GPS: Bus Can & NMEA 2000

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Dernière modification effectuée le 01/04/2023 à 09:12

source originale: Christian Couderc, voilelec.com

Bus automobile CAN

Standard NMEA 2000

Introduction

Cette page va évoquer deux bus majeurs. Le premier est le bus CAN, bus industriel adopté par toute l'industrie automobile et qui va s'imposer sur tous les nouveaux véhicules en plusieurs exemplaires. Il a toutes les qualités de robustesse et de conception. Toutes les applications à microcontrôleurs récentes l'incorporent.
Le deuxième est le nouveau bus (plus exactement protocole) marine universel NMEA 2000 qui a eu l'intelligence de s'appuyer sur le précédent. Il s'imposera aussi par ces qualités. Le NMEA 2000 est simplement une extension logicielle du CAN.
Cette page couvre les parties "électronique" et "voile", ce qui explique le changement du séparateur.

Le bus CAN

Cette petite page ne va pas développer en profondeur le bus CAN (Controler Area Network) car ce sujet est bien trop vaste, mais simplement jeter quelques bases pour les débutants et donner envie d'approfondir.
Les sources d'informations sur ce bus majeur sont riches, il sera très facile de les trouver par les liens.

Le CAN en quelques mots

Le CAN a été lancé en 1990 pour répondre aux besoins de l'industrie automobile devant la montée de l'électronique embarquée. En 2005 une voiture moyenne comportera une centaine de microcontrôleurs. Pour éviter les 2 km de câblage d'une grosse voiture actuelle, soit 100 kg de cuivre, il fallait définir un bus série simplifiant énormément l'intégration des fils dans le châssis.

En pratique, il y a trois bus CAN différents dans une voiture, à des débits différents :

° Un bus très rapide pour gérer la sécurité (freinage, ABS, détection chocs, airbags...).

° Un bus lent pour gérer tous les accessoires (lampes, moteurs d' asservissements, boutons...).

L'énorme avantage est que la puissance de l'industrie automobile a permis de définir un excellent bus. Le défaut est que chaque constructeur voulant imposer sa version, la normalisation a été laborieuse. A ce jour le protocole se stabilise et se répand dans toute l'industrie. Iil existe sous deux versions, 2.0A, trame standard identificateur de 11 bits et 2.0B avec 29 bits.
Les Can Low Speed et High Speed décrits respectivement dans les documents ISO 11519-1 (et 2) et ISO 11898.

Les composants CAN, périphériques et contrôleurs intégrant le protocole deviennent très nombreux à des prix bas. Dans les projets, le bus CAN 2.0B sera toujours utilisé.

La sécurisation du CAN

Pour relier les composants, le réseau CAN est vraiment le produit industriel idéal actuellement et pour les dix ans à venir, mais l'USB 2 sera le leader des liaisons entre périphériques PC. La différence vient de la sécurisation du bus et de l'immunisation aux parasites.
Sur du CAN le blindage contre les agressions d'un environnement hostile est maximum, pour ne pas planter l'ensemble des périphériques en cas de défaillance d'une zone.
Un seul câble à 4 fils, commun comportant la paire des données et la paire des alimentations relie tous les multiples matériels point à point en constituant une boucle pour le bus accessoires.
En cas d'accident supposons par exemple qu'un feu arrière soit écrasé. Un fil ou les deux du bus données peut être alors coupé, ou en court circuit ou en contact avec la masse ou le positif. Il faut tolérer cette anomalie majeure qui ne doit pas planter le reste de la voiture, tous les autres équipements doivent continuer à fonctionner sans problème. Des dispositifs de délestage et de rebouclage prennent ces incidents en compte.
Il est évident q'un bus USB ou Ethernet ne prend absolument pas ces anomalies en compte, il ne peut donc être comparé.

Résumé du CAN

Pour résumer très brièvement les caractéristiques majeures :
Paire torsadée, signal différentiel à fronts cassés, très faible rayonnement et insensibilité aux parasites.
Choix du débit suivant l'application et la distance, 5 kbps, 125 kbps et 1 Mbps et toute valeur intermédiaire à la demande. Pour les applications à bord d'un véhicule même sur équipé, ce bus répond largement à toutes les exigences.
L'exploitation du CAN est extrêmement facilitée par des boites à outils logicielles qui évitent de travailler au niveau du bit bas niveau. Divers contrôleurs intègrent une gestion CAN en dur, ce qui facilite encore le développement, le bus devient transparent pour le programme. Le NMEA 2000, traité chapitre suivant, est basé sur un bus CAN.
Je ne rentrerai pas plus en détail dans ce bus complexe, je décrirai ultérieurement diverses applications de périphériques dans les projets.

