Prwtìkollo EpikoinwnÐac AsafoÔc Logik c gia DÐktua CAN

Transcript

1 Aristoteleio Panepisthmio Jessalonikhc Tmhma Hlektrologwn Mhqanikwn kai Mhqanikwn Upologistwn Tomeac Hlektronikhc kai Upologistwn Prwtìkollo EpikoinwnÐac AsafoÔc Logik c gia DÐktua CAN (English Title: FLoMAC - Fuzzy Logic MAC Protocol for the CANbus) Diplwmatik ErgasÐa tou foitht : Dhmhtrh Korkinwf dkorkino@auth.gr Epiblèpwn Kajhght c: Loukac Petrou loukas@eng.auth.gr JessalonÐkh, IoÔlioc 2010

2 Fuzzy Logic MAC for CANbus Dhm trioc Kìrkinwf Φοιτητής Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών r all rights reserved 1

3 EuqaristeÐec Fuzzy Logic MAC for CANbus Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Λουκά Πέτρου, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τομέα Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών, που εμπνεύστηκε το παρόν θέμα και που με εμπιστεύτηκε για την εκπόνησή του. Θα ήθελα επίσης να τον ευχαριστήσω για την πολύτιμη βοήθεια, την καθοδήγηση και τη στήριξη που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια της συνεργασίας μας. Ευχαριστώ πολύ τους γονείς μου, για την αγάπη, τη στήριξη και την υπομονή τους κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Καθώς και όλους τους φίλους που ήταν κοντά μου και με στήριξαν όλο αυτό το διάστημα. 2

4 PerÐlhyh Fuzzy Logic MAC for CANbus Ορισμός 1 Controller Area Network (CAN ή CANbus) Είναι ένα CSMA/CA 1 πρωτόκολλο, όπου ο μηχανισμός αποστολής μηνυμάτων επιβάλλει την αποστολή του μηνύματος με τη μέγιστη προτεραιότητα. Είναι ειδικά σχεδιασμένο για εφαρμογές αυτοκίνησης, πλέον όμως χρησιμοποιείται και σε άλλους τομείς όπως αυτόν του βιομηχανικού αυτοματισμού, των ιατρικών μηχανημάτων και της ρομποτικής. Παρέχει εύρος ζώνης έως 1Mbps. Ενα σύγχρονο αυτοκίνητο μπορεί να έχει έως και 70 ηλεκτρονικές μονάδες ελέγχου (ECU) για τα διάφορα υποσυστήματα και τους βρόχους ελέγχου, που πολλές φορές χρειάζεται να ενεργοποιούν διακόπτες, να λαμβάνουν πληροφορίες από αισθητήρες ή να επικοινωνούν μεταξύ τους. Ακριβώς αυτό το κενό ήρθε να καλύψει το πρότυπο CAN. Από τότε που προτάθηκε για πρώτη φορά το 1986, οι ανάγκες της αυτοκινητοβιομηχανίας ως προς την επικοινωνία των υποσυστημάτων των αυτοκινήτων έχουν αυξηθεί δραματικά. Το μέγιστο εύρος ζώνης του διαύλου CAN όμως έχει παραμείνει το ίδιο. Αυτός ήταν και ο λόγος για τον οποίο προτάθηκε μια πληθώρα πρωτοκόλλων βασισμένων στο δίαυλο CAN που επιχειρούν να βελτιστοποιήσουν τις επικοινωνίες. Πολλές από τις πρόσφατες προσεγγίσεις οδηγούνται προς την κατεύθυνση πρωτοκόλλων βασισμένων σε εξυπηρετητή (server-based). Εμπνευσμένες από τα ασύρματα δίκτυα, χρησιμοποιούν αποστολή μηνύματος με χρονοκαθυστέρηση (Time Triggered Communication), λειτουργία που υποστηρίζεται από τους επεξεργαστές της Atmel. Δυστυχώς, η προσέγγιση εξυπηρετητή αδυνατεί να εκμεταλλευτεί το μοναδικό μηχανισμό αποστολής μηνυμάτων του πρωτοκόλλου CAN, που εγγυάται την αποστολή του μηνύματος με τη μέγιστη προτεραιότητα χωρίς σύγκρουση. Αυτός ο μηχανισμός είναι στην πραγματικότητα πολύ σημαντικός για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ένας εναλλακτικός αλγόριθμος για τη βελτιστοποίηση του πρωτοκόλλου CAN που επωφελείται από όλα τα μοναδικά χαρακτηριστικά του. Μερικά από τα βασικά στοιχεία αυτής της πρωτότυπης προσέγγισης είναι: Αλλαγές της τοπολογίας δικτύου: Το πρωτόκολλο επιτρέπει απεριόριστες αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου και μάλιστα on-the-fly. Αυτό σημαίνει ότι παραμένει ανεπηρέαστο από οποιοδήποτε πλήθος κόμβων που μπορούν να αποτύχουν. Απουσία κεντρικού κόμβου ελέγχου: Δεν υπάρχει ανάγκη κεντρικού ελέγχου, πράγμα που καθιστά την εμφάνιση του Deadlock αδύνατη. Το γεγονός αυτό συμβάλει στην αυξημένη αξιοπιστία του πρωτοκόλλου, πράγμα που είναι συχνά απαραίτητο σε πολλές εφαρμογές. Μηδενική κίνηση εξ αιτίας του πρωτοκόλλου: Δεν αποστέλλονται μηνύματα ελέγχου κανενός είδους, συνεπώς καμία επιπλέον κίνηση δικτύου δεν παράγεται από το προτεινόμενο πρωτόκολλο. Αυτό καθιστά αδύνατη και την εμφάνιση του φαινομένου του Livelock και συμβάλει στην περαιτέρω βελτίωση της αξιοπιστίας. Πιο συγκεκριμένα, η προτεινόμενη λύση χρησιμοποιεί πλήρως δυναμικό προγραμματισμό των μηνυμάτων τύπου EDF (Earliest Deadline First), που έχει αποδειχθεί και θεωρητικά ότι είναι ο 1 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 3

