Валюта магазина рубли у.е.

Поиск

CAN шина. Часть 1.

1. Локальная сеть контроллеров (CAN)

Области применения.

Электронные распределители, Автомобили, Морские суда, Гидравлическое оборудование, Текстильная Промышленность, Перерабатывающая промышленность, Медицинское оборудование, Железная дорога, Строительная автоматизация, Авиационная радиоэлектроника, Бытовые приборы, Вооруженные силы, Обработка материалов, Сельское хозяйство, Телекоммуникация, Грузовики, Строительные Машины и Транспортные средства, Индустриальная автоматизация.

Общие сведения

Локальная сеть контроллеров CAN это стандарт серийной шины, разработанный в 80-х годах Robert Bosch GmbH, для соединения электронных блоков управления. CAN был специально разработан для устойчивой работы в насыщенной помехами окружающей среде с применением разносторонне сбалансированной линии, такой как RS-485. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары. Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в разнообразных системах управления, в т.ч. индустриальных, работающих в насыщенной помехами окружающей среде.
Скорость обмена данными до 1Mbit/s возможна в сетях протяженностью не более 40м. Снижение скорости обмена позволяет увеличить протяженность сети, например - 250 Kbit/s при 250м.
CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11898-1 (2003). Этот стандарт главным образом описывает слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля доступа (MAC), и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на усмотрение разработчика сети.

CAN сети и их разновидности

Существуют различные CAN сети. Например, в автомобилях CAN сети разделены на две категории, основанные на принципе передачи данных по сети.
Сети контроля систем комфорта и удобств, с большим количеством идентификаторов информации, которые передаются без соблюдения определенного порядка или частоты.
И сети контроля силовой установки, управляют информацией относящейся к двигателю и трансмиссии. Содержат меньшее количество информации, но информация передается организованно и быстро.

Общая характеристика

Интегрированная серийная коммуникационная шина для приложений работающих в режиме реального времени.
. Сеть работоспособна при скорости обмена данными до 1Mbit/s.
. Обладает превосходными возможностями обнаружения и проверки ошибок и неисправностей.
. Изначально CAN шина разработана для применения в автомобилях
. Используется в различных автоматических системах и системах управления.
. Международный стандарт: ISO 11898

Определение CAN

CAN - система на серийной шине приспособленная для организации сети интеллектуальных устройств, так же как датчиков и исполнительных устройств в системе или подсистеме.

Свойства CAN

CAN система на серийной шине с мультифункциональными возможностями, все CAN узлы способны передавать данные и некоторые CAN узлы могут запрашивать шину одновременно. Передатчик передает сообщение всем CAN узлам. Каждый узел, на основании полученного идентификатора, определяет, следует ли ему обрабатывать сообщение или нет. Идентификатор так же определяет приоритет, который имеет сообщение при доступе к шине. Простота определяет стоимость оборудования и затраты на обучение персонала. CAN микросхемы могут быть относительно просто запрограммированы. Вводные курсы, функциональные библиотеки, наборы для начинающих, различные интерфейсы, I/O модули и инструменты в широком разнообразии представлены в открытой продаже по доступным ценам. С 1989 года CAN микросхемы могут быть свободно и просто соединены с микроконтроллерами. В настоящее время в наличии около 50 CAN микросхем для микроконтроллеров более чем 15 производителей.
CAN применяется в большинстве Европейских легковых автомобилях, а так же решение производителей грузовиков и внедорожников в дальнейшем применять CAN, определили развитие более чем на 10 лет. В других областях применения, таких как, бытовая сфера и индустриальный сектор наблюдается рост продаж CAN оборудования, и будет продолжаться в будущем. К весне 1997 года уже насчитывалось более чем 50 миллионов установленных CAN узлов. Одна из выдающихся особенностей CAN протокола высокая надежность обмена данными. CAN контроллер регистрирует ошибки и обрабатывает их статистически для проведения соответствующих измерений, CAN узел, являющийся источником неисправности, в результате будет отстранен от соединения.
Каждое CAN сообщение может содержать от 0 до 8 бит пользовательской информации. Конечно, возможна передача более продолжительных данных с применением фрагментации. Максимальная специфицированная скорость обмена 1 Mbit/s. Это возможно при протяженности сети не более 40м. Для более длинной коммуникации скорость обмена должна быть снижена. Для дистанции до 500 м скорость 125Kbit/s, и для передачи более чем на 1 км допускается скорость 50 Kbit/s.

CAN приложения

CAN сети могут быть использованы как внедренные коммуникационные системы для микроконтроллеров так же как и открытые коммуникационные системы для интеллектуальных устройств. CAN система серийной шины, разработанная для применения в автомобилях, будет широко применяться в промышленных коммуникационных системах и во многом они будут сходны. В обоих случаях основными требованиями являются: низкая стоимость, способность функционировать в сложных условиях, продолжительная работоспособность и простота применения.
Некоторые пользователи, например, в области медицинской инженерии, предпочитают CAN потому, что необходимо соблюдать жесткие требования по безопасности. Подобные условия с повышенными требованиями по надежности и безопасности предъявляются и некоторым другим устройствам и оборудованию (т.е. роботы, подъемные и транспортные системы).

Лицензия CAN

CAN протокол разработан Robert Bosch GmbH и защищен патентами.

Основные стандарты CAN

Далее перечислены некоторые международные CAN стандарты
. CAN стандарты:
o ISO 11898-1 - CAN протокол
o ISO 11898-2 - CAN высокоскоростная физическая структура
o ISO 11898-3 - CAN низкоскоростная физическая структура совместимая с ошибками
o ISO 11898-4 - CAN запуск
o ISO 11898-5 - Высокоскоростное низковольтное устройство (в разработке).
o ISO 11519-2 - заменен на 11898-3.
. ISO 14230 - "Keyword Protocol 2000" - диагностический протокол использующий серийную линию, не CAN
. ISO 15765 - Диагностический протокол по CAN bus - Keyword 2000 на CAN bus.
. J1939 - Основной CAN протокол для грузовиков и автобусов определенный SAE
. ISO 11783 - J1939 и дополнение для сельхоз машин
. ISO 11992 - определяет интерфейс тягачей и прицепов
. NMEA 2000 - Протокол основанный на J1939 для судов, определен NMEA.

