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Les bus NMEA (183 et 2000)
Rappels
Protocole NMEA 183
Protocole NMEA 2000
Applications commerciales NMEA 2000
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5      LE PROTOCOLE NMEA2000

Le protocole NMEA183 a commencé à montrer ses limites avec la multiplication des instruments et l'augmentation de la fréquence d'émission des messages. Les GPS modernes, même peu onéreux, peuvent envoyer leurs informations dix fois par seconde.  L'accroissement des capteurs et actionneurs conduit à la multiplication des connections électriques, des répétiteurs et des multiplexeurs et éventuellement des photocoupleurs. Le câblage peut devenir complexe.

Le consortium NMEA a proposé à la fin des années 1990 un nouveau protocole NMEA2000 pour apporter une solution aux problèmes d'interconnexion en instrumentation marine. Ce nouveau protocole commence à se répandre depuis seulement quatre à cinq ans en raison d'un coût financier plus abordable.

Les concepteurs du protocole ont choisi le bus CAN pour couche de base.

5.1   LE BUS CAN : Controller Area Network

Ce système est lié à l'évolution des automobiles : pilotage des moteurs à partir de nombreux capteurs, systèmes ABS, etc. C'est la solution proposée par la société BOSCH et l'université de Karlsruhe qui a été normalisée par l'ISO sous la référence ISO11898 au début des années 1990.

Compte tenu des qualités de ce bus il a été adopté dans de nombreux domaines : instrumentation marine, camion, tracteur agricole, machine-outil à commande numérique, instrumentation médicale, équipement de bureautique comme les photocopieuses. Ce bus est qualifié de bus de terrain : système de connexion entre capteurs et actionneurs, simple, fiable, déterministe et temps réel.

 

C'est un bus série multiplexé (pour mémoire l'interface RS232 du protocole NMEA183 est une liaison série point à point).

Tous les nœuds ou nodes (capteurs et actionneurs) sont reliés au bus avec les mêmes droits d'accès qualifié de priorité égale. On utilise le terme multi-maîtres. La norme ISO11898 ne définit pas de support physique en particulier. Les plus courants sont des fils électriques, des fibres optiques, une liaison infrarouge ou hertzienne. Le protocole NMEA2000 a retenu une paire de fils électriques torsadée blindée. Une résistance de 120 Ohms doit être connectée à chacune des extrémités du bus afin de bloquer les réflexions électriques qui dégraderaient le niveau des signaux transmis. Les informations, bits, sont codées sous forme d'une différence de potentiel électrique entre les deux conducteurs. En cas de perturbations électromagnétiques, EMI, les deux conducteurs sont affectés mais la différence reste constante.

Les trois points, paires torsadées, blindage, signaux électriques différentiels contribuent à la résistance du bus aux perturbations électromagnétiques.

La longueur maximale du bus est déterminée par la vitesse utilisée :

Vitesse (kbits/s)	Longueur (mètres)
800	50
500	100
250	250
125	500
62,5	1000
30	1000
20	2500
10	5000

Le protocole NMEA2000 utilise une vitesse de 250kbits/s et une longueur de 250 mètres. Dans la suite nous verrons que certaines implémentations limitent cette longueur à 100 mètres.

 

5.1.1     Structure d'un message CAN

Le bus CAN est optimisé pour transmettre rapidement, et d'une manière fiable, des messages courts indiquant l'état de capteurs.  Ces messages assurent également l'arbitrage entre les divers nœuds. C'est un bus temps réel et déterministe car il garantit, en toutes circonstances, un délai maximum pour la transmission d'un message. Le schéma ci-dessus présente la structure des messages CAN. La partie arbitrage permet de réguler la priorité des messages afin de les transmettre en fonction de l'urgence ou priorité. La zone des données est limitée à un maximum de huit octets. Enfin le champ CRC permet de détecter des erreurs lors de la transmission des messages. Il faut noter que les concepteurs du bus ont apporté un grand soin à la gestion des erreurs puisque le bus est prévu pour des environnements hostiles. Le protocole NMEA2000 utilise un champ d'arbitrage sur 29 bits, sachant qu'il existe aussi une norme où le codage est sur 11 bits.

Le bus est autoconfigurable, c'est-à-dire que les nœuds sont capables de s'identifier et de reconnaître les autres nœuds automatiquement.

Les nœuds peuvent être connectés à chaud. Il n'est pas nécessaire d'interrompre le fonctionnement du bus en arrêtant l'alimentation électrique pour ajouter un nœud.

Par contre ce bus n'est pas adapté à la transmission de volumes de données importants. Pour des équipements comme les radars les constructeurs ont souvent recours au bus ETHERNET.

