CAPÍTULO 2. BUSES DE CAMPO Y DOMÓTICA

CAPÍTULO 2. BUSES DE CAMPO Y DOMÓTICA
2.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS BUSES DE CAMPO
Un bus de campo es un sistema de trasmisión de información que simplifica la instalación
y operación de máquinas y equipamientos industriales.
Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus
serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores.
Los buses de campo deben ser capaces de hacer frente a los problemas que plantea la
industria:
-
Control integrado en diferentes niveles de información y diferentes procesos en
una misma planta.
Cantidad elevada de sensores y actuadores.
Distancia de control de mando superior a varias decenas de metros.
Los buses de campo se están reemplazando progresivamente los sistemas de control
aislados y centralizados por redes de control distribuido con las que mejorar la calidad del
producto, reducir costes y mejorar la eficiencia[2]. La propia definición de control distribuido exige
que los dispositivos interconectados tengan cierta capacidad de proceso de modo que parte de
las tareas queden delegadas en los diferentes nodos de la red, esto los convierte en dispositivos
inteligentes.
Antes de la aparición de los buses de campo la técnica de comunicación que dominaba en
la industria era el lazo de corriente de 4-20 mA, que aunque ofrece un medio con alto grado de
inmunidad sólo podía proporcionar un circuito conmutado de 20 mA full duplex con una velocidad
de 9600 bps y alcanzando una distancia de 300 metros. A pesar de que se intentó hacer del lazo
de corriente un estándar, lo cierto es que cada fabricante introdujo diferentes niveles de señal.
Frente a las limitaciones del lazo de corriente, los buses de campo nos ofrecen mayores
prestaciones. A continuación se enumeran las ventajas que supone utilizar buses de campo:
-
-
Reducción del cableado. Habitualmente en la industria los autómatas se
conectan a varios sensores y actuadores. Si tenemos en cuenta que por cada
actuador o sensor hay que instalar al menos dos cables podemos imaginarnos la
maraña de cables que se forma a la entrada del controlador y si además tenemos
que llevar cada par de cables a un sitio distinto se puede observar que tanto el
coste en cableado como el coste en la instalación de los mismos es bastante
elevado. Por si fuera poco, si ocurre algún fallo en los cables sería difícil detectar
en cuál ha ocurrido porque tendríamos que comprobarlos uno por uno. Los buses
de campo usan muy pocas líneas, algunos sólo dos. Como se puede observar, la
reducción en costes de cableado e instalación es evidente, además en caso de
rotura del cable sería más fácil de detectar ya que sólo tenemos que comprobar un
cable, el del bus de campo.
Información digital. El hecho de que la información que circula por el bus sea
digital aporta más precisión al sistema y una mayor inmunidad ante el ruido que un
sistema analógico.
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
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Protección contra ruido. Muchos de estos buses vienen preparados para
funcionar en medio de fuertes campos electromagnéticos mediante la utilización
de cables apantallados. Además algunos poseen medidas adicionales para poder
operar en atmósferas potencialmente explosivas. Todo esto convierte a los buses
de campo en sistemas idóneos para trabajar en ambientes hostiles pudiendo
extender de esta manera el abanico de aplicaciones donde pueden ser utilizados.
Facilidad de mantenimiento y autodiagnóstico. Al simplificar el cableado se
pueden realizar funciones de mantenimiento preventivo y predictivo, de una forma
más fiable y actualizada. El hecho de que los elementos que se conectan al bus
sean dispositivos inteligentes hace que podamos asignarles tareas de
autodiagnóstico que permitan ahorrarnos tiempo y dinero a la hora de detectar y
reparar averías.
Mayor velocidad. La velocidad de comunicación puede ser un elemento crítico ya
que tiene que dar tiempo a que el controlador pueda actualizar todas sus entradas
sin que el programa en ejecución pierda ninguna variación por lo que el tiempo de
comunicación en todos los dispositivos no debería ser superior a 7ms. Como
consecuencia habría que incrementar la velocidad de transmisión por encima de
los 750 Kbps. Los buses de campo pueden ofrecer estas velocidades.
Mayor longitud. Las tecnologías empleadas en los buses de campo permiten
aumentar las distancias respecto al lazo de corriente, más allá de los 500m.
Además pueden integrarse en redes jerárquicas con pasarelas entre medios
físicos pudiendo cubrir un área extensa.
Ampliable. La inclusión de nuevos elementos en el sistema es mucho más fácil ya
que sólo habrá que hacer la conexión al bus mediante un conector en T o un
conector-derivador en el punto del bus más cercano al sensor/actuador en
cuestión.
Simplicidad. Para utilizar los buses de campo sólo se hacen uso de las capas
física, de enlace y aplicación, lo cual simplifica el trabajo del diseñador y del
usuario, ya que este último prácticamente sólo debería ocuparse de la capa física
y la capa de usuario.
2.2 COMPARATIVA
El bus de campo que fue finalmente escogido para elaborar el sistema domótico descrito
en el capítulo 3 es CAN. De la especificación de CAN se pueden extraer dos características
fundamentales:
-
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Acceso por contienda con arbitraje de bits. Posee las ventajas de un bus de
acceso por contienda sin desperdiciar tiempo en caso de colisión de tramas, ya que el
arbitraje de bits resuelve el conflicto a favor de un único nodo sin destruir la
información transmitida por éste.
Comunicación punto a multipunto. En CAN, los identificadores no son direcciones
de nodos particulares, sino que expresan el tipo de contenido de la trama. Esto junto
con las estructuras de buzones dentro de los nodos CAN hacen posible que un único
mensaje transmitido al bus pueda ser recogido por varios nodos simultáneamente.
Además, los mensajes son filtrados por hardware, lo que evita tener que implementar
algoritmos de selección.
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De la primera característica se deriva la posibilidad de establecer prioridades a los
mensajes según su identificador y la ventaja de tener un bus con un alto rendimiento pudiendo
conseguir velocidades de transmisión altas (hasta 1Mbps).
De la segunda característica se deriva la posibilidad de establecer una comunicación
mucho más efectiva en entornos en los que varios elementos necesitan compartir cierta
información entre sí, como es el caso de la domótica. Esto ha propiciado el desarrollo de una
arquitectura de protocolos sobre la cual se asienta el modelo de sistema domótico expuesto en el
capítulo 3, y que aprovecha precisamente esta característica.
Dentro de los buses de campo industriales, CAN se muestra como el más versátil, razón
que impulsó a descartar otros buses como PROFIBUS o Ethernet.
PROFIBUS está muy orientado a las aplicaciones industriales y aunque es bastante
robusto es también más complejo, mientras que CAN a pesar de ser más sencillo, es capaz de
ofrecer el servicio de comunicación que demandan las aplicaciones de domótica con una buena
calidad y mucho más flexible, ya que se adapta bien a casi cualquier aplicación, no sólo a las de
carácter industrial.
Ethernet está más orientado a la transmisión de datos en redes de área local, y aunque
ofrece una comunicación de banda ancha (del orden de 100Mbps), en aplicaciones de domótica
no es necesario un ancho de banda tan grande. Por otra parte, Ethernet sólo ofrece
comunicación punto a punto o por difusión a todos los nodos de la red, mientras que en este
aspecto, CAN se muestra claramente superior.
En cuanto a los buses de campo utilizados en domótica hay que decir que existen buses
con prestaciones superiores a CAN en este ámbito, pero también hay muchos con prestaciones
inferiores. Habría sido más sencillo escoger directamente un bus de campo de este tipo pero se
ha creído más conveniente utilizar CAN por la siguiente razón: El objetivo de este proyecto es el
de dar a conocer las ventajas de la utilización de buses de campo y demostrar con un ejemplo
práctico que estos buses se pueden aplicar como solución de comunicación a problemas reales.
Por éste y otros motivos se ha preferido diseñar una solución propia, que aunque implica un
mayor esfuerzo, es mucho más enriquecedora en cuanto a conocimientos adquiridos. A
continuación se detallan las razones adicionales que motivaron al descarte de otros buses:
X10 a pesar de su facilidad de instalación (utiliza la red eléctrica y no necesita cableado
adicional), está muy limitado en prestaciones y ofrece una velocidad de transmisión muy pobre.
EHS mejora en cierto modo X10 pero sigue teniendo una velocidad de transmisión muy
baja y fue también descartado.
Aunque es cierto que BatiBUS ofrece algunas de las ventajas más importantes de CAN,
su velocidad también es muy baja y fue descartado.
LONWorks sí ofrece redes domóticas más robustas y estructuradas. El problema es que
no es un estándar abierto y sobre todo que las redes LONWorks son complejas y caras, razón
por la cual este bus sólo ha tenido éxito en redes domóticas para grandes edificios y hoteles. En
el ámbito del hogar CAN puede ofrecer una solución más barata y sencilla con unas prestaciones
similares.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
2.3 PROFIBUS
2.3.1 INTRODUCCIÓN
Profibus es un bus industrial abierto independiente de fabricantes que sigue los
estándares europeos EN 50170 y EN 50254 que aseguran tal condición. La organización que
vela por este bus de campo es Profibus internacional (PI). Dentro de esta organización se
encuentran inscritos más de 800 participantes de todo el mundo. Este es un bus que define
todas las características de una red de comunicación serie industrial. Se utiliza como medio de
intercambio de información entre dispositivos distribuidos en campo.
Actualmente, más de 150 compañías de alta reputación han reconocido las ventajas de
PROFIBUS y se han unido al PNO (PROFIBUS User Organization) o a alguna organización
nacional afiliada. El PNO representa los intereses de fabricantes y usuarios, coordinando el
mantenimiento y los desarrollos en el avance de la normativa PROFIBUS.
PROFIBUS se caracteriza por su funcionalidad y amplio campo de adaptación dentro de la
industria. Este campo abarca desde el nivel de sensores y actuadores hasta el nivel de celdas.
Usa la misma técnica de transmisión y el mismo protocolo de acceso al bus con funciones de
aplicación diferenciadas. Esto permite una reducción significativa de esfuerzo en la instalación,
mantenimiento y entrenamiento.
El rango de productos PROFIBUS se está extendiendo continuamente. Un sumario de los
productos y servicios disponibles en el mercado se puede localizar en la guía de productos
electrónicos PROFIBUS, que puede ser obtenida del PNO.
La comunicación en un sistema industrial se puede dar a tres niveles, de forma separada
o conjunta:
1) Nivel de actuador/sensor. Las señales binarias de los sensores y actuadores son
transmitidas a través del bus de estos dispositivos de manera cíclica al maestro de la
red. Para este nivel se suele utilizar ASInterface.
2) Nivel de campo. Este nivel conecta a todos los periféricos tales como módulos E/S,
transductores de señal con el sistema de automatización por una comunicación en
tiempo real. En este nivel los datos son también enviados de forma síncrona mientras
que las alarmas, los parámetros y los datos de diagnóstico de la comunicación son
enviados de forma asíncrona en momentos puntuales. Para este nivel PROFIBUS
ofrece una solución transparente y especialmente preparada para procesos de
automatización.
3) Nivel de célula. Los controladores programables tales como los PLC y los IPC se
comunican unos con otros en este nivel mediante grandes paquetes y potentes
funciones de comunicación, pudiendo estar esta capa integrada en el sistema de
comunicaciones interno de una compañía mediante Internet, intranet, mediante los
protocolos más usuales TCP/IP y Ethernet.
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Fig 2.1. Esquema de comunicación industrial con Profibus
En resumen, el uso más habitual de Profibus es la interconexión de diferentes dispositivos
de distintos fabricantes sin unas especiales exigencias, pudiendo ser utilizado para aplicaciones
donde el tiempo del bus sea crítico y con los objetivos de comunicación complejos.
2.3.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Este bus se basa en la comunicación controlada entre maestro-esclavo. Definimos de
manera particular estos dispositivos como:
-
Dispositivos maestros (Master Devices). Entre estas estaciones activas rota un
permiso de acceso y control que les permite enviar mensajes sin necesidad de
petición.
Dispositivos secundarios (Slaves Devices). Periféricos asignados a los
maestros. Consisten en una serie de dispositivos lo suficientemente inteligentes
como para seguir las normas del protocolo. Entre ellos podemos encontrar:
sensores, actuadores tipo relé, convertidores de frecuencia, electroválvula, etc. Su
papel es pasivo, pudiendo sólo transmitir cuando se les ha realizado una petición
previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicación pero son muy numerosos.
Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes:
-
Datos de entrada y de salida al proceso.
Funciones de diagnostico y verificación.
Configuración de dispositivos.
Programas entre los controladores.
Parámetros de control.
Se podría decir que las principales características de Profibus son:
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compañía, está controlado por un comité
de estandarización. Por lo tanto, permite la comunicación entre equipos de
diferentes marcas sin la necesidad de una pasarela de protocolo.
Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y mensajes, Profibus es un
sistema de comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos
son repetidos hasta que la confirmación de recepción es enviada.
Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de automatización,
permitiendo el intercambio de datos entre controladores y entre elementos de
campo.
Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas de
diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo.
Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser incorporado en cualquier
momento al bus sin necesidad de reformar la estructura, incluso sin enturbiar la
comunicación existente.
2.3.3 PERFILES
Profibus ofrece protocolos de comunicaciones según la aplicación tanto para alta
velocidad como para gran cantidad de elementos direccionables, caso de los sensores y
actuadores, tanto para buses con largos tiempos de respuesta como para aplicaciones de
comunicación compleja. Los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus son:
-
-
-
Profibus-DP (Descentralized Periphery), para el control distribuido. Diseñado para
la comunicación entre sistemas de control automático y entradas y salidas
distribuidas o remotas en campo. Ofrece la funcionalidad de intercambiar datos de
forma rápida y cíclica. Su principal ventaja es que es plug and play, en cuanto a
que se permite la identificación automática de los dispositivos.
Profibus-PA (Processs Automation), automatización de procesos. Permite que
tanto sensores como actuadores sean conectados en una línea de bus. Su
aplicación está definida en procesos situados en áreas de seguridad intrínseca,
denominadas Ex, y está regido según el estándar internacional IEC 1158-2,
especialmente indicado para las actividades petroleras y químicas.
Profibus-FMS (Field Message Specification), especificación de los mensajes en el
bus de campo. Se trata de una serie de tareas de comunicación, de propósito
general, en el nivel de comunicaciones de célula. Es el más alto nivel de
comunicaciones que aborda este bus, y permite la coordinación de gran cantidad
de aplicaciones de comunicación: buses de ordenadores industriales, robots,… En
Profibus-FMS se realiza la comunicación entre los dispositivos principales.