5 Fuzzy Logic MAC for CANbus καλύτερος τρόπος προγραμματισμού για non-preemptive δίκτυα κοινού διαύλου, όπως το CAN. Στην περίπτωσή μας, η χρήση μιας απλής προθεσμίας δεν θα ήταν ούτε πρακτική αλλά ούτε και πρωτότυπη σε ένα περιβάλλον με πολλούς βρόχους ελέγχου, ο καθένας από τους οποίους έχει τη δική του βαρύτητα και τις δικές του ανάγκες για επικοινωνία. Ετσι, παρουσιάζουμε έναν πρωτότυπο αλγόριθμο για τον προγραμματισμό της αποστολής μηνυμάτων, ο οποίος συνδυάζει την απόλυτη προτεραιότητα με την προτεραιότητα του βρόχου ελέγχου και με τη χρήση ασαφούς λογικής καταλήγει σε μια συνδυασμένη προτεραιότητα. Δοκιμάστηκε ένα μεγάλο πλήθος ρυθμίσεων για την Ασαφή Λογική και υιοθετήθηκαν οι καταλληλότερες. Κρίνοντας από τις καμπύλες εξόδου, επιλέξαμε το σύνολο ρυθμίσεων που μας παρείχε όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο υλοποιήθηκε με τη μορφή λογισμικού σε δίκτυο μικροεπεξεργαστών Atmel AT90CAN128, σε μια προσπάθεια να αποδειχθεί ότι είναι εφαρμόσιμο. Οι προκλήσεις, που απορρέουν από την αρκετά άβολη υλοποίηση του υλικού στους επεξεργαστές AT90CANxx, ήταν εξαιρετικά μεγάλες. Ωστόσο, σε περίπου 2700 γραμμές κώδικα Assembly, καταφέραμε να δημιουργήσουμε μια βιώσιμη λύση που επιτυγχάνει να συνδυάσει την υψηλή λειτουργικότητα με την σχετικά χαμηλή πολυπλοκότητα. Η μόνη λύση για εκτεταμένους ελέγχους ήταν η προσομοίωση του κώδικα και η γλώσσα προγραμματισμού του Matlab επιλέχθηκε για αυτόν το σκοπό. Ολοι οι περιορισμοί της υλοποίησης συμπεριλήφθηκαν στην προσομοίωση και διενεργήθηκαν εκτεταμένοι έλεγχοι με μεγάλο πλήθος κόμβων, κάτι που θα ήταν αδύνατο να γίνει στο υλικό. Συγκρίναμε το Ασαφές Πρωτόκολλο με μια απλή περίπτωση πρωτοκόλλου MAC με στατικές προτεραιότητες. Οι κύριοι στόχοι των ελέγχων ήταν ο υπολογισμός του πλήθους μηνυμάτων που λήγουν (expirations) και των μηνυμάτων που απορρίπτονται λόγω πλήρωσης της στοίβας (buffer overflows), δυο παράγοντες που είναι πολύ σημαντικοί για την Ποιότητα Επικοινωνίας (QoS) σε Ενσωματωμένα Δίκτυα. Τα αποτελέσματα κρίνονται πολύ ικανοποιητικά και σε πολλές περιπτώσεις αρκετά εντυπωσιακά. Πρώτα από όλα, υπάρχουν σαφείς ενδείξεις ότι το Ασαφές Πρωτόκολλο επιτυγχάνει καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων, όπως της στοίβας εξερχομένων μηνυμάτων. Παρατηρείται δραματική μείωση του πλήθους μηνυμάτων που λήγουν, τόσο στην περίπτωση χαμηλής όσο και στην περίπτωση υψηλής τηλεπικοινωνιακή κίνησης. Παρατηρείται επίσης εντυπωσιακή μείωση των απορρίψεων μηνυμάτων υπό την παρουσία υψηλής κίνησης δικτύου. Τέλος, υπάρχει μείωση του φαινομένου της στέρησης (starvation) που παρατηρήθηκε στο Απλό Πρωτόκολλο. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο στοχεύει σε υπερφορτωμένα δίκτυα, όπου το διαθέσιμο εύρος ζώνης οριακά μόνο επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες. Είναι δε εξαιρετικά αποτελεσματικό σε δίκτυα όπου η κίνηση παράγεται από ένα μεγάλο πλήθος κόμβων με ίδιες ή παρόμοιες τηλεπικοινωνιακές ανάγκες, περίπτωση στην οποία ελαχιστοποιείται και η πολυπλοκότητα για τους επεξεργαστές. Η ιδανική υλοποίηση του πρωτοκόλλου αυτού θα ήταν σίγουρα υλοποίηση στο υλικό και όχι σε λογισμικό, λόγω των περιορισμών που τίθενται από τους μικροεπεξεργαστές της Atmel. Μια αρχιτεκτονική επεξεργαστών CAN η οποία θα αντιμετωπίζει αυτούς τους περιορισμούς, ευνοώντας τη χρήση δυναμικών προτεραιοτήτων, θα ήταν εξαιρετικά επωφελής για πολλές σύγχρονες εφαρμογές. 4

6 Fuzzy Logic MAC for CANbus Abstract Definition 1 Controller Area Network (CAN or CANbus) CAN is a CSMA/CA 2 protocol, where the arbitration mechanism forces the message with the strongest priority to be sent without a collision. It was specifically designed for automotive applications but now also used in other areas such as industrial automation, medical equipment and robotics. It can provide bandwidths up to 1Mbps. A modern automobile may have as many as 70 electronic control units (ECUs) for various subsystems and control loops that are sometimes required to communicate with each other, control actuators or receive feedback from sensors. The CAN standard was devised to fill this need. Since it was first introduced in 1986, the needs of the automotive industry in terms of communication have increased dramatically. The maximum bandwidth provided by the CANbus, on the other hand, has remained the same. That was the reason that a plethora of CAN-based protocols, attempting to optimize the CAN communication, have been proposed. Many recent approaches are leading towards server-based protocols inspired by wireless networks, which use time-triggered communication; a feature supported by Atmel CAN microcontrollers. Unfortunately, the server-based approaches fail to exploit the unique arbitration provided by CAN, that ensures the transmission of the message with the highest priority without a collision. This unique arbitration is, actually, of great importance for Real-Time Applications. This thesis presents an alternative algorithm for optimizing the CAN protocol, exploiting all of its unique characteristics. Some of the main traits of this novel approach are: Unlimited Topology Changes: The protocol allows unlimited topology changes on-thefly. That means that it remains unaffected by any number of individual node failures. No central node: There is no need for central control and as a result there is no chance of a deadlock. This factor contributes to a significantly improved reliability, which is often crucial in many application areas. No protocol induced traffic: There are no control messages of any kind, thus no additional traffic induced by the proposed protocol. That means, there is no possibility of a livelock, increasing even further the network reliability. More specifically, the proposed solution uses a fully dynamic EDF 3 scheduling, which has been theoretically proven to be the best scheduling policy for non-preemptive common bus networks (such as CANbus). In our case, a simple deadline approach would have been neither practical nor original in an environment with many different control loops, as every loop has its own importance and communication needs. Therefore, we present a novel scheduling algorithm that combines an absolute deadline value with a loop priority, using fuzzy logic to create a single combined priority for every message. 2 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 3 Earliest Deadline First 5

7 Fuzzy Logic MAC for CANbus A large number of different configurations were tested for the Fuzzy Logic and the more suitable was adopted. Judging from the resulting output curves, the selected configuration has all the desirable characteristics. The proposed protocol was also implemented in software on a network of Atmel AT90CAN128 microprocessors, in an attempt to present a proof of concept. The challenges, resulting from the rather inconvenient hardware implementation of AT90CANxx microprocessors, were immense. However we were able, in approximately 2700 lines of Assembly code, to create a viable solution that achieves a high functionality combined with a relatively low complexity. The only option for large scale testing was a simulation of the implementation and Matlab programming language was chosen for this purpose. All the limitations of the implementation were incorporated into the simulation and the system was extensively tested for a large number of nodes, something that would have been impossible on the actual hardware. The Fuzzy Protocol was compared against a simple MAC protocol with static priorities. The main objectives of the testing were to calculate the number of message expirations and the number of buffer overflows, two very important factors in Embedded Networks Quality of Service (QoS). The results are considered very satisfying and in many cases rather impressive. First of all, there is apt evidence that the Fuzzy Protocol achieves a better use of available resources, such as the buffer. There is a dramatic decrease in the number of expirations under low and high bus traffic. There is also an impressive reduction in buffer overflows under high bus traffic. Finally, there is a reduction of the phenomenon of starvation which was observed in the case of the Simple Protocol. The proposed protocol targets overloaded networks, where the bandwidth is only marginally sufficient for the demand. It is especially efficient for networks where the load comes from a large number of nodes that have identical or at least similar network demands; case in which the protocol induced CPU load is minimized. An ideal implementation of the protocol designed would definitely be a hardware and not a software one, due to the inconvenient limitations of Atmel microprocessors. A hardware architecture of a CAN controller that would deal with those limitations and would support dynamic priorities, could be highly beneficial for many modern applications. 6

