Partie2 Bus Communication

Chapitre 2:
Réseaux de communication pour systèmes

embarqués
Systèmes embarqués et systèmes temps réel Pr.Youssefi FST Settat

1
Différents types des réseaux pour systèmes embarqués
Les réseaux 2G, 3G, 4G et 5G

Sigfox, LoRa LPWAN cellulaires
Réseaux WAN
Réseaux pour
l’embarqué
Réseaux LAN
Les réseaux Les réseaux

locaux filaire locaux sans fil
Protocoles
Bus de communication Bus de données Réseaux locaux sans fil (Wifi,
industriel (Asi, CAN,…) (Ethernet,…) ZigBee,Z-Wave…) courte distance (Bluetooth, NFC,
RFID,…)

2
Différents types des réseaux pour systèmes embarqués
1- Les réseaux cellulaires

 Les réseaux cellulaires permettent de transférer d'importantes quantités de
données.
 Mais Très gourmands en énergie ces réseaux sont à réserver à des appareils
branchés au secteur.
2- Low power Wide Area Networks (LPWAN)

 Nouvelles technologies mobiles conçues pour fournir une connectivité à bas débit
et à faible consommation d’énergie aux appareils IoT.

3
Bus de communication (Bus AS-i,
Bus CAN,…)

4
Bus de communication embarqué
 Les machines de contrôle-commande partagent le même bus de

communication
 Problème: gestion des demandes d’accès au bus
5
Bus de communication embarqué
 Réseau dédié dont les applications sont connues

 Correspond au besoin du niveau bas (terrain) des systèmes automatisés
de production, une fois configurées (trafics ordonnancés), n’évoluent
pas ou peu
 Exemple d’applications:
- Bus ASi dans le domaine industriel
- Bus CAN, Bus Lin dans le domaine automobile

6
Quelques projets des étudiants 2019/2020
1- Système de contrôle commande embarqué pour la détection/extinction d’incendie
avec bus ASi
- Programmation maitre et esclaves
Esclave 1
(Cartes Arduino)
Unité d’acquisition de MQ2
- Simulation sur logiciel Proteus données
MQ2
ISIS Arduino Méga 2560
Maître
Bus AS-i
Unité de traitement
Arduino Méga 2560

Esclave 2
Unité de commande Buzzer Passif
Arduino Méga 2560

Buzzer Passif
MQ2: capteur de gaz

Buzzer: alarme (transforme signal électrique en son)

7
Quelques projets des étudiants 2019/2020
2- Réalisation d’un Bus CAN embarqué pour supervision moteur
- Programmation maitre et esclaves (Cartes Arduino)
- Simulation sur logiciel Proteus ISIS

8
Le bus ASi
(Actuator sensor interface)

9
Le bus ASi
Bus ASi Historique

 1990 :
11 sociétés et 2 universités majoritairement allemandes créent le consortium ASi (Actuator
sensor interface) afin de définir une interface « low cost » pour raccorder des capteurs et
actionneurs
 1991 :
Création de l ’association ASi internationale : http://www.as-interface.net/ basée en Allemagne.
Création avec 30 membres.
 2001 :
- Spécifications ASi V2 : 62 esclaves.
-La version AS-i de sécurtié: "Safety at work" : extension de standard Asi permettant
d’interconnecter des équipements de sécurité (arrêt d’urgence, barrière,…)
 2010 :
- L'association Asi compte plus de 300 membres.
- La base installée d'AS-i comptait environ 22 millions d'équipements. Le volume de vente annuel
est d'environ 2 millions d'appareils.

10
Le bus ASi
Bus ASi
 Bus capteur/actionneur: bus industriel crée en 1990

par un consortium de fabricants de
capteurs/actionneurs et adopté par plus de 60
fabricants.
 Bus simple et économique: AS-i est souvent
considéré comme la solution la plus économique pour
interconnecter des capteurs et actionneurs de terrain.

11
Les bus de terrain
Exemple: Traitement centralisé/distribué
Ethernet
AS-i

12
Le bus ASi
 Positionnement d’ASi
 Asi permet une scrutation performante pour les E/S TOR uniquement,
 AS-i est particulièrement adapté aux systèmes et équipements simples.
 D'autres réseaux sont techniquement capables de couvrir le champ de AS-i, ils
se révèlent souvent plus onéreux et plus cher.
 Protocole ASi
 Méthode d'accès de type Maître-esclave (mono-maître).
 Nombre max d'esclaves :
- 31 sur ASi v1 (adressage standard)
- 62 sur ASi v2 (adressage étendu)
 Données transmises sur un format 4 bits.

