della configurazione del network. In un network FlexRay
ogni nodo, per essere in grado di comunicare, deve conoscere la configurazione di tutti gli altri
nodi presenti nella rete.
Durante la trasmissione, solo un nodo alla volta può scrivere dati sul bus: quando più nodi
tentano di comunicare in contemporanea, si contendono il bus e si ha corruzione dei dati. Il
protocollo FlexRay previene la contesa del bus tramite una tecnica detta Time Division Multiple
Access o schema TDMA. Ogni nodo nella rete è sincronizzato dal medesimo clock, e ognuno
attende il suo turno per comunicare sul bus. Questo meccanismo fornisce molti vantaggi ai
sistemi che dipendono dallo scambio di dati aggiornati tra i nodi. Poiché un network TDMA
come il FlexRay funzioni in modo corretto, tutti i nodi devono essere configurati correttamente.
Lo standard FlexRay è adattabile a diversi tipi di reti, e permette ai progettisti di trovare un
compromesso tra velocità di aggiornamento, volume dei dati deterministici, volume dei dati
dinamici e altri parametri. Ogni network FlexRay può essere differente, perciò ogni nodo deve
essere programmato con i parametri di rete corretti prima di poter partecipare alla
comunicazione sul bus.
Per facilitare la manutenzione della configurazione di rete tra i nodi, il consorzio FlexRay ha
standardizzato un formato per la memorizzazione e il trasferimento di questi parametri nel
processo di ingegnerizzazione. Il Field Bus Exchange Format, o FIBEX file è uno standard che
permette ai designer, progettisti e tester di un network di condividere facilmente i parametri di
rete e di configurare velocemente ECU, strumenti di test, sistemi di simulazione e altri
dispositivi per un accesso rapido al bus.
36
4.5.Communication cycle
Il communication cycle nei FlexRay è un elemento fondamentale dello schema TDMA. La
durata di un ciclo è stabilita durante la progettazione del network, e tipicamente varia nel range
1-5 ms. In un communication cycle vi sono quattro parti principali (fig.4.6): Static Segment (per
i dati determistici), Dynamic Segment (per i dati basati su eventi), Symbol Window (per segnali
di start e manutenzione), Network Idle Time (periodo di quiete).
Fig. 4.6 – suddivisione del communication cycle.
L'unità di tempo utile più piccola è chiamata macrotick. I controller FlexRay si sincronizzano
attivamente e regolano i loro clock interni in modo che il macrotick sia identico per tutti i nodi
nella rete. Sebbene il macrotick possa essere configurato, tipicamente è posto pari a 1 μs.
Lo Static Segment, che corrisponde allo spazio nel ciclo dedicato alla schedulazione dei
messaggi triggerati su istanti di tempo, è suddiviso in slot di tempo riservati ai vari dispositivi:
ogni volta che nel communication cycle si raggiunge uno slot, il dispositivo corrispondente ha
l'opportunità di trasmettere dati al suo interno. Quando si supera lo slot, il dispositivo deve
attendere che nel ciclo successivo si raggiunga nuovamente lo slot dedicato. In fig. 4.7 è
rappresentato un semplice network con tre ECU che utilizzano quattro slot dello Static Segment.
Se una delle tre ECU viene esclusa dalla rete o non trasmette dati, lo slot relativo rimane libero
e non viene utilizzato da nessun altro dispositivo.
Fig. 4.7 – occupazione degli slot negli Static Segment di due communication cycle consecutivi.
37
La maggior parte delle reti integrate ha una piccola quantità di messaggi ad alta velocità e una
grande quantità di messaggi lenti e non critici. Per gestire un'ampia varietà di dati senza
rallentare il communication cycle con un numero eccessivo di slot statici, il Dynamic Segment è
riservato ai messaggi occasionali. Questo segmento ha una lunghezza fissa, per cui vi è un
limite all'ammontare di dati che possono essere ospitati ogni ciclo. Per dare priorità ai messaggi,
vengono pre-assegnati dei minislot per ogni frame idoneo ad essere trasmesso nel Dynamic
Segment. Un minislot è una porzione di tempo pari a un macrotick nello spazio inutilizzato di
un Dynamic Segment. Messaggi con priorità più alta ottengono minislot più vicini all'inizio del
Dynamic Segment.
Quando si raggiunge un minislot, il dispositivo associato ha per un breve istante l'opportunità di
trasmettere un frame nel Dynamic Segment. Se la trasmissione non avviene, il dispositivo perde
la sua priorità e si passa al minislot successivo, finchè non avviene la trasmissione dai dati. Non
appena inizia la trasmissione di un messaggio, eventuali minislot successivi dovranno attendere
la fine della comunicazione. In fig. 4.8, nel primo communication cycle nessun dispositivo ha
iniziato una trasmissione nei primi sette minislot, e di conseguenza la prima ECU trasmette nel
suo minislot. Nel secondo ciclo le ECU 2 e 3 trasmettono entrambe nei primi due minislot,
occupando interamente il Dynamic Segment e lasciando in attesa i dispositivi associati ai
rimanenti minislot.