8 Perieqìmena 1 Εισαγωγικά Στοιχεία Κίνητρα Εργασίας Δομή Εργασίας Ιστορία Πρωτοκόλλου CAN Αρχική ιδέα Προτυποποίηση Οι πρωτοπόροι του CAN Από τη θεωρία στην πράξη Μελλοντική εξέλιξη Εφαρμογές Μεταφορές Ρομποτική Άλλες Εφαρμογές Το Πρότυπο CAN Εισαγωγή Γενικές Αρχές Λειτουργίας Arbitration (Διαιτησία) Μορφή Μηνυμάτων Standard Frame Format Extended Frame Format Συνύπαρξη μορφών μηνυμάτων Physical Layer - Χρονισμός του bit Ελεγκτής CAN στους AT90CANxx

9 ΠΕΡΙΕΧ ΟΜΕΝΑ Fuzzy Logic MAC for CANbus 3 Σχεδίαση Ασαφούς Πρωτοκόλλου Εισαγωγή Θεωρητικό Υπόβαθρο Προγραμματισμός Διεργασιών Στοιχεία Ορολογίας Κυκλικός Προγραμματισμός Διεργασιών Fixed-Priority Scheduling Earliest Deadline First Scheduling Πρωτόκολλο Ασαφούς Λογικής Βασικά Χαρακτηριστικά Προγραμματισμός Μηνυμάτων Μορφή Διεύθυνσης Ασαφής Λογική Επιλογή Καμπυλών Εξόδου Υλοποίηση Πρωτοκόλλου Περιγραφή Υλικού Αναπτυξιακά Εργαλεία Ανάπτυξη Κώδικα Προκλήσεις Υλοποίησης Γενικές Εννοιες Εισαγωγή νέου μηνύματος Διαγραφή Μηνύματος Ανανέωση ασαφών προτεραιοτήτων Ανάλυση Πολυπλοκότητας Τρόπος Υπολογισμού Πολυπλοκότητας Απόλυτα Χειρότερη Περίπτωση Μέση Χειρότερη Περίπτωση Μέση Περίπτωση

10 ΠΕΡΙΕΧ ΟΜΕΝΑ Fuzzy Logic MAC for CANbus 5 Αξιολόγηση Πρωτοκόλλου Εισαγωγικά Προσομοίωση Απλού Πρωτοκόλλου Προσομοίωση Ασαφούς Πρωτοκόλλου Αξιολόγηση Αποτελεσμάτων Παράμετροι Προσομοίωσης Βαθμός αξιοποίησης στοίβας Αποτελέσματα προσομοίωσης Φαινόμενο Στέρησης Τελικά Συμπεράσματα Συμπεράσματα και Προτάσεις Γενικά Συμπεράσματα Προτάσεις βελτίωσης Βελτίωση Πρωτοκόλλου Βελτίωση του Hardware Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα Αʹ Γενικές Εννοιες Δικτύων 88 Αʹ.1 Ποιότητα Επικοινωνίας (QoS) Αʹ.2 Δικαιοσύνη (Fairness) Αʹ.3 Καθυστέρηση (Latency) Αʹ.4 Deadlock και Livelock Ευρετήριο 94 Αναφορές 95 9

11 Kefˆlaio 1 Eisagwgikˆ StoiqeÐa 1.1 KÐnhtra ErgasÐac Οπως μπορεί να δει κανείς στα επόμενα κεφάλαια, το πρωτόκολλο CAN έχει σημειώσει θεαματική ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια και αναμένεται να συνεχίσει την ανοδική του πορεία στο χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας αλλά και να εισχωρήσει σε άλλους τομείς εφαρμογής κατά τις επόμενες 2 δεκαετίες. Από το 2000 και μετά, υπάρχει μια σαφής στροφή προς εφαρμογές που υποστηρίζουν την προσέγγιση αποστολής μηνυμάτων με χρόνο-καθυστέρηση (TTC: Time-Triggered Communication), όπως στο [17]. Οι πιο νέοι επεξεργαστές που διαθέτουν ελεγκτές CAN, όπως ο AT90CAN128 [19] της Atmel, αρχίζουν να υποστηρίζουν ορισμένες από τις δυνατότητες του TTC. Εκμεταλλευόμενοι αυτές τις δυνατότητες του υλικού, ερευνητές έχουν αναπτύξει πολύπλοκα πρωτόκολλα προγραμματισμού της αποστολής μηνυμάτων βασισμένα σε σχέσεις χρήστη-εξυπηρετητή (client-server), όπως στην περίπτωση [18]. Διαφαίνεται έτσι, μια στροφή που αποκλίνει από τον αρχικό χαρακτήρα του CAN. Η αρχική σκέψη που οδήγησε στη δημιουργία του CAN ήταν μια προσέγγιση EDF 1, η οποία ταιριάζει απόλυτα στις ανάγκες εφαρμογών ενσωματωμένων συστημάτων. Παράλληλα αποδεικνύεται θεωρητικά στο [12] ότι το EDF είναι η βέλτιστη πολιτική που εξασφαλίζει τη μικρότερη καθυστέρηση σε δίκτυα τύπου CAN. Αντίθετα η έμπνευση πίσω από τα TTC πρωτόκολλα προέρχεται μάλλον από εφαρμογές Α- σύρματων Δικτύων, όπου οι συγκρούσεις ανάμεσα στα μηνύματα είναι εξαιρετικά επώδυνες και πρέπει να αποφεύγονται με κάθε τρόπο. Στην περίπτωση του CAN όμως υπάρχει μηχανισμός διευθέτησης συγκρούσεων, με αποτέλεσμα να μη χρειάζεται να τις αποφύγουμε με τη χρήση χρονικού προγραμματισμού αποστολής των μηνυμάτων. Αντίθετα μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας. Ενα ακόμη στοιχείο που θα πρέπει να θίξουμε, είναι το γεγονός ότι στον AT90CAN128 (πιθανόν και σε άλλους), τα μηνύματα αποστέλλονται μεν στον δίαυλο ανάλογα με την προτεραιότητά τους, εσωτερικά όμως η προτεραιότητα αυτή δεν τηρείται. Παρόλο που έχει αποδοθεί ένα μέρος του πυριτίου σε λειτουργίες TTC, δεν εξασφαλίζεται η αποστολή ανάλογα με την προτεραιότητα. Εσωτερικά κάθε κόμβου, δεν υπάρχει ο μηχανισμός αποστολής του μηνύματος με τη μεγαλύτερη 1 Earliest Deadline First, prosèggish katˆ thn opoða to m numa me th mègisth proteraiìthta apostèlletai pr to. 10