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко распространены, и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных машинах и автомобилях

Преимущества CAN:

- Доступность для потребителя.
CAN протокол успешно применяется на протяжении более 15 лет, с 1986 года. Существует богатый выбор CAN продуктов и устройств в открытой продаже.

- Реализация протокола на аппаратном уровне
Протокол базируется на аппаратном уровне. Это дает возможность комбинировать способность распознавать и контролировать ошибки со способностью высокоскоростной передачи данных.

- Примитивная линия передачи
Линия передачи данных, в большинстве случаев, витая пара. Но связь по CAN протоколу так же может осуществляться по одному проводу. В различных случаях возможно применение наиболее подходящих каналов связи, оптического или радио канала.

- Превосходная способность обнаружения ошибок и сбоев и локализация неисправностей.
Способность обнаруживать ошибки и сбои является существенным преимуществом CAN протокола. Механизм определения ошибок построен на экстенсивном принципе, так же надежна и хорошо разработана система проверки и подтверждения ошибок и сбоев.
Система определения неисправностей и повторная передача данных выполняется автоматически на аппаратном уровне.

- Система обнаружения и проверки неисправностей
Неисправный источник в системе способен дезорганизовать всю систему, т.е. занять все каналы связи. CAN протокол имеет встроенную возможность которая предохраняет систему от источника неисправности. Источник ошибки отстраняется от приема и передачи данных по CAN шине.

2. CAN шина

Введение

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко распространены и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных машинах и автомобилях.
CAN стандарт описывает параметры сигнала на физическом уровне и порядок передачи данных который определен двумя различными типами сообщений, правила арбитража доступа шины и метод определения и проверки неисправности.

CAN протокол

CAN определен стандартом ISO 11898-1 и включает следующие основные сведения.
. На физическом уровне, сигнал передается, используя витую пару.
. Для контроля к доступу шины применяются правила арбитража.
. Блоки данных небольшие по размеру (в большинстве случаев 8 байт) и защищены чексуммой.
. Блоки данных не имеют адресации, вместо того каждый блок содержит числовое значение, которое определяет приоритет передачи по шине, так же может нести идентификатор содержания блока данных.
. сложная схема обработки ошибок, которая приводит к повторной передаче данных, которые должным образом не получены.
. Эффективные действия по изоляции неисправностей и отключение источника неисправности от шины.

Протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства определяются HLP(Higher layer protocol) или Протокол Высшего Порядка. Условия HLP получены и состоят из семи порядков OSI модели.

Назначение HLP
. Стандартизация процедур запуска и установка скорости передачи
. Распределение адресации устройств и разновидности сообщений.
. Определение порядка сообщений
. обеспечивает механизм определения неисправностей системного уровня

CAN продукты

Существуют два вида продуктов CAN , CAN микросхемы и средства обеспечения и развития CAN.
На высшем уровне две другие разновидности продуктов, CAN модули и CAN средства разработки. Широкое разнообразие подобных продуктов доступно в открытой продаже.

Патенты в области CAN

Патенты в отношении CAN приложений могут быть различных видов и направлений. Далее несколько видов:
. Синхронизация и реализация частоты передачи
. Передача больших блоков данных (CAN протокол использует фреймы длинной не более 8 бит)
Системы контроля распределения
CAN протокол продуктивная база для создания систем контроля распределения. Метод арбитража обеспечивает возможность каждого CAN устройства взаимодействовать с сообщениями относительно этого устройства.
Система контроля распределения может быть заявлена как система, в которой возможности процессора распределены среди устройств системы, или же наоборот, как система с центральным процессором и локальными I/O устройствами.
При разработке CAN сети могут быть применены различные совместимые аппаратные устройства, обладающие необходимыми свойствами и удовлетворяющие заданным или расчетным параметрам сети такие как, частота процессора, скорость передачи данных и т.д.

Действующие протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства определяются HLP, higher layer protocol (Протоколами Высшего Порядка). Условия HLP получены и состоят из семи порядков

OSI модели (Open Systems Interconnect Model)
CanKingdom
CANopen/CAL
DeviceNet
J1939
OSEK
SDS
HLP обычно определяет
. Параметры запуска
. Распределение идентификатора сообщения среди различных устройств в системе
. Интерпретация содержимого блоков данных
. Статус взаимодействия в системе

Характеристика SDS, DeviceNet and CAN Kingdom.

И различия между CAN Kingdom and CANopen. В настоящее время насчитывается более 50 HLP. Применение HLP обязательно, в противном случае придется изобрести свой, собственный HLP.

CAnKingdom

CanKingdom поддерживается организацией CanKingdom International полная спецификация доступна на сайте организации.
CanKingdom обычно упоминается как CAN (Controller Area Network) протокол высшего порядка. В реальности наиболее упорядоченный протокол. Модули в системе соединены сетью, в которой один из модулей является главным (King). Например: для организации plug & play системы, главный модуль определяет какое устройство и при каких обстоятельствах может быть добавлено, разрешено добавление только специфицированных устройств. CanKingdom обеспечивает простую уникальную идентификацию устройств в системе, для этого используется стандарт идентификации EAN/UPC, индивидуальный идентификатор устройства определяется серийным номером устройства.
CanKingdom предоставляет разработчику все потенциальные возможности CAN.
Дизайнер не ограничен мультимастер протоколом CSMA/AMP и может создавать виртуальные системы управления шинами всевозможных разновидностей и топологии. Предоставляет возможность создания общих модулей без учета обстоятельств таких как, зависимость от HLP и свойств системы. Дизайнер может определить использование только специфических модулей, совмещая тем самым ценности открытой системы с преимуществами системы с ограниченным и безопасным доступом.