Fig. 4.8 – utilizzo dei minislot nei Dynamic Segment di due communication cycle consecutivi.
La Symbol Window è utilizzata prevalentemente per il mantenimento e l'identificazione di
speciali cicli, per cui gran parte delle applicazioni di alto livello non interagisce mai con questo
segmento di tempo.
Il Network Idle Time ha una lunghezza predefinita e nota a tutti i dispositivi del network. I
dispositivi utilizzano questa porzione libera per sincronizzarsi al clock ed effettuare
aggiustamenti agli eventuali spostamenti avvenuti durante il ciclo precedente.
38
4.6.Data Frame
Ogni slot di uno Static o Dynamic Segment contiene un frame. Un frame è suddiviso in tre
ulteriori segmenti: l'Header, il Payload e il Trailer.
L'Header è formato da 40 bit (5 byte), suddivisi come in fig. 4.9. I primi 5 bit contengono
informazioni di stato che indicano se il frame è null (non contiene dati nel Payload) o se il frame
deve essere utilizzato per la sincronizzazione. Il Frame ID definisce lo slot in cui il frame può
essere trasmesso ed è utilizzato per dare priorità ai messaggi triggerati sugli eventi. Il Payload
Length contiene il numero di word (16 bit) trasmessi nel frame. L'Header CRC è utilizzato per
rilevare eventuali errori durante la trasmissione. Il Cycle Count contiene il valore di un
contatore che incrementa all'inizio di ogni communication cycle.
Fig. 4.9 – suddivisione dei campi nell'Header del Data Frame di un FlexRay.
Il Payload (fig. 4.10) contiene i dati veri e propri trasmessi nel frame. La lunghezza del Payload
in un FlexRay è di massimo 127 word, che corrisponde a più di 30 volte la lunghezza del Data
Field nei CAN Bus.
Fig. 4.10 – Payload del Data Frame di un FlexRay.
Il Trailer, lungo 24 bit, contiene tre codici a ridondanza ciclica (CRC) calcolati sull'Header e sul
Payload per il rilevamento degli errori.
39
4.7.Data Security and Error Handling
Una rete FlexRay fornisce una tolleranza ai guasti scalabile, permettendo l'utilizzo di entrambi i
canali di comunicazione per le applicazioni la cui sicurezza è critica. Tuttavia, è possibile
utilizzare un solo canale quando la ridondanza non è necessaria, o utilizzare entrambi i canali
per incrementare la larghezza di banda per la trasmissioni di dati non ridondanti.
A livello fisico il FlexRay fornisce, attraverso il Bus Guardian, un sistema per il rilevamento, la
segnalazione e il contenimento degli errori. Il Bus Guardian è un meccanismo indipendente in
grado di proteggere un canale dalle interferenze provocate da eventuali trasmissioni non
sincronizzate.
Quando un dispositivo inizia una comunicazione, il Bus Guardian monitora l'accesso al bus in
corrispondenza dello slot di tempo allocato. Se il Bus Guardian rileva un gap temporale nella
trasmissione disconnette il canale di comunicazione, altrimenti permette al dispositivo di inviare
i dati nel time slot relativo.
4.8.Esempi ed applicazioni
Grazie all'integrazione di sistemi FlexRay, nei prossimi anni, viaggiando su un'autovettura, i
sensori radar a bordo del veicolo saranno in grado di individuare eventuali ostacoli sulla strada,
trasmettere l'informazione a un'ECU e mettere in funzione i freni a controllo elettronico per
avvertire il conducente del pericolo, imprimendo una dolce decelerazione.
Il FlexRay, essendo un bus deterministico, fault-tolerant e ad alta velocità, è in grado di fornire
la sicurezza e le elevate performance richieste dalle applicazioni x-by-wire, dove x sta per drive
(controllo acceleratore), steer (controllo sterzo), o brake (controllo freni). Le tecnologie by-wire
sostituiscono i sistemi idraulici tradizionali con sistemi elettro-meccanici più leggeri, efficienti e
maggiormente manutenibili. Questo tipo di tecnologia è stata introdotta per la prima volta nel
settore avionico, dove è nota con il nome fly-by-wire, con lo scopo di assistere il pilota nella
guida dei velivoli supersonici. Su aeroplani militari come l’F16, volando a velocità superiori a
mach 1 con alcuni g di accelerazione, il pilota non è costretto ad agire con forza sulla pedaliera
o sulla cloche: può agevolmente controllare il velivolo per mezzo di un joystick connesso ad un
bus di attuatori e sensori elettro-meccanici. Ciò ovviamente comporta un enorme beneficio in
termini di sicurezza del volo, tenendo conto delle sollecitazioni meccaniche e fisiche a cui sono
sottoposti sia il velivolo che il pilota.
40
Nel 2006, il SUV BMW X5 è stata la prima auto sulla quale il FlexRay è stato impiegato
commercialmente, per un’applicazione che consiste nella capacità di selezionare in tempo reale
(on the fly) la corretta regolazione da applicare ai quattro ammortizzatori per garantire sempre la
migliore stabilità del veicolo.