12 1.2 Δομή Εργασίας Fuzzy Logic MAC for CANbus προτεραιότητα. Πιο συγκεκριμένα δε λαμβάνεται καθόλου υπόψη η προτεραιότητα του μηνύματος για την επιλογή αυτού που πρόκειται να επιχειρηθεί η αποστολή του. Στον AT90CAN128 επιλέγεται για αποστολή το μήνυμα που βρίσκεται στην χαμηλότερη θέση της στοίβας εξερχομένων, έτσι προκύπτει εσωτερικά μια τυχαία διαδικασία αποστολής ή έστω μια αποστολή FIFO (First In First Out). Με αυτόν τον τρόπο οι εφαρμογές αποκλίνουν από τον αρχικό χαρακτήρα του CAN και αφήνουν ανεκμετάλλευτα τα μοναδικά το προτερήματα. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα προαναφερθέντα, αποφασίσαμε να δημιουργήσουμε ένα νέο πρωτόκολλο επιπέδου MAC (Medium Acces Control) το οποίο θα εγγυάται την αποστολή κάθε μηνύματος αυστηρά σύμφωνα με την προτεραιότητά του από τη στιγμή της άφιξής του στον κόμβο μέχρι τη στιγμή αποστολής του στον δίαυλο. Ενα πρωτόκολλο το οποίο να διατηρεί τον αυθεντικό χαρακτήρα του διαύλου CAN και να εκμεταλλεύεται στο έπακρο τις ενδογενείς δυνατότητές του. 1.2 Dom ErgasÐac Κεφάλαιο 1: Παρατίθεται μια εισαγωγή που περιέχει ιστορικά στοιχεία για το πρωτόκολλο CAN, καθώς και στοιχεία για τις εφαρμογές που βρίσκει αυτό σε διάφορους τομείς. Κεφάλαιο 2: Αναφέρεται λεπτομερώς η λειτουργία του CAN, με έμφαση στο πρότυπο από την Bosch [16] και στον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου στον AT90CAN128 της Atmel [19], ο οποίος παρουσιάζει μικρές μόνο διαφορές σε σχέση με το πρότυπο. Κεφάλαιο 3: Περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδίασης του Ασαφούς Πρωτοκόλλου επικοινωνίας. Απαραίτητη κρίνεται η βασική γνώση θεωρίας Ασαφών Συστημάτων για την κατανόηση του κεφαλαίου αυτού, αν και θα γίνει προσπάθεια να επεξηγηθούν τα στοιχεία αυτά όσο πιο αναλυτικά γίνεται. Κεφάλαιο 4: Παρουσιάζεται η διαδικασία υλοποίησης του Ασαφούς Πρωτοκόλλου που σχεδιάστηκε. Αναφέρεται το υλικό που χρησιμοποιήθηκε καθώς και οι μεγάλες πρακτικές δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν. Επίσης, αναφέρονται οι αποκλίσεις από τη σωστή λειτουργία καθώς και η πολυπλοκότητα της τελικής υλοποίησης. Κεφάλαιο 5: Περιγράφεται η προσομοίωση του Ασαφούς Πρωτοκόλλου σε γλώσσα Matlab. Με τη βοήθεια της προσομοίωσης γίνεται ο έλεγχος της απόδοσης του πρωτοκόλλου σε σύγκριση με την απλή περίπτωση. Παρουσιάζονται και συζητούνται τα συγκριτικά αποτελέσματα που προέκυψαν. Κεφάλαιο 6: Συζητούνται τα αποτελέσματα της εργασίας, τα συμπεράσματα, καθώς και οι προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. 1.3 IstorÐa Prwtokìllou CAN Μια ιστορική αναδρομή για την εξέλιξη του πρωτοκόλλου CAN, από τα πρώτα του βήματα έως την σχεδόν καθολική επικράτησή του στην Ευρωπαϊκή αυτοκινητοβιομηχανία, δίνεται από τη μη κερδοσκοπική οργάνωση "CAN in Automation" [1]. Τα ιστορικά αυτά στοιχεία έχουν αποτελέσει τη βάση για τα όσα ακολουθούν. 11

13 1.3 Ιστορία Πρωτοκόλλου CAN Fuzzy Logic MAC for CANbus Arqik idèa Στις αρχές της δεκαετίας του 80, μηχανικοί στην εταιρία Bosch αξιολογούσαν τα υπάρχοντα πρωτόκολλα σειριακού διαύλου, σχετικά με την δυνατότητα χρήσης τους σε επιβατηγά αυτοκίνητα. Καθώς κανένα από τα διαθέσιμα πρωτόκολλα δικτύου δεν πληρούσε τις απαιτούμενες προϋποθέσεις των μηχανικών της αυτοκινητοβιομηχανίας, ο Uwe Kencke ξεκίνησε το 1983 την ανάπτυξη ενός νέου συστήματος σειριακού διαύλου. Το νέο πρωτόκολλο διαύλου επρόκειτο κυρίως να προσθέσει κάποια επιπλέον λειτουργικά στοιχεία - η μείωση της καλωδίωσης ήταν επακόλουθο αλλά όχι ο κύριος λόγος πίσω από την ανάπτυξη του CAN. Μηχανικοί από την Mercedes-Benz έλαβαν, από νωρίς, μέρος στη διαδικασία προτυποποίησης του νέου συστήματος σειριακού διαύλου, όπως επίσης και μηχανικοί της Intel ως ο πιθανότερος κατασκευαστής ημιαγωγών. Ο καθηγητής Dr. Wolfhard Lawrenz από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Braunschweig-Wolfenböttel της Γερμανίας, ο οποίος είχε προσληφθεί ως σύμβουλος, έδωσε στο νέο πρωτόκολλο το όνομα "Controller A- rea Network". Ο καθηγητής Dr. Horst Wettstein από το Πανεπιστήμιο του Karlsruhe επίσης προσέφερε ακαδημαϊκή βοήθεια. Το Φεβρουάριο του 1986, γεννήθηκε το CAN: Στο συνέδριο της SAE 2 στο Detroit προτάθηκε το νέο σύστημα διαύλου που αναπτύχθηκε από την εταιρία Bosch με το όνομα "Automotive Serial Controller Area Network" και παρουσιάστηκε από τους Uwe Kiencke, Siegfried Dais και Martin Litschel. Στηρίχθηκε σε έναν μη καταστρεπτικό μηχανισμό διαιτησίας, ο οποίος δίνει πρόσβαση στο μήνυμα με τη μέγιστη προτεραιότητα χωρίς καθυστερήσεις και χωρίς κάποιον κεντρικό κόμβο ελέγχου. Παράλληλα οι δημιουργοί του CAN, οι προαναφερθέντες καθώς και οι Wolfgang Borst, Wolfgang Botzenhard, Otto Karl, Helmut Schelling και Jan Unruh (υπάλληλοι της εταιρίας Bosch), είχαν υλοποιήσει αρκετούς μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων. Ανάμεσα στους μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων υπήρχε κι ένας μηχανισμός ο οποίος προέβλεπε την αυτόματη αποσύνδεση προβληματικών κόμβων, έτσι ώστε να διασφαλιστεί η α- πρόσκοπτη επικοινωνία των υπόλοιπων κόμβων. Αντί για τη διεύθυνση του παραλήπτη ή του αποστολέα (όπως σε σχεδόν όλα τα πρωτόκολλα δικτύου), τα μηνύματα είχαν διεύθυνση ανάλογη με το περιεχόμενό τους, η οποία καθορίζει επίσης και την προτεραιότητα του μηνύματος στο σύστημα. Μέχρι το 1987, ακολούθησαν πολλές παρουσιάσεις και δημοσιεύσεις που περιέγραφαν το καινοτόμο νέο πρωτόκολλο επικοινωνίας. Τη χρονιά αυτή - 2 μήνες νωρίτερα από το προκαθορισμένο - η Intel παρουσίασε τον πρώτο ελεγκτή CAN, το μοντέλο Επρόκειτο για την πρώτη υλοποίηση υλικού του CAN. Λίγο αργότερα, η Philips Semiconductors παρουσίασε το δικό της μοντέλο, το 82C200. Αυτοί οι δύο πρόγονοι των ελεγκτών CAN ήταν πολύ διαφορετικοί, ως προς την αποδοχή και το φιλτράρισμα των μηνυμάτων, από τους σύγχρονους ελεγκτές. Από τη μια, η ιδέα FullCAN από την Intel απαιτούσε λιγότερο φόρτο της CPU στον μικροελεγκτή στον οποίον συνδεόταν σε σύγκρισή με το BasicCAN της Philips. Από την άλλη η συσκευή FullCAN είχε περιορισμούς όσον αφορά τον αριθμό των μηνυμάτων που μπορούσε να δεχτεί. Η υλοποίηση του BasicCAN επίσης απαιτούσε λιγότερα transistors. Στις σημερινές γενεές ελεγκτών CAN, πολλές φορές υλοποιούνται διαφορετικοί μηχανισμοί αποδοχής και φιλτραρίσματος μηνυμάτων μέσα στην ίδια μονάδα, καθιστώντας τους όρους BasicCAN και FullCAN απαρχαιωμένους. 2 Society of Automotive Engineers, 'Enwsh Mhqanik n AutokÐnhshc. 12