Потому как идентификатор в CAN сообщениях не только идентифицирует сообщение, но так же управляет доступом к шине, ключевое значение имеет нумерация сообщений. Другой важный фактор - это идентичность структуры данных в поле данных, как в передающем, так и принимающем модулях. Введением небольших, простых правил, указанные факторы полностью контролируемы и коммуникации оптимизированы для любой системы. Это выполняется во время короткой фазы установки при инициализации системы. Так же возможно включение устройств, не следующих CanKingdom правилам, в CanKingdom систему.
CanKingdom сопровождается соответствующей документацией по модулям и системам.

CAL and CANopen

CAL сокращенно от "CAN Application Layer" Порядок или слой CAN приложений, протокол поддерживается CiA. CAL разделен на несколько составных частей:
. CMS (CAN-based Message Specification) определяет протоколы передачи данных между CAN устройствами
. NMT (Network Management Service) определяет протоколы запуска и выключения, определения неисправностей, и т.д.
. DBT (Distributor Service) определяет протокол распределения идентификаторов различных устройств в системе
- CAL протокол отличный от OSI модели (Open Systems Interconnect (OSI) Model)
- CANopen является подразделом CAL, и скомпонован как набор профилей, которые не завершены окончательно.
- CAL/CANopen один из HLP действующих протоколов, поддерживаемых CiA.
- CAL и CANopen спецификации в полном объеме доступны и поддеживаются CiA

DeviceNet

Протокол развивается “Rockwell Automation nowadays”, определен организацией ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). DeviceNet один из четырех протоколов, которые поддерживает CiA.

SAE J1939

J 1939 высокоскоростная сетевая коммуникация класса С разработанная для поддержки функций управления в режиме реальногго времени между контроллерами, которые физически расположены в различных местах автомобиля.
Jl708/Jl587 предыдущий, широко распространенный тип сети класса B с возможность обмена простой информацией, включая диагностические данные, между контроллерами. J1939 обладает всеми свойствами J1708/J1587.
J1939 использует CAN протокол с позволяет любому устройству передавать сообщение по сети в момент когда шина не загружена. Каждое сообщение включат в себя идентификатор, который определяет приоритет сообщения, информацию об отправителе данных, об информации, заключенной в сообщении. Конфликты избегаются благодаря механизму арбитража, который активизируется с передачей идентификатора (используется безопасная схема арбитража). Это позволяет сообщениям с наивысшим приоритетом передаваться с наименьшими задержками, по причине равного доступа к шине любым из устройств сети.
J1939 организован из нескольких частей основанных на (Open Systems Interconnect (OSI) Model). OSI модель определяет семь коммуникационных порядков (слоев), каждый представляет различные функции. В то время как есть документ J1939, ассигнованный каждому слою, не все они явно определены в пределах J1939. Другие слои выполняют вторичные функции, описанные в другом месте. Физический Слой описывает электрический интерфейс коммуникаций (витая экранированная пара проводов, который может также быть упомянут как шина). Слой Канала связи описывает протокол или управляет структурой сообщения, получая доступ к шине, и обнаруживая ошибки передачи. Слой приложения определяет специфические данные, содержащиеся в каждом сообщении, посылаемом по сети.
Полный комплект спецификации можно приобрести в SAE, ниже приведен перечень документов
J1939 дополняется следующими документами:
J1939 Практические рекомендации по Контролю серийной передачи и коммуникационная сеть транспортного средства
J1939/11 Физический порядок (слой) - 250k bits/s, экранированная витая пара
J1939/13 Диагностические разъемы
J1939/21 Данные слоя связи
J1939/31 Слой сети
J1939/71 Слой приложений
J1939/73 Диагностика
J1939/81 Управление сетью

OSEK/VDX

OSEK/VDX является совместным проектом в автомобильной индустрии. Создан как промышленный стандарт открытой оконечной архитектуры для распределенных контроллеров транспортных средств. Операционная система в режиме реального времени, интерфейсы программных средств и задачи управления сетью специфицированы совместно. OSEK" (Open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics.) Открытые системы и информационные интерфейсы для автомобильной электроники. VDX “Whicule Distributed eXecutive" Распределенные исполнители транспортного средства.
Компании совместно участвующие в разработке: Opel, BMW, DaimlerChrysler, IIIT - University of Karlsruhe, PSA, Renault, Bosch, Siemens, Volkswagen.
Официальный сайт: www.osek-vdx.org

Smart Distributed System (SDS)

SDS система, на основе шины для интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, с упрощенным процессом установки, предоставляет широкие возможности управления вводом - выводом. Посредством одного четырехпроводного кабеля SDS система может быть оборудована до 126 приборами с индивидуальным адресом. Дополнительная информация и спецификация по SDS доступна на сайте разработчика Honeywell. SDS один из действующих четырех протоколов поддерживаемых CiA.