Una tipica applicazione del FlexRay è costituita dal sistema brake-by-wire, una soluzione
sviluppata per eliminare la dipendenza della frenata dai sistemi idraulici, aumentando la
sicurezza ed il controllo di stabilità del veicolo. Il sistema ABS è oggi presente su molti modelli
di veicolo, mentre il controllo di stabilità è ancora un optional costoso. Il brake-by-wire, noto
anche come EMB (Electro-Mechanical Braking), genera la forza necessaria per frenare su ogni
singola ruota grazie a potenti ed efficienti motori elettrici connessi ad una ECU, che riceve il
comando da un pedale del freno elettronico. Poiché ciascuna ruota può essere controllata
indipendentemente dalle altre, è possibile aggiungere dei sensori addizionali per rilevare la
distribuzione dei pesi, la posizione dei passeggeri sui sedili e la conformazione del terreno,
affinché l’azione frenante intrapresa sia maggiormente veloce, precisa e confortevole. Inoltre, i
sistemi frenanti di tipo idraulico fanno uso di fluidi tossici, ed i loro guasti non sono facilmente
individuabili: una soluzione di tipo brake-by-wire basata su FlexRay risulta meno dannosa per
l’ambiente e consente l’utilizzo di apparecchiature di diagnosi elettroniche, per una
manutenzione più rapida e meno costosa.
Il protocollo FlexRay si sta imponendo come uno standard per sistemi avanzati di controllo
della trasmissione e del motore e nei sistemi x-by-wire, ma non sostituisce completamente i
protocolli e le reti attualmente presenti sulle autovetture: per ottimizzare i costi e ridurre le
difficoltà dovute a una transizione di tecnologia, le nuove generazioni di automobili integrano il
bus FlexRay per le applicazioni più performanti e altri protocolli (come il CAN Bus) per le
comunicazioni principali e i dispositivi elettronici a basso costo.
Il FlexRay può essere un'opzione per l'aggiornamento di sistemi basati su reti CAN nel settore
dell'automotive o in altre applicazioni di controllo. Può essere anche implementato in nuove
soluzioni per l'automazione industriale, dove la sicurezza e l'affidabilità nell'ambiente di lavoro
sono della massima importanza, grazie all'approccio deterministico alla comunicazione digitale
delle informazioni.
41
CAPITOLO 5
Fibra ottica
5.1.Introduzione
L'idea di impiegare segnali ottici come mezzo di comunicazione a distanza risale a circa due
secoli fa, quando alcuni scienziati inglesi riuscirono a trasmettere un segnale luminoso lungo un
percorso non rettilineo, sfruttando le proprietà riflessive e rifrattive dell'acqua.
I primi risultati pratici apprezzabili si ebbero durante la Seconda Guerra Mondiale, dove la
necessità di sviluppare un sistema di comunicazione protetto dagli impulsi elettromagnetici
delle testate atomiche condusse a importanti sviluppi nel campo delle trasmissioni ottiche su
fibre di vetro. Tuttavia, fu solo all'inizio degli anni Settanta che la fibra ottica divenne una
valida alternativa ai sistemi di comunicazione tradizionali, grazie allo sviluppo di nuove
tecniche di purificazione e filatura del vetro di alcune aziende come l'americana Corning Glass e
l'italiana Pirelli, le quali realizzarono dei vetri ad altissima trasparenza e bassa attenuazione.
Negli ultimi anni si è verificato un grande impulso nelle comunicazioni ottiche, senza dubbio
originato da tali perfezionamenti tecnologici nella fabbricazione delle fibre ottiche in vetro, che
ha permesso la realizzazione di spezzoni di fibra lunghi alcuni chilometri. Attualmente per i
collegamenti interregionali e intercontinentali a lunga distanza si impiegano dorsali di
comunicazione in fibra ottica, e ci si sta muovendo sempre più verso la sostituzione completa
dei collegamenti in rame dei cavi coassiali per le reti internet a livello geografico e domestico.
5.2.Caratteristiche principali
In un sistema ottico i segnali vengono trasmessi sotto forma di fotoni privi di carica elettrica e
quindi immuni a campi elettrici e magnetici. Si esclude, inoltre, qualsiasi forma di interferenza,
dato che un'eventuale perdita di flusso luminoso, che può avvenire all’interfaccia di bordo della
fibra, è trattenuta dal rivestimento opaco che la avvolge, garantendo che i segnali ottici non
interferiscano con altri provenienti da fibre poste in prossimità. Il confinamento del segnale
all’interno della fibra garantisce inoltre l’impossibilità di intercettazione dall’esterno per tutta la
lunghezza del collegamento, e quindi la sicurezza della comunicazione.
L’uso delle fibre ottiche per le reti di comunicazione elimina i problemi legati all’esigenza di
42
una messa a terra (tipica di una rete metallica) e i rischi di scariche, ed inoltre offre un ottimo
rapporto resistenza/peso dei cavi. Il completo isolamento elettrico, la struttura e i metodi di
accoppiamento delle fibre ottiche consentono l’inserimento in molti fluidi e un’ottima resistenza
in molteplici condizioni meteorologiche.
