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ITS Meccatronico – Reti per l’automazione F. Tramarin - 2014

I FIELDBUS

PROFIBUS

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¤ Architettura di Profibus ¤ Data Link Layer

• FDL ¤ Application Layer

• FMS ¤ Profibus DP

SOMMARIO

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¤  Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco • norma DIN 19245, parti 1 e 2

¤  Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3 • Profibus DP

¤  Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 • Profibus PA

¤  Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo • EN50170

¤  Nel 2001 viene inserito nello standard IEC61158 sulle reti di comunicazione di campo

Un po’ di storia…

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MODELLO OSI <-> PROFIBUS

APPLICATION à FMS

DATA LINK à FDL

PHYSICAL à RS485

APPLICATION

PRESENTATION LAYER

SESSION

TRANSPORT

NETWORK

DATA LINK

PHYSICAL

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¤ Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485

¤ Topologia • bus a più segmenti collegati da repeater • massimo 32 stazioni per segmento • 127 stazioni in totale

¤ Mezzo trasmissivo: • doppino (eventualmente) schermato • fibra ottica disponibile in alternativa

PHYSICAL

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¤ Velocità di trasmissione • 9,6 a 1500 kbit/s

¤ Lunghezza massima di un segmento • 1200 m a 93,75 kbit/s • 200 m a 1500 kbit/s

¤ Tra due nodi possono • al massimo 3 repeater • distanza massima è 4800 m

PHYSICAL (2)

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LUNGHEZZA DELLE LINEE

BAUDRATE KBIT/S 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000

LINE LENGTH 1200 1200 1200 1000 400 200 100

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¤ Trasmissione Asincrona

¤ Si impiegano UART • Universal Asynchronous Receiver Transmitter

¤ Ricevitore e trasmettitore hanno clock diversi

¤ Il ricevitore deve “campionare” i bit ricevuti • necessità di usare un clock N volte superiore a

quello di trasmissione

TIPO DI TRASMISSIONE

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¤ PROFIBUS e FMS utilizzano una codifica dati NRZ

¤ Per ogni byte di dati vengono trasmessi 11 bit

CODIFICA SUL BUS

SIMBOLO CODIFICA

1 HIGH (POSITIVO)

0 LOW (NEGATIVO)

INATTIVO HIGH

1 BIT 8 BIT 1 BIT 1 BIT START DATO PARITA’ STOP

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CONNESSIONE TIPICA

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CONNESSIONE & TERMINAZIONE

Shielding

Protective Ground

RxD/TxD-P (3)

RxD/TxD-N (8)

DGND (5) VP (6)

(3) RxD/TxD-P

(8) RxD/TxD-N

(5) DGND (6) VP

Station 1 Station 2 390 Ω

220 Ω

390 Ω

(3) RxD/TxD-P

(8) RxD/TxD-N

(5) DGND

(6) VP +5 V

Terminazione alimentata: +5 V sul pin 6 del connettore

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CONNETTORI

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¤ Fieldbus Data Link

¤ Specifica le modalità di accesso al bus

¤ Garantisce l’integrità dei dati trasmessi

¤ Realizza un accesso di tipo ibrido combinando tecniche di accesso di tipo • Token passing • Master-slave

Data Link Layer: FDL

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¤ Garantisce che il diritto di accesso al bus (token) sia assegnato ad ogni nodo master entro un tempo massimo stabilito

¤ Il token (messaggio) viene fatto circolare fra i diversi master ed il tempo di rotazione massimo è prefissato

¤ Token passing è utilizzato solo per gestire la condivisione del bus fra i nodi master

TOKEN PASSING

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¤ Permette al master che detiene il token di accedere agli slave assegnati

¤ Il master può • spedire un messaggio ad uno slave • richiedere un messaggio da uno slave • max. 246 byte per messaggio

¤ È possibile implementare le configurazioni • master-slave puro • master-master puro (con token passing) • combinazione dei due