Сравнительная характеристика основных HLP протоколов
Общие сведения

DeviceNet, SDS и CAN Kingdom основаны на ISO 11898 CAN коммуникационном протоколе и функционируют согласно требований CAN спецификации. Каждый CAN модуль, следующий определенному протоколу может быть подключен к CAN шине следующей тому же протоколу. В любом случае при подключении модулей, которые действуют по различными протоколам, в большинстве случаев проблемы возникают по причине конфликта интерпретации сообщений на уровне приложений. CAN Kingdom отличается от SDS и DeviceNet основным принципом: CAN Kingdom организуется главным узлом коммуникации (“King”) при запуске, в отличии от SDS и DeviceNet. Такая организация позволяет упростить разработку комплекса систем реального времени и сокращает необходимое количество модулей координирующих спецификации, часто обозначаемые как профили.
SDS эффективен при подключении I/O устройств, различных выключателей и датчиков к PLC , фактически представляет собой соединение между основным модулем и удаленными I/O устройствами.
DeviceNet открытая система, в которой все модули имеют равные права по пользованию шиной, и порядок пользования шиной определяется небольшим набором инструкций. Разработчик модулей системы может передать полномочия по управлению коммуникацией другим модулям, например основному модулю в предопределенном режиме Главный/подчиненный, но DeviceNet не имеет возможности передать полномочия другим модулям. Характеристики SDS с использованием I/O устройств и DeviceNet в режиме Главный/подчиненный сходны.
Can Kingdom протокол ориентированный на системы продуцирования, соединения и контроля и не поддерживает профили для цифровых и аналоговых устройств. Основная особенность протокола заключается в том что модуль, подключенный к системе только ожидает инструкции от главного устройства. Все CAN приоритеты и идентификаторы принадлежат и предоставляются главным устройством. Во время запуска каждый модуль конфигурируется основным устройством, определяются приоритеты и идентификаторы объектов продуцирующих и потребляющих. Основное устройство является главным, но только в период конфигурирования системы. Главное устройство не может быть внедрено в период коммуникационной сессии между работающими приложениями различных модулей. Основное устройство может быть удалено после конфигурирования и проверки комплектности, при том каждый модуль запоминает полученные инструкции в памяти.

25.10.2012

или, как более привычно звучит для автомобильной диагностики - CAN шина

* Что такое CAN?

* Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI))

* Controller Area Network (CAN)

* Основные принципы CAN

* Как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии

Парк автомобилей на наших улицах стремительно омолаживается и вместе с этим приходится осваивать и решать новые задачи связанные с диагностикой и ремонтом. Всё чаще и чаще сталкиваешься в своей повседневной работе с проблемами коммуникации между различными бортовыми системами автомобиля. Если ещё несколько лет назад приезжающие на диагностику автомобили с ошибками по CAN шине (первый символ в классификации диагностического кода неисправности - U ) были редкими гостями, то сейчас это практически повседневная практика. Информация на эту тему в принципе доступна и её достаточно много, даже очень много - что с одной стороны хорошо, а с другой представляет собой определённую сложность в поиске необходимой информации. Этой статьёй хотелось бы в первую очередь дать общее представление о системе CAN () тем, кто только начинает с ней знакомство, и тем, кто желает в этом поглубже разобраться.

Что такое CAN ?

Controller Area Network - это понятие вошло в обиход после того, как в начале 1980-х годов в Robert Bosch GmbH разработали стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Одно их первых внедрений в автомобильной промышленности было осуществлено на нескольких моделях автомобилей Mercedes-Benz в 1992 году. До этого момента электронное управление исполнительными функциями строилось по системе - один блок управления принимал электронные сигналы с различных датчиков и после их обработки посылал соответствующие команды на исполнительные устройства (такие как бензонасос, форсунки, катушки зажигания и прочие...). Увеличение объёма функций управления автомобилем, передаваемое электронике, привело к появлению таких дополнительных систем как ABS, SRS, AT, Immobilaser и других... Совмещение этих функций в одном ЭБУ привело бы к его громоздкости и чрезмерной сложности, а так же к потере надёжности, когда выход из строя одной системы мог бы привести к потере управляемости всего автомобиля. Поэтому автопроизводители пошли по пути разделения функций управления и выделения всех систем в отдельные блоки. А для того, чтобы увязать все системы в единое целое для решения общих задач управления автомобилем, на помощь пришёл коммуникационный стандарт CAN от Robert Bosch GmbH и это всё шире и шире стало применяться в автомобилестроении. На сегодняшний день практически каждый новый автомобиль оснащён этой системой.

Всё в принципе просто и понятно, но как устроена CAN шина и на чём основывается принцип её работы? Вот один из примеров взаимосвязи электронных блоков управления и устройств завязанных в единую бортовую коммуникационную сеть автомобиля,- рис. 1

Здесь мы рассматриваем только блоки, связанные в проводную сеть, но в автомобилях 21 века находит всё большее применение и беспроводная передача информации. К примеру, система навигации, слежение за местонахождением автомобиля (защита от угона), контроль за давлением в шинах, удалённая диагностика и многие другие. В ближайшем будущем можно ожидать, что слияние воедино в бортовой сети автомобилей внутренних и внешних информационных потоков выведет управление транспортным средством на новый уровень безопасности и комфорта прежде всего в таких направлениях, как отображение информации предупреждения об опасных ситуациях на дорогах и даже активного смягчения последствий возможных столкновений автомобилей, а так же более рационального распределения транспортных потоков.

Немного предыстории - Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI)).

Это очевидно, что если два или более микропроцессора взаимосвязаны в одну систему, то должен использоваться стандартный протокол который определяет, каким образом данные должны быть переданы между сетевыми блоками. Наиболее распространенным примером такого протокола является TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol ), который используется для подключения хостингов в сети Интернет. Предшественником TCP/IP был протокол - Open System Interconnection (OSI ). Этот протокол был разработан в 1982 году Международным бюро по стандартизации International Organization for Standardization (ISO 7498-1:1994 (E )). OSI протокол иногда называют как «семиуровневая» модель, поскольку он состоит из семи независимых элементов, которые определяют требования к взаимосвязи на различных уровнях взаимодействия.

Вот эти семь уровней:

1) Уровень приложений (Application Layer ) - этот уровень определяет какие приложения (программы) имеют доступ к сети. Например - электронная почта, передача файлов, терминалы удалённого доступа и веб-браузеры.

2) Уровень представления данных (Presentation Layer ) - этот уровень определяет такие моменты, как стандарты сжатия данных и их шифрования.

3) Уровень передачи данных (Transport Layer ) - этот уровень обеспечивает стандарты передачи данных между адресатами, осуществляет контроль ошибок и безопасности.

4) Сетевой уровень (Network Layer ) - этот уровень отвечает за вопросы маршрутизации сетевого трафика данных.

5) Уровень каналов связи (Data Link Laye r ) - этот уровень обеспечивает синхронизацию передачи данных и контроль ошибок.