Una proprietà fondamentale è l’incremento della banda passante e la diminuzione delle perdite
di trasmissione in alta frequenza rispetto ai cavi coassiali o a quelli paralleli: mentre in questi
ultimi la banda passante è inversamente proporzionale al quadrato della lunghezza, nelle fibre è
inversamente proporzionale alla lunghezza.
Una singola fibra ottica è costituita da un filamento principale di SiO2 detto core (nucleo) con
un diametro che va da 10 a 50 μm, ricoperto da un mantello chiamato cladding con diametro di
circa 125 μm, anch'esso in materiale vetroso trasparente alla luce a alla radiazione infrarossa, e
da una guaina di rivestimento primaria (primary coating) il cui diametro raggiunge i 250 μm
garantisce il massimo isolamento e la protezione dalle abrasioni.
Fig. 5.2 – struttura della sezione di una fibra ottica.
Il core ha un indice di rifrazione superiore a quello del cladding, in modo che una radiazione
luminosa incidente sia riflessa totalmente all'interfaccia core/cladding, e così propaghi nel
mezzo. Le fibre ottiche possono sopportare grandi sforzi meccanici longitudinali, ma presentano
una bassa resistenza agli sforzi trasversali; vengono pertanto protette da rivestimenti plastici e
metallici fino a formare aggregati e cavi ottici. Le fibre ottiche vengono comunemente
impiegate nelle telecomunicazioni su grandi distanze, con bit rate che va dai 10 Mbit/s a fino a
qualche Tbit/s.
43
5.3.Principio di funzionamento
Lo studio della propagazione della luce all’interno delle fibre ottiche si effettua con l’ipotesi di
validità delle leggi che regolano l’ottica geometrica, essendo i fenomeni di diffrazione
trascurabili. Quando la luce attraversa una superficie di separazione tra due mezzi trasparenti, di
diversa densità e quindi diverso indice di rifrazione n, in parte prosegue il percorso
propagandosi nel nuovo mezzo e in parte viene riflessa. L'entità della deviazione angolare subita
dal raggio rifratto dipende dagli indici di rifrazione dei due materiali, secondo la legge di Snell:
n 1 sin  1=n 2 sin 2
Dove n1, n2 sono rispettivamente gli indici di rifrazione del nucleo e del mantello e θ1, θ2
rappresentano le direzioni del raggio nei due mezzi.
Esiste un angolo limite θ1 = θmax in corrispondenza del quale θ2 = 90°, e dalla legge di Snell si
ottiene:
sin  max =
n2
n1
In tali condizioni si verifica il fenomeno della riflessione totale interna (TIR, Total Internal
Reflection), che sta alla base del principio di funzionamento delle fibre ottiche, per il quale il
raggio rifratto scompare del tutto e quello incidente viene riflesso all'interno del mezzo con un
angolo uguale ed opposto a quello di incidenza, e quindi il segnale propaga completamente
lungo la fibra rimanendo confinato all'interno del nucleo.
Fig. 5.3 – condizioni di rifrazione parziale e riflessione totale interna (TIR).
Tale condizione è quindi soddisfatta per angoli di incidenza maggiori o uguali a θmax. I raggi
parzialmente rifratti perdono potenza ad ogni riflessione e quindi scompaiono rapidamente.
44
Considerando un raggio proveniente dall’esterno della fibra, il massimo angolo di incidenza che
garantisce che la luce rifratta subisca il fenomeno della riflessione totale interna viene definito
angolo di accettazione α, il cui seno, all'interfaccia aria-fibra, vale:
n 0 sin =n1 sin  90− max =n1 cos  max =n 1  1−sin 
2
max
=n1

2

n
1− 2 = n21−n22
n1
Dove n0 è l'indice di rifrazione dell'aria, pari a 1.
L'angolo solido che identifica il cono di accettazione entro il quale la fibra può trasmettere la
radiazione incidente, è definito dall'apertura numerica NA (Numerical Aperture):
NA=sin =  n1−n2
2
2
I valori dell'apertura numerica nelle fibre ottiche variano da 0,2 a 1.
La larghezza di banda, che si esprime in Mhz·km, definisce la capacità della fibra ottica di
trasportare le informazioni. In termini digitali, la larghezza di banda si esprime come il bit rate
massimo al quale i segnali possono essere inviati su una determinata distanza senza che il
singolo bit interferisca con quello precedente o con quello seguente, ovvero l'intervallo di
frequenze all'interno del quale il segnale passa senza subire variazioni in ampiezza e fase.
L’intervallo di frequenza in cui opera un segnale che vine trasmesso tramite fibra ottica può
essere molto grande. Va tuttavia considerato il fenomeno della dispersione e il coefficiente di
attenuazione della fibra (in particolare il suo andamento in frequenza) affinché i raggi si
propaghino senza perdere eccessiva potenza e non subiscano distorsioni.