13
Le bus ASi
Protocole Asi: Adressage
 Adresse standard (AS-i v1)

- La plage d'adresses définie par ASi version 1 va de 0 à 31.
- L'adresse 0 correspond à la configuration par défaut à la livraison, elle n'est pas exploitable
pour l'échange de données.
- Seuls les esclaves sont adressées, le maître n'a pas d'adresse.
 Adresse étendu (AS-i v2)
- La version 2 (1998) d'AS-i a introduit la notion d'adressage étendu, qui permet de doubler le
nombre de stations d'esclaves.
- Pour des questions de compatibilité on a conservé la plage d'adressage de 1 à 31 mais
chaque adresse peut accueillir 2 esclaves : 1 esclave A et 1 esclave B.
Exemple :1 esclave à l'adresse 7A et un autre à l'adresse 7B.
L'adressage est réalisé à l'aide d'une console portable ou du maître.

14
Le bus ASi
Fonctionnement
Le maître : C'est l'entité intelligente qui gère les échanges sur le bus AS-i.
Les esclaves : Ce sont les entités "communicantes" reliées au bus (31 au maximum par
segment AS-i v1 et 62 pour AS-i v2).
Ce sont des capteurs, des actionneurs ou des constituants de dialogue ou de
signalisation.
Ils échangent des tables d'entrées et/ou de sorties d'une longueur fixe de 4 bits
avec le maître.
Un esclave = une adresse AS-i.

15
Le bus ASi
Fonctionnement
Maître / Esclave: le maître interroge les esclaves par scrutation cyclique (polling). La
durée de scrutation est quasiment proportionnelle au nombre d’esclaves interrogés.
Principe des échanges cycliques de données:

Echange (bi-directionnels) de bits entre le maître et l'esclave
Maître Esclave n
Esclave 1 Esclave 2
Requête Maître
Transaction
Réponse Esclave
Requête Maître
Transaction
Réponse Esclave

16
Le bus ASi
Fonctionnement
 Composition de la trame
Trame courte, efficace et de longueur constante :
Le temps de cycle AS-i est court et répétitif.
Requête du maître
0 0 0 P 1
6µs adresse commandes

de l'esclave (sorties sur 4 bits)
Maître Echange maxi. de 4E & 4S sur un cycle Esclave
Réponse de l'esclave
0 P 1
état
P=Parité
(entrées sur 4 bits)

17
Le bus ASi
Fonctionnement
 Composition de la trame
Trames ASi
Les trames AS-i ont toujours une longueur fixe.
- 14 bits pour les messages de requête du maître
-7 bits pour les messages de réponse des esclaves
SB Start Bit
 Structure d'une requête Maître CB Bit de contrôle
A0 à A4 5 bits d’adresse
SB CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB
I0 à I4 5 bits d’information
0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1
PB Bit de parité
EB End Bit
 Structure d’une réponse esclave SB Start Bit

D0 à D3 4 bits de données
SB D3 D2 D1 D0 PB EB
PB Bit de parité
0 0 1 0 1 0 1 EB End Bit
Remarque : Dans la nouvelle spécification 2.11 : 62 stations au lieu de 31 le bit I4 est un bit supplémentaire d’adresse

18
Le bus ASi
Récap
Support : Câble 2 fils

Le support de communication standard est une paire non torsadée
non blindée.
Topologie : Libre
Toutes les architectures (bus, étoile, arbre…) sont possibles
Distance maximum : 100 m sans répéteur

200 m avec répéteur
Débit : 167 Kbits/s

Le temps de scrutation max des esclaves est de 5ms pour un nombre
maximum de 31 stations.
Temps de cycle = 5 ms pour 31 esclaves
Nbre max équipements : ASi V1 : 1 maître + 31 esclaves

ASi V2 : 1 maître + 62 esclaves

19
Le bus ASi
Récap
Méthode d ’accès au médium : Maître / Esclave
Taille maxi des données utiles : 4 bits de sorties pour une requête
4 bits d ’entrées pour une réponse
Trame ASi : Nombreux contrôles aux niveaux

bits et trames
Délimiteur start bit, longueur pause entre 2 bits,
bit de parité, délimiteur end bit,
longueur de la trame

20
Le bus ASi
Points forts - points faibles
Points forts Points faibles
 Temps de cycle rapide et déterministe  Quelques bits échangés
 Facilité de câblage  Nombre d ’esclaves limité
 Simplicité d ’utilisation  Longueur du bus : 100 m
 Evolution de l ’architecture aisée

21
Le bus CAN
(Controller Area Network)

22
Le bus CAN
Bus CAN
Le CAN (Controller Area Network) fait partie des bus de terrain les plus utilisés tant
pour des applications automobiles que des applications industrielles (automatisme,
etc.).
Domaines d’application:
 Industrial automation
 Home/Building automation
 Automotive (VL, PL)
 Transportation (Train, aviation, ...)
 Matériel agricole, Travaux public
 Maritime
 Medical
 Instrumentation
Exemple: Bus CAN largement répondu dans l’automobile
Dans le domaine de l’automobile la communication entre les différents modules
nécessite un bus d’échange d’information en temps réel, tel que le bus CAN.
23
Le bus CAN
Historique
 Début des années 1980: Intérêt général des constructeurs automobiles haut de
gamme pour les Systèmes de communication temps réel (électronique embarquée).
 1983: La société Robert Bosch GmbH (www.bosch.de) en partenariat avec l’université

de Karlsruhe choisit de développer un protocole/bus à haut niveau de sécurité orienté
systèmes distribués temps réel : le bus CAN
 1991 : BOSCH publie les spécifications de la version 2.0.