6) Уровень контроля за сеансами связи (Session Layer ) - этот уровень обеспечивает стандартизацию начала и завершения сеансов связи между различными приложениями и сетевыми блоками.

7) Физический уровень (Physical Layer ) - этот уровень определяет стандарты физических характеристик устройств в сети, в том числе типы соединений и разъёмов, электрические характеристики кабелей, уровня напряжения, силы тока и тд.

Но задачи, решаемые протоколом OSI не в полной мере отвечали нуждам автомобильной электроники, и как следствие этого, инженерами Robert Bosch GmbH был разработан, в развитие протокола OSI , специальный протокол CAN , который определял стандарты физического и канального уровней модели OSI в кремнии для осуществления последовательной передачи информации между двумя или более устройствами.

Controller Area Network (CAN)

CAN был разработан Robert Bosch GmbH для автомобильной промышленности в начале 1980-х годов и официально публично выпущен в пользование в 1986 году. Эта разработка CAN от Bosch была принята в качестве стандарта ISO (ISO 11898 ), в 1993 переименована в CAN 2.0A , и расширена в 1995 году, чтобы позволить идентифицировать большее количество сетевых устройств в CAN 2.0B . Как правило, CAN шина соединяет в сеть модули (или узлы), используя два провода, витая пара. Многие компании и не только автомобильные, внедряют CAN протокол в свои разработки для взаимосвязи различных электронно-управляемых устройств. В неофициальной классификации устройства связанные протоколом CAN и имеющие процессоры серии MPC 5xx , называются TouCAN модули; имеющие процессоры серии MPC 55xx называются FlexCAN модули. CAN - последовательный, мульти-отправляющий, многоадресный протокол, это означает, что, когда шина свободна, любой узел, может отправить сообщение (мульти-отправляющее устройство), и все узлы могут получить и отреагировать на сообщение (многоадресно передано). Узел, который инициирует сообщение, называют передатчиком, любой узел не отправляющий сообщение называют получателем. Всем сообщениям присвоены статические приоритеты, передающий узел остаётся передатчиком до тех пор пока шина не станет неактивной или пока в сети не появилось сообщение от другого узла с более высоким приоритетом, процесс который определяет приоритет сообщений и называется - арбитраж. Сообщение по CAN шине может содержать до 8 байтов данных. Идентификатор сообщения описывает контент данных и используется получающими узлами для определения места назначения в сети (другими словами - адресата, узел которому это сообщение адресовано). В коротких сетях (≤ 40 м), скорость передачи сообщений может достигать до 1 Мбит/с. Более длинные сетевые расстояния уменьшают доступную скорость передачи, например до 125 Кбит/с в сети длиной до 500м. Высокоскоростной CAN (“ High speed” CAN ) сетью, считается сеть со скоростью передачи данных более 500 Кбит/с.

Основные принципы CAN

Детали спецификации CAN протокола полностью описаны в Robert Bosch GmbH , “ CAN Specification 2.0,” 1991 . Ознакомиться с документом в формате PDF можно последующему адресу http://esd.cs.ucr.edu/webres/can20.pdf . Далее я дам максимально возможно краткое описание того как данные передаются по CAN, как структурированы сообщения CAN и как обрабатываются ошибки передачи сообщений.

Есть четыре типа сообщений CAN , или фреймы (frames ): фрейм данных (Data Frame ), удаленный фрейм (Remote Frame ), ошибочный фрейм (Error Frame ) и фрейм перегрузки (Overload Frame ).

Data Frame - стандартное сообщение CAN, широковещательно передаваемые данные от передатчика на другие узлы сети.

Remote Frame -широковещательно передаваемое передатчиком сообщение, на запрос данных от конкретного узла сети.

Error Frame -может быть передан любым узлом, который обнаруживает ошибку в сети.

Overload Frame -используются как запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными (Data Frame ) или запросами на получение данных (Remote Frame ).

Ниже проиллюстрированы различия между Data Frames для стандартов CAN 2.0A и CAN 2.0B,- рис. 2

Различие между форматами CAN 2.0 А и CAN 2.0B заключаются в том что фрейм данных для CAN 2.0B поддерживает как стандартный идентификатор фрейма данных - 11 бит, так и расширенный идентификатор фрейма данных - о 29 бит. Фреймы стандартного и расширенного формата могут без проблем передаваться по одной на той же шине, и даже иметь в цифровой форме эквивалентный идентификатор.

В этом случае у стандартного фрейма будет более высокий приоритет,- рис. 3

Описание фрейма сообщения стандарта CAN 2.0А

Начало сообщения (Start of Frame (SOF)

Идентификатор (Identifier ) - 11 бит, уникальный идентификатор, указывает приоритет.

Удаленный запрос на передачу () - 1 бит, доминантный в сообщении и рецессивный в запросе на передачу сообщения.

Резерв (Reserved ) - 2 бита, должны быть доминантными.

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)

Поле передаваемых данных (Data Field DLC .

Cyclic Redundancy Check (CRC) ) - 15 бит.

Разделитель CRC

Подтверждение (Acknowledge (ACK)

Разделитель ACK - 1 бит, должен быть рецессивным.

Завершение сообщения (End of Frame (EOF) ) - 7 бит, должны быть рецессивными,- рис. 4

Описание фрейма сообщения стандарта CAN 2.0В

Начало сообщения (Start of Frame (SOF) ) - 1 бит, должен быть доминантным.

Идентификатор стандартного и расширенного форматов (Identifier ) - 11 бит, уникальный идентификатор, соответствует базовому ID в расширенном формате.

Идентификатор расширенного формата (Identifier – Extended Format ) - 29 бит, состоит из 11 бит базового ID и 18 бит расширенного ID .

Удаленный запрос на передачу (Remote Transmission Request (RTR) ) стандартный и расширенный форматы - 1 бит, доминантный в сообщении и рецессивный в запросе на передачу сообщения. В стандартном формате 11 бит идентификатора следуют за битом RTR .