Si definiscono finestre di trasmissione gli intervalli di lunghezza d’onda λ, nell'intorno della
portante ottica entro, i quali si ha la minima attenuazione nel trasferimento del segnale. Le
frequenze portanti sono 850 nm, 1300 nm, 1550 nm.
Finestra
I
Fibra
Lunghezza d'onda
Banda passante
Multimodale
850 nm
150 MHz/km
II
Multimodale
1300 nm
500 MHz/km
II
Monomodale
1300 nm
1 GHz/km
III
Monomodale
1550 nm
100 Ghz/km
Fig. 5.4 – finestre di trasmissione per tipologie di fibra ottica.
45
5.4.Tipi e applicazioni
I raggi che si propagano all’interno di una fibra ottica vengono classificati in raggi meridionali,
che attraversano l'asse della fibra dopo ogni riflessione, e raggi obliqui, che viaggiano paralleli
all'asse senza subire alcuna riflessione per tutta la lunghezza della linea.
I raggi meridionali si suddividono ulteriormente in due classi. I modi di basso ordine
corrispondono ai raggi inviati nella fibra con angolo di incidenza molto minore rispetto
all'angolo di accettazione α (al limite coincidono con i raggi obliqui). I modi di alto ordine
corrispondono ai raggi con angolo di incidenza prossimo a α.
I modi di basso ordine sono caratterizzati da un numero di riflessioni minore rispetto a quelli ad
alto ordine.
A seconda del modo in cui varia l'indice di rifrazione nella sezione del core, si hanno diversi tipi
di fibre. Le più diffuse, chiamate fibre step index (con indice a gradino, fig. 5.5), sono quelle il
cui indice di rifrazione rimane costante all'interno del nucleo, variando bruscamente alla
superficie di separazione con il cladding.
Fig. 5.5 – modi di propagazione all'interno di una fibra ottica step index.
Nelle fibre graded index (con indice graduale, fig. 5.6), l'indice di rifrazione decresce secondo
un profilo graduale dal centro del core fino all'interfaccia con il cladding. I raggi luminosi che
viaggiano inclinati rispetto all'asse della fibra subiscono deviazioni successive via via che si
avvicinano al mantello, a causa della diminuzione progressiva dell'indice di rifrazione: questo
porta alla formazione di raggi che seguono percorsi elicoidali. Il principale vantaggio di tali
fibre è dovuto al fatto che i raggi che si avvicinano al mantello, incontrando un indice di
rifrazione decrescente, possiedono una velocità più alta rispetto ai raggi paralleli all'asse, che
compiono un percorso più breve ma con indice di rifrazione maggiore: grazie a ciò tutti i raggi
arrivano a destinazione quasi contemporaneamente, limitando così la dispersione modale.
46
Fig. 5.6 – modi di propagazione all'interno di una fibra ottica graded index.
Le fibre ottiche si possono suddividere in due macro-categorie, in base alle dimensioni e alla
lunghezza d'onda della sorgente luminosa.
Le fibre ottiche monomodali presentano un nucleo di diametro pari a 9 μm e un cladding di
diametro 125 μm, e hanno un indice di rifrazione a gradino.
Le fibre ottiche multimodali hanno diametro del core di 50 μm e del mantello di 125 μm. Queste
ultime non trovano grande applicazione, avendo alte perdite di potenza e degradazione del
segnale.
La sorgente di luce tradizionale per comunicazioni in fibra ottica a 10 Mbit/s e 100 Mbit/s è il
LED (Light Emitting Diode), caratterizzato da una emissione di luce uniforme che riempie
l’intero core della fibra ed eccita tutti i suoi modi di propagazione.
Per bit rate di 1 Gbit/s e superiori è necessario utilizzare sorgenti di luce laser come il VCSEL
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), utilizzato principalmente nelle reti di edificio, che
genera luce con lunghezza d’onda di 850 nm ed ha emissione non uniforme. Il risultato è che i
laser non eccitano tutti i modi di una fibra multimodale ma solo un ristretto sottoinsieme di
questi.
47
5.5.Attenuazione e dispersione
Nella comunicazione tramite fibre ottiche vi sono diverse cause che possono provocare la
degradazione del segnale, come l'attenuazione e la dispersione.
L'attenuazione del segnale all'interno di una fibra ottica si può verificare nella connessione tra
due fibre, nell'accoppiamento tra la sorgente del segnale e la fibra, nel collegamento tra la fibra
e il ricevitore. L'attenuazione può essere dovuta a impurità presenti all'interno del core, che
causano l'assorbimento di determinate lunghezze d'onda, e da variazioni di temperatura e
composizione che interrompono i cammini di riflessione dei raggi luminosi (scattering di
Rayleigh). Inoltre può verificarsi attenuazione nell'interfaccia core-cladding, a causa di
irregolarità che producono una trasmissione del segnale nel mantello e una conseguente
diminuzione dell'energia nel raggio riflesso. Questi effetti possono essere limitati attraverso
processi produttivi della fibra particolarmente accurati e costosi.
Un'ulteriore causa di attenuazione è legata alle curvature e alle microcurvature della fibra (fig.