Naissance du CIA = CAN in Automation : http://www.can-cia.de/ , organisation pour
promouvoir les applications industrielles.
 2001 : Publication par le CIA de la DS-304 permettant d ’intégrer des composants de

sécurité sur un bus CANopen standard (CANsafe).
 2012 : La société Bosch annonce la naissance de la nouvelle version CAN FD (CAN

with Flexible Data-Rate) pour répondre au besoin croissant des application temps réel.

24
Le bus CAN
Fonctionnement de base
Tous les participants peuvent démarrer la communication dès que le bus est au repos:
 Pas de mécanisme de gestion des collisions nécessaire grâce au principe d’arbitrage
non destructif
 Un seul émetteur une fois la phase d’arbitrage terminée
 Tout nœud sur le bus qui n’est pas émetteur est récepteur
 Tout nœud sur le bus est en charge de vérifier l’intégrité du message
 Le CAN ne possède pas de système d’adressage mais plutôt un système d’allocation
de priorités aux messages basé sur l’identificateur attribué à chaque message.
 Un émetteur transmet un message sans indication de destinataire ; sur la base de
l’identificateur associé à ce message, chaque nœud décide de traiter ou d’ignorer ce
message.
 Débit très limité à cause de l’arbitrage bit par bit

25
Le bus CAN
Exemple: Bus CAN Automobile
Il existe deux types de bus CAN différenciés par leur débit :

 le CAN Low Speed (de 10 kbps à 125 kbps):
Un bus lent pour gérer les accessoires et le confort
 le CAN High Speed (de 125 kbps à 1 Mbps):
Un bus rapide pour gérer la sécurité et le moteur
Pourquoi pas 1 seul bus rapide?

26
Le bus CAN
Topologie standard du bus CAN
 Configuration simple
 Câblage réduit
 Ordre des nœuds indiffèrent

27
Le bus CAN
Exemple d ’architecture

28
Le bus CAN
La couche physique
 La transmission des données est effectuée sur une paire filaire différentielle.
 La ligne est donc constituée de deux fils :
o CAN L (CAN LOW),
o CAN H (CAN HIGH).

29
Le bus CAN
La couche physique
ISO 11898-3 - CAN High Speed

30
Le bus CAN
La couche physique
VCAN H < VCAN L + 0.5v  1 logique récessif

VCAN H > VCAN L + 0.5v  0 logique dominant
Les deux signaux vus ensemble permettent l'interprétation suivante :

• un ventre = bit dominant
• un nœud = bit récessif.
31
Le bus CAN
La couche physique
ISO 11898-3 - CAN High Speed

32
Le bus CAN
Bit stuffing
 Le message est représenté au format binaire en NRZ.

 Problème du NRZ asynchrone :
Sur de longs messages, possibilité de désynchronisation des horloges de chaque nœud
entraînant des corruptions de message
 Solution du protocole CAN : Le bit Stuffing
o Un bit de niveau inverse est rajouté à l ’émission tous les 5 bits consécutifs de
même niveau
o Supprimé du message final par le récepteur
o Intérêt : Génère un front de resynchronisation au niveau physique

33
Le bus CAN
Bit stuffing
- Plus grand nombre de transitions : Synchronisation de l’horloge.

34
Le bus CAN
Caracteristiques
Support : - Paire torsadée blindée ou non (le plus répondu)

- Fibre optique et transmission hertzienne sont
aussi normalisées.
Topologie : bus
Résistance fin de ligne 120 ohms
Distance maximum : conçu pour de courtes distances < 30 m

on peut dépasser 30m mais avec débit < à 1Mbps
Débit : 9 débits possibles de 10 Kbits/s à 1 Mbit/s

35
Le bus CAN
La connectique
Le CiA fournit dans sa recommandation DR-303-1 une liste de connecteurs

utilisables classée en 3 catégories avec la description de leur brochage.
9 pin D sub
RJ45
5 pin Min C
5-pins Micro-Style = M12