MASTER-SLAVE

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¤ Il token circola su un anello logico che comprende solo le stazioni attive

¤ Nella fase di start-up, un’apposita procedura costruisce l’anello logico

¤ Il meccanismo di accesso al mezzo di PROFIBUS è in grado di ovviare a • perdite del token • duplicazioni del token • stazioni spente o difettose

ANELLO LOGICO

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¤ In fase di configurazione viene stabilito il Target Token Rotation Time (TTR) • periodo di rotazione del token massimo

consentito in rete

¤ Quando un master acquisisce il token, esso interroga ciclicamente gli slave • inviando e/o ricevendo dati o cicli di messaggio (message cycle)

TOKEN PASSING

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¤ Quando un master riceve il token fa partire un timer che viene fermato quando il master riacquista il token

¤ L'intervallo misurato è il Real Token Rotation Time (TRR)

¤ Il tempo per cui può essere tenuto il token è il Token Holding Time (TTH) • TTH=TTR-TRR

TOKEN PASSING (2)

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¤ Quando un master riceve il token, confronta TTR con TRR

¤ Vi possono essere due casi • TRR < TTR o il master esegue tutte le trasmissioni previste fino a

quando il valore di TTR è raggiunto o tutte le trasmissioni previste sono concluse

• TRR ≥ TTR o il master può eseguire una sola trasmissione ad alta

priorità

TOKEN PASSING (3)

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¤ Quando il master cede il token alla successiva stazione attiva (Next Station - NS), attende di vedere attività sulla rete generata dalla sua NS entro uno slot time

• Se non c’è attività o ripete la trasmissione del token o eventualmente per due volte

• Se anche dopo il terzo tentativo la stazione non rileva attività sulla rete o il token viene trasmesso alla prima fra le stazioni attive

successive a NS nella lista delle stazioni attive (LAS)

TOKEN PASSING (3)

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¤ Il protocollo è in grado di gestire la trasmissione di messaggi a priorità diverse • messaggi ad alta priorità o Se presente, ne viene trasmesso sempre almeno

uno ad ogni ricezione di token • messaggi a bassa priorità

¤ L’ordine di trasmissione dei messaggi quando il master acquisisce il token avviene per priorità

GESTIONE DI PRIORITÀ

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¤ Deriva dallo standard internazionale MMS • ISO 9506-1-2

¤ si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione che possono essere scambiati tra nodi della rete

¤ Gli oggetti di comunicazione sono contenuti nel Virtual Fieldbus Device (VFD) e descritti nel Dizionario degli Oggetti

¤ La comunicazione è di tipo client-server

APPLICATION LAYER: FMS

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APPLICATION LAYER: FMS PROFIBUS - FMS Protocol Architecture

A li i PApplication Process

Application Layer Interface (ALI)

Application-Layer (7)EN 50 170

V l 2 Fieldbus Message Specification (FMS)

pp y ( )

Vol 2Part 2

Fieldbus Message Specification (FMS)

Lower Layer Interface (LLI)

Layer 3 to 6

Data-Link-Layer (2)EN 50 170Vol 2 Fieldbus Data Link (FDL)

yare not explicit

Physical-Layer (1)

Vol 2Part 1

Fieldbus Data Link (FDL)

PROFIBUS Transmission Medium

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¤ Variabili

¤ Eventi

¤ Dizionario degli oggetti

¤ Domain

¤ Program Invocation

Esempi di oggetti di comunicazione

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¤ I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti • a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di

servizi

¤ Tra i più importanti • Servizi di gestione del dizionario degli oggetti • Servizi di accesso alle variabili • Servizi di gestione degli eventi • Servizi di gestione domain e program invocation

Servizi FMS

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¤ FMS definisce 5 tipi di variabili: • Variabili semplici • Array • Record • Liste di variabili • Accesso fisico

¤ I servizi a disposizione sono tipicamente Read e Write

Accesso alle variabili

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¤ Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti • ALLARMI