5.8), che possono modificare l'angolo di incidenza all'interfaccia core-cladding portandolo al di
sotto della condizione di riflessione totale interna.
Fig. 5.8 – effetto delle curvature e delle microcurvature sull'attenuazione del segnale in una fibra ottica.
L'attenuazione sulle connessioni tra fibre deriva da diversi fattori. L'interconnessione tra fibre
ottiche è una fase molto importante e particolarmente delicata per la realizzazione di un
collegamento. Le cause delle perdite sono dovute soprattutto alle diverse caratteristiche
trasmissive delle due fibre ottiche nel punto di connessione, ai diversi indici di rifrazione, alle
diverse aperture numeriche NA, a differenze nei diametri dei nuclei, a disassamento, errori di
accostamento o disallineamento angolare.
Fig. 5.9 – disassamento, accostamento e disallineamento angolare nella connessione tra due fibre ottiche.
48
Le perdite nel punto di collegamento tra sorgente e fibra ottica sono dovute al fatto che la luce
viene emessa in molte direzioni, mentre la radiazione che si propaga nella fibra è solo quella
compresa nel cono di accettazione, e i raggi non dispersi che incidono sulla sezione del core
sono solo quelli aventi inclinazione inferiore all'angolo di accettazione. Inoltre una parte della
luce che colpisce il core viene riflessa e non entra nella fibra. L'attenuazione di accoppiamento
fra sorgente e fibra dipende fortemente dal tipo di sorgente utilizzata (LED o laser).
La dispersione, fenomeno che causa la limitazione della banda passante, si può verificare
quando all'interno di una stessa fibra ottica si propagano segnali con diverse lunghezze d'onda e
diverse velocità, che non giungeranno simultaneamente a destinazione ma accuseranno una
dispersione temporale. Questo fenomeno può essere ridotto usando una sorgente con uno
spettro di emissione ristretto.
Un'altra tipologia di dispersione, detta dispersione modale, ha origine dal differente cammino
ottico percorso dai modi di basso ordine rispetto ai modi di alto ordine, i quali, percorrendo un
cammino maggiore, sono caratterizzati da tempi di propagazione maggiori.
Questo fenomeno può essere ridotto nelle fibre step index diminuendo l’apertura numerica NA,
in modo che solo modi di basso ordine possano propagarsi. Nelle fibre graded index, invece,
esiste una compensazione intrinseca di questo effetto in quanto i modi di alto ordine viaggiano
più velocemente nelle zone a basso indice di rifrazione e quindi la differenza di propagazione
temporale risulta notevolmente ridotta. La dispersione modale è presente esclusivamente nelle
fibre multimodo.
Il fenomeno della dispersione è generalmente un problema solo per comunicazioni su lunghe
distanze, perciò le fibre con indice graduale, sebbene più costose rispetto a quelle con indice a
gradino, vengono utilizzate insieme ai laser per questo tipo di applicazioni.
Per distanze inferiori ai 500 m si preferisce impiegare fibre step index per il costo contenuto e la
maggiore facilità di accoppiamento.
Nella scelta del tipo di fibra da utilizzare nelle diverse applicazioni occorre considerare il fatto
che le fibre monomodali non presentano dispersione modale, sono dotate di notevoli capacità
trasmissive (bande di trasmissione di migliaia di GHz per km di fibra), hanno attenuazione più
bassa rispetto alle fibre graded index e sono caratterizzate da un minor costo produttivo. La
realizzazione di una linea di comunicazione ottica su lunga distanza verrà pertanto
implementata utilizzando fibre monomodali accoppiate con laser.
49
5.6.Applicazioni e prospettive future
Le fibre ottiche hanno assunto ormai da tempo un ruolo dominante nella tecnologia delle
telecomunicazioni su lunghe distanze. Le alte velocità di trasmissione, l’immunità alle
interferenze elettromagnetiche e le ridotte dimensioni rispetto ai cavi in rame, hanno portato a
scegliere le fibre ottiche anche per altre moderne applicazioni.
La tecnologia a fibre ottiche sta trovando impiego nei settori della robotica e dell'automazione
industriale (e.g. Industrial Ethernet), dell'automotive (e.g. MOST), della videosorveglianza a
circuito chiuso, dell'illuminazione e dell'audio digitale (e.g. Dolby Digital, Toslink), oltre che in
sistemi complessi di controllo, nell’industria militare e in varie applicazioni per i trasporti e il
settore oil & gas.
Dal punto di vista tecnologico, l'impiego di fibre ottiche in diossido di silicio, pur essendo vasto
e ben consolidato, ha fatto emergere alcune limitazioni dovute al materiale utilizzato: a causa di
alcune impurità nella struttura cristallina del vetro, i segnali con lunghezze d'onda appartenenti
alla fascia dell'infrarosso vengono trasmessi con difficoltà. La ricerca, anziché studiare nuovi
dispendiosi metodi produttivi ad alta precisione, si sta muovendo verso la realizzazione di fibre
con materiali alternativi al SiO2, e in particolare materiali semiconduttori. Gli sviluppi più
recenti hanno portato alla realizzazione – da parte di alcuni ricercatori statunitensi
dell’Università della Pennsylvania e inglesi dell’Università di Southampton – di una fibra con il
nucleo in seleniuro di zinco (ZnSe), un semiconduttore composto, e il mantello in vetro, per
mantenere robustezza e buone proprietà di resistenza meccanica. Le potenzialità applicative di
fibre in ZnSe, o altri semiconduttori composti, sono molto promettenti, grazie all'elevata
trasparenza nell'infrarosso (fino ad oltre 2000 nm) e alla relativa facilità con cui possono essere
drogate con elementi otticamente attivi.