14 1.3 Ιστορία Πρωτοκόλλου CAN Fuzzy Logic MAC for CANbus Σχήμα 1.1: Ιστορική Εξέλιξη του CAN ProtupopoÐhsh Το πρότυπο της Bosch για το CAN (version 2.0) υποβλήθηκε για να γίνει διεθνές πρότυπο στις αρχές της δεκαετίας του 90. Μετά από αρκετές πολιτικές διαμάχες, με σημαντικότερο αποτέλεσμα τη δημιουργία του "Vehical Area Network (VAN)" από Γαλλικές αυτοκινητοβιομηχανίες, το πρότυπο ISO για το CAN δημοσιεύτηκε τον Νοέμβριο του Εκτός από το CAN, το πρότυπο αυτό όριζε και ένα φυσικό επίπεδο για ταχύτητες έως 1Mbps. Παράλληλα, ένας τρόπος μετάδοσης δεδομένων ανθεκτικός σε σφάλματα ορίσθηκε στο ISO Το 1995 το πρότυπο ISO επεκτάθηκε για να συμπεριλάβει την περιγραφή του CAN με 29-bit πεδίο διεύθυνσης (CAN 2.0B). Δυστυχώς, όλα τα δημοσιευμένα πρότυπα CAN περιείχαν λάθη και ήταν ημιτελή. Για να αποφευχθούν ασύμβατες υλοποιήσεις, η Bosch φρόντισε (και ακόμα φροντίζει) όλοι οι ελεγκτές CAN να τηρούν τους κανόνες ενός πρότυπου μοντέλου για το CAN. Επιπρόσθετα, το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Braunschweig-Wolfenböttel διεξήγαγε δοκιμές συμβατότητας για αρκετά χρόνια, με επικεφαλής τον καθηγητή Lawrenz. Τα πρότυπα αυτών των δοκιμών έχουν δημοσιευτεί στο ISO Oi prwtopìroi tou CAN Παρόλο που το CAN αναπτύχθηκε αρχικά για να χρησιμοποιηθεί σε επιβατηγά αυτοκίνητα, οι πρώτες εφαρμογές του ήρθαν από μια διαφορετική αγορά. Ειδικά στη βόρεια Ευρώπη, το πρωτόκολλο ήταν δημοφιλές από τα πρώτα ακόμα χρόνια μετά τη δημιουργία του. Στη Φινλανδία, ο κατασκευαστής ανελκυστήρων Kone χρησιμοποίησε το CAN. Η Σουηδική τεχνική εταιρία KVaser πρότεινε το CAN σε κάποιους κατασκευαστές μηχανημάτων υφαντουργίας (Lindauer Dornier and Sulzer) και τους προμηθευτές τους, με σκοπό να το χρησιμοποιήσουν ως πρωτόκολλο επικοινωνίας εντός της μηχανής. Ετσι, κάτω από την καθοδήγηση του Lars-Berno Fredriksson, οι εταιρίες ίδρυσαν την ομάδα "CAN Textile User s Group". Μέχρι το 1989, η ομάδα αυτή είχε αναπτύξει τις αρχές επικοινωνίας που οδήγησαν στο περιβάλλον CAN Kingdom στις αρχές της δεκαετίας του 90. Το περιβάλλον αυτό, αν και δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ως Application Layer σύμφωνα με το μοντέλο OSI, αποτελεί ο προπομπός των μετέπειτα υψηλού επιπέδου πρωτοκόλλων βασισμένων στο CAN. 13