Desarrollo cronológico de los diferentes perfiles:
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1990
FMS
1992
DP
1994
PA
1996
PA plus DPV1
Fig. 2.2. Desarrollo cronológico de los perfiles de Profibus
2.3.4 ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS
La arquitectura de protocolos de Profibus se basa en el modelo de referencia OSI, de
acuerdo con el estandar ISO 7498.
Fig. 2.3. Arquitectura de protocolos basada en el modelo OSI
Profibus-DP define las capas física y de enlace, así como el interfaz de usuario. Las capas
3 a 7 no están definidas. El DDLM (Direct Data Link Mapper) proporciona un interfaz de usuario
sencillo para el acceso a la capa 2. Como medio físico se usa la tecnología RS-485, fibra óptica
o ambas.
En Profibus-FMS se definen las capas físicas, de enlace y de aplicación. La capa de
aplicación consiste en el FMS (Fieldbus Message Specification) y el LLI (Lower Layer Interface).
FMS contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario un amplio conjunto de servicios.
LLI permite proporcionar a FMS una interfaz independiente del dispositivo con la capa de enlace.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Dicha capa implementa el protocolo de acceso al bus y la seguridad de datos. Como medio físico
se emplea RS-485, fibra óptica o ambas.
Profibus-PA utiliza el protocolo de Profibus-DP y le añade como característica particular la
definición de los perfiles de dispositivo. Como medio de transmisión utiliza el estándar IEC 11582, lo que le permite su utilización en zonas de seguridad intrínseca. Mediante un dispositivo
puente es fácil acoplar redes Profibus-DP con redes Profibus-PA.
Por su parte, Profibus-DP y Profibus-FMS usan las mismas tecnologías de transmisión y
protocolo uniforme de acceso al medio, por ello, ambas pueden operar simultáneamente sobre el
mismo cableado.
2.3.5 MEDIOS FÍSICOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS
El área de aplicación de los sistemas de bus de campo está determinada por la tecnología
disponible para el nivel físico. Igual que las demandas generales del sistema han llevado a éste a
una arquitectura en bus, hacen falta satisfacer también características específicas a este nivel
como son funcionamiento en ambientes agresivos, transmisión de datos y potencia en el mismo
cable, etc. Actualmente existen tres métodos de transmisión:
-
RS-485: Medio de transmisión para aplicaciones generales de automatización en
cadenas de montaje y fabricación.
IEC 1158-2: Medio de transmisión para uso en procesos de automatización.
Fibra óptica: Medio de transmisión caracterizado por presentar inmunidad a
interferencias y capacidad de salvar enlaces de largas distancias.
Los desarrollos futuros intentarán usar Ethernet comercial como nivel físico para Profibus.
Es posible utilizar acopladores para enlaces entre los diferentes métodos de transmisión.
2.3.5.1 RS-485
Es la tecnología de transmisión más usada por Profibus. Se utiliza en aplicaciones donde
se necesita alta velocidad de transmisión y simplicidad de instalación. Utiliza un par trenzado de
cobre apantallado.
Características principales:
-
Topologías: Bus lineal, con distintos segmentos y terminadores activos en ambos
extremos. También puede confeccionarse la red en árbol, generalización del bus.
Por medio de repetidores se pueden conseguir diferentes segmentos del bus.
Cable: Par trenzado apantallado, de cobre con diferentes recubrimientos según el
ambiente.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Fig. 2.4. Cable par trenzado apantallado para enlace Profibus
-
Velocidad de transmisión: Entre 9.6K – 12M, según la distancia que haya que
cubrir. Dado que la velocidad es única en el bus, un dispositivo principal suele
marcarla y el resto se debe configurar a la misma.
Tasa de
(kbit/sec)
Enlace de
bit
9.6
19.2
93.75
187.5
500
1500
1200 m
1200 m
1200 m
1000 m
400 m
200 m
Tabla 2.1. Velocidades permitidas con RS-485 según la longitud del enlace
-
-
Distancia de transmisión sin repetidor hasta 1200 metros.
El número de estaciones máximo sin repetidores es 32, con repetidores se puede
llegar hasta 127. La estructura del bus permite la expansión de la red. Sólo hay
que insertar un nuevo dispositivo, mediante un derivador de línea, y, si está en el
extremo, conectar el terminal o conmutador terminador de línea.
Conectores de diferentes tipos. El que recomienda la norma es el sub-D de 9
pines.
Todos los dispositivos irán conectados al bus mediante derivadores, que recibirán un
cable en la entrada (IN) y permitirán la continuidad de la línea por la salida (OUT). Si el
dispositivo es final de línea, ésta morirá en él. Los derivadores tendrán integrada las resistencias
adecuadas en caso de terminar o no la línea. Una representación del conexionado por RS-485
es:
EA
EA
EP
T
T
T
R
EP
EP
T
T
T
R
T
EP
EA
T
T
Fig. 2.5. Esquema de un posible conexionado por RS-485
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
En el esquema, EA son las estaciones que hacen de maestros, mientras que las EP son
las estaciones que hacen de esclavos, T son los derivadores con y sin terminal de línea, R es un
repetidor de RS-485, y la línea negra que conecta los diferentes equipos es par trenzado.
Al conectar una estación al bus se debe asegurar el no conectar el cableado de datos al
revés. El uso de una línea de datos apantallada es de absoluta necesidad para lograr un sistema
inmune al ruido electromagnético. La pantalla debe estar conectada a la masa a ambos lados del
cable, incluso se debe proteger las líneas de datos de los cables de alta tensión. El 90 % de los
problemas ocurridos en una red Profibus son atribuidos a un incorrecto cableado e instalación;
estos problemas pueden ser solventados usando comprobadores de buses que pueden detectar
la mayoría de estos problemas.
2.3.5.2 FIBRA ÓPTICA
La red de fibra óptica en Profibus es la opción para grandes distancias de transmisión o
para los ambientes industriales más afectados por las interferencias electromagnéticas. A
menudo se utiliza una red mixta con elementos eléctricos y ópticos. La red de dispositivos
ópticos consiste en:
-
Módulos de enlace óptico. Estos módulos configuran un enlace óptico, junto con
las fibras ópticas. De estos módulos se obtiene además una salida eléctrica para
conectar a las estaciones participantes en la red.
Elementos de conexión de los que cuelgan otras estaciones. Tienen entrada y
salida óptica. Algunos fabricantes ofrecen conexión directa a la red óptica sin
necesidad de pasar a red eléctrica.
La topología de una red óptica podría ser:
Fig. 2.6. Posible topología de una red óptica.
En el esquema EO, es el enlace óptico, siendo de nuevo T el terminador de línea, EA el
terminal maestro y EP el terminal esclavo, la línea azul gruesa representa un canal de fibra
doble, mientras que la línea a trazos es un canal de fibra simple.
Las características generales de las redes ópticas en Profibus son:
-
Topología: permite crear una red en bus lineal, anillo y estrella.
Cable: fibra óptica de plástico para la longitud de onda de 660 nm. Si es vidrio
puede emplearse una longitud de onda de 800 a 1500 nm. Además, se tendrá en
12
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
cuenta si el cable deber ser instalado en el interior o exterior, al igual que el cable
eléctrico, para seleccionar la resistencia del cable.
Las distancias de transmisión pueden llegar a ser hasta de 10 y 15 km.
El número máximo de estaciones es de 127. La expansión de la red se complica.
Deben coexistir sistemas eléctricos y ópticos. Aparecen conectores de fibra,
adaptadores fibra-RS485, conectores de par de fibra (uno para transmitir y otro
para recibir). Los dispositivos de enlace ópticos disponen de conexiones ópticas y
también de cable de bus.
Por lo general, los dispositivos de enlace óptico incorporan funcionalidades como la
detección del estado de enlace, sincronización a la velocidad de transmisión del enlace,
funciones de repetidor de señal óptica, etc.
2.3.5.3 IEC 1158-2
Este método de transmisión, con una tasa de transferencia de 31.25 Kbit/s, es usada en
procesos de automatización en industrias químicas y petroquímicas, en zonas potencialmente
explosivas, debido a la seguridad intrínseca que ofrecen las dos líneas de alimentación por las
que se transmiten los datos y se suministra corriente. Los principios de este estándar son
definidos como el modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe COncept). Éste fue desarrollado en
Alemania por el PTB (Instituto federal de física técnica) y hoy es internacionalmente reconocido
como el modelo básico de cableado para buses de campo en zonas peligrosas. El FISCO está
basado en:
-
Cada segmento tiene sólo una fuente de alimentación.
Cuando alguna estación está enviando tramas no hay alimentación en el bus.
Cada dispositivo de campo consume un nivel de corriente constante mientras
funciona, no menos de 10 mA, actuando como un sumidero pasivo de corriente.
En los dos extremos del bus se colocan terminadores de línea.
Sólo están permitidos topologías lineales, en árbol y en estrella.
Para trabajar en zonas peligrosas es necesario que todos los componentes usados hayan
sido aprobados y certificados de acuerdo al modelo FISCO y al IEC 1158-2 por agencias
autorizadas como PTB, BVS (Alemania), UL, FM (USA).
2.3.6 PROTOCOLO DE ACCESO AL MEDIO. NIVEL DE ENLACE
Las tres variaciones de Profibus usan el mismo control de acceso al medio, incluyendo los
aspectos relacionados con la seguridad de los datos y el manejo de los protocolos de
transmisión y los telegramas. En Profibus, la capa 2 se denomina FDL (Fieldbus Data Link). El
MAC es determinista, de modo que sólo una estación tiene derecho a transmitir en cada
momento. En particular ha sido diseñado para cumplir:
-
-
En las comunicaciones entre sistemas activos (maestros), encargados de tareas
de control complejas, debe asegurarse que cada estación tenga suficiente tiempo
para ejecutar sus tareas de comunicación dentro de un intervalo de tiempo
definido.
Las tareas de comunicación cíclicas se implementarán de la forma más sencilla
posible para permitir la comunicación entre un maestro y uno o varios esclavos.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Por tanto, el control de acceso al medio de Profibus incluye un sistema de paso de testigo
en bus (Token-bus) entre los maestros, junto con un sistema de consulta maestro-esclavo para
la comunicación entre cada maestro y su periferia.
Fig. 2.7. Nivel de enlace. Configuración maestro/esclavo
El mecanismo de paso de testigo garantiza el derecho a acceder al bus de cada maestro
durante un determinado periodo de tiempo. El paso de testigo es un telegrama especial que
permite la cesión al nodo que lo recibe, el derecho a acceder al bus. El testigo sigue una
secuencia según anillo lógico, con un tiempo máximo predeterminado para la rotación completa
del testigo.
La comunicación maestro-esclavo permite que el maestro que posee el testigo en un
instante determinado se comunique con los esclavos que dependen de él. El maestro puede
enviar mensajes a los esclavos y leer las contestaciones de éstos. De esta forma, es posible
tener un sistema con un único maestro y múltiples esclavos, un sistema formado sólo por
estaciones activas o un sistema híbrido.
La capa de enlace también es la encargada de la seguridad de los datos. Todos los
telegramas tienen distancia de Hamming 4, debido al uso de delimitadores de comienzo y fin de
trama especiales, así como un bit de paridad para cada byte según se define en el estándar IEC
870-5-1.
El modo de funcionamiento es sin conexión. Permite tanto el direccionamiento unicast
como direcciones multicast y broadcast.
Bits
de Delimitador
establecimiento
inicio
De 1 a 8 bytes
1 byte
de Profibus SDU
(Unidad de datos de servicio)
De 1 a 256 bytes
Delimitador de
terminación
1 byte
Tabla 2.2 Formato de la trama del nivel físico de Profibus
2.3.7 PROFIBUS DP
PROFIBUS DP está diseñado para alta velocidad de transferencia de datos en el nivel de
sensores y actuadores. En este nivel, los controladores tales como los PLC's intercambian datos
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
a través de un enlace rápido serie con sus dispositivos periféricos. El intercambio de datos con
estos periféricos es principalmente cíclico. El controlador central (maestro) lee la información de
entrada desde los esclavos y envía de retorno a los mismos la información de salida. Es
importante que la duración del ciclo del bus sea menor que la duración del ciclo del programa del
controlador, el cual es de aproximadamente de 10 ms en la mayoría de las aplicaciones. Un
sumario de las características técnicas de PROFIBUS-DP queda reflejado en la siguiente tabla:
Técnica de transmisión:
PROFIBUS DIN 19 245 Parte 1.
EIA RS485 par de cables trenzados o fibra óptica.
9600 bits/s hasta 12 Mbits/s.
100 mts a 12 Mbits/s, 900 mts a 1.5 Mbits/s expandible con
repetidores
Medio de acceso:
Protocolo de acceso al medio híbrido de acuerdo a DIN 19
245 Parte 2.
Soporta sistemas mono-maestro o multi-maestro.
Dispositivos maestros y esclavos.
Comunicación:
Peer to peer (transferencia de data de usuario) o multicast
(sincronización).
Transferencia de datos de usuario Maestro esclavo cíclico
o transferencia de datos maestro maestro acíclico.
Modos de operación:
Operar (Operate): Transferencia cíclica de datos de entrada
y salida.
Borrar (Clear): Borrado de datos de entrada y salida.
Detener (Stop): Solo es posible en funciones maestromaestro.
Sincronización:
Sincronización de las entradas y/o salidas de todos los
esclavos DP.
Sync-mode: Las salidas son sincronizadas.
Freeze-mode: Las entradas son sincronizadas.
Funcionalidad:
Transferencia cíclica de datos entre maestros DP y
esclavos DP.
Activación o desactivación individual de esclavos DP.
Chequeo de la configuración de los esclavos DP.
Mecanismos de Autodiagnostico.
Sincronización de entradas y salidas.
Asignación de direcciones a los esclavos a través del bus.
Configuración del maestro DP a través del bus.
246 bytes máximos de entrada / salida de datos por
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
esclavo DP (32 bytes típicos).
Mecanismos
protección:
de
seguridad
y
Todos los mensajes son enviados con distancia Hamming
de HD=4.
Watchdog en los esclavos DP.
Protección de acceso en las entradas / salidas de los
esclavos DP.
Monitorización de la transferencia de datos con intervalo de
tiempo configurable en el DP-esclavo (DPM1).
Tipos de dispositivos:
Dispositivo maestro DP clase 2 (DPM2), por ejemplo
dispositivos de configuración y programación.
Dispositivo maestro DP clase 1 (DPM1), por ejemplo
controladores centrales tales como PLC.
