Diseño, implementación y evaluación cuantitativa del rendimiento de un prototipo mejorado de una nueva red de comunicaciones para sistemas de control distribuidos llamada Highly Discriminating Monitoring Star for CAN (HDMS-CAN)

Author Daniel Bujosa
Supervisor/s Manuel Alejandro Barranco González
In Universitat de les Illes Balears, Palma de Mallorca, 2017.


Los buses de campo son una familia de protocolos diseñados para soportar las comunicaciones en sistemas de control distribuido, principalmente en el ámbito industrial. Uno de los buses de campo más utilizados hoy en día es el Controller Area Network (CAN); debido principalmente a que proporciona robustez y comunicación con ciertas garantías de tiempo real a muy bajo coste.

Sin embargo, al igual que otros buses de campo, CAN presenta una serie de limitaciones causadas por su topología de bus. Es decir, presenta limitaciones que se deben a que todos los nodos (sensores, actuadores, controladores, etc.) comparten una única línea física de comunicación para transmitir y recibir. Por ejemplo, un fallo en el bus puede dejarlo inservible de tal forma que ningún nodo se pueda comunicar. Ésta y otras limitaciones han hecho que los protocolos basados en una topología de bus no se consideren aptos para sistemas de control distribuido críticos; ya que dichos sistemas deben presentar una fiabilidad muy elevada.

En el caso particular de CAN, además, la forma en que los nodos utilizan el bus para transmitir y recibir presenta inconvenientes adicionales. Concretamente, cuando más de un nodo transmite en el bus simultáneamente, las contribuciones de éstos se acoplan irreversiblemente en el medio; lo cuál provoca que sea imposible discriminar cuál es la contribución individual (qué es lo que transmite) cada uno de ellos. Esta característica dificulta, limita o imposibilita la implementación de dispositivos, mecanismos, herramientas o redes que necesiten discernir esas contribuciones. Por ejemplo, dificulta o imposibilita la implementación de mecanismos para detectar y contener errores en la transmisión de los nodos y así evitar que dichos errores se propaguen; para realizar logs y diagnósticos basados en conocer con precisión qué es lo que transmite cada nodo en escenarios concretos de comunicación; etc.

A fin de solventar estos problemas en CAN, algunos investigadores del grupo en donde se ha realizado este TFG han inventado y patentado recientemente una topología en estrella denominada Highly DiscriminatingMonitoring Star for CAN (HDMS-CAN). En esta topología cada nodo CAN se conecta, de forma transparente para el nodo, a un concentrador (hub) activo que permite discriminar con una alta precisión temporal la contribución de cada nodo.

Estos investigadores implementaron un primer prototipo que permitió demostrar la viabilidad de HDMS-CAN como concepto. Sin embargo, no se realizó una depuración exhaustiva para hallar fallos ni en el diseño de HDMS-CAN, ni en la implementación de dicho prototipo. Además, tampoco se caracterizaron diferentes aspectos relacionados con la configuración de los mecanismos internos del hub, con las restricciones topológicas, y con el rendimiento (radio, velocidad de transmisión y consumo eléctrico) de HDMS-CAN.

El objetivo de este TFG es depurar los posibles fallos presentes en el diseño original de HDMS-CAN; implementar un nuevo prototipo de HDMS-CAN libre de fallos; así como caracterizar, desde el punto de vista teórico y práctico, los aspectos que se acaban de mencionar sobre la configuración de losmecanismos internos del hub, las restricciones topológicas, y el rendimiento. La consecución de este objetivo es relevante para evaluar la posibilidad de explotación y/o comercialización de la patente de HDMS-CAN.

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