15 1.3 Ιστορία Πρωτοκόλλου CAN Fuzzy Logic MAC for CANbus Στην Ολλανδία, η Philips Medical Systems αποφάσισε να κάνει χρήση του CAN για το ε- σωτερικό δίκτυο στα μηχανήματα ακτίνων-χ. Το PMS (Philips Message Specification), που αναπτύχθηκε κυρίως από τον Tom Suters, αποτέλεσε το πρώτο πρωτόκολλο Επιπέδου Εφαρμογής (Application Layer) για δίκτυα CAN. Ο καθηγητής Dr. Konrad Etschberger από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών του Weingarten της Γερμανίας, είχε σχεδόν ταυτόσημες ιδέες. Στο ερευνητικό κέντρο STZP 3, στο οποίο ήταν υπεύθυνος, ανέπτυξε ένα παρόμοιο πρωτόκολλο. Παρόλο που είχαν αρχίσει να προτυποποιούνται τα πρώτα πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου, οι περισσότεροι από τους πρώιμους χρήστες του CAN ακολουθούσαν μια πιο μονολιθική προσέγγιση. Οι λειτουργίες επικοινωνίας, η διαχείριση του δικτύου και ο κώδικας της εφαρμογής αποτελούσαν ένα ενιαίο κομμάτι κώδικα. Παρόλο που μερικοί χρήστες θα προτιμούσαν μια πιο τμηματική προσέγγιση, θα έπρεπε να αντιμετωπίσουν τα μειονεκτήματα μιας πιο ερασιτεχνικής λύσης. Οι απαραίτητες προσπάθειες να ενισχυθεί και να συντηρηθεί ένα πρωτόκολλο υψηλού επιπέδου βασισμένο στο CAN είχαν υποτιμηθεί, πράγμα που εν μέρη ισχύει και σήμερα. Στις αρχές της δεκαετίας του 90, ήταν η κατάλληλη στιγμή για την ίδρυση μιας ομάδας χρηστών του CAN που θα προτυποποιούσε τις διαφορετικές προσεγγίσεις. Στους πρώτους μήνες του 1992, ο Holger Zeltwanger, που εκείνη την εποχή ήταν αρχισυντάκτης του περιοδικού VMEbus, ένωσε τους χρήστες και τους κατασκευαστές για να δημιουργήσει μια ουδέτερη πλατφόρμα για την τεχνική ενίσχυση του CAN καθώς και για την εμπορική του προώθηση. Το Μάρτιο του 1992, ιδρύθηκε και επίσημα η διεθνής ένωση χρηστών και κατασκευαστών που ονομάστηκε "CAN in Automation" (CiA). Ενας από τους πρώτους στόχους της CiA ήταν να καθορίσει τις προδιαγραφές για ένα Επίπεδο Εφαρμογής (Aplication Layer) για το CAN, που ονομάστηκε "CAN Application Layer" (CAL) ή "Green Book". Εκτός από τον καθορισμό των προδιαγραφών, η CiA είχε ως σκοπό να οργανώσει την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των ειδικών επάνω στο CAN και αυτών που επιθυμούσαν να εμβαθύνουν στη χρήση του. Για αυτόν το λόγο, από το 1994, λαμβάνει χώρα το ετήσιο Διεθνές Συνέδριο για το CAN. Άλλη μια ακαδημαϊκή προσέγγιση έγινε στα πλαίσια της Ενωσης Αγροτικών Μηχανημάτων (LAV). Από τα τέλη της δεκαετίας του 80, αναπτυσσόταν ένα σύστημα για αγροτικά οχήματα βασισμένο στο CAN (LBS). Πριν τελεσφορήσουν όμως οι προσπάθειες, η διεθνής επιτροπή αποφάσισε να χρησιμοποιηθεί η Αμερικανική έκδοση του πρωτοκόλλου, το J1939 (ISO 11783) Apì th jewrða sthn prˆxh Φυσικά οι κατασκευαστές ημιαγωγών που υλοποίησαν κυκλώματα CAN, εστίασαν κυρίως στην αυτοκινητοβιομηχανία. Από τη δεκαετία του 90, η Infineon Technologies (πρώην Siemens Semiconductors) και η Motorola απέστειλαν μεγάλες ποσότητες ελεγκτών CAN στις Ευρωπαϊκές αυτοκινητοβιομηχανίες επιβατηγών οχημάτων και τους προμηθευτές τους. Κατά το επόμενο κύμα, οι μεγάλοι κατασκευαστές ημιαγωγών της ανατολής προσέφεραν επίσης ελεγκτές CAN από τα τέλη της δεκαετίας του 90. Η NEC εισήγαγε στην αγορά το θρυλικό μοντέλο το 1994, αλλά στην περίπτωση αυτή η συσκευή ήρθε νωρίτερα από ότι έπρεπε και για αυτό δεν παρουσίασε επιτυχία. 3 STZP: Steinbeis Transfer Center for Process Automation. 4 To J1939 eðnai mia monolijik prosèggish pou eðnai polô eôkolh sth qr sh allˆ tautìqrona kajìlou euèlikth. 14

16 1.3 Ιστορία Πρωτοκόλλου CAN Fuzzy Logic MAC for CANbus Από το 1992, η Mercedes-Benz χρησιμοποιεί το CAN στα ανώτερης κατηγορίας μοντέλα της. Σε πρώτη φάση, συνδέθηκαν μέσω CAN οι ηλεκτρονικές μονάδες ελέγχου (ECUs: Electronic Control Units) που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση του κινητήρα. Επειτα, ακολούθησαν οι μονάδες ελέγχου για τα ηλεκτρονικά του αμαξώματος. Δυο ξεχωριστοί δίαυλοι CAN υλοποιήθηκαν, οι οποίοι συνδέονταν μέσω μιας πύλης δικτύου. Κι άλλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων ακολούθησαν το παράδειγμα των συναδέλφων τους και χρησιμοποιούν συνήθως δυο ξεχωριστά δίκτυα CAN στα επιβατηγά τους αυτοκίνητα. Οι BMW, Fiat, Saab, Volkswagen και η Volvo χρησιμοποιούν σήμερα το CAN στα οχήματά τους. Στις αρχές της δεκαετίας του 90, μηχανικοί στην Cincinnati Milacron (εταιρία μηχανολόγων μηχανικών των Η.Π.Α) ξεκίνησαν μια κοινή προσπάθεια μαζί με τους Allen-Bradley και Honeywell Microswitch για τη δημιουργία ενός πρωτοκόλλου ελέγχου και επικοινωνίας βασισμένο στο CAN. Ωστόσο, μετά από λίγο, σημαντικά μέλη αυτής της σύμπραξης άλλαξαν εργασία και η προσπάθεια απέτυχε. Οι Allen-Bradley και Honeywell όμως συνέχισαν να εργάζονται ξεχωριστά ο ένας από τον άλλον. Αυτό οδήγησε στη δημιουργία δυο πρωτοκόλλων υψηλού επιπέδου, του DeviceNet και του Smart Distributed System (SDS), που ήταν αρκετά όμοια μεταξύ τους, κυρίως στα κατώτερα επικοινωνιακά επίπεδα. Στις αρχές του 1994, ο Allen-Bradley παρέδωσε τα δικαιώματα του DeviceNet στην Open DeviceNet Vendor Association (ODVA), που εκτόξευσε τη δημοτικότητα του DeviceNet. Ο Honeywell απέτυχε να κάνει το ίδιο και με το SDS, πράγμα που έκανε το SDS να μοιάζει περισσότερο με μια εσωτερική λύση από τον Honeywell Microswitch. Το DeviceNet αναπτύχθηκε ειδικά για το σκοπό της εργοστασιακής αυτοματοποίησης και συνεπώς ήταν ξεκάθαρος αντίπαλος για πρωτόκολλα όπως τα Profibus-DP και Interbus. Προσφέροντας μια έτοιμη λύση "off-the-shelf" και "plug-and-play", το DeviceNet έχει επικρατήσει στο συγκεκριμένο μερίδιο της αγορά στις Η.Π.Α. Στην Ευρώπη αρκετές εταιρίες επιχείρησαν να χρησιμοποιήσουν το CAL (CAN Application Layer). Παρόλο που η προσέγγιση του CAL ήταν ακαδημαϊκά σωστή και ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανικές εφαρμογές, κάθε χρήστης έπρεπε να σχεδιάσει ένα νέο προφίλ. Το CAL μπορεί να θεωρηθεί ως ένα απαραίτητο βήμα προς την κατεύθυνση μιας λύσης ανεξάρτητης από την εφαρμογή, αλλά ποτέ δεν κέρδισε ευρεία αποδοχή σε αυτόν τον τομέα. Από το 1993, υπό το σχέδιο ASPIC της Esprit, μια ευρωπαϊκή κοινοπραξία εταιριών με επικεφαλής την Bosch, ανέπτυσσε ένα πρωτότυπο πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής από το οποίο θα προέκυπτε το CANopen. Ηταν ένα προφίλ βασισμένο στο CAL για την εσωτερική δικτύωση μονάδων παραγωγής. Από ακαδημαϊκής πλευράς, ο καθηγητής Dr. Gerhard Gruhler από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Reutlingen της Γερμανίας και ο Dr. Mohammed Farsi από το Πανεπιστήμιο του Newcastle της Βρετανίας συμμετείχαν σε αυτό που θα ήταν η πιο πετυχημένη δραστηριότητα της κοινοπραξίας Esprit. Μετά την ολοκλήρωση του σχεδίου, οι προδιαγραφές του CANopen παραδόθηκαν στην CiA για περαιτέρω ανάπτυξη και συντήρηση. Το 1995, το πλήρως αναθεωρημένο προφίλ επικοινωνίας CANopen βγήκε στην αγορά και μέσα σε μόλις 5 χρόνια έγινε το σημαντικότερο προτυποποιημένο ενσωματωμένο δίκτυο στην Ευρώπη. Τα πρώτα δίκτυα CANopen χρησιμοποιήθηκαν για εσωτερικές επικοινωνίες εντός της μηχανής. Το CANopen διαθέτει πολύ μεγάλη ευελιξία και δυνατότητα ρύθμισης. Το υψηλότερου επιπέδου πρωτόκολλο, που έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλές διαφορετικές εφαρμογές (Βιομηχανικός Αυτοματισμός, Ναυτικά Ηλεκτρονικά, Στρατιωτικά Οχήματα κτλ.) στο μεταξύ έγινε διεθνές πρότυπο, το EN Το CANopen χρησιμοποιείται κυρίως στην Ευρώπη. Οι θερμοπλαστικές πρέσες στην Ιταλία, τα μηχανήματα ξυλείας στη Γερμανία, οι μηχανές παραγωγής τσιγάρων στη Βρετανία, οι γερανοί στη Γαλλία, οι μηχανές μεταποίησης στην Αυστρία και οι μηχανές παραγωγής ρολογιών στην 15