Cableado e instalación:
Acoplamiento y desacople de estaciones sin afectar a las
otras estaciones.
Técnica de transmisión de dos conductores probados y de
fácil manejo.
Tabla 2.3. Características principales de Profibus DP.
2.3.7.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS
Una gran terminación no es suficiente para un uso exitoso de un sistema de bus. Mejor
dicho, una instalación y servicio sencillo, buenas facilidades de diagnostico y una transmisión
libre de errores son necesarias para cumplir con los requerimientos de los usuarios. PROFIBUSDP combina estos requisitos de una manera óptima.
PROFIBUS-DP necesita, aproximadamente, 6 ms a 1.5 Mbits/s para la transmisión de 512
bits de datos de entrada-salida distribuida en 32 estaciones. Esto cumple el requerimiento para
un corto tiempo de reacción del sistema. La figura 2.8 muestra el tiempo de transmisión de
PROFIBUS-DP, dependiendo del número de estaciones y la velocidad de transmisión. Este
considerable incremento de la velocidad en comparación con PROFIBUS-FMS, resulta
principalmente del uso del servicio SRD (envío y recepción de datos, send and receive data) de
la capa 2. Este servicio permite la transmisión de datos de entrada y salida en un solo ciclo de
mensaje. Adicionalmente, la mejora en el desempeño resulta del incremento de la velocidad de
transmisión a 12 Mbits/s.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Fig. 2.8. Tiempo de ciclo de Bus dependiendo de la velocidad de transmisión y del nº de dispositivos
esclavos en el sistema.
2.3.7.2 DIAGNÓSTICO
Las extensas funciones de diagnóstico de PROFIBUS-DP permiten una rápida localización
de fallos. Los mensajes de diagnóstico son transmitidos al bus y recogidos por el maestro.
Operan en tres niveles:
-
Diagnóstico relacionado a estaciones: Estos mensajes abarcan estados
operacionales generales de todos los dispositivos. Ejemplo: bajo voltaje en el
dispositivo.
Diagnóstico relacionado a los módulos: Estos mensajes indican que un fallo se
presenta en un rango de I/O específico de una estación. Ejemplo: módulo de 8 bits
de salida.
Diagnóstico relacionado a los canales: Estos mensajes muestran que hay un fallo
en un bit de entrada o salida (canal). Ejemplo: cortocircuito en el canal de salida
número 7.
2.3.7.3 INSTALACIÓN Y SERVICIO
La técnica de transmisión RS-485 es muy sencilla de utilizar. Esto permite una enorme
flexibilidad en la configuración del sistema. La instalación del par trenzado de cables no requiere
destreza. La estructura del bus permite acoplar o desacoplar estaciones sin afectar a las demás
estaciones. Adicionalmente, es posible configurar el sistema paso a paso.
2.3.7.4 CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA Y TIPOS DE DISPOSITIVOS
PROFIBUS-DP permite sistemas mono-maestro o multi-maestro. Es posible conectar
hasta 126 estaciones (maestros o esclavos) en el mismo bus. La descripción de la configuración
del sistema consiste de: el número de estaciones, la asignación entre dirección de estaciones y
direcciones de entrada y salida, la consistencia de la trama de datos, formato del mensaje de
diagnóstico y los parámetros del bus.
17
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Cada sistema PROFIBUS-DP contiene diferentes tipos de dispositivos. En una
clasificación por aplicación existen tres tipos principales:
-
-
DP-maestro clase 1 (DPM1). Este es el controlador central, el cual intercambia
información con las estaciones descentralizadas (esclavos DP) en un ciclo de
mensaje definido. Los dispositivos típicos son los PLC's, los controles numéricos o
los controladores de robots.
DP-maestro clase 2 (DPM2). Este tipo de dispositivos son usados para
programación, configuración y diagnóstico. Son utilizados durante la instalación
para definir la configuración del sistema.
DP-esclavo A. Los esclavos DP son dispositivos periféricos (sensores, actuadores)
que recogen información de entrada y emiten información de salida al periférico.
También es posible fabricar dispositivos solamente para entrada o salida de datos.
Los dispositivos DP típicos son dispositivos con entradas o salidas binarias de 24
Vdc o 110/220 Vac, entradas o salidas analógicas, contadores, etc. El número de
datos de entrada y salida depende del dispositivo y está limitado a un máximo de
246 bytes. Muchos de los esclavos DP disponibles actualmente tienen únicamente
un máximo de 32 bytes de entradas y 32 bytes de salidas. En la mayoría de los
casos, este límite se debe a razones de implementación.
En sistemas mono-maestro, solo un maestro está activo en la fase operativa. La figura 2.9
muestra la estructura de un sistema PROFIBUS-DP mono-maestro. El PLC es el maestro del
proceso. Los esclavos DP distribuidos están conectados al PLC a través del bus. Esta
configuración provoca la menor duración del ciclo de bus.
Fig. 2.9. Sistema DP mono-maestro
En configuración multi-maestro, varios maestros DP están activos en el bus, funcionando
como subsistemas (cada uno formado por un maestro con sus esclavos asignados) u operando
como dispositivos de configuración o diagnóstico. La imagen de entrada y salida puede ser leída
por cada maestro. Sólo a un maestro (el cual fue asignado por configuración) se le permite
escribir a la salida de un esclavo DP. Los sistemas multimaestro producen un ciclo de bus más
largo que los sistemas monomaestro.
18
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
2.3.7.5 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA
Las especificaciones PROFIBUS-DP incluyen una descripción detallada de
comportamiento del sistema. Esto facilita la interoperabilidad de los dispositivos. El
comportamiento del sistema es afectado principalmente por el estado de DPM1. El estado puede
ser controlado local o remotamente por los dispositivos de configuración. Usualmente, se dan los
siguientes estados:
-
Detenido (Stop). En este estado no ocurre transferencia de datos entre el DPM1 y
los esclavos DP.
Limpiar (Clear). El DPM1 lee la información de entrada de los esclavos DP y
mantiene a las salidas en su estado de ‘a prueba de fallos’.
Operar (Operate). El DPM1 está en estado de transferencia de datos. En una
secuencia de mensajes cíclicos, la trama de datos de entrada es leída del esclavoDP y la trama de datos de salida es escrita en el esclavo-DP.
El DPM1 transmite su estado local en un intervalo de tiempo configurable, con un
comando multicast, a todos los esclavos DP asignados.
La reacción del sistema debido a fallos en la fase de transferencia de datos, por ejemplo,
la caída de un esclavo-DP, está determinada por el parámetro de configuración "Autoclear" del
DPM1. Si este parámetro es "cierto", el DPM1 lleva las salidas de todos los esclavos-DP
asignados a su estatus de fail-safe (a prueba de fallos), lo que significa que no está habilitado
para transmitir la trama de datos válida. Después, DPM1 cambia al estado Limpiar.
Si "Autoclear" es falso, el DPM1 se mantiene en su estado de Operación incluso en el
caso de que se produzca un fallo de esclavo-DP. El usuario puede determinar la reacción del
sistema.
2.3.7.6 TRANSFERENCIA CÍCLICA DE DATOS
La transferencia de datos del usuario entre el DPM1 y sus esclavos DP asignados es
ejecutada automáticamente por DPM1 mediante un orden recurrente definido. Durante la
configuración del bus del sistema, el usuario define la asignación de esclavos DP a un DPM1 y
cuales de estos esclavos DP están incluidos o excluidos del ciclo de mensajes.
La interacción entre el DPM1 y sus esclavos DP está estructurada en fases de
parametrización, configuración y transferencia de trama de datos. En las fases de
parametrización y configuración, cada esclavo DP compara su configuración real con la trama de
datos de configuración recibida desde su DPM1. Cuando verifica su configuración, el tipo de
dispositivo, formato y longitud de la información así como el número de entradas y salida tienen
que ser idénticas. El usuario, en consecuencia tiene una extensa protección contra fallos de
configuración mediante estas pruebas. Sólo si estas pruebas concluyen con éxito, el esclavo DP
está listo para pasar a la fase de transferencia de datos. La figura 2.10 muestra los principios de
transferencia de data de usuario entre el DPM1 y los esclavos DP En adición a la transferencia
de tramas de datos de usuario ejecutada automáticamente, es posible enviar datos de usuario de
parametrización definidos por los esclavos DP.
19
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
POWER_ON
Set_Slave_Address
WAIT_PRM
WAIT_CFG
Slave_Diagnose
Get_Config
Slave_Diagnose
Set_Param, OK
Get_Config
Check_Config, OK
Set_Param, NOT OK
Check_Config, NOT OK
DATA_EXC
Set_Param, OK
Check_Config, OK
Data_Exchange, OK
Fig. 2.10. Funcionamiento de un dispositivo esclavo DP
2.3.7.7 TRANSFERENCIA DE DATOS ENTRE DPM1 Y LOS DISPOSITIVOS DE
CONFIGURACIÓN
Como complemento a las funciones maestro-esclavo, PROFIBUS DP permite funciones
maestro-maestro. Son usadas entre DPM1 y los dispositivos de configuración y programación
(DPM2). Principalmente, estas funciones permiten la configuración del DPM1 a través del bus.
Además de las facilidades de Upload y Download, la función maestro-maestro permite
habilitar o deshabilitar dinámicamente la transferencia de tramas de datos entre DPM1 y los
esclavos seleccionados, así como el cambio del modo de operación del DPM1.
2.3.7.8 MODOS SYNC Y FREEZE
En adición a la transferencia cíclica de datos de usuario, el cual es realizado en forma
automática por DPM1, es posible enviar datos de comando de control desde un maestro DP a un
único esclavo DP, grupo de esclavos o a todas las demás estaciones. Estos comandos son
transmitidos como comandos multicast. El uso de estas funciones permite el modo sync o freeze
de los esclavos DP. Estos modos permiten la sincronización del manejo de evento de los
esclavos DP.
Las estaciones seleccionadas entran en modo sync, después de que el maestro envía un
comando sync. En este modo, la salida de los esclavos DP seleccionados se congela en su
estado actual. Durante los siguientes ciclos de intercambio de datos, los datos de salida son
almacenados en el esclavo DP, pero la salida física se mantiene sin cambios. Cuando el esclavo
20
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
DP recibe el siguiente comando sync del maestro, los datos de salida son emitidos al periférico.
El usuario puede detener el modo sync con el comando unsync.
De la misma manera, el comando freeze habilita el modo freeze de los esclavos DP. Este
comando permite congelar las entradas a su valor presente. Los datos de entrada se actualizan
después de recibir el siguiente comando freeze. El usuario puede detener el modo freeze con el
comando unfreeze.
2.3.7.9 MECANISMOS DE PROTECCIÓN
Debido al rango de aplicación del PROFIBUS DP, es necesario equipar al sistema con una
protección efectiva contra fallos de parametrización o fallos en el bus. PROFIBUS DP utiliza
mecanismos de control en el maestro DP y en los esclavos DP. Estos son implementados como
temporizadores de “perros guardianes” o Watchdog timers.
-
-
En el maestro DP: El DPM1 monitoriza la transferencia de datos de usuario de los
esclavos DP con el Data_Control_Timer (temporizado de control de trama de
datos). Para cada esclavo DP se utiliza un temporizado de control individual. Este
temporizador expira si dentro de un intervalo de control de datos, no ocurre una
transferencia de datos de usuario con éxito, en cuyo caso, el usuario sería
informado del fallo. Si el error de reacción automática ha sido habilitado
(Auto_clear = true), el DPM1 abandona el estado de operación (operate), cambia
las salidas de todos los esclavos DP asignados a su condición de fail-safe y los
cambia a su estado de Limpieza (Clear).
En los esclavos DP: El esclavo DP usa el temporizador Watchdog para detectar
fallos del DPM1 asignado o del bus. Si un esclavo DP reconoce que no ocurre una
transferencia de datos de usuario con éxito con DPM1 dentro del intervalo del
temporizador Watchdog, cambia las salidas a su condición de fail-safe.
Para garantizar la operación segura en sistemas multimaestro, es necesario realizar una
protección de acceso para las entradas y las salidas de los esclavos DP. Esta protección
asegura que solo será posible el acceso directo de las entradas y salidas desde el DPM1
asignado. Para todos los otros mensajes maestros DP, los esclavos DP ofrecen una imagen de
las entradas y salidas, la cual puede ser leída por cualquier otro maestro DP sin derecho de
acceso.
2.3.7.10 LA BASE DE DATOS DE DISPOSITIVOS
Las características principales de cada esclavo DP y cada DPM1 tienen que ser
documentada por el fabricante y ser entregada al usuario del dispositivo en forma de una hoja de
datos del dispositivo y un archivo de base de datos. La estructura, contenido y codificación de
esta información está estandarizada. Lo que permite una configuración conveniente de cualquier
esclavo DP con dispositivos de configuración de cualquier fabricante. El PNO administra esta
información, independientemente del fabricante, y ofrece la misma a requerimiento.
21
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Fig. 2.11. Archivo GSD. Base de datos de dispositivos Profibus DP
2.3.7.11 NÚMERO DE IDENTIFICACIÓN
Cada tipo de esclavo DP tiene que tener un número de identificación individual. Este
número es necesario para permitir al DPM1 identificar el tipo de esclavo DP conectado sin un
significativo gasto en protocolo. El DPM1 compara el número de identificación de cada esclavo
DP conectado con el número de identificación de los datos de configuración determinado por la
configuración del dispositivo. La transferencia de datos de usuario en la fase de operación del
sistema solamente empezará cuando el esclavo DP correcto esté conectado en el bus con la
dirección de estación adecuada. Esto asegura una alta protección contra fallos de
parametrización. El fabricante es requerido por el PNO para aplicar un número de identificación
individual para cada tipo de esclavo DP. El PNO administra los números de identificación junto a
la información de la base de datos del dispositivo.
22
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
2.4 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK)
2.4.1 INTRODUCCIÓN
Controller Area Network (CAN) es un protocolo de comunicación serie que soporta
eficientemente el control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad. El aumento de
la complejidad de los sistemas electrónicos para automoción y la exigencia de mayor seguridad y
confort por parte de los usuarios motivaron a Bosch a diseñar un bus de campo que diera
solución a estas necesidades. CAN ha sido estandarizado internacionalmente de manera que
numerosos fabricantes de semiconductores han desarrollado circuitos integrados basados en
este estándar.
