Nell’ambito della comunicazione industriale, affinché questa risulti efficiente e sicura, deve poter essere garantito il collegamento tra i dispositivi, l’integrità delle informazioni ed una specifica velocità di trasmissione. I principali fattori da tenere in considerazione, affinché possa delinearsi tale comunicazione, sono i seguenti:
- capacità di interconnessione: la rete deve supportare differenti dispositivi (nodi) ed offrire la possibilità di collegarsi ad altre reti;
- espandibilità: ampliamento del sistema in maniera semplice ad un costo contenuto;
- prestazioni: deve garantire prestazioni elevate in termini di velocità di trasmissione, distanze di comunicazione supportate e numero di utenti;
- affidabilità: deve garantire il corretto funzionamento del sistema e nel caso di malfunzionamento, esso deve essere circoscritto al componente specifico, onde evitare di portare il resto del sistema al collasso.
La risposta a tutte queste richieste è il protocollo CANopen.
Protocollo CANopen: di cosa si tratta?
Il protocollo di comunicazione CANopen (Controller Area Network o CAN-bus) rappresenta lo standard quando sono necessari requisiti real time ed offre un livello di sicurezza piuttosto elevato. Recepito con la norma EN 50325-4, tale protocollo è stato introdotto nei primi anni ’80 dalla Bosch per applicazioni in ambito automotive, al fine di incentivare la comunicazione tra dispositivi elettronici montati su autoveicoli. Successivamente si è diffuso in molti settori industriali, compresi quelli elettromedicali.
Il protocollo CANopen fornisce oggetti di comunicazione standardizzati, quali:
- Process Data Objects, per il trasporto dati in real time;
- Service Data Objects, per la configurazione di voci di directory di oggetti;
- Network Management Objects, per il controllo e monitoraggio dei nodi, oltre agli oggetti di sincronizzazione, telegrammi di emergenza e timestamp.
I livelli implementati dal protocollo CANopen
Sulla base della schematizzazione in livelli definita dall’ISO (International Standard Organization) per via del progetto OSI (Open System Interconnection), il bus CAN implementa il Physical Layer ed il Data Link Layer, che rappresentano i due livelli più bassi della pila. Il livello più elevato è l’Application Layer ed è noto appunto come protocollo CANopen. Nel dettaglio:
- il Physical Layer specifica il mezzo trasmissivo. I due livelli di segnale utilizzati sul bus prendono il nome di dominante e recessivo, mentre la corrispondenza tra segnale dominante e recessivo con i livelli logici 0 ed 1 cambia in base al cablaggio;
- il Data Link Layer assume il compito di arbitraggio per la contesa del canale trasmissivo da parte dei nodi CAN che ne richiedono l’utilizzo;
- l’Application Layer definisce l’Object Dictionary, ovvero l’interfaccia verso il software applicativo, il Communication Profile per i servizi (PDOs, SDOs, etc.) per la ricezione e trasmissione di oggetti sul bus e il Framework che offre un livello aggiuntivo specifico.
I vantaggi del protocollo CANopen
La comunicazione all’interno del bus CAN avviene grazie a dispositivi intelligenti, ovvero attuatori o sensori che producono automaticamente dati che vengono immessi nel bus. Solitamente un nodo intelligente è provvisto di processore e memoria propri, che elaborano in maniera automatica tali dati.
Questo dà al protocollo CANopen molteplici vantaggi:
- semplicità e flessibilità di cablaggio, in quanto i nodi non sono provvisti di un indirizzo specifico che li identifichi, per cui possono essere aggiunti o rimossi senza dover riorganizzare l’intero sistema;
- tempi di risposta rigidi; tale protocollo infatti consente la connessione di un numero elevato di nodi CAN nel rispetto di rigidi vincoli temporali;
- elevata affidabilità, grazie alla possibilità da parte di ciascun nodo di rilevare e confinare gli errori e di autoescludersi dal bus nel caso in cui l’errore sia permanente;
- alta immunità ai disturbi, in quando la comunicazione avviene anche in condizioni estreme (come l’interruzione di uno dei due fili o il cortocircuito di uno di essi).
- maturità dello standard; la diffusione del protocollo CAN OPEN ha portato ad una vasta disponibilità di microcontrollori e chip ricetrasmettitori che integrano tool di sviluppo, porte CAN ed una consistente diminuzione del loro costo sul mercato.
I dispositivi Datexel per trasmissione dati con protocollo CANopen
DAT7014
Il dispositivo DAT 7014 acquisisce fino a 4 ingressi analogici del tipo RTD e resistenza a 2 o 3 fili o potenziometri. Attraverso l’uso di un convertitore a 16 bit, il modulo garantisce un elevata precisione ed una misura molto stabile sia nel tempo che in temperatura. L’isolamento a 2000 Vca tra ingressi, alimentazione e linea dati elimina tutti gli effetti dovuti ai loops di massa eventualmente presenti, consentendo l’uso del dispositivo anche nelle più gravose condizioni ambientali.
DAT7024
DAT7024 è un modulo slave che permette di generare fino a 4 segnali analogici in uscita. Alle uscite è possibile collegare loop di corrente attivi o passivi fino a 20 mA o segnali in tensione fino a 10 V. Il dispositivo garantisce una elevata precisione ed una misura molto stabile sia nel tempo che in temperatura. I canali di uscita sono galvanicamente isolati tra di loro e per ogni canale è disponibile una sorgente di alimentazione isolata per l’alimentazione di loop di corrente passivi.
DAT7130
Il dispositivo DAT 7130 invece permette di acquisire fino a 8 ingressi digitali e pilotare fino a 4 uscite relè. Anche questo modulo presenta un isolamento a 2000 Vca tra ingressi, alimentazione e linea dati, per l’eliminazione di eventuali effetti dovuti ai loops di massa presenti e garantirne l’uso in ogni contesto ambientale.
DAT7148
Il modulo DAT 7148 permette di acquisire fino a 16 ingressi digitali. Come gli altri dispositivi, presenta un isolamento a 2000 Vca tra ingressi, alimentazione e linea dati tali da garantire le stesse elevate performance degli altri modelli.
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