¤ Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica

Gestione degli Eventi

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¤ Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra master e slave

¤ Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s

¤ Physical layer e Data link layer sono gli stessi di Profibus

Profibus DP

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Profibus DP e modello ISO/OSI

Profibus DP

•  Non esistono funzioni di livello 7

•  Profibus DP usa solamente i servizi del data link layer

•  Le funzioni DP accessibili all’utente attraverso la User Interface vengono mappate nel data link layer dal Direct Data Link Mapper (DDLM)

User Interface

Direct Data Link Mapper

DATA LINK à FDL

PHYSICAL à RS485

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¤ DP-Master Class 1 (DPM1) •  Central Controller which exchanges data with the

distributed I/O devices (DP-Slaves) •  Several DPM1 are permitted, typical devices are

PLC, PC, VME

¤ DP-Master Class 2 (DPM2) •  Configuration, Monitoring or Engineering tool

which is used to set up the network or parametrize / monitor the DP-Slaves

¤ DP-Slave •  Peripherial device directly interfacing the real I/O

signals •  Typical devices are Inputs, Outputs, Drives,

Valves, Operator Panels…

3 TIPI DI DISPOSITIVO

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¤ Raggiungono tempi di ciclo più corti

¤ Formati da • 1 DP-Master (Class 1) • Da 1 a max. 125 DP-Slaves • DP-Master (Class 2) - opzionale

PROFIBUS-DP - Monomaster

DP-Master (Class 1)

Distributed Inputs and Outputs

DP - Slaves

PROFIBUS-DP

PLC

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PROFIBUS-DP Multimaster System Più DP-Master

possono accedere un DP-Slave tramite funzioni Di lettura

PROFIBUS-DP Multimaster: - Masters (Class 1 or 2) multipli

- da 1 a max. 124 DP-Slaves - max. 126 dispositivi sullo stesso bus

DP-Master (Class 2)

DP-Master (Class 1)

DP-Master (Class 1)

distributed inputs and outputs distributed inputs and outputs

PLC

PROFIBUS - DP

PC

CNC

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¤ Operazioni che possono essere eseguite sugli slave o Scambio ciclico di dati o Lettura della diagnostica o Set dei dati di parametrizzazione o Controllo dei dati di configurazione o Emissione comandi di controllo globali o Lettura ingressi/uscite o Lettura configurazione o Cambio indirizzo di uno slave

Funzioni DP Master

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¤ Vengono inviati dal master a tutti gli slave o a gruppi di slave specificati nel messaggio di parametrizzazione

¤ Consentono di • Sincronizzare gli ingressi o FREEZE

• Sincronizzare le uscite o SYNC

• Eseguire il reset di tutte uscite o CLEAR

Comandi di controllo globali

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¤ È composto da

• 6 byte obbligatori di informazioni generali specificate dallo standard

• fino a 238 byte opzionali di diagnostica estesa dello slave il cui formato è specificato dallo standard

Messaggio di diagnostica

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¤ Messaggio di Parametrizzazione • Il messaggio di parametrizzazione è composto da: o 7 byte obbligatori specificati dallo standard o fino a 237 byte opzionali liberamente definibili

dall’utente

¤ M. di Configurazione • Con questo messaggio il master specifica la

configurazione di input/output dello slave • Se lo slave ha una configurazione diversa, non

accetta il messaggio o Il messaggio contiene al massimo 244 byte

Altri messaggi

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CAN

Controller Area Network


¤ Introdo0o a metà degli anni 80 dalla Bosch GmbH per risolvere i problemi di cablaggio a bordo auto

¤ Ora norma internazionale ISO 11898

¤ Molto ada0o anche come rete di campo a livello disposiGvo

¤ Definisce il solo livello data-‐link

Generalità

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¤ Semplice ed economico

¤ Ampia disponibilità di componenG e strumenG di sviluppo

¤ Molto diffuso ¤ CenGnaia di milioni di nodi CAN a0ualmente

installaG

Caratteristiche di CAN

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Profilo di comunicazione

CANLivello Data-Link

Logical Link Control

Medium Access Control

Livello Application

servizi ad alto livello, profilo dei dispositivi

Processi Applicativi

Livello physical

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¤ Topologia a bus condiviso ¤ Usa un semplice doppino intrecciato

