CANopen: segnali digitali anziché analogici

A differenza di un segnale analogico, che come grandezza fisica può assumere valori continui, un segnale digitale è costituito da valori discreti. Solitamente vengono sempre in mente lunghe stringhe di zeri e uno che fluttuano nello spazio: 0101 0111 0100 1001 0100 1011 0100 0001 0011 1101 0101 0001 0111 0101 0110 0001 0110 1100 0110 1001 0111 0100 0110 0001 0110 0110 0101 0111 0100.

Chiunque ha certamente già sentito il termine CANopen come rappresentazione di segnale digitale. CANopen è un protocollo di comunicazione basato sullo standard CAN, di cui l’organizzazione CAN in Automation (CiA) si occupa dal 1995. È stabilito come standard nella norma europea EN 50325-4. Il protocollo è stato sviluppato come una rete standardizzata e incorporata con opzioni di configurazione altamente flessibili.

Origine dello standard CAN*

Il Controller Area Network, noto anche come CAN-bus, è uno standard seriale per bus di campo (principalmente in ambiente automotive), di tipo multicast, introdotto negli anni ottanta dalla Robert Bosch GmbH, per collegare diverse unità di controllo elettronico (ECU). Il CAN è stato espressamente progettato per funzionare senza problemi anche in ambienti fortemente disturbati dalla presenza di onde elettromagnetiche e può utilizzare come mezzo trasmissivo una linea a differenza di potenziale bilanciata come la RS-485. L’immunità ai disturbi EMC può essere ulteriormente aumentata utilizzando cavi a doppino intrecciato.

Sebbene inizialmente applicata in ambito automotive, come bus per autoveicoli, attualmente è usata in molte applicazioni industriali di tipo embedded, dove è richiesto un alto livello di immunità ai disturbi. Il bit rate può raggiungere 1 Mbit/s per reti lunghe meno di 40 m. Velocità inferiori consentono di raggiungere distanze maggiori (ad es. 125 kbit/s per 500 m). Il protocollo di comunicazione del CAN è standardizzato come ISO 11898-1 (2015).
*Fonte: Wikipedia

A cosa serve il segnale digitale CANopen?

Come indicazione generale, il CANopen fornisce diversi oggetti di comunicazione che rendono possibile implementare il comportamento di rete desiderato in uno strumento. Tramite questi oggetti di comunicazione, gli strumenti o i sensori sono in grado di comunicare dati di processo, visualizzare stati di errore interni al dispositivo o influenzare e controllare il comportamento della rete.

I segnali in uscita visti più da vicino

Ma cosa significa tutto questo e perché vale la pena di sostituire i collaudati segnali analogici con quelli digitali? Questo articolo esamina le seguenti cinque aree in un modo che sia il più generalmente comprensibile possibile: precisione, affidabilità, diagnostica, architettura del sistema e gestibilità del segnale di uscita digitale CANopen, che viene offerto come standard per i sensori WIKA.

1) Suscettibilità gli errori

Già nel 2015, un’analisi dettagliata delle differenze di precisione tra sensori analogici e CANopen da parte di due colleghi di WIKA ha dimostrato la maggiore suscettibilità agli errori dei sensori analogici. Ciò è dovuto al fatto che il segnale viene convertito tre volte: prima da analogico a digitale (AD), poi di nuovo da digitale ad analogico (DA), e infine digitalizzato di nuovo nel controllore. In genere, inoltre, il segnale viene anche linearizzato, il che porta a ulteriori errori.

Il punto più debole della tecnologia di misura analogica è il percorso che il segnale copre dal sensore fino allo strumento finale attraverso connettore di collegamento a spina. Un errore può essere rilevato solo quando il segnale esce dal suo campo tipico. Inoltre, il sensore non può essere identificato attraverso il segnale.

2) Affidabilità

Il vantaggio di un segnale digitale, in termini di affidabilità, è che i tipi di valori attesi sono definiti con precisione. Per la plausibilità del dato, i bit trasmessi possono essere controllati da campi fissi così come dalla lunghezza del messaggio. Se, per esempio, ci si aspetta un pacchetto con 16 cifre (per esempio 0101 0111 0100 1001), ma ne arrivano solo 14, è chiaro che qualcosa è andato storto durante la trasmissione. Questo riduce notevolmente la suscettibilità agli errori dovuti a influenze esterne. Anche un timeout durante la trasmissione dei dati indica un errore.

Inoltre, in un segnale digitale è solo importante riconoscere correttamente 0 e 1. Che il segnale sia 0 V o 0,5 V è irrilevante, perché viene comunque riconosciuto come 0. Questo significa che, per esempio, le fluttuazioni di temperatura, il rumore o le interferenze elettromagnetiche hanno meno possibilità di disturbare il segnale.

3) Diagnostica

Le “elettroniche per il salto del segnale” sono state sviluppate specificamente per alcuni sensori di forza. Esse possono essere utilizzate per controllare se i sensori corrispondenti restituiscono ancora il segnale di uscita analogico previsto. Tuttavia, tali circuiti specifici non sono la regola.
D’altra parte, un controllo dettagliato della struttura del sistema, ad esempio quale tipo di strumento è installato in quale posizione, così come una verifica dei sensori digitali, fa parte del processo di avvio standardizzato. Anche durante il funzionamento, un segnale digitale può essere verificato più volte (ad esempio tramite il protocollo heartbeat o i timeout). Questo non è possibile con i sensori analogici.

Per inciso, tramite un bus non solo è possibile inviare un segnale, ma anche qualsiasi altro tipo di informazione. Per esempio, all’interno di un sensore è possibile inviare diverse variabili misurate: forza e temperatura, pressione e livello o combinazioni completamente diverse.

4) Estensioni del sistema

Un grande vantaggio di un sistema digitale è la fusione dei segnali. E’ possibile combinare in un sistema di controllo fino a 127 canali. Se si inizia con un numero inferiore, una successiva espansione dell’architettura del sistema non è un problema. Inoltre, il cablaggio è semplice e i controllori diventano più economici poiché non sono necessari 127 canali analogici separati ad alta precisione.

5) Riutilizzabilità e facilità di manutenzione

I sensori analogici offrono vantaggi in termini di sostituzione e possibili regolazioni. Con segnali di uscita standardizzati è possibile sostituire o rinnovare gli strumenti senza modifiche al software applicativo, indipendentemente dal produttore. Questo semplifica i processi logistici e non si corre il rischio di influenzare il comportamento del sistema. In pratica, è stato dimostrato che per i sensori digitali non ci sono due produttori che offrono al 100% gli stessi oggetti.

D’altro canto, l’intero processo di scaling e taratura viene effettuato su ogni sensore digitale: se, per esempio, un sensore di pressione da 150 bar viene scambiato con uno da 250 bar, non ci sono problemi. Non è più necessario cambiare la parametrizzazione del controllo, in quanto i sensori sono solo tarati presso il produttore.

Conclusione su CANopen e i segnali analogici

Il motto “Mai cambiare una squadra vincente” si può applicare anche ai sensori di un sistema. Finché i sensori funzionano perfettamente con i segnali analogici tradizionali, non c’è certamente motivo di disturbare l’intero sistema. Ma quando si tratta di ampliamenti, riparazioni o rinnovamenti occorre assolutamente considerare tutti i vantaggi di un segnale di uscita digitale. Dopo tutto, chiedere non costa nulla.

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