El ejemplo más habitual de aplicación del bus CAN es el ABS, que requiere la actuación
conjunta de las revoluciones del motor y del carburador para reducir el par cuando una rueda
motriz patina. Pero aunque inicialmente fue utilizado para la automoción, sus características le
permiten adaptarse a un amplio rango de aplicaciones, desde redes de alta velocidad hasta
cableado de bajo coste para múltiples elementos, pudiendo controlar máquinas, sensores, etc.
con velocidades de hasta 1 Mbit/s.
De acuerdo con el modelo OSI, CAN se subdivide en capas, de las cuales el estándar
define las dos primeras, capa física y capa de enlace. No existen los niveles del 3 al 6 puesto
que se pasa directamente a la capa de aplicación desde la de enlace. Una peculiaridad de CAN
es que las capas de enlace y aplicación no están totalmente separadas sino que guardan un
cierto vínculo que quedará patente cuando se muestre la estructura de tramas del nivel de
enlace. Existen dos partes dentro de la especificación CAN 2.0[3], la A y la B, y aunque utilicen
diferentes nombres para las subcapas del nivel de enlace, su misión es la misma. Básicamente
la única diferencia que existe entre CAN 2.0 A y CAN 2.0 B es que la parte A utiliza
identificadores de 11 bits, compatible con anteriores versiones de CAN, mientras que B utiliza
identificadores de 29 bits. Por lo demás, el funcionamiento es el mismo.
NIVEL
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Físico
CAN 2.0 A
(Protocolo específico)
CAN 2.0 B
(Protocolo específico)
CAN Object layer
LLC
CAN Transfer layer
MAC
ISO 11898
ISO 11898
Fig. 2.12 Torre de protocolos en aplicaciones CAN
Antes de entrar en detalle es conveniente citar las dos características más importantes de
CAN, clave esencial para comprender las enormes ventajas que trae consigo utilizar este bus:
-
Los identificadores no son direcciones de nodos concretos, sino que expresan el
contenido del mensaje. Por ejemplo: podríamos asignar un identificador para los
datos de temperatura, otro para los de velocidad, etc. De esta manera se pueden
23
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
establecer comunicaciones punto a multipunto ya que sólo los nodos a los que
interese el mensaje lo recibirán.
El tipo de acceso al medio es basado en contienda pero con la particularidad de
que no se desperdicia tiempo, debido a que las colisiones se resuelven mediante
un arbitraje de bits en el que gana el nodo con más prioridad sin que esto suponga
la modificación de ninguno de los bits que este nodo ha transmitido. Esto es algo
parecido a lo que ocurre en un canal D de un acceso RDSI.
2.4.2 NIVEL FÍSICO
El nivel físico de CAN está estandarizado por el ISO (International Organization for
Standardization) en la norma ISO 11898[4]. La transmisión puede efectuarse de dos formas, la
primera es a través de una sola línea, siempre que todos los nodos tengan una referencia de
tierra común y los niveles de tensión estarían referidos a tierra. La segunda es a través de dos
hilos en modo diferencial. Nos centraremos en esta última forma puesto que es la que regula el
estándar ISO 11898.
En la figura 2.13 se muestra la disposición típica del bus CAN. En ella podemos observar
que el bus está formado por dos líneas, CANH Y CANL, dentro de un cable, que puede estar
apantallado o no, por tanto pueden ser utilizados cables UTP (Unshielded twisted pair) y STP
(Shielded twisted pair).
Es importante reseñar que el bus debe estar terminado en los extremos con resistencias
de terminación de 120 Ohmios. Además no es conveniente incluir las resistencias de terminación
en los nodos que están colocados en los extremos puesto que si estos nodos son retirados, el
bus se quedará sin terminación y se pueden dar reflexiones que imposibiliten una correcta
comunicación.
CANH
CANL
Terminador
Terminador
Transceiver
Transceiver
TX
TX
RX
RX
Controlador
(digital)
Controlador
(digital)
Nodo 1
Nodo n
Fig. 2.13 Esquema de conexión de los nodos al bus CAN
El bus está en estado recesivo cuando todos los transmisores están desactivados. La
tensión de las líneas del bus en este caso es generado por las resistencias de terminación y los
circuitos de recepción de los nodos, que muestran una impedancia alta entre las líneas del bus.
Un bit dominante es enviado al bus cuando al menos uno de los nodos tiene habilitado su
transmisor y quiere escribir un bit dominante. Esto provoca un flujo de corriente a través de las
24
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
resistencias de terminación y consecuentemente una tensión diferencial entre ambas líneas del
bus. El bus puede estar en uno de los dos estados: recesivo o dominante.
En el estado recesivo, las tensiones en CANH y CANL son fijadas al nivel de tensión de
modo común, y se considerarán como un ‘1’ lógico siempre que la tensión diferencial no supere
un cierto umbral máximo. El bus está en estado recesivo cuando se quiere transmitir un ‘1’ o
cuando el bus está en reposo.
En el estado dominante la tensión diferencial es mayor que un umbral mínimo. Un bit
dominante sobreescribe a un bit dominante y ocurre cuando uno o más nodos quieren transmitir
un ‘0’ lógico.
CANH
V
CANL
Recesivo
Dominante
Recesivo
t
Fig. 2.14 Niveles de tensión en el bus CAN
A continuación se muestran los umbrales de tensión que se definen en la especificación:
Recesivo
Parámetro
Notación Unidad
Mínimo
Típico
Máximo
2,5
7,0
Tensión del bus en modo VCANH
común
VCANL
V
V
-2,0
2,5
Tensión diferencial
mV
-120
0
Vdiff
12
Tabla 2.4 Niveles de tensión para el estado recesivo
Dominante
Parámetro
Notación Unidad
Mínimo
Típico
Máximo
3,5
7,0
Tensión del bus en modo VCANH
común
VCANL
V
V
-2,0
1,5
Tensión diferencial
mV
1,2
2,0
Vdiff
3,0
Tabla 2.5 Niveles de tensión para el estado dominante
25
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
La especificación ISO 11898 no define el tipo de conectores y cables a usar pero sí define
los parámetros eléctricos mínimos que deben cumplir los materiales. En el caso del cable se
recomienda que tengan una impedancia característica en torno a los 120 Ω, una resistencia de
menos de 70mΩ/m y un retraso de línea específico de menos de 5ns/m En cuanto a la topología
hay que procurar que se parezca lo más posible a una línea recta para evitar reflexiones. Los
parámetros que debe cumplir la topología son:
Parámetro
Notación
Unidad Mínimo Máximo
Longitud del bus
Longitud del stub o “latiguillo”
Distancia entre nodos
Nota: especificaciones para 1Mbit/s
L
l
D
m
m
m
0
0
0,1
40
0,3
40
Tabla 2.6 Distancias a tener en cuenta en el cableado del bus CAN
Las limitaciones del bus dependen de varios factores como por ejemplo la velocidad de
transmisión. En la siguiente tabla se muestra una comparativa entre la longitud máxima del bus y
la velocidad:
Velocidad Tiempo de Bit Longitud Máxima
1 Mbps
40 m
1 µS
800 Kbps 1,25 µS
50 m
500 Kbps 2 µS
100 m
250 Kbps 4 µS
250 m
125 Kbps 8 µS
500 m
50 Kbps
1000 m
20 µS
20 Kbps
2500 m
50 µS
10 Kbps
5000 m
100 µS
Tabla 2.7 Relación entre velocidad de transmisión y longitud del bus
Otra de las limitaciones que hay que tener en cuenta es el número de nodos que se
pueden insertar en la red. Aunque la norma no especifica ningún límite, lo cierto es que el bus
está limitado por carga y dependiendo del tipo de transceiver que usemos podremos poner más
o menos nodos. Como valor de referencia se puede establecer un máximo de 64 nodos.
La capa física se encarga también de otros aspectos tales como la codificación de bits, los
tiempos de bit y la sincronización, que serán vistos en detalle más adelante.
2.4.3 NIVEL DE ENLACE
En este nivel está la clave fundamental para entender el funcionamiento de CAN. Gracias
a esta capa, CAN ofrece una comunicación con las siguientes características:
-
Establece prioridades para los mensajes.
Garantiza los tiempos de latencia.
Permite una configuración flexible.
La comunicación es punto a multipunto sincronizada.
Permite sistemas multimaestro.
26
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
Detecta y señaliza errores.
Retransmite automáticamente mensajes en caso de colisión tan pronto como el
bus esté libre.
Distingue entre errores temporales y permanentes pudiendo desconectar nodos
defectuosos.
2.4.3.1 LAS SUBCAPAS DEL NIVEL DE ENLACE: LLC Y MAC
La subcapa MAC representa el núcleo del protocolo de CAN. Presenta los mensajes
recibidos desde la subcapa LLC y acepta los mensajes para ser pasados a la subcapa LLC.
La subcapa MAC es responsable de las siguientes tareas:
-
Encapsulado / desencapsulado de datos.
Codificación de la trama (Insertando/extrayendo bits de relleno).
Gestión del acceso al medio.
Detección de errores.
Señalización de errores.
Generación de asentimientos.
Serialización / deserialización de los datos.
Esta subcapa está supervisada por una entidad de gestión denominada “Fault
Confinement”, que es un mecanismo de autocomprobación para distinguir entre leves
perturbaciones y fallos permanentes.
La subcapa LLC se encarga de las siguientes tareas:
-
Filtrado de mensajes.
Notificación de sobrecarga.
Autorrecuperación.
Las diferentes características de la subcapa LLC y del protocolo CAN tienen una serie
consecuencias:
Mensajes. Los mensajes son enviados al bus con un formato fijo de longitud variable pero
limitada. Cuando el bus está libre cualquier unidad puede empezar a transmitir un mensaje.
Encaminamiento de la información. En un sistema CAN, los nodos no necesitan
conocer la configuración de la red y no necesitan por tanto direcciones. Esto tiene importantes
consecuencias:
Flexibilidad. Se pueden añadir nuevos nodos sin que suponga una modificación
del hardware o software de ningún otro nodo.
Encaminamiento de mensajes. El identificador no indica el destinatario del
mensaje, sino el significado de los datos, por eso todos los nodos pueden decidir
mediante filtrado si deben recibir ese mensaje o no.
Multicast. Como consecuencia del filtrado de mensajes, varios nodos pueden
recibir el mismo mensaje simultáneamente.
Velocidad de transmisión. Es posible elegir la velocidad para cada sistema, sin
embargo, dentro de un sistema, todos los nodos transmiten a la misma velocidad.
27
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Prioridades. El identificador determina la prioridad del mensaje en los accesos al bus.
Petición de datos remotos. Enviando una trama remota (Remote Frame) se puede
requerir a otro nodo que mande la correspondiente trama de datos. Ambas tramas tienen el
mismo identificador.
Arbitraje. Siempre que el bus está libre, cualquier nodo puede empezar a transmitir un
mensaje. Si dos o más nodos empiezan a transmitir mensajes al mismo tiempo, el conflicto de
acceso al bus es resuelto por arbitraje de bits usando el identificador. Este mecanismo garantiza
que no se pierde ni la información ni el tiempo.
Seguridad. Para lograr un alto nivel de seguridad en la transferencia de datos, se han
implementado medidas de detección de errores y autocorrección en cada nodo CAN.
Las medidas de detección de errores son:
-
Monitorización de la información escrita al bus.
Código de redundancia cíclico.
Bits de relleno.
Comprobación de la estructura de la trama.
Con este tipo de medidas se logra una probabilidad residual de errores no detectados
menor que:
[tasa de errores en el mensaje] · 4.7E-11
Confinamiento de fallos (Fault confinement). Como ya se ha mencionado, los nodos
CAN distinguen entre errores temporales y permanentes, siendo capaces de desactivar los
nodos defectuosos para que no perturben el funcionamiento de la red.
Asentimientos. Todos los receptores comprueban la consistencia de un mensaje que
está siendo recibido y lo asentirán si el mensaje es consistente. En caso contrario lo señalarán
con la pertinente trama de error.
Sleep mode. Para reducir el consumo los nodos CAN pueden entrar en este modo si no
van a ser utilizados. El nodo saldrá de este modo bien porque detecte actividad en el bus o bien
porque el sistema requiera que el nodo CAN vuelva a estar operativo.
2.4.3.2 DATA FRAME (TRAMA DE DATOS)
Una trama de datos está compuesta de siete campos de bits: COMIENZO DE TRAMA,
CAMPO DE ARBITRAJE, CAMPO DE CONTROL, CAMPO DE DATOS, CRC, ASENTIMIENTO
y FINAL DE TRAMA. El campo de datos puede tener longitud cero.
COMIENZO CAMPO
DE CAMPO DE CAMPO
DE TRAMA ARBITRAJE
CONTROL DATOS
1 bit
12 bits/ 31 bits
6 bits
8 x n bits
n= 0,1,…,7,8
DE CRC ASENTI- FINAL DE
MIENTO TRAMA
17
bits
2 bits
7 bits
Fig. 2.15 Estructura de una trama de datos
28
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Comienzo de trama. Consiste en un único bit dominante. Su misión es delimitar el
comienzo de una trama y servir de referencia para que el resto de nodos se sincronicen con el
flanco de subida de este bit.
Campo de arbitraje. El formato es distinto según si nos encontramos ante una trama
estándar o una trama extendida. Las tramas estándar utilizan identificadores de 11 bits mientras
que las extendidas utilizan identificadores de 29 bits.
IDENTIFICADOR
RTR
IDE
R0
DLC
11 bits
1 bit
1 bit
1 bit 4 bits
Fig. 2.16 Campos de arbitraje y control en una trama estándar
IDENTIFICADOR
(ID28 – ID18)
11 bits
SRR IDE IDENTIFICADOR
(ID17 – ID0)
1 bit 1 bit 18 bits
RTR
R1
R0
DLC
1 bit
1 bit 1 bit 4 bits
Fig. 2.17 Campos de arbitraje y control en una trama extendida
Como ya se dijo, el identificador indica el contenido del mensaje y a su vez define la
prioridad del mensaje.
El bit RTR (Remote Transmission Request) indica si se trata de una trama de datos (0) o
si se trata de una trama remota (1).
El bit SRR (Substitute Remote Request) sustituye al bit RTR de las tramas estándar y
siempre está a 1 de modo que en una colisión entre una trama estándar y una extendida en las
que coincidan los 11 primeros bits del identificador, siempre prevalezca la trama estándar.
El bit IDE (Identifier Extensión) determina si el identificador es de 11 ó 29 bits, por tanto
este bit tiene el valor 0 en las tramas estándar y el valor 1 en las tramas extendidas.