Informations sur le bus CAN

L'implantation sur une carte est relativement simple, en utilisant les bibliothèques de fonctions pour gérer une patte de port en entrée, l'autre en sortie, l'interface CAN adaptant les niveaux vers la paire différentielle. Une fois la couche bas niveau implantée, cela est ensuite totalement transparent pour le logiciel.

Le standard NMEA 2000

Le NMEA 2000 qui est un protocole plutôt qu'un standard ce n'est pas un bus. Il comble toutes les limitations de la norme NMEA 183 qui est vraiment à bout de souffle. La couche physique est tout simplement l'excellent bus CAN, avec tous les avantages cités au-dessus, adapté aux échanges des équipements nautiques. Il bénéficie du travail énorme fait pour l'industrie automobile et des composants déjà largement diffusés à bas prix.

Nous adopterons toutefois sans complexe la terminologie "bus NMEA 2000", cela englobant aussi le support physique, il n'est pas utile de faire ressortir ces détails subtils pour l'utilisateur.

En NMEA 183 le débit était de 4800 bauds, en CAN il est question de Méga baud, soit un facteur d'accélération de 200 à la vitesse maximale. En marine, il n'est pas utile d'exploiter la vitesse maximale.

Ce bus a de multiples autres avantages. Des champs d'identification et de données étant prévus dans le protocole CAN part B, l'adaptation à la marine n'a été qu'un problème de définitions de formats d'adresses et de données, le transport et toutes les couches matérielles et logicielles étant déjà parfaitement gérés.
Il est P&P, Plug & Play signifiant que les périphériques peuvent être branchés ou débranchés au vol en étant identifiés par le système.
Il accepte 50 périphériques comportant chacun 254 adresses ce qui est énorme.
Il utilise la paire différentielle CAN, choisie pour son insensibilité aux parasites, permettant de longs câblages en milieux perturbés.

Il est maintenant impératif de n'investir que dans de nouveaux matériels compatibles 2000 pour préserver l'avenir, quitte à rajouter un pont pour rétablir la communication avec les vieux matériels en 183.
Les matériels incompatibles NMEA 2000 doivent être oubliés maintenant.
Je consacrerai ultérieurement des pages sur des applications à microcontrôleurs qui exploiteront une petite partie des possibilités considérables de ce bus.

Cela ne peut pas être plus simple, il y a deux paires, une pour les données, une pour l'alimentation. Chaque appareil se relie en guirlande au plus proche par une bretelle à 4 fils, dans un ordre quelconque et c'est fini pour vous. Les prises évitent de se tromper dans le sens. Le logiciel fait tout le travail et un nouvel appareil est immédiatement vu et exploité par tous les autres.

La liaison assure aussi l'alimentation, mais évidemment pour les consommateurs importants comme le moteur et l'embrayage du pilote automatique, ou pire, guindeau et propulseur d'étrave, une ligne de puissance classique sera indispensable. La ligne d'alimentation CAN en fil fin ne peut pas véhiculer de la très grosse puissance.

Les instruments basiques vont se retrouver en guirlande comme avec le vieux 183.

° Le traceur GPS et à l’avenir plusieurs GPS, car la position décalée des antennes et l’augmentation de la précision donnera un bon vecteur vitesse temps réel.
Pour le moment, le calcul de la direction ne peut être fait que d’après la position dans le passé, c’est impossible par le GPSsi le bateau ne se déplace pas, mais il y a toujours le fluxgate et pour les gros bateaux, le gyrocompas. Le radar a besoin de toutes ces informations car les modèles récents ont un affichage multiple, toutes les sources pouvant être incrustées.
Dans le cas d’un radar avec un deuxième affichage déporté, un câble spécifique sera nécessaire, il ne serait pas astucieux de faire passer le flux vidéo par le bus bien que ce soit possible, mais ce serait le charger inutilement.

° Le guindeau qui sera commandé aussi du cockpit et de la télécommande radio avec l’affichage de la longueur de chaîne.