¤ Estensione fino a 6 Km o a 10 Kbps

¤ Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s o massima estensione in questo caso 40 m

Livello fisico (I)

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¤ Interfaccia simile ai circuiti a collettore aperto o livello sul bus dominante o recessivo

¤ La codifica di linea prevede •  Una tecnica di trasmissione NRZ •  Una tecnica di bit stuffing per garanGre la

sincronizzazione dei ricevitori

Livello fisico (II)

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A B C BUS


¤ Rete mulGmaster ad accesso casuale (CSMA) simile a Ethernet

¤ Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo fisico

¤ Sulla rete vengono scambiate variabili secondo il principio produ0ore/consumatore

¤ Le variabili sono individuate univocamente da un idenGficatore

Medium Access Control

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¤ Basata sulla priorità degli oggeT scambiaG

¤ La priorità è definita dall’idenGficatore

¤ Fase di arbitraggio non distruTva per risolvere le contese sul bus

¤ GaranGsce un comportamento determinisGco e prevedibile

Risoluzione delle collisioni

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¤ Data Frame

¤ Remote frame

¤ Error frame

¤ Overload frame

Frame CAN

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Data Frame

CONTROL DATA CRC ACK EOF IDENTIFIER S O F

R T R

1 11 1 6 0-64 16 2 7 Numero di bit

Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit

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¤ Sono simili ai data frame ma non contengono il campo daG

¤ Il bit RTR assume valore recessivo ¤ UGlizzaG per richiedere che il valore di un ogge0o specificato venga immesso in rete

¤ Il nodo remoto che si riconosce produ0ore della variabile la deve imme0ere in rete

Remote frame

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¤ ParGcolare Gpo di messaggio uGlizzato dal sistema di controllo degli errori

¤ Un nodo che rileva un errore inizia immediatamente la trasmissione

¤ E’ cosGtuito da due campi •  error flag •  error delimiter

¤ Error delimiter è composto da una sequenza di 8 bit a livello recessivo e segue immediatamente l’error flag

Error frame

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Error frame

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Error Flag Error Sovrapposizione di Delimiter Error Flags Interframe Space Data Frame Error Frame

6 Bit 0...6 Bit 8 Bit 3 Bit


¤ Può essere di due tipi, a seconda dello stato in cui si trova il nodo CAN: attivo o passivo Ø Attivo:  costituito da 6 bit di livello dominante, quando è

trasmesso provoca un errore di ricezione in tutti i nodi Ø Passivo  costituito da 6 bit di livello recessivo

¤ La trasmissione di un error frame da parte di un nodo forza un’analoga trasmissione da parte di tutti gli altri nodi

Error Flag

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Error frame attivo e passivo

Error Flag

Error Sovrapposizione di Delimiter Error Flags Interframe Space Data Frame Error Frame

Iniziato da un nodo ERROR ACTIVE

Iniziato da un nodo ERROR PASSIVE



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¤ Quando viene rilevato un errore (locale o globale) viene trasmesso un Error Flag • l’errore viene propagato a tuT gli altri nodi • globalizzazione dell’errore • in caso di errori locali i diversi Error Flag si sovrappongono

¤ L’Error Flag è seguito da un Error Delimiter: • la sequenza risultante sul bus è composta da 6 a 12 bit dominanG seguiG da 8 bit recessivi

Gestione degli errori

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¤ Il messaggio viene scartato da ogni nodo • garanzia di consistenza

¤ Vengono incrementaG gli Error Counter di ogni nodo: • meccanismo di confinamento dei guasG

¤ La trasmissione del messaggio viene ripetuta automaGcamente

Gestione degli errori (II)