Campo de control. Este campo tiene una longitud de 6 bits como se aprecia en las
figuras 2.16 y 2.17. Los bits R0 y R1 están reservados mientras que los 4 bits del DLC (Data
lenght code) indican la longitud en bytes del campo de datos. De la figura 2.15 se desprende que
el campo de datos tiene una longitud máxima de 8 bytes, por tanto, el valor máximo que puede
codificarse en el DLC es 8. Aunque con 4 bits podríamos codificar valores desde el 0 al 15, los
valores mayores que 8 no están permitidos.
Campo de datos. Puede contener desde 0 a 8 bytes de información. Dentro de cada byte,
los bits están ordenados de manera que el bit más significativo es el primero que se transmite.
CRC (Código de redundancia cíclico). Este campo se divide en dos partes, por un lado
un código de redundancia para poder detectar errores y por otro un delimitador del CRC. El
código de redundancia es del tipo BCH, tiene una longitud de 16 bits y responde al siguiente
polinomio generador:
X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1.
29
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
CRC
Delimitador
15 bits
1 bit
Fig. 2.18 Campo CRC
El CRC se calcula sobre los siguientes campos sin contar los bits de relleno: Comienzo de
trama, Campo de arbitraje, Campo de control y Campo de datos. El delimitador consiste en un bit
con valor 1.
Campo de asentimiento. Este campo se compone de dos bits: la ranura y el delimitador
de asentimiento. El nodo que transmite la trama pone ambos bits a 1 (nivel recesivo). Todos los
nodos que hayan recibido correctamente la trama, incluyendo una comprobación del CRC con
resultado satisfactorio, sobrescribirán la ranura de asentimiento con un bit dominante (0)
indicando al nodo transmisor que la trama ha sido recibida correctamente.
Ranura de ACK
Delimitador ACK
1 bit
1 bit
Fig. 2.19 Campo de asentimiento
Final de trama. Este campo consiste simplemente en 7 bits recesivos.
2.4.3.3 REMOTE FRAME (TRAMA REMOTA)
La estructura de una trama remota es exactamente igual que la de una trama de datos con
la excepción de que el bit RTR va a 1 y que el campo de datos está vacío independientemente
del valor del DLC. Este tipo de tramas se utilizan cuando se quiere solicitar determinada
información a un nodo. El nodo solicitante envía una trama remota, sin datos y con un
determinado identificador. El nodo receptor reacciona enviando inmediatamente una trama de
datos con el mismo identificador y la información correspondiente. Por supuesto el nodo receptor
debe tener preparada previamente la información actualizada en el buzón correspondiente para
que cuando llegue una trama remota la información que se envíe automáticamente sea la
adecuada.
2.4.3.4 ERROR FRAME (TRAMA DE ERROR)
La trama de error consta de dos campos. El primero viene dado por la superposición de
señales de error procedentes de diferentes nodos. El segundo es un delimitador de error.
SEÑAL DE ERROR
De 6 a 12 bits
DELIMITADOR
DE ERROR
8 bits
Fig. 2.20 Estructura de una trama de error
Hay dos tipos de señales de error:
30
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
Señal de error activo: Consiste en seis bits dominantes consecutivos.
Señal de error pasivo: Consiste en seis bits recesivos consecutivos a menos que
otros nodos los sobrescriban con sus señales de error activo.
Un nodo en estado de “error activo” que detecta una condición de error lo indica
transmitiendo una señal de error activo. Esta señal viola la ley de bits de relleno aplicados a
todos los campos desde el comienzo de trama hasta el CRC o destruye el formato de los
campos de asentimiento y final de trama. Como consecuencia, todos los demás nodos detectan
una condición de error e inician la transmisión de sus propias señales de error. Por eso, la
secuencia de bits dominantes que realmente se ven en el bus resulta de la superposición de
diferentes señales de error y la longitud de esta secuencia puede variar entre 6 y 12 bits.
Un nodo en estado de “error pasivo” que detecta una condición de error intenta indicarla
transmitiendo una señal de error pasivo. Este nodo espera a que aparezcan 6 bits de la misma
polaridad, empezando a contar desde el principio de la señal de error pasivo.
Una vez que se han terminado de transmitir todas las señales de error tanto pasivas como
activas, los nodos transmiten 8 bits recesivos al bus. Estos 8 bits forman el delimitador de error.
2.4.3.5 OVERLOAD FRAME (TRAMA DE SOBRECARGA)
La trama de sobrecarga contiene dos campos de dos bits cada uno: la señal de
sobrecarga y el delimitador de sobrecarga.
Hay tres tipos de condiciones de sobrecarga, que conducen ambas a la transmisión de
este tipo de tramas:
Las condiciones internas de un receptor pueden hacer que éste necesite introducir
un retraso en la recepción de la próxima trama de datos o trama remota para que
pueda procesar la tarea que tenga pendiente.
La detección de un bit dominante en el último bit de un delimitador de error o de un
delimitador de sobrecarga. En este caso el nodo transmitirá una trama de
sobrecarga, no una trama de error y los contadores de errores no serán
incrementados.
Detección de un bit dominante en el primer y segundo bit de INTERMISSION.
SEÑAL
SOBRECARGA
de 6 a 12 bits
DE DELIMITADOR DE
SOBRECARGA
8 bits
Fig. 2.21 Estructura de una trama de sobrecarga
La señal de sobrecarga consiste en seis bits dominantes consecutivos y la forma
resultante de este campo es análoga a la de la señal de error.
Lo mismo ocurre con el delimitador de sobrecarga, que se corresponde con una secuencia
de 8 bits recesivos al igual que el delimitador de error.
31
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
2.4.3.6 ESPACIO ENTRE TRAMAS
Tanto las tramas de datos como las tramas remotas están separadas de la trama
precedente, sea del tipo que sea, por un conjunto de bits denominados INTERFRAME SPACE
(Espacio entre tramas). En contraste, las tramas de error y sobrecarga no van precedidas por
este espacio entre tramas, ni siquiera varias tramas de sobrecarga seguidas.
El espacio entre tramas contiene los campos de bits INTERMISSION, “Bus libre”, y para
nodos en estado de “error pasivo” que han transmitido el último mensaje, “Suspensión de
transmisión”.
INTERMISSION
BUS LIBRE
3 bits
indefinido
a) Espacio entre tramas para nodos en estado “error activo”
INTERMISSION
3 bits
SUSPENSIÓN
TRANSMISIÓN
8 bits
DE BUS LIBRE
indefinido
b) Espacio entre tramas para nodos en estado “error pasivo”
Fig. 2.22 Estructura del espacio entre tramas
El campo INTERMISSION consiste en una secuencia de 3 bits recesivos consecutivos y el
campo Suspensión de transmisión consiste en una secuencia de 8 bits recesivos consecutivos.
La duración del espacio denominado Bus libre es indefinida y termina cuando algún nodo
empieza a transmitir una trama.
2.4.4 ARBITRAJE EN EL BUS
El arbitraje de bits es el mecanismo que utiliza CAN para decidir en caso de colisión cuál
es el nodo que puede seguir transmitiendo. Esta decisión se toma teniendo en cuenta el campo
de arbitraje, que contiene el identificador.
Como ya se ha dicho, un bit dominante prevalece sobre uno recesivo. Esto es posible
gracias a los circuitos de los transmisores que se comportan de forma similar a una puerta a
drenador abierto, que es capaz de fijar un cero lógico pero que al transmitir un uno lógico ponen
su salida en alta impedancia.
Si un solo nodo empieza a transmitir una trama, automáticamente el resto de nodos se
ponen a recibir el mensaje y se abstienen de transmitir al bus hast que el bus vuelva a quedar
libre y necesiten transmitir algo o hasta que se den condiciones de error o sobrecarga.
El problema surge cuando dos o más estaciones intentan transmitir al mismo tiempo. En
este caso cuando cualquiera de los nodos que intentan transmitir detecten diferencia entre el bit
que ellos están transmitiendo y el bit que se observa en el bus, y siempre que se encuentren
transmitiendo el campo de arbitraje, entenderán que han perdido la contienda y por tanto deben
dejar de transmitir inmediatamente. Estos nodos volverán a intentar la transmisión cuando el bus
esté libre de nuevo.
El siguiente ejemplo ilustra el funcionamiento del mecanismo de arbitraje:
32
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Fig. 2.23 Ejemplo de arbitraje en el bus CAN
En la figura se aprecia cómo el nodo 1 deja de transmitir en cuanto se percata de que en
el bus hay un nivel dominante (0) cuando él había transmitido un nivel recesivo (1). Lo mismo le
ocurre al nodo 3 unos bits después. Al final sólo queda el nodo 2 que es el que finalmente
transmite su trama sin haber desperdiciado tiempo y sin haber destruido la información del nodo
ganador.
También se puede apreciar que el valor del identificador del nodo 2 es el más bajo
(00011000011b = 195d), frente al nodo 1 (001XXXXXXXXb > 256d) y al nodo 3 (0001101XXXXb
> 208d). Por tanto los mensajes con identificadores más bajos tendrán más preferencia.
Si dos o más nodos transmiten tramas con el mismo identificador y bit RTR, en el
momento en que hubiera alguna discrepancia, por ejemplo, en el campo de datos, los nodos lo
que detectarían sería un error de bit, emitirían las correspondientes tramas de error y destruirían
la trama que estaban transmitiendo. En ese caso sí se habría desperdiciado tiempo y los nodos
tendrían que reintentar la transmisión de nuevo.
2.4.5 FILTRADO DE MENSAJES
Aunque la especificación CAN no regula del todo la forma de intercambiar información
entre el sistema microprocesador y el controlador CAN, lo cierto es que la mayoría de
dispositivos establecen para ello una serie de buzones (mailboxes). En el caso de los buzones
de transmisión, cada uno de ellos lleva un campo con el identificador que incluirán en sus
mensajes y en el caso de los buzones de recepción, cada uno puede llevar uno o más filtros. Los
filtros se componen de un identificador y una máscara. De esta manera en un buzón de
recepción pueden entrar un grupo de mensajes siempre que el identificador del mensaje entrante
coincida con el identificador del filtro en los bits especificados en la máscara.
33
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
1 1 0 0 1
ID del mensaje 1
1
0
0
0
0
0
1 1 0 0 1
ID del mensaje 2
1
0
0
0
1
1
1 1 0 1 0
ID del mensaje 3
1
0
0
0
0
0
1 1 0
ID del filtro
1
1
0
0
0
0
0
0 0 0 0 0
Máscara del filtro
0
1
1
1
1
1
0
El mensaje 1 entraría en el buzón porque su
identificador coincide con el identificador del
filtro en los bits que especifica la máscara (los
que están a 0).
El mensaje 2 entraría en el buzón por la
misma razón aunque los dos últimos bits no
coincidan ya que por la configuración de la
máscara esos bits no deben ser
comprobados.
El mensaje 3 no entraría en el buzón puesto
que tiene 2 bits diferentes dentro de la zona
del identificador que sí es comprobada.
Fig. 2.24 Ejemplo de filtrado con buzones
En el caso de los buzones configurados para recibir tramas remotas, el controlador no
guarda los datos de éstas puesto que no contienen datos, y en su lugar inicia automáticamente
una transmisión de una trama de datos con la información que estuviera guardada en dicho
buzón por el sistema microprocesador.
2.4.6 CODIFICACIÓN
Los campos Comienzo de trama, Campo de arbitraje, Campo de control, Campo de datos
y CRC de las tramas de datos y tramas remotas son codificados con el método de bits de
relleno. Siempre que el transmisor detecta cinco bits consecutivos de idéntico valor en el flujo de
bits que va a ser transmitido, inserta automáticamente un bit complementario en el flujo que
realmente se transmite. Los restantes campos de dichas tramas tienen un formato fijo y no están
afectados.
El flujo de bits en un mensaje es codificado de acuerdo con el método de No-Retorno-acero (NRZ). Esto significa que durante todo el tiempo de bit, el nivel generado se mantiene.
2.4.7 MECANISMOS CONTRA ERRORES
2.4.7.1 TIPOS DE ERRORES
Hay cinco tipos de errores que se pueden dar en un bus CAN:
-
Error de bit. Al tiempo que un nodo transmite un bit al bus, también monitoriza el
nivel real en el bus, y cuando el valor detectado es diferente del valor enviado se
genera un error de bit excepto cuando se está transmitiendo un bit que pertenece
al campo de arbitraje o a la ranura de asentimiento y siempre que detectemos un
nivel dominante cuando hayamos transmitido un nivel recesivo. Tampoco se
interpreta como un error de bit cuando un nodo envía una señal de error pasivo
mientras otros nodos ponen en el bus un nivel dominante debido a sus señales de
error activo.
34
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
Error en bits de relleno. Cuando se detectan 6 bits consecutivos con el mismo
valor en alguno de los campos codificados con el método de bits de relleno, se
genera este tipo de error.
Error en CRC. Los receptores recalculan el CRC de los mensajes que le están
llegando y si detectan discrepancia entre el CRC que han obtenido y el que
reciben en la trama, lo señalan como error en el CRC.
Error de formato. Este tipo de error ocurre cuando se detectan bits ilegales en
campos con un formato fijo. Si se detecta un bit dominante durante el último bit del
campo Final de trama, no se considera como error de formato.
Error de asentimiento. Si un nodo transmisor no detecta un nivel dominante
durante la ranura de asentimiento de la trama que está transmitiendo, genera este
error.
En cuanto se detecta alguno de estos errores se transmite inmediatamente a partir del
siguiente bit una trama de error utilizando una señal de error activo o pasivo según el estado del
nodo, a excepción de los errores en CRC. Ante errores en el CRC, la trama de error se transmite
justo después del delimitador de asentimiento siempre que no se haya producido alguna de las
otras condiciones de error antes.
2.4.7.2 CONFINAMIENTO DE NODOS DEFECTUOSOS (FAULT CONFINEMENT)
Los nodos pueden estar en tres estados:
-
error activo.
error pasivo.
bus off (desactivado).
Un nodo en error activo puede tomar parte en las comunicaciones del bus con normalidad
y enviar señales de error activo cuando detecte un error.
Un nodo en error pasivo también puede tomar parte en las comunicaciones pero a la hora
de señalar un error debe hacerlo con la señal de error pasivo, y además, después de una
transmisión, los nodos en error pasivo deben esperar un tiempo antes de iniciar una nueva
transmisión.
Un nodo en “bus off” está desactivado y no puede ejercer influencia alguna sobre el bus.