ANSI/B93.55M-1981

36
Le bus CAN
La connectique

37
Le bus CAN
Les types de messages

38
Le bus CAN
Les types de messages

39
Le bus CAN
Format d’une trame de donnée
 La trame de données sert à envoyer des informations aux autres nœuds.
 Une trame de données se compose de 7 champs différents :
• Le début de trame ou SOF (Start Of Frame) matérialisé par 1 bit dominant,
• Le champ d'arbitrage (identificateur) composé de 11 bits (CAN 2.0A) ou 29 bits
(CAN 2.0B).
Le champs d’arbitrage se termine par 1 bit RTR
• Le champ de commande (ou de contrôle) composé de 6 bits (IDE: 1 bit, Réservé: 1
bit, DataLength: 4 bits)
• Le champ de données composé de 0 à 64 bits (de 0 à 8 octets),
• Le champ de CRC composé de 16 bits,
• Le champ d'acquittement composé de 2 bits,
• La fin de trame ou EOF (End of Frame) matérialisée par 7 bits récessifs.
SOF Champ RTR Champ de commande Données CRC ACK EOF

d’arbitrage
1 bit 11 bits 1 bit 6 bits 0 à 64bits 16 2 bits 7 bits
dominant IDE (1 bit), Réservé (1bit), DataLength (4 bits) bits récessifs
Représentation trame de données CAN 2.0A (version 11 bits)

40
Le bus CAN
Principe d’arbitrage à l ’émission
Méthode d ’accès au médium : CSMA/CA
 Chaque équipement peut émettre dès que le bus est libre.
 Un principe de bits dominants ou récessifs permet lors d ’une collision un

arbitrage bit à bit.
 La priorité d ’un message est donnée par la valeur de l’identificateur (champs

d’arbitrage) de la trame: l ’identificateur de valeur la plus faible est prioritaire.

41
Le bus CAN
Principe d’arbitrage à l ’émission

42
Le bus CAN
Bus CAN: Points forts - points faibles
Points forts Points faibles
• Coût • Longueur du bus à 1 Mbit/s <30m
• Robustesse dans environnement perturbés • Non déterministe
• Protocole ouvert

43
Le bus CAN
Exercice 1
1- Sur quel principe fonctionne l'arbitrage entre les différentes trames qui
peuvent se trouver simultanément sur le réseau multiplexé. Donner un
exemple?
2- Sachant que la trame CAN ne comporte pas de champs d’adressage,
expliquer le principe de l'échange de données entre les noeuds?
3- Expliquer simplement en quelques lignes le rôle et le principe de
fonctionnement du champ CRC dans une trame CAN? Comparer avec le
bit de parité de bus Asi?

44
Le bus CAN
Exercice 2
En effectuant une mesure sur un bus CAN 125 kbps automobile avec un
oscilloscope, on a relevé le signal présentée ci-dessous:
1- Quelle est la durée de transmission d’un bit? Décoder cette trame ?

2- Donner la trame CAN sans bits de stuffing (le bus CAN utilise la
méthode de « Bit-stuffing »)?
3- Quelles sont les données transportées par cette trame ?
45

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Réseaux de communication pour systèmes

Systèmes embarqués et systèmes temps réel Pr.Youssefi FST Settat

Les réseaux 2G, 3G, 4G et 5G

Les réseaux Les réseaux

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1- Les réseaux cellulaires

2- Low power Wide Area Networks (LPWAN)

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 Les machines de contrôle-commande partagent le même bus de

 Réseau dédié dont les applications sont connues

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Arduino Méga 2560

Arduino Méga 2560

MQ2: capteur de gaz

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Bus ASi Historique

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 Bus capteur/actionneur: bus industriel crée en 1990

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Exemple: Traitement centralisé/distribué

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Protocole Asi: Adressage

 Adresse standard (AS-i v1)

L'adressage est réalisé à l'aide d'une console portable ou du maître.

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Principe des échanges cycliques de données:

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6µs adresse commandes

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 Structure d’une réponse esclave SB Start Bit

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Support : Câble 2 fils

Distance maximum : 100 m sans répéteur

Débit : 167 Kbits/s

Nbre max équipements : ASi V1 : 1 maître + 31 esclaves

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Méthode d ’accès au médium : Maître / Esclave

Trame ASi : Nombreux contrôles aux niveaux

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Points forts - points faibles

Points forts Points faibles

 Temps de cycle rapide et déterministe  Quelques bits échangés

 Facilité de câblage  Nombre d ’esclaves limité

 Simplicité d ’utilisation  Longueur du bus : 100 m

 Evolution de l ’architecture aisée

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 1983: La société Robert Bosch GmbH (www.bosch.de) en partenariat avec l’université

 1991 : BOSCH publie les spécifications de la version 2.0.

 2001 : Publication par le CIA de la DS-304 permettant d ’intégrer des composants de

 2012 : La société Bosch annonce la naissance de la nouvelle version CAN FD (CAN

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Exemple: Bus CAN Automobile