Замещение удалённого запроса (Substitute Remote Request ( SRR ) ). Для расширенного формата - 1 бит, должен быть рецессивный. SRR передаются в расширенных форматах сообщений на позиции бита RTR в стандартном сообщении. В арбитраже между стандартными и расширенными сообщениями, рецессивные SRR обеспечивает приоритет стандартным сообщениям.

Поле IDE – для стандартного и расширенного форматов - 1 бит, должен быть рецессивным для расширенного формата и доминантным для стандартного.

Резерв (Reserved r0 ) для стандартного формата - 1 бит, должен быть доминантным.

Резерв (Reserved r1, r0 ) для расширенного формата - 2 бита, должны быть рецессивными.

Длина кода данных (Data Length Code (DLC ) ) - 4 бита, количество байтов данных (0-8).

Поле передаваемых данных (Data Field ) - от 0 до 8 байт, размер определен в поле DLC .

Контрольный циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check (CRC ) ) - 15 бит.

Разделитель CRC - 1 бит, должен быть рецессивный.

Подтверждение (Acknowledge (ACK ) ) - 1 бит, передатчик отправляет рецессивный; получатель подтверждает доминантным.

Разделитель ACK - 1 бит, должен быть рецессивным.

Завершение сообщения (End of Frame (EOF ) ) - 7 бит, должны быть рецессивными.

Фрейм данных CAN

Фрейм данных CAN состоит из семи полей: Начало фрейма (SOF ), арбитраж, управление, данные, цикличные, проверка по избыточности (CRC) , подтверждение (ACK ) и конец фрейма (EOF ). Биты сообщения CAN обозначены как "доминирующие" (0) или "рецессивные" (1). Поле SOF состоит из одного доминирующего бита. Все сетевые узлы синхронно ожидают команды разрешения на передачу сообщений и начинают передавать одновременно. Арбитражная схема определяет, какой из узлов, пытающихся передавать сообщения имеет главный приоритет и фактически будет управлять шиной.

А рбитраж (Arbitration)

Арбитражное поле сообщения CAN состоит из 11-или 29-разрядного идентификатора и бита удаленной передачи (RTR ). Арбитражную схему CAN называют “ носителем контроля с множественным доступом и обнаружением коллизий ” или CSMA/CD , которая гарантирует, что самое важное сообщение с наивысшим приоритетом будет передано по всей сети в первую очередь . Приоритет сообщения определен численным значением идентификатора в арбитражном поле, поле с самым низким численным значением имеет самый высокий приоритет. Неразрушающий, интеллектуальный арбитраж разрешает конфликты среди конкурирующих передатчиков. Это означает, что шина может считаться действующей как логический элемент И (AND gate ). Если какой-либо узел пишет по сети доминантный признак (0), то каждый узел читает доминирующий бит независимо от его назначения, заданного передающим узлом. Каждый передающий узел всегда читает ответ на каждый переданный бит. Если узел передает рецессивный бит запроса на отправку сообщения и получает доминирующий бит для прочтения сообщения, он сразу же прекращает передавать.

Ниже проиллюстрирован приоритет сетевого арбитража где третий узел имеет высший приоритет и первый низший,- рис. 5

Бит RTR включён для того чтобы различать сообщения для передачи и удаленные запросы на приём сообщений. В стандартных сообщениях для передачи (Data Frame ) бит RTR должен быть доминантным, а в удаленных запросах на приём сообщений (Remote Frame ) должен быть быть рецессивным.

Контрольное поле и поле данных в сообщении (Control and Data Fields)

Поле управляющее длиной кода данных (DLC ) состоит из 6 бит (из которых используются только 4 младших бита), они показывают количество данных в сообщении. Поскольку только до 8 байт данных может быть отправлено в одном сообщение, поле DLC может принимать значения в диапазоне от 000000 до 000111. Данные которые должны быть переданы содержатся только в поле данных. В первую очередь передается наиболее значимый байт (M ost significant byte (MSB) ) из байтов данных.

Обработка ошибок (Error Handling)

В протоколе CAN реализовано пять уровней обнаружения ошибок. На уровне сообщений, выполняется циклическая проверка избыточности (Cyclic Redundancy Check (CRC) ), проверки сообщения и обязательное подтверждение проверок (Acknowledge (ACK) ). Бит проверки уровней состоит из монитора и наполнения.

Циклические ошибки избыточности обнаруживаются, используя код CRC размером 15 битов, вычисленный передатчиком из контента сообщения. Каждый получатель, принимающий сообщение, повторно вычисляет код CRC и сравнивает его с переданным значением. Несоответствие между этими двумя вычислениями заставляет установить флаг (flag ) ошибки. Проверяемые сообщения, в которых будет установлен флаг ошибки, это обнаружение получателем недопустимого бита в разделителе CRC , разделителе ACK , в завершении сообщения EOF или в 3-х битном разделяющим сообщения пространстве. В конечном итоге каждый принимающий узел записывает доминантный бит в ячейку разделителя ACK , которая затем читается отправившим это сообщение узлом. И если приём сообщения получателем не подтверждён (возможно потому что получающий узел перестал работать) то устанавливается флаг ошибки подтверждения (ACK ).

На уровне битов мы уже отметили, что каждый переданный бит считывается снова передатчиком этого сообщения при контроле подтверждения о получении сообщения, присланного получателем. Если контролируемое значение отличается от отправленного, значит на уровне битов обнаружена ошибка. Дополнительно, ошибки на уровне битов обнаруживаются при помощи «вставок»: После пяти последовательных идентичных битов, которые передаются в сообщении следует «вставка», бит противоположной полярности вставляется передатчиком в поток передаваемых битов (биты «вставки» вставляются в сообщение от поля SOF до поля CRC ). Получатели автоматически проверяют сообщение на наличие «вставок». Если любой из принимающих узлов сети обнаруживает в полученном сообщении шесть последовательных идентичных битов, то фиксируется ошибка (отсутствия «вставки»). В дополнение для обнаружения ошибок, «вставки» гарантируют, что есть достаточно не нулевых окончаний в потоке битов (non-return to zero (NRZ) ), чтобы поддержать синхронизацию.