Dal punto di vista della connettività alla rete internet, promuovere l'impiego e la diffusione della
fibra ottica fino al livello dell'abitazione rappresenta secondo la filosofia del Fiber To The Home
Council Europe (FTTH Council Europe), un'organizzazione non-profit fondata nel 2004, un
modo per migliorare la qualità della vita sotto molteplici punti di vista.
Fornire le condizioni di reale banda larga all'utenza domestica, significa permettere la fruizione
di una serie di servizi nell'ambito del telelavoro e di e-Learning, che possono generare nuove
opportunità di businness, migliorare la competitività e portare all'incremento del prodotto
interno lordo di un paese grazie alla creazione di nuovi modi di lavorare e di collaborare.
L'FTTH Council Europe rivolge l'attenzione anche all'impatto sull'ambiente.
50
Secondo uno studio condotto da PriceWaterhouseCoopers nel 2008, la diffusione della fibra
ottica potrebbe arrivare ad abbattere considerevolmente le emissioni di anidride carbonica in
misura pari a quelle di un'automobile che annualmente percorre 4600 km, il tutto per ciascuna
abitazione.
Il nostro Paese mostra una certa inconsistenza nella diffusione della fibra ottica: secondo le
rilevazioni condotte dalla FTTH Council Europe, il tasso di penetrazione non è progredito
nell'arco di tre anni.
Se nel 2007 l'Italia occupava il tredicesimo posto nella classifica mondiale, attualmente si trova
al quartultimo e ventunesimo posto, dietro a paesi come la Romania e la Russia.
Fig.5.10 – tasso di penetrazione della fibra ottica a livello mondiale.
Tuttavia, alla luce di una serie di nuovi progetti e iniziative, si guarda al futuro con speranza.
Una prima iniziativa, chiamata “Fibra per l'Italia”, è nata dalla collaborazione tra Fastweb,
Vodafone e Wind con l'obiettivo di portare la fibra ottica a 20 milioni di utenti nelle 15 città
italiane più grandi entro il 2015.
La seconda iniziativa, proposta da Telecom Italia, si propone di portare il collegamento in fibra
ottica a 138 città italiane entro la fine del 2018.
51
CAPITOLO 6
Conclusioni
6.1.Bus a confronto
Nelle applicazioni tecnologiche moderne, ogni operazione compiuta dall'utente e ogni input
esterno viene convertito in segnali elettrici elaborati da uno o più calcolatori che provvedono
alla corretta attuazione del comando. Ciò richiede una grande affidabilità ed elevate velocità.
Tuttavia, l'attuale proliferazione di diverse tipologie di bus non è dovuta solamente a necessità
tecniche e spesso gli interessi economici hanno guidato all'introduzione di nuovi bus nel
mercato, talvolta ignorando completamente le procedure formali di standardizzazione.
I progressi verso bus indipendenti dal produttore e dal sistema sono lenti, e le quattro tipologie
di bus qui analizzate rappresentano i principali standard per i sistemi di prossima generazione.
6.1.1.PROFIBUS
Il PROFIBUS non è un singolo sistema di comunicazione, ma una varietà di protocolli costruiti
sullo stesso pacchetto. Gli utenti possono combinare diversi protocolli PROFIBUS con software
proprietari, realizzando profili applicativi unici. L'ampia disponibilità di profili permette ai
PROFIBUS di adattarsi a svariate necessità specifiche.
PROFIBUS permette una comunicazione veloce e sicura tramite bus di campo per tutti i settori
dell'industria manifatturiera, di processo e ibrida, in tutte le fasi della produzione e durante
l'intero ciclo di vita dell'impianto.
Con una forte diffusione in tutto il mondo, PROFIBUS fornisce flessibilità e sicurezza
dell'investimento, grazie all'interoperabilità e alla sostituibilità garantite dalla presenza di
migliaia di produttori internazionali.
Garantisce inoltre la protezione dell'uomo e della macchina, con l'integrazione diretta delle
comunicazioni di sicurezza tramite PROFIsafe, al posto di un bus di sicurezza separato.
52
6.1.2.CAN Bus
Il CAN Bus si sta affermando come un valido standard nelle reti industriali del prossimo futuro,
grazie ai notevoli vantaggi tecnologici che offre.
Le principali caratteristiche sono tempi di risposta rigidi, specifica fondamentale nel controllo di
processo, e flessibilità del cablaggio, che permette di aggiungere o togliere nodi senza dover
riorganizzare il sistema o una sua parte.