Para hacer efectivo el mecanismo de confinamiento de nodos defectuosos, se implementan dos
contadores en cada nodo:
-
Contador de errores de transmisión
Contador de errores de recepción
Los contadores son modificados de acuerdo a las siguientes reglas:
1) Cuando un receptor detecta un error, el contador de errores de recepción es
incrementado en 1 excepto cuando se trata de un error de bit durante el envío de una
señal de error o de sobrecarga.
2) Cuando un receptor detecta un bit dominante como primer bit tras enviar una señal de
error, el contador de errores de recepción será incrementado en 8
35
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
3) Cuando el transmisor envía una señal de error el contador de errores de transmisión
es incrementado en 8. Para esta regla hay dos excepciones, la primera se aplica al
caso en que el transmisor esté en error pasivo y detecte un error de asentimiento por
no recibir un asentimiento con bit dominante y no detectar bits dominantes mientras
envía su señal de error pasivo, ya que esto significaría que el nodo es el único activo
en el bus. La segunda excepción se aplica al caso en que el transmisor envía una
señal de error por un error de bits de relleno ocurrido durante el arbitraje al haber
enviado un bit recesivo pero haber monitorizado un bit dominante. El contador de
errores de transmisión no se modifica si se dan los casos de cualquiera de estas dos
excepciones.
4) Si el transmisor detecta un error de bit mientras manda una señal de error activo o de
sobrecarga, el contador de errores de transmisión es incrementado en 8.
5) Si un receptor detecta un error de bit mientras manda una señal de error activo o de
sobrecarga, el contador de errores de recepción es incrementado en 8.
6) Cualquier nodo tolera hasta 7 bits dominantes consecutivos tras mandar una señal de
error activo, de error pasivo o de sobrecarga. Si se detectan más bits dominantes
consecutivos de los especificados por ese límite, el transmisor incrementará en 8 su
contador por cada grupo de 8 bits dominantes consecutivos que esté de más. Los
receptores incrementarán su contador de errores de la misma manera.
7) Tras una transmisión con éxito, el contador de errores de transmisión es
decrementado en 1 a menos que el contador ya valga cero.
8) Tras la recepción de un mensaje con éxito, el contador de errores de recepción es
decrementado en 1 si tiene un valor entre 1 y 127. Si tenía un valor de 0, no se
decrementa. Si tenía un valor mayor de 127, se le asigna un valor entre 119 y 127
9) Un nodo está en error pasivo cuando el contador de errores de transmisión o el de
recepción iguala o excede de 128.
10) Un nodo está en “bus off” cuando el contador de errores de transmisión es mayor o
igual a 256
11) Un nodo en error pasivo pasa a error activo de nuevo cuando tanto el contador de
errores de transmisión como el de recepción son menores o iguales a 127.
12) Un nodo que está en “bus off” puede pasar a error activo con sus contadores a cero
tras ocurrir 128 veces la detección de 11 bits recesivos consecutivos.
2.4.8 SINCRONIZACIÓN
Para conseguir la sincronización, la especificación CAN divide el tiempo de bit en los
siguientes segmentos:
-
Segmento de sincronización (SYNC_SEG).
Segmento de propagación (PROP_SEG).
Segmento de fase 1 (PHASE_SEG1).
Segmento de fase 2 (PHASE_SEG2).
Tiempo de bit
SYNC_SEG
PROP_SEG
PHASE_SEG1
Fig. 2.25 Segmentos del tiempo de bit
PHASE_SEG2
Punto de muestreo
36
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
El segmento de sincronización es el periodo de tiempo dentro del cual se produce el flanco
y sirve para sincronizar al nodo. El segmento de propagación es un tiempo de espera para
compensar los retrasos en la línea. Los segmentos de fase son empleados para compensar los
errores de fase del flanco y pueden ser alargados o acortados por el mecanismo de
resincronización. El punto en el que realmente se muestrea el bit ocurre justo al finalizar el
segmento de fase 1.
Estos segmentos están formados a su vez de unidades menores llamadas “Time
Quantum” que se derivan de un oscilador tras pasar un prescaler. Dependiendo del valor de
estos “Time quantum” y de cuántos de ellos formen cada segmento, así será el tiempo de bit. El
segmento de sincronización tiene una longitud de 1 “Time quantum”. Tanto el segmento de
propagación como el segmento de fase 1 pueden variar entre 1 y 8 “Time quantum”. Por su
parte, el segmento de fase 2 está formado por un número de “Time quantum” de manera que
sumen un tiempo equivalente al máximo entre el segmento de fase 1 y el tiempo de
procesamiento de la información. Existen dos tipos de sincronización que se detallan a
continuación:
-
Sincronización dura: Tras detectar un flanco se fuerza a comenzar un nuevo tiempo
de bit, de este modo el flanco cae necesariamente en el segmento de sincronización.
Resincronización: Se utiliza para corregir pequeños errores de fase. Para ello se
alarga el segmento de fase 1 o se acorta el segmento de fase 2 en un número de
“Time quantum” no superior al límite establecido por el ancho de salto de
resincronización, que es un parámetro configurable.
La sincronización obedece a las siguientes reglas:
1) Sólo un tipo de sincronización es posible dentro de un tiempo de bit
2) Un flanco será usado para sincronización sólo si el valor detectado en el punto de
muestreo anterior difiere del valor en el bus inmediatamente después del flanco
3) La sincronización dura se lleva a cabo siempre que hay una transición de recesivo a
dominante durante el estado de reposo del bus.
4) Todas las demás transiciones de recesivo a dominante que cumplan las reglas 1 y 2
serán usadas para resincronización.
2.5 ETHERNET
La topología de red tipo Bus es una arquitectura abierta, flexible y robusta. Una o más
secciones acopladas en paralelo, y los nodos, forman un único segmento de red. El bus es la
parte básica para la construcción de redes Ethernet. Como la topología de bus es un diseño en
paralelo, nuevos nodos pueden ser instalados en alguna parte sin afectar a la comunicación. El
Bus principal también puede ser expandido en sus puntos finales con una mínima afección y
nuevas secciones pueden ser insertadas en la parte media de algún segmento.
En términos generales, Ethernet es un sistema para el transporte digital de datos a través
de sistemas de cómputo local. Ethernet es una tecnología de transmisión de datos de alta
velocidad que fue lanzada en 1973 por Xerox Corporation y registrada, posteriormente, junto con
Digital e Intel. Es compatible con el modelo OSI en los niveles 1, 2 y 3 (el último a través de
37
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
puentes). Permite topología en Bus o árbol con comunicación semidúplex. Las velocidades van
desde los 10 Mbits/s a los 100 Mbits/s de FAST-Ethernet.
Es uno de los estándares de red que más rápidamente evolucionan, debido a su uso
masivo en redes ofimáticas. Ethernet permite a los Pc’s y estaciones de trabajo de distintos
fabricantes comunicarse usando estándares acordados para el envío de paquetes de
información. Soporta una topología de Bus y usa un canal compartido de comunicaciones,
manejado por acceso múltiple de medición de portadora con detección de colisión
(CSMA/CD)[5].
Ethernet está bien adaptada a las aplicaciones en que el soporte de comunicaciones local
tiene que procesar a menudo un elevado tráfico con puntas elevadas de intercambio de datos.
2.5.1 NIVEL FÍSICO
La Capa Física describe las características físicas de la red y el hardware usado. Es la
responsable del transporte de los datos hacia y fuera del dispositivo conectado. Su trabajo
incluye el codificado y descodificado de los datos, la detección de portadora y colisiones, así
como la interfaz eléctrica y mecánica con el medio conectado. Esta capa incluye: Topología,
estaciones de trabajo, hardware de transmisión, equipo usado, etc.
La estación de trabajo simplemente se refiere a una computadora o terminal que es capaz
de desplegar información del sistema Ethernet y al mismo tiempo transmitir hacia el sistema
Ethernet. Aunque todas las computadoras personales actualmente pueden trabajar como una
estación en una LAN Ethernet, deben estar provistas de una tarjeta y software para configurarla.
Cada una de estas estaciones debe tener una dirección única para que el sistema sepa donde
dejar la información.
Dentro de la Capa Física se pueden distinguir varios tipos de Redes Ethernet:
-
-
Capa Física 10 Base 2: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza tipo de cable
coaxial RG-58 muy económico y probado. Topología de Bus.
Capa Física 10 Base 5: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza cable coaxial
RG-8 o RG-11, utilizado originalmente en las primeras etapas de desarrollo. Topología
de Bus.
Capa Física 10 Base T: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza cable multipar
trenzado en topología Estrella.
Capa Física 10 Base FL: Especificación Ethernet (IEEE 802.3) que utiliza Fibra Óptica
en topología en Estrella.
Capa Física 10 Base TX: Especificación Fast-Ethernet (IEEE 802.3) para cable
multipar trenzado en topología Estrella.
Capa Física 10 Base FX: Especificación Fast-Ethernet (IEEE 802.3) para Fibra Óptica
en topología Estrella.
2.5.2 NIVEL DE ENLACE
El nivel de enlace en las redes Ethernet se divide en dos subcapas denominadas MAC y
LLC. La primera de ellas es la específica del estándar IEEE 802.3 y se ocupa del control de
acceso al medio compartido. La segunda es común a otros tipos de redes de área local como
Token Ring, FDDI, etc., y se ocupa del control lógico del enlace de datos.
38
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
2.5.2.1 MAC
La técnica de acceso al medio que usa la capa MAC de Ethernet es CSMA/CD, es decir,
Acceso Múltiple con Escucha y Detección de Colisiones.
Cuando una estación quiere transmitir, primero debe escuchar el canal por si estuviera
ocupado por otra estación. En el caso de que se encuentre el canal libre, se empieza a emitir. Si
el canal está ocupado, la estación espera insistentemente a que éste se libere, y cuando esto
ocurra, se transmite de inmediato (esto se conoce como funcionamiento 1-persistente).
El hecho de que se produzcan colisiones a pesar de enviar las tramas cuando se ha
interpretado que el canal está vacío se debe a los retardos de propagación de la señal por el
medio físico: una estación tarda algún tiempo en detectar el comienzo de la transmisión de otra
estación alejada.
Además puede darse el caso de que varias estaciones que deseen trasmitir, encuentren el
canal ocupado y decidan esperar a que acabe la transmisión en curso. La característica 1persistente hará que después de la espera se produzca una colisión.
Para minimizar el impacto de las colisiones se obliga a las estaciones a auscultar el canal
mientras transmiten: si lo que envían no coincide con lo que reciben, se debe a que hay más
estaciones transmitiendo. Una vez detectada de esta forma la colisión, se transmite una señal de
corta duración y mayor potencia para asegurar que todos detecten la colisión. Acto seguido, se
interrumpe la transmisión.
Después de producirse la colisión, las estaciones implicadas en la misma retransmitirán
sus tramas pasado un cierto tiempo. Si este tiempo fuera fijo se produciría una nueva colisión, de
forma que se introduce una componente de aleatoriedad en la espera. Si el número de intentos
rebasa cierta cantidad se abandona el intento de transmisión.
Obsérvese que este mecanismo no permite asignar prioridades de tráfico o estaciones, y
tampoco garantiza determinísticamente un determinado tiempo máximo de acceso al enlace:
puede darse el caso de que una trama colisione hasta su abandono, incluso a bajo nivel de
carga (esto puede ser improbable, pero no imposible).
2.5.2.2 LLC
El LLC no es más que una capa de adaptación que, basándose en el servicio
proporcionado por el MAC, da a la capa de red lo que esta espera: un enlace entre dos equipos
que pueda multiplexarse. El LLC especifica, por tanto, cómo se lleva a cabo el control lógico del
enclace de datos, definiendo los campos que permiten a los protocolos de los niveles superiores
compartir el uso del enalce de datos.
Siendo como es un protocolo de la capa de enlace, no sorprende que pertenezca a la
familia del HDLC, y al igual que éste, LLC puede ogrecer varios tipos de servicio a las capas
superiores:
39
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
-
LLC tipo 1. Es simplemente un protocolo orientado a datagrama, no orientado a conexión.
No realiza ningún tipo de detección o corrección de errores ni tampoco existirá ningún control
de flujo.
LLC tipo 2. Es un protocolo orientado a conexión. Numera los mensajes, tiene mecanismos
de asentimiento, resincronización, y recuperación de errores.
LLC tipo 3. Describe un protocolo de enlace semifiable.
2.5.3 ETHERNET COMO BUS DE CAMPO
El desarrollo de las Redes Ethernet estaba limitado hasta hace poco tiempo solamente a
la comunicación de ordenadores. Sin embargo, en la actualidad Ethernet está penetrando en el
mercado de las Redes Industriales. La principal desventaja de estas redes es su carácter
aleatorio (no determinista) debido a problemas inherentes del CSMA/CD (teoría de colisiones) y
a la naturaleza probabilística de su protocolo que podría hacer esperar mucho tiempo a una
trama, o la falta de definición de prioridades que podrían requerirse para transmisiones en tiempo
real.
Con el método de acceso aleatorio al canal de comunicación, cualquier estación puede
comenzar una transmisión. En un método de acceso determinístico, cada estación debe esperar
su turno para transmitir.
La búsqueda de una solución al carácter aleatorio dentro de las Redes Ethernet llevó a
diseñar un sistema que modifica la topología de Bus de la Red original, en base a multiplexores o
switches (conmutadores) ubicados de tal manera que se transforman en el elemento central o
concentrador de una Red con topología en Estrella. Este diseño, llamado FULL DUPLEX PORT
SWITCHING (Puerta conmutada de comunicación simultánea) fué estandarizado según IEEE
802.3x y solucionó los problemas de colisiones de paquetes de información, dado que los
multiplexores proporcionan un enlace de comunicación físico único entre dos estaciones, es
decir, una transmisión punto a punto óptima. El multiplexor (sistema conmutador inteligente)
controla el acceso de las estaciones al canal, pues recibe el paquete de información desde
cualquier estación, y realiza la conmutación hacia la estación destinataria. El defecto de una red
de este tipo es su alto costo. No obstante, estos últimos años ha habido un abaratamiento de
precios que lo hacen más accesible acercándose, económicamente hablando, a lo que son los
Buses de Campo.
VALORES IEEE 802,3
VALOR
ETHERNET
VELOCIDAD DATOS (Mbit/s) 10
METODO SEÑALIZACION
BANDA BASE (BB)
LONG. MAX. SEGMENTO (m) 500
CARACTERISTICAS
SOPORTE
TOPOLOGIA
10 BASE 5
10 BASE 2
100 BASE T
10
BB
500
10
BB
185
100
BB
250
COAXIAL 50 Ohm Co. 50 Ohm Co. 50 Ohm Par Trenzado
BUS
BUS
BUS
ESTRELLA
Tabla 2.8 Tabla I de características básicas de Ethernet.