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¤ Esistono 5 diversi meccanismi per il rilevamento degli errori, che operano simultaneamente:

1. Cyclic Redundancy Check 2. Frame Check 3. Acknowledge Error Check 4. Bit-‐Monitoring 5. Bit-‐Stuffing

Rilevamento degli errori

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Cyclic Redundancy Check

Inter- frame-

Space Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Field

Start of Frame Data Field CRC Field

1 1 12 6 0 - 64 15 1 1 7 3

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¤ CAN uGlizza un CRC su 15 bit • ada0o per messaggi di piccole dimensioni • offre un’oTma copertura dagli errori

¤ Il bit che segue il CRC (CRC delimiter) è trasmesso a livello recessivo

Cyclic Redundancy Check

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¤ CAN realizza un meccanismo elementare di acknowledge distribuito • il trasmettitore setta il bit di ack nel frame inviato

a livello recessivo • ogni nodo che riceve correttamente il messaggio

sovrascrive il bit di ack con un livello dominante • contemporaneamente alla trasmissione del bit di

ack il trasmettitore rileva lo stato del bus o se rileva un livello recessivo, ciò vuol dire che

nessun altro nodo ha letto il messaggio o in questo caso viene generato un errore di

acknowledge

Meccanismo di acknowledge

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¤ Alcuni campi del frame hanno formato fisso (sono a valore recessivo) • occorre verificare che tali campi abbiano effeTvamente il valore previsto

• in caso contrario viene generato un errore di formato

Frame check

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Frame check

Inter- frame- Space

Control Field End of Frame Arbitration Field ACK Delimiter

Start of Frame Data Field ACK Slot CRC Field CRC Delimiter

1 1 12 6 0 - 64 15 1 1 7 3

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¤ Ogni trasmeTtore, mentre invia un messaggio sul bus legge contemporaneamente il livello dello stesso: • se il bit scri0o e il livello le0o differiscono viene generato un errore di bit monitoring

• questo non si applica al campo di arbitraggio, dove tale condizione non implica un errore ma semplicemente la perdita della contesa

• non si applica neppure al campo di acknowledge, che viene gesGto in modo diverso

Monitoraggio del segnale

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¤ Per garanGre che i ricevitori possano sincronizzare il proprio clock locale tramite DPLL, il segnale trasmesso deve contenere un numero adeguato di fronG: • il bit stuffing assicura che lo stream di bit sul bus contenga un numero di transizioni sufficiente per la sincronizzazione

• l’assenza prolungata di fronG indica un errore o una condizione di bus idle

Bit stuffing

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¤ Ogni qualvolta nel bit stream in uscita vengono individuaG 5 bit allo stesso livello • viene aggiunto un bit al valore opposto • stuff bit

¤ I ricevitori sono in grado di eliminare gli stuff bit per rio0enere la sequenza originale

¤ Più efficiente della codifica Manchester

Bit stuffing (II)

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¤ È cosGtuito da un overload flag e da un overload delimiter uguali a quelli dell’error frame con flag aTvo

¤ È trasmesso da un nodo sovraccarico per rallentare le operazioni in rete

¤ Viene trasmesso nello spazio a disposizione tra la trasmissione di due frame successivi

Overload frame

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¤ Il livello data link non soddisfa ai requisiG fondamentali di una rete di comunicazione di campo

¤ Necessità di un livello applicazione

¤ CAN non definisce uno standard del livello applicazione

Livello Applicazione

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¤ Alcune associazioni hanno realizzato dei protocolli applicazione basati su CAN

¤ Successivamente sono diventati IEC 62026

Ø CANopen Ø CAN in Automation, CiA, www.can-cia.org

Ø DeviceNet Ø Open DeviceNet Vendor Association, ODVA,

www.odva.org

¤ Un ulteriore prodotto interessante è CAN Kingdom ¤ Kvaser

CAN: Livello Applicazione

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