17 1.4 Εφαρμογές Fuzzy Logic MAC for CANbus Ελβετία είναι μερικά μόνο παραδείγματα από τη βιομηχανία του αυτοματισμού και της κατασκευής μηχανών. Στις Η.Π.Α. το CANopen προτείνεται για χρήση σε forklifts και χρησιμοποιείται σε μηχανήματα διαλογής γραμμάτων σε ταχυδρομεία. Το CANopen δεν ορίζει μόνο το επίπεδο εφαρμογής και ένα τηλεπικοινωνιακό προφίλ, αλλά επίσης και το πλαίσιο για προγραμματιζόμενα συστήματα, διαφορετικές συσκευές, διεπαφές και προφίλ εφαρμογών. Αυτό είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίον ολόκληρα τμήματα της βιομηχανίας (όπως μηχανές εκτύπωσης, ναυτικές εφαρμογές και ιατρικά μηχανήματα) αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν το CANopen κατά τα τέλη της δεκαετίας του 90. Με το DeviceNet και το CANopen, είναι τώρα διαθέσιμα δυο προτυποποιημένα επίπεδα εφαρμογής που αναφέρονται σε διαφορετικά μερίδια της αγοράς. Το DeviceNet είναι βελτιστοποιημένο για εργοστασιακή αυτοματοποίηση και το CANopen είναι κατάλληλο για ενσωματωμένα δίκτυα (embedded networks) σε κάθε είδους έλεγχο μηχανών. Αυτό το γεγονός έχει πλέον καταστήσει απαρχαιωμένα τα ειδικής χρήσης επίπεδα εφαρμογής. Η ανάγκη για τον ορισμό επιπέδων εφαρμογής κατάλληλων για μια συγκεκριμένη χρήση είναι πλέον παρελθόν (εκτός, ίσως, για κάποια ειδικά ενσωματωμένα συστήματα μεγάλης κλίμακας) Mellontik exèlixh Στις αρχές του 2000, μια ομάδα της ISO που ενέπλεξε πολλές εταιρίες, όρισε ένα πρωτόκολλο για αποστολή μηνυμάτων CAN με χρόνο-καθυστέρηση. Οι Dr. Bernd Mueller και Thomas Fuehrer καθώς και άλλοι εργαζόμενοι της Bosch μαζί με ειδικούς από τη βιομηχανία ημιαγωγών και την ακαδημαϊκή έρευνα, όρισαν το πρωτόκολλο TTCAN (Time-triggered cammunication on CAN). Αν ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι το CAN είναι ακόμα στην αρχή της διαδικασίας διείσδυσής του στην παγκόσμια αγορά, ακόμα και συντηρητικές εκτιμήσεις δείχνουν περαιτέρω ανάπτυξη του δικτύου αυτού κατά τα επόμενα 15 χρόνια. Αυτό καταδεικνύεται ακόμα από το γεγονός ότι οι αυτοκινητοβιομηχανίες των Η.Π.Α. και της Ανατολής, μόλις έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν το CAN στη μαζική παραγωγή οχημάτων τους. Επιπλέον, νέες πιθανές μεγάλης κλίμακας εφαρμογές (π.χ. στην ψυχαγωγία) είναι στα σκαριά, όχι μόνο στα επιβατηγά αυτοκίνητα αλλά και σε οικιακές εφαρμογές. Αρκετές αναβαθμίσεις του πρωτοκόλλου σχετικά με διάφορες εφαρμογές όπου η ασφάλεια θεωρείται κρίσιμη, θα πρέπει να αναμένονται για τα πρωτόκολλα υψηλού επιπέδου. Η Γερμανική επαγγελματική ένωση BIA και η Γερμανική αρχή υπεύθυνη για τα στάνταρ ασφαλείας T ÜV έχει ήδη πιστοποιήσει μερικά από τα ειδικής εφαρμογής πρωτόκολλα ασφαλείας βασισμένα στο CANbus. Το CANopen-Sefety είναι η πρώτη τυποποιημένη λύση CAN που έγινε αποδεκτή από την BIA. Το DeviceNet-Sefety πρόκειται να ακολουθήσει σύντομα. Προετοιμάζεται και η αποδοχή του πλαισίου CANopen για ναυτιλιακές εφαρμογές από μια από τις παγκοσμίως κυρίαρχες κοινότητες αξιολόγησης, την Germanischer Lloyd. 1.4 Efarmogèc Μερικοί από τους τομείς εφαρμογής του CAN σήμερα παρουσιάζονται αναλυτικά από την CiA [1]. Ακολουθεί επιγραμματική αναφορά αυτών των εφαρμογών καθώς και συμπλήρωσή τους. 16