CARACTERISTICAS
10 BASE T
VELOCIDAD DATOS (Mbit/s) 100
VALORES IEEE 802.3
100 BASE TX 100 BASE T4
100
10
40
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
METODO SEÑALIZACION
BB
LONG. MAX. SEGMENTO (m) 100
SOPORTE
TOPOLOGIA
Par Trenzado
ESTRELLA
BB
B. ANCHA
100 UTP O
1800
STP
Par Trenzado Co. 75 ohm
ESTRELLA BUS
Tabla 2.9 Tabla II de características básicas de Ethernet.
2.6 BUSES DE CAMPO EMPLEADOS EN DOMÓTICA
2.6.1 INTRODUCCIÓN A LA DOMÓTICA
2.6.1.1 DEFINICIÓN
Domótica es el término "científico" que se utiliza para denominar la parte de la tecnología
(electrónica e informática), que integra el control y supervisión de los elementos existentes en un
edificio de oficinas o en uno de viviendas o simplemente en cualquier hogar[6]. También, un
término muy familiar para todos es el de "edificio inteligente" que aunque viene a referirse a la
misma cosa, normalmente tendemos a aplicarlo más al ámbito de los grandes bloques de
oficinas, bancos, universidades y edificios industriales.
El uso de las TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) en la vivienda
genera nuevas aplicaciones y tendencias basadas en la capacidad de proceso de información y
en la integración y comunicación entre los equipos e instalaciones. Así concebida, una vivienda
inteligente puede ofrecer una amplia gama de aplicaciones en áreas tales como:
-
Seguridad.
Gestión de la energía.
Automatización de tareas domésticas.
Formación, cultura y entretenimiento.
Monitorización de salud.
Comunicación con servidores externos.
Ocio y entretenimiento.
Operación y mantenimiento de las instalaciones, etc.
La definición de vivienda domótica o inteligente presenta múltiples versiones y matices.
También aquí son diversos los términos utilizados en distintas lenguas: "casa inteligente" (smart
house), automatización de viviendas (home automation), domótica (domotique), sistemas
domésticos (home systems), etc.
De una manera general, un sistema domótico dispondrá de una red de comunicación que
permite la interconexión de una serie de equipos a fin de obtener información sobre el entorno
doméstico y, basándose en ésta, realizar unas determinadas acciones sobre dicho entorno.
Los elementos de campo (detectores, sensores, captadores, actuadotes, etc.), transmitirán
las señales a una unidad central inteligente que tratará y elaborará la información recibida. En
función de dicha información y de una determinada programación, la unidad central actuará
sobre determinados circuitos de potencia relacionados con las señales recogidas por los
elementos de campo correspondientes.
41
Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
En este sentido, una vivienda domótica se puede definir como: "aquella vivienda en la que
existen agrupaciones automatizadas de equipos, normalmente asociados por funciones, que
disponen de la capacidad de comunicarse interactivamente entre sí de un bus doméstico
multimedia que las integra".
2.6.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LA VIVIENDA INTELIGENTE
A partir de un análisis global del concepto, se pueden determinar unos rasgos generales
propios y comunes a los distintos sistemas de una vivienda inteligente que son los que la
caracterizan como tal.
Estas características generales, junto con las consecuencias inmediatas emanadas de su
uso, son las siguientes:
Control remoto desde dentro de la vivienda: a través de un esquema de comunicación con
los distintos equipos (mando a distancia, bus de comunicación, etc.). Reduce la necesidad de
moverse dentro de la vivienda, este hecho puede ser particularmente importante en el caso de
personas de la tercera edad o discapacitadas.
Control remoto desde fuera de la vivienda: presupone un cambio en los horarios en los
que se realizan las tareas domésticas (por ejemplo: la posibilidad de que el usuario pueda activar
la cocina desde el exterior de su vivienda, implica que previamente ha de preparar los alimentos)
y como consecuencia permite al usuario un mejor aprovechamiento de su tiempo.
Programabilidad: el hecho de que los sistemas de la vivienda se pueden programar ya sea
para que realicen ciertas funciones con sólo tocar un botón o que las lleven a cabo en función de
otras condiciones del entorno (hora, temperatura interior o exterior, etc.) produce un aumento del
confort y un ahorro de tiempo.
Acceso a servicios externos: servicios de acceso a Internet, telecompra, etc. Para ciertos
colectivos estos servicios pueden ser de gran utilidad (por ejemplo, unidades familiares donde
ambos cónyuges trabajan) ya que producen un ahorro de tiempo.
2.6.1.3 GESTIÓN DE LA DOMÓTICA
La domótica se encarga de gestionar principalmente los siguientes cuatro aspectos del
hogar:
Energía eléctrica: En este campo, la domótica se encarga de gestionar el consumo de
energía, mediante temporizadores, relojes programadores, termostatos, etc. También se
aprovecha de la tarifa nocturna, mediante acumuladores de carga.
Confort: La domótica nos proporciona una serie de comodidades, como pueden ser el
control automático de los servicios de: Calefacción, Agua caliente, Refrigeración, Iluminación y la
gestión de elementos como accesos, persianas, toldos, ventanas, riego automático, etc.
Seguridad: La seguridad que nos proporciona un sistema domótico es más amplia que la
que nos puede proporcionar cualquier otro sistema, pues integra tres campos de la seguridad
que normalmente están controlados por sistemas distintos:
Seguridad de los bienes: Gestión del control de acceso y control de presencia, así como la
simulación de presencia. Alarmas ante intrusiones.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Seguridad de las personas: Especialmente, para las personas mayores y los enfermos.
Mediante el nodo telefónico, se puede tener acceso (mediante un pulsador radiofrecuencia que
se lleve encima, por ejemplo) a los servicios de ambulancias, policía, etc.
Incidentes y averías: Mediante sensores, se pueden detectar los incendios y las fugas de
gas y agua, y, mediante el nodo telefónico, desviar la alarma hacia los bomberos, por ejemplo.
También se pueden detectar averías en los accesos, en los ascensores, etc.
Comunicaciones: Este aspecto es imprescindible para acceder a multitud de servicios
ofrecidos por los operadores de telecomunicaciones. La domótica tiene una característica
fundamental, que es la integración de sistemas, por eso hay nodos (pasarela residencial) que
interconectan la red domótica con diferentes dispositivos, como Internet, la red telefónica, etc.
2.6.1.4 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DOMÓTICO
Para poder clasificar técnicamente un sistema de automatización de viviendas, es
necesario tener claros una serie de conceptos técnicos, como son: tipo de arquitectura, medio de
transmisión, velocidad de transmisión y protocolo de comunicaciones.
Tipo de Arquitectura
La arquitectura de un sistema domótico, como la de cualquier sistema de control,
especifica el modo en que los diferentes elementos de control del sistema se van a ubicar.
Existen dos arquitecturas básicas: la arquitectura centralizada y la distribuida.
Arquitectura centralizada: Es aquella en la que los elementos a controlar y supervisar
(sensores, luces, válvulas, etc.) han de cablearse hasta el sistema de control de la vivienda (PC
o similar). El sistema de control es el corazón de la vivienda, en cuya falta todo deja de funcionar,
y su instalación no es compatible con la instalación eléctrica convencional en cuanto que en la
fase de construcción hay que elegir esta topología de cableado.
Arquitectura distribuida: Es aquella en la que el elemento de control se sitúa próximo al
elemento a controlar.
Hay sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a la capacidad de proceso,
pero no lo son en cuanto a la ubicación física de los diferentes elementos de control y viceversa,
sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a su capacidad para ubicar elementos de
control físicamente distribuidos, pero no en cuanto a los procesos de control, que son ejecutados
en uno o varios procesadores físicamente centralizados.
En los sistemas de arquitectura distribuida que utilizan como medio de transmisión el
cable, existe un concepto a tener en cuenta que es la topología de la red de comunicaciones. La
topología de la red se define como la distribución física de los elementos de control respecto al
medio de comunicación (cable).
Cada elemento del sistema tiene su propia capacidad de proceso y puede ser ubicado en
cualquier parte de la vivienda. Esta característica proporciona al instalador domótico una libertad
de diseño que le posibilita adaptarse a las características físicas de cada vivienda en particular.
Medio de Transmisión
En todo sistema domótico con arquitectura distribuida, los diferentes elementos de control
deben intercambiar información unos con otros a través de un soporte físico (par trenzado, línea
de potencia o red eléctrica, radio, infrarrojos, etc.).
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
A continuación enumeramos los siguientes tipos de medios:
1) LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. (Corrientes portadoras)
Si bien no es el medio más adecuado para la transmisión de datos, si es una alternativa a
tener en cuenta para las comunicaciones domesticas dado el bajo coste que implica su uso,
dado que se trata de una instalación existente por lo que es nulo el coste de la instalación, y
además muy fácil el conexionado
Para aquellos casos en los que las necesidades del sistema no impongan requerimientos
muy exigentes en cuanto a la velocidad de transmisión, la línea de distribución de energía
eléctrica puede ser suficiente como soporte de dicha transmisión.
2) SOPORTES METÁLICOS
La infraestructura de las redes de comunicación actuales, tanto públicas como privadas,
tiene en un porcentaje muy elevado, cables metálicos de cobre como soporte de transmisión de
las señales eléctricas que procesa.
En general se pueden distinguir dos tipos de cables metálicos:
a ) PAR METÁLICO
Los cables formados por varios conductores de cobre pueden dar soporte a un amplio
rango de aplicaciones en el entorno domestico.
Este tipo de cables pueden transportar voz, datos y alimentación de corriente continua.
b ) COAXIAL
Un par coaxial es un circuito físico asimétrico, constituido por un conductor filiforme que
ocupa el eje longitudinal del otro conductor en forma de tubo, manteniéndose la separación entre
ambos mediante un dieléctrico apropiado.
Este tipo de cables permite el transporte de las señales de video y señales de datos a alta
velocidad. Dentro del ámbito de la vivienda, el cable coaxial puede ser utilizado como soporte de
transmisión para:
- Señales de teledifusión que provienen de las antenas (red de distribución de las señales
de TV y FM).
- Señales procedentes de las redes de TV por cable. - Señales de control y datos a media
y baja velocidad.
3) FIBRA ÓPTICA
La fibra óptica es el resultado de combinar dos disciplinas no relacionadas, como son la
tecnología de semiconductores (que proporciona los materiales necesarios para las fuentes y los
detectores de luz), y la tecnología de guiado de ondas ópticas (que proporciona el medio de
transmisión, el cable de fibra óptica).
La fibra óptica esta constituida por un material dieléctrico transparente, conductor de luz,
compuesto por un núcleo con un índice de refracción menor que el del revestimiento, que
envuelve a dicho núcleo. Estos dos elementos forman una guía para que la luz se desplace por
la fibra. La luz transportada es generalmente infrarroja, y por lo tanto no es visible por el ojo
humano.
A continuación se detallan sus ventajas e inconvenientes:
- Fiabilidad en la transferencia de datos.
- Inmunidad frente a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencias.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
- Alta seguridad en la transmisión de datos.
- Distancia entre los puntos de la instalación limitada, en el entorno doméstico estos
problemas no existen.
- Elevado coste de los cables y las conexiones.
- Transferencia de gran cantidad de datos:
4) CONEXIÓN SIN HILOS
a) INFRARROJOS
El uso de mandos a distancia basados en transmisión por infrarrojos esta ampliamente
extendida en el mercado residencial para telecomandar equipos de Audio y Vídeo.
La comunicación se realiza entre un diodo emisor que emite una luz en la banda de IR,
sobre la que se superpone una señal, convenientemente modulada con la información de control,
y un fotodiodo receptor cuya misión consiste en extraer de la señal recibida la información de
control.
Los controladores de equipos domésticos basados en la transmisión de ondas en la banda
de los infrarrojos presentan gran comodidad y flexibilidad y admiten un gran número de
aplicaciones.
Al tratarse de un medio de transmisión óptico es inmune a las radiaciones
electromagnéticas producidas por los equipos domésticos o por los demás medios de
transmisión (coaxial, cables pares, red de distribución de energía eléctrica, etc.). Sin embargo,
habrá que tomar precauciones en el caso de las interferencias electromagnéticas que pueden
afectar a los extremos del medio.
b) RADIOFRECUENCIAS
La introducción de las radiofrecuencias como soporte de transmisión en la vivienda ha
venido precedida por la proliferación de los teléfonos inalámbricos y sencillos telemandos.
Este medio de transmisión puede parecer, en principio, idóneo para el control a distancia
de los sistemas domóticos, dada la gran flexibilidad que supone su uso. Sin embargo, resulta
particularmente sensible a las perturbaciones electromagnéticas producidas, tanto por los
medios de transmisión, como por los equipos domésticos.
Las ventajas e inconvenientes de los sistemas basados en transmisión por
radiofrecuencias, son:
- Alta sensibilidad a las interferencias.
- Fácil interceptación de las comunicaciones.
- Dificultas para la integración de las funciones de control y comunicación, en su
modalidad de transmisión analógica.
Protocolo de comunicaciones
Una vez establecido el soporte físico y la velocidad de comunicaciones, un sistema
domótico se caracteriza por el protocolo de comunicaciones que utiliza, que no es otra cosa que
el idioma o formato de los mensajes que los diferentes elementos de control del sistema deben
utilizar para entenderse unos con otros y que puedan intercambiar su información de una manera
coherente. Dentro de los protocolos existentes, se puede realizar una primera clasificación
atendiendo a su estandarización:
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Protocolos estándar. Los protocolos estándar son los que de alguna manera son utilizados
ampliamente por diferentes empresas y estas fabrican productos que son compatibles entre sí,
como son el X-10, el EHS, el EIB y el BatiBus
Protocolos propietarios. Son aquellos que, desarrollados por una empresa, solo son
capaces de comunicarse entre sí.
Preinstalación domótica
La preinstalación domótica es la posibilidad de dejar preparada una vivienda para que, con
el menor número de actuaciones, se le pueda instalar el sistema domótico en el momento en que
el usuario lo demande. Para que un sistema pueda ofrecer una verdadera preinstalación
domótica en una vivienda, ha de ser compatible con la instalación eléctrica actual, de tal manera
que el usuario pueda, en la fase de construcción, elegir la preinstalación domótica y la instalación
eléctrica convencional y con posterioridad, realizar cualquier tipo de automatización de su
vivienda.