Сообщение об ошибке (The CAN Error Frame)

Если передающий или принимающий узел обнаруживает ошибку, он немедленно прерывает приём или передачу текущего сообщения. Сообщение об ошибке называемое «флаг» ошибки, составляется из шести доминантных битов и разделителя сообщения об ошибке состоящего из восьми рецессивных битов. Так как эта строка битов нарушает правило «вставок», все другие узлы также передают сообщение об ошибке. После критичного количества обнаруженных ошибок, узел в конце концов само-отключается. Надежность, особенно в производстве и автомобильной электронике, где применяется технология CAN, требует, чтобы сеть могла отделять случайные ошибки (из-за скачков напряжения, шумов или других временных причин) от постоянных, являющихся причиной неисправности узла из-за дефектов в оборудовании. Следовательно, узлы хранят и отслеживают число обнаруженных ошибок. Узел может быть в одном из трех режимов в зависимости от количества зафиксированных ошибок:

Если количество зафиксированных ошибок в каждом буфере передачи или приёма соответствующего узла, больше чем нуль и меньше чем 128, узел считается «активным с ошибкой» (“ error active ” ), указывая на то, что несмотря что узел остается полностью функциональным, по крайней мере одна ошибка была обнаружена.

Если количество зафиксированных ошибок между 128 и 255, то узел переходит в «пассивный с ошибками» (“error passive” ) режим. В «пассивном с ошибками» режиме узел будет передавать на более медленном уровне, отправляя 8 рецессивных битов прежде чем снова отправить сообщение, распознав что шина свободна.

Если количество зафиксированных ошибок более 255, то узел переходит в режим «отключен от сети» (“ bus off ” ), отключив себя самостоятельно.

Ошибка при получении добавляет в общее количество учтённых ошибок 1, ошибка при передаче добавляет в общее количество учтённых ошибок 8. Последующие безошибочные сообщения постепенно уменьшают количество учтённых ошибок на 1, за каждое безошибочное сообщение. Если общее количество учтённых ошибок возвращается к нулю, узел возвращается в нормальный режим функционирования. Узел в находящийся режиме “ bus off ” может перейти в режим “ error active ” после 128 входов в сеть из 11 последовательных рецессивных битов, которые были проконтролированы. Сообщение считается безошибочным, если передающий узел не нашёл в нём ошибок вплоть до поля EOF . Повреждённые сообщения отсылаются повторно сразу как только шина становится свободной.

Запрос данных от конкретного узла сети (The CAN Remote Frame)

Узел, которому необходимы данные от другого узла сети, может запросить передачу таких данных, отправив соответствующий запрос на получение данных (Remote Frame ). Например, микропроцессору управления центральным замком на вашем автомобиле необходимо знать положение селектора коробки передач от ЭБУ трансмиссии (является ли он в положении «паркинг»). Структура запроса на получение данных аналогична структуре стандартного сообщения только без поля данных (data field ) и с рецессивным RTR битом.

Запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными и свободное пространство между сообщениями (Overload Frames and Interframe Space)

Если какой-либо узел сети будет получать сообщения быстрее, чем он может их обработать, то будет сгенерирован запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными (Overload Frames )чтобы обеспечить дополнительное время между принимаемыми данными или запросами на получение сообщений (Remote Frame ). Подобно сообщению об ошибке, Overload Frame имеет два поля с битами: flag перегрузки состоящий из шести доминирующих битов и разделитель перегрузки, состоящий из восьми рецессивных битов. В отличие от сообщений об ошибке, суммарный подсчёт Overload Frames не ведётся.

Пространство между сообщениями состоит из трех рецессивных битов так же, как и время простоя шины между сообщениями или удаленными запросами на передачу. Во время перерыва никакому узлу не разрешают инициировать передачу (если доминирующий бит будет обнаружен во время Перерыва, то Overload Frame будет сгенерирован). Время простоя шины длится, пока у узла нет чего-то для передачи, а когда начинается передача, то в этот момент появление доминирующего бита на шине сигнализирует о начале передачи сообщения

CAN обеспечивает устойчивое, простое и гибкое сетевое решение для производственных, автомобильных и многих других приложений. Главный недостаток протокола CAN - что задержка сообщения не является определённой (из-за существования Error Frame s , Overload Frame s и повторных передач), и увеличения задержки ведёт к увеличению сетевого трафика. В целом использование шины не должно превышать 30% от максимальной мощности шины и гарантировать, что низкоприоритетные сообщения не испытывают недопустимую задержку. Использование шины определено как деление двух величин - общее количество использованных для передачи битов поделённое на общее максимально доступное количество для передачи битов , и вычисляется следующим образом:

Шаг 1 - Выбирается единица времени ≥ самого медленное зафиксированного периодического сообщение в сети (обычно 1 секунда).

Шаг 2 - Определяются все периодические сообщения.

Шаг 3 - К каждому из этих сообщений приблизительно одинакового размера, добавляются 47 служебных бит (размер служебных полей данных - SOF + Arbitration + RTR + Control + CRC + Acknowledgment + EOF +

Interframe Space = 1 + 11 + 1 + 6 + 16 + 2 + 7 + 3 = 47 bits).

Шаг 4 - Рассчитывается количество бит используемых в сообщениях путем умножения размера сообщения в битах на количество передач выполняемых в единицу времени.

Шаг 5 - Суммирование всех битов используемых в переданных сообщениях для оценки общего объёма сетевого трафика. Умножение этой величины на страховочный коэффициент 1.1 для получения наихудшего прогноза сетевого трафика.