5.2   PROCOLES SAE1939 ET NMEA2000

Ces deux protocoles sont traités en même temps car la couche SAE1939 est pratiquement invisible.

5.2.1     Les « Paramaters Group Number »

Parmi les nombreux points de ces protocoles nous n'aborderons que les Parameters Group Number (PGNs) équivalents, par certains côtés, des messages NMEA183. Le principe des PGNs est défini dans le standard SAE1939 mais la façon de les exploiter relève du standard NMEA2000. Ces PGN sont identifiés par un numéro.

L'identificateur est codé dans le champ arbitrage du message CAN pour assurer une hiérarchie, donc une priorité, pour l'acheminement des PGNs. Il permet également de caractériser la nature des données contenues dans le champ données du message CAN. Par contre, les données sont en format binaire. La transmission est beaucoup efficace que dans le cas du protocole NMEA183, mais elles ne peuvent être lues simplement. Par exemple pour la position latitude et longitude :

·         En NMEA2000, lePGN 129025 se compose de 8 octets

·         En NMEA183, le message $GPRMC équivalent contient 23 octets

La liste des  PGN, définie par la NMEA, est accessible par le lien suivant :

http://www.nmea.org/Assets/july%202010%20nmea2000_v1-301_app_b_pgn_field_list.pdf

Extrait de ce document décrivant le PGN 129025 :

·         129025 Position, Rapid Update :Field # Field Description

This PGN provides latitude and longitude referenced to WGS84. Being defined as single frame message, as opposed to other PGNs that include latitude and longitude and are defined as fast or multi-packet, this PGN lends itself to being transmitted more frequently without using up excessive bandwidth on the bus for the benefit of receiving equipment that may require rapid position updates.

Par contre, l’accès à la structure du champ données est payante. Voici un exemple pour le message PGN 129025 :                                                 

·         Latitude : 4octets (entier sur 32bits) gamme : +/- 90 deg ; Résolution 10^-7deg

·         Longitude : 4 octets (entier sur 32bits) gamme : +/- 180 deg ; Résolution 10^-7 deg

5.2.2     Aspects matériel

Le protocole NMEA2000 précise également les conditions d'alimentation électrique des nœuds : 12 Volts avec une charge maximum de 8 Ampères, trois Ampères dans certains cas. Le protocole défini une LoadEquivalencyNumber (LEN) égal à 50mA. Ainsi la notice d'un équipement peut faire état d'une charge de trois LEN soit une consommation de 150 mA au maximum.

 

5.2.3     Exemple de PGN NMEA2000                                                       

Enregistrements réalisés à l'aide d'un PC connecté au bus CAN :

La colonne de gauche correspond au champ arbitrage du message CAN exprimé en hexadécimal. La colonne de droite est l'identificateur du PGN.

Interprétation des PGN à partir du site : 

http://www.nmea.org/content/nmea_standards/messages_pgns.asp

·         127250 - Vessel Heading

·         127251 - Rate of Turn

·         127258 - Magnetic Variation

·         129025 - Position, Rapid Update

·         129026 - COG & SOG, Rapid Update

·         129029 - GNSS Position Data

·         129038 - AIS Class A Position Report

·         129539 – GNSS DOPs

·         129540 - GNSS Sats in View

·         130306 - Wind Data

·         130816 : Message propriétaire

5.3   RESUME DES POINTS IMPORTANTS

C'est un bus en ligne avec des connecteurs en T pour relier les nœuds par des câbles de descente.

Il faut veiller à ne pas créer de boucles, ou d'embranchement, pour respecter la topographie du bus en ligne. Théoriquement la longueur maximum du bus est de 250 mètres, mais dans nos installations, en raison de la taille des câbles, il ne faut pas dépasser 100 mètres. La longueur du câble de descente est limitée à 6 mètres et la somme de toutes les descentes doit rester inférieure à 78 mètres.

Il faut impérativement installer une résistance de terminaison de 120 Ohms à chaque extrémité du bus.

La charge électrique est au maximum de trois Ampères. Ainsi la consommation électrique de chaque équipement doit être connue éventuellement par sa LEN (50mA). Il faut évidemment un fusible de protection adapté surtout si le bus est alimenté par une batterie. Les nœuds à forte consommation électrique, comme les pilotes automatiques, doivent avoir une alimentation électrique propre.

Voici un exemple présenté par la société Garmin :

Remarque

Pour un voilier, la hauteur d'un mat est le plus souvent supérieure à six mètres. Si un capteur girouette anémomètre est relié au bus CAN il faut prévoir de terminer le bus au niveau ce capteur. Souvent ces équipements sont prévus avec la résistance terminale de 120 Ohms intégrée.