2.6.2 X10
X10 es un protocolo de comunicación que permite controlar aparatos eléctricos a través de
la instalación de red eléctrica. El estándar surgió hace 20 años como parte de los experimentos
realizados por la empresa picosystem y lleva más de quince funcionando a nivel comercial.
El hecho de aprovechar la red eléctrica supone una gran ventaja a la hora de la instalación
de estos sistemas, y es ésta precisamente la principal característica de X10.
La transmisión de una señal binaria en X10 se realiza mediante ráfagas de 120 kHz
superpuestas en los cruces por cero de la señal de la red eléctrica. La ausencia de ráfaga
significa un cero lógico.
En un principio, se distinguen dos tipos de dispositivos X10, los transmisores
(transmitters), los receptores (receivers). Los transmisores envían comandos X10 codificados
como una señal de baja intensidad que se superpone a la señal de la red. Se pueden tener hasta
256 dispositivos en una misma red. Cada uno de los receptores tiene una dirección. Estos son
capaces de demodular la señal y si corresponde con su dirección actuar en consecuencia. Varios
receptores pueden tener la misma dirección de tal forma que se puede actuar sobre ellos a la
vez. Como los receptores no pueden responder a los transmisores no es posible saber el estado,
por ejemplo no se puede preguntar si una luz está o no encendida. Para poder preguntar el
estado se han introducido un tercer tipo de dispositivos que permite transmitir y recibir.
En la trama del protocolo se incluye un campo delimitador (start code), la dirección del
dispositivo (compuesta del house code y el device code), y la función o comando X10 que se
quiere realizar. Los comandos básicos están representados por conjuntos de 4 bits y sirven
básicamente para encender o apagar dispositivos.
Algunas aplicaciones típicas en el hogar, requieren que el control de los módulos de
activación se efectúe de forma manual con algún elemento que no tenga que estar conectado a
la red eléctrica para resolver estas necesidades, el sistema X10 dispone de una amplia gama de
“mandos a distancia”, que envían las señales de control a través del aire, por radiofrecuencia.
Además, en determinadas aplicaciones, a veces es necesario situar un sensor en algún lugar de
la vivienda donde no es accesible una toma eléctrica, para resolver algunas aplicaciones
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
concretas el sistema X10 dispone de algunos sensores/emisores que transmiten las señales de
control por radiofrecuencia.
En el caso de los transmisores de radiofrecuencia (mandos a distancia y
sensores/emisores), la señal de control que emiten es transmitida por el aire, por lo que para que
esta señal sea introducida por la red eléctrica es necesario conectar en la misma unos elementos
de X10, denominados transceptores. Los transceptores son unos módulos que se conectan a la
red eléctrica y cuya función principal es la de recibir las señales de radiofrecuencia emitidas por
los emisores e introducirlas en la red eléctrica.
2.6.3 EHS
El estándar EHS (European Home System) surgió como un proyecto apoyado por la
Comisión europea en el año 1984 en el cual estaba involucrada la industria europea. El proyecto
trataba de crear una tecnología que permitiera la implantación de la domótica en el mercado
residencial de forma masiva. El resultado fue la especificación del EHS en el año 1992. Esta
basada en la arquitectura de niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los
niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.
Desde su inicio han estado involucrados los fabricantes europeos más importantes de
electrodomésticos, las empresas eléctricas, las operadoras de telecomunicaciones y los
fabricantes de equipamiento eléctrico. La idea era crear un protocolo abierto que permitiera
cubrir las necesidades de interconexión de los productos de todos estos fabricantes y
proveedores de servicios.
Tal y como fue pensado, el objetivo de la EHS es cubrir las necesidades de
automatización de la mayoría de las viviendas europeas cuyos propietarios que no se pueden
permitir el lujo de usar sistemas más potentes pero también más caros (como Lonworks, EIB o
Batibus) debido a la mano de obra especializada que exige su instalación. EHS viene a cubrir,
por prestaciones y objetivos, la parcela que tienen el CEbus norteamericano y el HBS japonés y
rebasa las prestaciones del X10 que tanta difusión ha conseguido en EEUU.
La asociación EHSA es la encargada de emprender y llevar a cabo diversas iniciativas
para aumentar el uso de esta tecnología en las viviendas europeas. Además se ocupa de la
evolución y mejora tecnológica del EHS y de asegurar la compatibilidad total entre fabricantes de
productos con interfaz EHS.
2.6.3.1 NIVEL FÍSICO DE EHS
Entre los años 1992 y 1995 la EHSA auspició el desarrollo de componentes electrónicos
que implementaran la primera especificación. Como resultado nació un circuito integrado de STMicroelectronics (ST7537HS1) que permitía transmitir datos por una canal serie asíncrono a
través de las líneas de baja tensión de las viviendas (ondas portadoras o "powerline
communications"). Esta tecnología, basada en modulación FSK, consigue velocidades de hasta
2400 bps y además también puede utilizar cables de pares trenzados como soporte de la señal.
En la actualidad, se están usando o se están desarrollando otros medios físicos para dar
soporte a EHS. Entre ellos podemos destacar el par trenzado, con el que se están intentando
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
conseguir velocidades de hasta 64 Kbps, o el uso de infrarrojos y radiofrecuencia, con los que se
alcanzan velocidades de tan sólo 1200 bps.
2.6.3.2 PROTOCOLO EHS
Este protocolo está totalmente abierto, esto es, cualquier fabricante asociado a la EHSA
puede desarrollar sus propios productos y dispositivos que implementen el EHS. Con un filosofía
Plug&Play, se pretende aportar las siguientes ventajas a los usuarios finales:
-
Compatibilidad total entre dispositivos EHS.
Configuración automática de los dispositivos, movilidad de los mismos (poder
conectarlo en diferentes emplazamientos) y ampliación sencilla de las instalaciones.
Compartir un mismo medio físico entre diferentes aplicaciones sin interferirse entre
ellas.
Cada dispositivo EHS tiene asociada una subdirección única dentro del mismo
segmento de red que además de identificar unívocamente a un nodo también lleva
asociada información para el enrutado de los telegramas por diferentes segmentos de
red EHS.
Después de la aparición de diversos productos y soluciones basadas en EHS, esta
tecnología está convergiendo, junto con EIB y BatiBUS, en un único estándar europeo, llamado
Konnex.
2.6.4 LONWORKS
LONWorks es un estándar propietario desarrollado por la empresa Echelon. El estándar
ha sido ratificado por la organización ANSI como oficial en Octubre de 1999 (ANSI/EIA 709.1-A1999)[7].
Echelon presentó la tecnología LONWorks en el año 1992, desde entonces multitud de
empresas viene usando esta tecnología para implementar redes de control distribuidas y
automatización. Aunque está diseñada para cubrir los requisitos de la mayoría de las
aplicaciones de control, sólo ha tenido éxito de implantación en edificios de oficinas, hoteles o
industrias. Pero, debido a su coste, los dispositivos LONWorks no han tenido una implantación
masiva en los hogares, sobretodo porque existían otras tecnologías de prestaciones similares
mucho más baratas.
El éxito que ha tenido LONWorks en instalaciones profesionales, en las que importa
mucho más la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a que desde su origen ofrece una
solución con arquitectura descentralizada, extremo a extremo, que permite distribuir la
inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en la vivienda y que cubre desde el
nivel físico al nivel de aplicación de la mayoría de los proyectos de redes de control.
Según Echelon, su arquitectura es un sistema abierto a cualquier fabricante que quiera
usar esta tecnología sin depender de sistemas propietarios, que permite reducir los costes y
aumentar la flexibilidad de la aplicación de control distribuida. Aunque Echelon usa el concepto
de "sistema abierto", realmente no es una tecnología que pueda implementarse si no es con un
circuito integrado registrado por Echelon.
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
El estándar LONWorks se basa en el esquema propuesto por LON(Local Operating
Network). Este consiste en un conjunto de dispositivos inteligentes, o nodos, que se conectan
mediante uno o más medios físicos, pudiendo alcanzarse velocidades de hasta 1,25 Mbps sobre
par trenzado, y que se comunican utilizando un protocolo común. Por inteligente se entiende que
cada nodo es autónomo y proactivo, de forma que puede ser programado para enviar mensajes
a cualquier otro nodo como resultado de cumplirse ciertas condiciones, o llevar a cabo ciertas
acciones en respuesta a los mensajes recibidos.
Un nodo LON se puede ver como un objeto que responde a varias entradas y que produce
unas salidas. El funcionamiento completo de la red surge de las distintas interconexiones entre
cada uno de los nodos. Mientras que la función desarrollada por uno de los nodos puede ser
muy simple, la interacción entre todos puede dar lugar a implementar aplicaciones complejas.
Uno de los beneficios inmediatos de LON es que un pequeño número de nodos pueden realizar
un gran número de distintas funciones dependiendo de cómo estén interconectados.
LONWorks utiliza para el intercambio de información (ya sea de control o de estado) el
protocolo LonTalk. Este tiene que ser soportado por todos los nodos de la red. Toda la
información del protocolo está disponible para cualquier fabricante.
2.6.4.1 PROTOCOLO LONTALK
LonTalk ha sido creado dentro del marco del control industrial por lo que se enfoca a
funciones de monitorización y control de dispositivos. Dentro de este marco se han potenciado
una serie de características:
Fiabilidad: El protocolo soporta acuso de recibo (acknowledgments) extremo a extremo
con reintentos automáticos.
Variedad de medios de comunicación: tanto cableado como radio. Entre los que están
soportados: Par trenzado, red eléctrica, radio frecuencia, cable coaxial y fibra óptica.
Tiempo de Respuesta: Se utiliza un algoritmo propietario para predicción de colisiones que
consigue evitar la degradación de prestaciones que se produce por tener un medio de acceso
compartido.
Para simplificar el enrutamiento de mensajes, el protocolo define una jerarquía de
direccionamiento que incluye dirección de dominio, subred y nodo. Cada nodo está conectado
físicamente a un canal. Un dominio es una colección lógica de nodos que pertenecen a uno o
más canales. Una subred es una colección lógica de hasta 127 nodos dentro de un dominio. Se
pueden definir hasta 255 subredes dentro de un único dominio. Todos los nodos de una subred
deben pertenecer al mismo canal, o los canales tienen que estar conectados por puentes
(bridges). Cada nodo tiene un identificador de 48-bits único, asignado durante la fabricación, que
se usa como dirección de red durante la instalación y configuración.
La comunicación entre nodos se completa con las variables de red. Cada nodo define una
serie de variables de red que puede ser compartidas por los demás nodos. Cada nodo tiene
variables de entrada y de salida, que son definidas por el desarrollador.
Siempre que el programa que se ejecuta en un nodo escribe un nuevo valor en una de sus
variables de salida, este se propaga a través de la red a todos los nodos cuyas variables de
entrada estén conectadas a esta variable de salida. Todas estas acciones están implementadas
dentro del protocolo. Sólo se podrán ligar variables de red que sean del mismo tipo. Esta forma
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
de comunicación es orientada a datos(eventos), encontraste a la comunicación orientada a
comandos.
Para guardar la interoperatibilidad entre productos de distintos fabricantes, se definen las
variables a partir de una definición de tipos estándar (Standard Network Variable Types).
Echelon mantiene una lista de unos 100 tipos accesible a cualquier fabricante. A continuación se
citan algunos de estos tipos
-
Temperatura.
Humedad relativa.
Estado del dispositivo.
Tiempo real.
Tensión.
Intensidad.
Potencia.
Nivel de sonido.
Velocidad.
Etc.
2.6.4.2 COMPONENTES DE UNA RED LONWORKS
Se pueden distinguir dos partes:
Transmisor LONWorks (Transceivers): Estos dispositivos sirven de interfaz entre el chip
Neuron y el medio físico. Dependiendo del medio físico la velocidad de transmisión y topología
se escogerá un transceiver u otro.
Circuito Integrado Neuron: Es el corazón de la tecnología LONWorks. Contiene toda
implementación del protocolo LonTalk. Cada CI Neuron tiene tres procesadores de 8-bit, dos
dedicados al protocolo y un tercero a la aplicación del nodo.
Fig. 2.26 Estructura de una red LONWorks completa
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Análisis y aplicación de los buses de campo a la domótica
Los desarrolladores de LONWorks tiene a su disposición lenguaje para programar el CI
Neuron, llamada Neuron C, que es una extensión de C ANSI. Para la configuración e instalación
de dispositivos LONWorks se incluye una herramienta sobre Windows, ICELAN-G, que permite
realizar fácilmente las ligaduras de las variables de entrada/salida de un nuevo nodo con las
variables de los ya existentes.
2.6.5 BATIBUS
BatiBUS es un estándar creado en Francia certificado como estándar europeo por el
CENELEC. Actualmente se encuentra inmerso en un proceso de convergencia con otros dos
buses, EIB y EHS, para conseguir un único estándar europeo para la automatización de oficinas
y viviendas que se ha denominado “Konnex”.
Entre las características de BatiBUS podemos destacar que la velocidad binaria es única
(4800 bps) la cual puede ser suficiente en algunas aplicaciones de control distribuido.
La instalación del cable del bus se puede hacer en diversas topologías: bus, estrella,
anillo, árbol o cualquier combinación de estas. Lo único que hay que respetar es no asignar
direcciones idénticas a dos dispositivos de la misma instalación.
En cuanto al protocolo, hay que decir que está totalmente abierto, esto es, al contrario de
los que sucede con el protocolo LonTalk de la tecnología LONWorks, el protocolo del BatiBUS lo
puede implementar cualquier empresa interesada en introducirlo en su cartera de productos.
A nivel de acceso, este protocolo usa la técnica CSMA-CA, (Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance) similar a Ethernet pero con resolución positiva de las colisiones. Esto
es, si dos dispositivos intentan acceder al mismo tiempo al bus ambos detectan que se está
produciendo una colisión, pero sólo el que tiene más prioridad continua transmitiendo el otro deja
de poner señal en el bus. Esta técnica es muy similar a la usada en el bus EIB y también en el
bus CAN.
La filosofía es que todos los dispositivos BatiBUS escuchen lo que han enviado cualquier
otro, todos procesan la información recibida, pero sólo aquellos que hayan sido programados
para ello, filtrarán la trama y la entregaran a la capa de aplicación.
Al igual que los dispositivos X-10, todos los dispositivos BatiBUS disponen de unos microinteruptores circulares o miniteclados que permiten asignar una dirección física y lógica que
identifican unívocamente a cada dispositivo conectado al bus.
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