Le réseau de terrain CAN/NMEA2000
Présentation
De plus en plus d’appareils utilisent maintenant la norme NMEA2000 pour échanger des données en réseau. La station météo mise en oeuvre ici fournit ses mesures via un bus CAN en respectant les spécifications de cette norme.
Le bus CAN
Le bus CAN (Controller Area Network) est un bus de terrain. Il couvre les couches 1 (Physique) et 2 (Liaison) du modèle OSI. La couche 7 (Application) n’est pas obligatoire. Plusieurs couches applications ont été définies sur la norme CAN comme CANOpen.
Le bus CAN est le fruit de la collaboration entre l’Université de Karlsruhe et Bosch. Il fut d’abord utilisé dans le secteur de l’automobile, mais est actuellement utilisé dans la plupart des industries comme l’aéronautique, la marine (NMEA 2000) via des protocoles standardisés basés sur le CAN. Il a été normalisé avec la norme ISO 11898.
Il met en application une approche connue sous le nom de multiplexage, et qui consiste à raccorder à un même câble (un bus) un grand nombre de calculateurs qui communiqueront donc à tour de rôle. Cette technique élimine le besoin de câbler des lignes dédiées pour chaque information à faire transiter (connexion point-à-point). Dès qu’un système (voiture, avion, réseau téléphonique…) atteint un certain niveau de complexité, l’approche point-à-point devient impossible du fait de l’immense quantité de câblage à installer et de son coût (en masse, matériaux, main d’oeuvre, maintenance).
Remarque : L’introduction des bus multiplexés (principalement le CAN) dans l’automobile avait pour objectif de réduire la quantité de câbles dans les véhicules (il y avait alors jusqu’à 2 km de câbles par voiture), mais elle a surtout permis l’explosion du nombre de calculateurs et capteurs distribués dans tout le véhicule, et des prestations correspondantes (baisse de consommation, dépollution, sécurité active/passive, confort, détection des pannes…), tout en diminuant les longueurs câblées.
Caractéristiques : (cf. fr.wikipedia.org)
- bus de données série bidirectionnel half-duplex.
- cablage avec une paire torsadée (blindée ou non), impédance 120 ohms.
- nécessite des “bouchons” aux deux extrémités du bus (des résistances de 120 ohms).
- chaque équipement connecté est appelé un noeud et communique avec tous les autres (broadcast). Le bus CAN n’utilise pas d’adressage pour les noeuds.
- pour un bus CAN « low-speed », le nombre de noeuds est limité à 20. Pour un bus CAN « high-speed », il est limité à 30.
- méthode d’accès CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) : écoute de chaque station avant de parler (pas de tour de parole), résolution des collisions par priorité (arbitrage sur le champ identifiant)
- la longueur maximale du bus dépend du débit et varie entre 30 m (1 Mbits/s) à 5000 m (à 10 kbits/s).
- encodage de type NRZ (non retour à 0).
- système de priorité basé sur « ET câblé » où l’état logique « 0 » est l’état « dominant » et l’état logique « 1 » est l’état « récessif ».
- brochage normalisé utilisant un connecteur DB-9 (broche 2 : CANL et broche 7 : CANH).
- les trames possèdent un identifiant pour la donnée transportée dans le champ de données (de 0 à 8 octets max).
- deux standards : CAN 2.0A -> CAN standard et CAN 2.0B -> CAN étendu
- deux tailles d’identifiant : identifiant standard sur 11 bits (CAN 2.0A) et étendu sur 29 bits (CAN 2.0B)
- 4 types de trames : données, requête, erreur et surcharge
La trame CAN :
Remarque : Le champ d’arbitrage est composé de 11 bits d’identification pour CAN 2.0A et 29 bits pour CAN 2.0B suivis par le bit RTR (Remote Transmission Request) qui est dominant pour une trame de données et récessif pour une trame de requête. Le champ de commande contient 2 bits à usage réservé et le DLC (Data Length Code) sur 4 bits (de pods faible) qui indique la longueur en octet du champ de données.
NMEA2000
La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d’appareils électroniques maritimes, définit et contrôle des normes techniques utilisables par les équipements marins qu’ils produisent.
Elle a publié les normes suivantes :
La norme NMEA 0183 qui utilise une simple communication série pour transmettre une “phrase” composée de caractères ASCII à un ou plusieurs écoutants.
La nouvelle norme, NMEA 2000 (en), qui permet plusieurs “discussions” avec un débit plus rapide.
La norme est propriétaire et payante. Toutefois, la plus grande partie du protocole a été récupérée grâce à des sources publiques et à l'utilisation de la rétro-ingénierie (reverse engineering).Site officiel : www.nmea.org
La norme NMEA 2000 d’octobre 2001 spécifie les caractéristiques suivantes :
- le bus CAN en mode étendu (CAN 2.0B)
- le nombre de noeuds limité à 50
- la longueur jusqu’à 200 m
- le débit à 250 kbits/s
- les identifiants sur 29 bits sont structurés et définis (PGN)
- les données sur 8 octets
Les messages NMEA 2000 sont organisés en PG (Parameter Group) qui sont identifés par un PGN (Parameter Group Number) qui apparairaît dans le champ ID (IDentifier) d’un message CAN.
La structure des identifiants étendus (29 bits) des messages NMEA 2000 est la suivante :
- Priorité (3 bits)
- PGN (18 bits = 2 bits libres + 16 bits fixés par la norme)
- Adresse source (8 bits)
Chaque appareil du réseau doit posséder une adresse source sur 8 bits. Les adresses 0 à 251 (soit un total de 252 adresses disponibles) sont réservées à cet usage. L’adresse 255 est une adresse globale qui spécifie un envoi à tous les noeuds du réseau (broadcast). Les autres adresses ont été réservées à un usage futur.
Documentations :