° Le moteur diesel, et c’est une vraie nouveauté ! Les constructeurs proposent un boîtier qui sera relié au bus (voir liens. Il devient alors possible de rajouter une quantité de fonctions. Sur un instrument moteur unique, tout peut être affiché. Par défaut, ce sera évidement le compte-tours, ce qui est suffisant si tout va bien. Il est possible d’afficher sur demande tous les paramètres subtils pour les curieux et prévenir les pannes. Je ne donnerai que quelques exemples, il y en a d’autres :
Consommation gazole, moyenne, instantanée. Pressions et températures en tous les points du moteur, sur l’huile, l’eau (douce et salée), l’échappement, l’injection… Il y aura de quoi jouer au clavier pendant les longues heures au moteur dans la calmasse.
Évidemment, toutes les commandes peuvent être motorisées, dont l’inverseur, et tout peut être commandé au joystick ou avec un boîtier portable.
Cela est extrêmement pratique sur les gros bateaux à moteur et catamarans, car le skipper peut se déplacer pour mieux voir en particulier lors des accostages délicats, et la commande des deux moteurs et des propulseurs annexes peut être groupée permettant au bateau de tourner sur place ou de se déplacer vectoriellement dans une direction quelconque ou rester en position fixe avec vent et courant, grâce au GPS couplé à l’ordinateur de pilotage.

° Les accessoires : Tout le tableau électrique peut-être renvoyé sur un instrument multifonctions, permettant à la table à carte et au cockpit de tout commander comme les feux de navigation et de voir tous les courants des consommateurs et des éléments de charge, les énergies des batteries…

Implantation CAN et NMEA 2000

L'implantation physique qui est très simple, il suffit de câbler un composant d'interface ou le bon microcontrôleur et relier les quatre fils (en incluant les alimentations). Ces produits adaptés au marché automobile sont courants et très économiques. Mais la situation se complique beaucoup quand il faut passer à la couche logicielle.

L'implantation logicielle

Autant l'exploitation du NMEA 183, constitué de messages texte en série et très lents était enfantine, autant l'implantation d'un noyau CAN/NMEA 2000 sera complexe. Les possibilités étonnantes de ce bus obligent à gérer des quantités de registres aux paramètres subtils pour implanter des protocoles puissants et complexes. Un développement sur ce bus est hors de portée du débutant mais se révèle passionnant pour les familiers des microcontrôleurs. Des bibliothèques et boîtes à outils de composants logiciels permettent de simplifier le développement.

Conclusion

Pour l'utilisateur lambda, il est inutile de rentrer dans les considérations pointues sur ces bus complexes, cette page donnera un vernis suffisant pour avoir la culture générale nécessaire et comprendre les principes de bases. Il suffit d'avoir une vue générale, comprendre le pourquoi des deux paires et savoir que le choix se son NMEA 2000 pour le bateau ou du CAN pour la voiture a été le meilleur possible.

Les constructeurs réagissent très lentement, l’implantation du NMEA 2000 est très laborieuse, mais c’est la voie incontournable pour l’équipement des bateaux modernes.
Il ne faudra donc plus investir dans du matériel électronique incompatible qui serait vite frappé d’obsolescence.

La douloureuse transition

Ce chapitre est commun aux pages NMEA 2000 et NMEA 183.
Le problème est que nous sommes dans une phase pénible de transition, en l’an 2002 le NMEA 183 est terminé mais la relève n’est pas encore assurée par le NMEA 2000, les constructeurs jouant sur la frilosité des clients. La situation s’améliorera peu a peu, mais, en attendant, il est donc très difficile aujourd’hui de choisir un matériel qui sera valable demain.

Il existe un problème spécifique pour les GPS. Tous les anciens modèles étaient compatibles NMEA 138 et RS 232, le passage de l’un à l’autre étant simple par logiciel car les deux sont très proches. Ils pouvaient donc être exploités sur un bus NMEA 183, et sur un PC portable sans problème.
Aujourd’hui, ces deux standards ont disparu. Les fabricants sont dans une situation difficile. Il faut impérativement une prise USB 1 pour les portables et les palms, mais cela est rigoureusement incompatible avec le bus NMEA 2000 ! Implanter les deux sorties coûte cher. Les modèles vendus en 2002 sont donc totalement bâtards et provisoires.
Il n’existe pas encore de pont USB <>NMEA 2000. Ce problème sera résolu sur la prochaine génération de GPS, le constructeur proposera alors un câble de transition USB et un autre NMEA 2000, en gérant les deux standards.

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