Il CAN Bus presenta elevata affidabilità, grazie alla gestione hardware della rilevazione degli
errori e dalla richiesta di ritrasmissione. Ciascun nodo è in grado di rilevare il proprio
malfunzionamento e di autoescludersi dal bus se questo è permanente, impedendo che un solo
nodo metta in crisi l'intero sistema.
Il CAN Bus è uno standard collaudato, facile da gestire ed economico nella struttura, che si sta
affermando in tutti quelle aree dove costi e sicurezza sono due prerogative sempre in conflitto
tra di loro.
6.1.3.FlexRay
L'impiego di sistemi FlexRay nel settore dell'automazione può portare a grandi vantaggi.
Particolarmente favorito per le applicazioni x-by-wire, il FlexRay è un protocollo che può
essere utilizzato in molte aree al di fuori del settore dell'automotive, e sono tutt'ora in corso
ricerche sulla migrazione da sistemi basati su CAN Bus a sistemi FlexRay.
La natura deterministica dei FlexRay permette di realizzare sistemi che reagiscono con uno
specifico set di azioni alle condizioni esterne o interne, e l'elevato bit rate consente a un singolo
controller di servire più nodi in un certo intervallo di tempo, incrementando l'efficienza. Queste
caratteristiche rendono il FlexRay una valida soluzione per applicazioni relative alla sicurezza e
al controllo.
Tuttavia, quando si progetta un sistema di comunicazione, è necessario prendere in
considerazione alcuni compromessi tra FlexRay e altri bus standard: se un CAN Bus è
sufficiente a soddisfare tutti i requisiti richiesti, allora FlexRay non è necessario. Viceversa, se
un alto bit rate è un requisito fondamentale, il FlexRay è una soluzione migliore.
53
6.1.4.Fibra Ottica
Le performance di una rete in un ambiente industriale sono influenzate da lunghezza delle tratte,
interferenze elettromagnetiche e altri disturbi. La fibra ottica non è sensibile agli effetti
provocati dai disturbi di origine elettromagnetica e da radiofrequenze e può quindi essere
installata a contatto o in prossimità di sistemi e impianti elettrici. Inoltre consente collegamenti
a lunga distanza, permettendo la centralizzazione degli apparati con una conseguente riduzione
dei costi relativi a punti di connessione intermedi. Questo rende conveniente l'impiego della
fibra ottica anche in ambito industriale.
La scelta fra trasmissioni ottiche ed elettriche per un determinato tipo di sistema si basa su
diversi compromessi. La fibra ottica è in generale preferita per sistemi a banda più elevata o per
distanze superiori a quelle che possono garantire i sistemi elettrici. Nelle applicazioni su breve
distanze e che richiedano banda limitata, spesso, le comunicazioni di tipo elettrico sono
preferibili a causa dei minori costi, della maggior facilità di connessione, della capacità di
trasportare l'alimentazione elettrica insieme ai segnali.
6.1.5.Confronto conclusivo
Nella tabella comparativa qui sotto sono riportate le principali caratteristiche dei quattro bus
analizzati, come riepilogo e confronto conclusivo.
PROFIBUS
Metodo di comunicazione Master-Slave con
token-passing
CAN Bus
FlexRay
Fibra Ottica
Multi-Master con
TDMA e comunicazione diarbitraggio dinamico sul namica
bus
Dipende dal protocollo
Bit Rate Massimo
12 Mbit/s
1 Mbit/s a 40 m
50 kbit/s a 1 km
10 Mbit/s single channel
20 Mbit/s dual channel
40 Gbit/s a 100 km per fibre in SiO2
1 Gbit/s a 100 m per fibre plastiche
Dimensione Data Frame
1-244 byte
0-8 byte
0-254 byte
Dipende dal protocollo
Numero di canali
1
1
2
1
Gestione degli errori
Interoperabilità e sostituibilità
CRC di 15 bit
CRC di 11 bit per l'Header,
CRC di 24 bit per il Frame,
dual-channel ridondante,
Bus Guardian
Utilizzo di strumenti per l'ispezione e
la verifica (e.g. Fiber inspector, OTDR
- Optical Time Domain Reflectometer)
Determinismo
Trasmissione ciclica e
trasmissione aciclica
No
TDMA
Dipende dal protocollo
Aree di utilizzo
Automazione industriale
Automotive, automazione industriale, domotica
Automotive, x-by-wire,
automazione industriale
Telecomunicazioni, robotica e
automazione industriale, audio digitale, industria militare, trasporti
Vantaggi
Interoperabilità, sostituibilità, collegamento plug &
play, profili per applicazioni specifiche
Fault-confinement, elevata affidabilità, semplicità e flessibilità del cablaggio
Dual-channel, elevata veloci- Immunità a disturbi elettromagnetici,
tà, elevata affidabilità, confi- basso impatto ambientale, dimensioni
gurazione facilitata (FIBEX) e peso contenuti,
Svantaggi
Connettori costosi
Bit rate limitato
Costi elevati
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Bassissima resistenza meccanica,
posa e connessione costose
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