18 1.4 Εφαρμογές Fuzzy Logic MAC for CANbus Metaforèc Το CAN αναπτύχθηκε αρχικά για την εσωτερική δικτύωση επιβατηγών αυτοκινήτων. Σήμερα, το CAN χρησιμοποιείται τόσο σε επιβατηγά αυτοκίνητα, όσο και σε βαρέα οχήματα, τραίνα, ναυτιλιακά και άλλα οχήματα. Epibathgˆ AutokÐnhta Η αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί το CAN ως εσωτερική δικτύωση (IVN: In-Vehicle Network) για τη διαχείριση του κινητήρα και για τα ηλεκτρονικά που παρέχουν τις διάφορες ανέσεις 5. Το CAN χρησιμοποιείται και για ειδικής χρήσης οχήματα, όπως αστυνομικά αυτοκίνητα και ταξί, τα οποία έχουν κάποιες ιδιαίτερες ανάγκες. Στο Σχήμα 1.2 φαίνονται μερικά από τα υποσυστήματα των σύγχρονων αυτοκινήτων που έχουν ανάγκη διασύνδεσης. Η διασύνδεση αυτών των υποσυστημάτων με την Ηλεκτρονική Μονάδα Ελέγχου (ECU) μπορεί να γίνει με διάφορα πρωτόκολλα, το κυριότερο των οποίων είναι το CAN. Μπορούμε να αναφέρουμε ότι τα σύγχρονα επιβατηγά αυτοκίνητα διαθέτουν τουλάχιστον 30 μικροεπεξεργαστές, για τα βασικά μοντέλα. Ενώ ορισμένα πολυτελή μοντέλα μπορεί να διαθέτουν έως και 100 μικροεπεξεργαστές (πηγή: New York Times). Από το γεγονός αυτό γίνονται φανερές οι αυξημένες δικτυακές ανάγκες των σύγχρονων αυτοκινήτων. Barèa Oq mata Σε φορτηγά, λεωφορεία και μηχανήματα off-road, το CAN χρησιμοποιείται για την ε- σωτερική δικτύωση (IVN) οχημάτων υψηλών επιδόσεων και ως ενσωματωμένο δίκτυο σε υπερκατασκευές και εργαλεία. Η γκάμα των οχημάτων που χρησιμοποιούν το CAN περιλαμβάνει αγροτικά οχήματα, οχήματα δασοκομίας και εξόρυξης, ρυμουλκά οχήματα αεροσκαφών, οχήματα οδοποιίας κτλ. Σε πολλά από αυτά, τα πρόσθετα εξαρτήματα (υποσυστήματα όπως γερανοί ή θεριζοαλωνιστικές μηχανές κτλ.) επίσης συνδέονται στα δίκτυα CAN. Οχήματα forklifts εξοπλίζονται κι αυτά με δίκτυα βασισμένα στο CAN. TraÐna kai oq mata stajer c troqiˆc Το CAN χρησιμοποιείται σε πληθώρα σιδηροδρομικών εφαρμογών όπως τραμ, μετρό, βαγόνια μικρού βάρους ή τραίνα μεγάλων αποστάσεων. Επιπρόσθετα, ορισμένες εμπορικές αμαξοστοιχίες και τραίνα κατασκευής σιδηροδρομικών γραμμών χρησιμοποιούν επίσης δίκτυα CAN. Το CAN δε χρησιμοποιείται μόνο στις άμαξες έλξης συρμών για τον έλεγχο του κινητήρα, αλλά και ως δίαυλος επικοινωνίας του οχήματος. Παράλληλα, σε ορισμένες επιβατηγές αμαξοστοιχίες το CAN χρησιμοποιείται ως σύστημα πληροφόρησης των επιβατών. Nautiliakˆ Mèsa Το CAN χρησιμοποιείται στη ναυτιλία για τη διαχείριση ισχύος, τον έλεγχο μηχανών και γεννητριών, για τις αντλίες και βαλβίδες φορτίου, καθώς επίσης και για σκοπούς πλοήγησης. Με σκοπό να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις ασφαλείας, χρησιμοποιούνται αρχιτεκτονικές με εφεδρικά συστήματα και δυνατότητες αυτόματης μεταγωγής από το ένα εφεδρικό σύστημα στο άλλο. 5 'Opwc ton èlegqo twn jur n kai thc hliorof c, tou klimatismoô, tou fwtismoô kai twn susthmˆtwn yuqagwgðac. 17

19 1.4 Εφαρμογές Fuzzy Logic MAC for CANbus Σχήμα 1.2: Ηλεκτρονικά συστήματα των σύγχρονων αυτοκινήτων. 18

20 Fuzzy Logic MAC for CANbus 1.4 Εφαρμογές Σχήμα 1.3: Airbus A380 - Super Jumbo Jet Aeroploòa kai Aerodiasthmik Το CAN χρησιμοποιείται ως δίκτυο κορμού σε αεροσκάφη για τους αισθητήρες πτήσης, συστήματα πλοήγησης και τους υπολογιστές πλοήγησης που είναι εγκατεστημένοι στο πιλοτήριο. Εντός του αεροσκάφους, δίκτυα CAN χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των δεδομένων πτήσης ή, μαζί με εγκαταστάσεις φωνής και εικόνας, για την ανάλυση της βοήθειας που προσφέρουν οι διεπαφές του πιλοτηρίου στο πλήρωμα. Το CAN χρησιμοποιείται επίσης και σε εφαρμογές αεροδιαστημικής για συστήματα ελέγχου του κινητήρα, όπως συστήματα ελέγχου καυσίμου, αντλίες και γραμμικοί διακόπτες. Ενα από τα μοντέλα αεροσκαφών στα οποία χρησιμοποιείται δίκτυο CAN είναι και το νέο Super Jumbo Jet της Airbus, το A380 (Σχήμα 1.3) Rompotik Η ανάγκη για διασύνδεση των υποσυστημάτων σε ρομποτικές εφαρμογές, καθώς και τα προτερήματα που παρουσιάζει το CAN για χρήση σε ενσωματωμένα συστήματα έχει οδηγήσει στην εκτεταμένη χρήση του σε εφαρμογές ρομποτικής. Τέτοιες εφαρμογές συναντούμε κυρίως στην έρευνα που έχει παρουσιάσει μεγάλη άνθιση στον τομέα αυτόν. Ενα ενδιαφέρον παράδειγμα στο οποίο χρησιμοποιείται το CAN για λόγους διασύνδεσης είναι το ρομποτικό χέρι του Σχήματος 1.4. Αναπτύχθηκε από το HIT (Harbin Institute of Technology) στην Κίνα και το DLR (German Aerospace Center) και είναι ένα ρομποτικό χέρι πολλαπλών αισθητήρων στο οποίο είναι δυνατόν να ενσωματωθούν όλα τα ηλεκτρονικά μέρη ελέγχου. (πηγή: CiA [1]) Το δίκτυο CAN χρησιμοποιείται επίσης στο νέο ρομποτικό όχημα αναζήτησης επιζώντων της ομάδας ρομποτικής PANDORA στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΑΠΘ. Σχήμα 1.4: ΡοΗ ομάδα ρομποτικής PANDORA δημιουργήθηκε το 2005 με σκοπό να μποτικό χέρι DLRλαμβάνει μέρος στους διαγωνισμούς της IEEE με την υποστήριξη του HIT-Hand II. 19