Шаг 6 - В завершении, поделите общее количество использованных для передачи битов на общее максимально доступное количество для передачи битов (например, 125 Кбит/с или 500 Кбит/с умножаются на единицу времени) для получения предполагаемого процента загрузки шины,- рис. 6

Протоколы синхронизированные по времени (Time-triggered Protocols)

Для контроля над сетью в реальном времени было бы желательно реализовать такой протокол связи, который гарантирует, что для сообщений выбираются крайние временные параметры независимо от нагрузки на шину. Пример такого протокола, который контролирует временной уровень связи CAN данных, это “ time-triggered CAN ,” или TTCAN (ISO 11898-4 ). TTCAN сообщения имеют два специальных типа, называемые «окна времени» (time windows ): привилегированные окна времени (exclusive time windows ), и арбитражные окна времени (arbitrating time windows ). Еxclusive time windows прикреплены к специальным сообщениям, которые передаются периодически. Таким образом, Еxclusive time windows не конкурируют за доступ к шине. Аrbitrating time windows используются для сообщений не имеющих строгих ограничений по времени.

Аrbitrating time windows , как нормальные сообщения CAN , конкурируют за доступ к шине на основе приоритета через арбитраж. Тime-triggered CAN протокол, требует наличия в сети "главного узла" (master node ), который периодически широковещательно передает сигнал времени сети (называемый глобальным временем (global time )) в специальном информационном сообщении. Для повышения отказоустойчивости в сети должны быть несколько потенциальных главных узлов. Если главный узел перестал работать (обнаружено отсутствие специального информационного сообщения), другие потенциальные главные узлы конкурируют за статус «главного узла» при помощи арбитража и новым «главным узлом» становится узел с самым высоким приоритетом. После этого новый главный узел начинает широковещательно передавать специальные информационные сообщения - global time . Тime-triggered CAN протокол не ретранслирует повреждённые сообщения, и при этом это не вызывает Error Frames.

У протокола TTCAN есть конкурирующий протокол FlexRay , разработанный консорциумом автомобильных производителей и поставщиков. Коммуникационное сообщение (фрейм) FlexRay состоит из периодических синициированных "статических" и "динамических" частей. Статический сегмент составлен из одинаковой длины временных интервалов, соответствующих соединенным в сеть узлам. Каждый узел передает свои сообщения синхронно в его зарезервированном слоте. Статический сегмент также передает "синхронизирующий" кадр, чтобы обеспечить глобальную переменную (timebase ) для сети. В отличие от CAN , нет никакого арбитража для шины. Динамический сегмент - по существу механизм "опроса" где каждому узлу дают возможность поместить инициированное событие или асинхронное сообщение в шину в порядке приоритетов, используя механизм синхронизации «миниразделения на слоты». Для повышения отказоустойчивости, узлы сети использующей протокол FlexRay , могут быть связаны двумя шинами или каналами одновременно.

Ну вот, в принципе, вся основная информация о протоколе CAN , а теперь немного о том, как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии . Сразу хочу отметить, что без надлежащего диагностического оборудования проводить диагностику и ремонт неисправностей CAN шины можно в очень ограниченном диапазоне. Всё сведётся к проверке физической целостности проводов, проверки состояния соединительных разъёмов, проверки сопротивления проводки и Terminal resistor , проверки соответствующего уровня напряжения на CAN low и CAN high линиях. Применение в диагностике дилерского оборудования тоже лишь облегчит проверку и сузит круг поиска неисправности, с очень большой неохотой автопроизводители допускают контакт с программным обеспечением, своей интеллектуальной собственностью. В случае проблем на программном уровне возможно только перепрограммирование или замена соответствующего ЭБУ.

Пример CAN шины автомобиля Nissan 2007г.в. - Рис. 7

Администратор

Необходимость последовательного соединения в автомобилях

Это следующая наша переводная статья из цикла посвященного шине CAN, которая еще чуть более подробно раскрывает то, как устроена и функционирует шина КАН. Англоязычный оригинал.

Многие автомобили уже имеют большое количество электронных систем управления. Рост автомобильной электроники является результатом отчасти стремления потребителя к большей безопасности и комфорту, а также отчасти требований правительства по улучшению контроля за выбросами и снижению расхода топлива. Управляющие устройства, отвечающие этим требованиям уже используются в течение некоторого времени в области управления двигателем, коробкой передач и дроссельной заслонкой, а также в антиблокировочных системах (ABS) и системе управления ускорением (ASC) .

Сложность функций, реализованных в этих системах, требует обмена данными между ними. В традиционных системах обмен данными осуществляется с помощью выделенных сигнальных линий, но это становится все труднее и дороже, так как функции управления становятся все более сложными. В случае сложных систем управления (таких как Motronic), в частности, количество соединений не может больше увеличиваться.

Кроме того, разрабатывается ряд систем, реализующих функции, охватывающие более одного управляющего устройства. Например, ASC требует взаимодействия системы управления двигателем и управления дросселем (впрыском) для уменьшения крутящего момента при проскальзывании ведущего колеса. Другим примером функций, охватывающих более одного блока управления, является электронное управление коробкой передач, где легкость переключения передач может быть улучшена путем кратковременной регулировки опережения зажигания.

Если мы также рассмотрим будущие разработки, направленные на общую оптимизацию транспортных средств, то необходимо преодолеть ограничения, существующие в связи с обычными устройствами управления. Это можно сделать только путем объединения в сеть компонентов системы с использованием последовательной шины данных. Bosch разработал для этой цели систему «Controller Area Network» (CAN), которая с тех пор была стандартизирована на международном уровне (ISO 11898) и была «отлита в камне (в кремнии)» несколькими производителями полупроводников.

Используя CAN, одноранговые (одноуровневые) станции (контроллеры, датчики и исполнительные механизмы) подключаются через последовательную шину. Сама шина является симметричной или асимметричной двухпроводной цепью, которая может быть экранированной или неэкранированной. Электрические параметры физической передачи также указаны в стандарте ISO 11898. Подходящие чипы драйвера шины доступны от большого ряда производителей

Протокол CAN, соответствующий уровню канала передачи данных в эталонной модели ISO / OSI, удовлетворяет требованиям автомобильных для применения в автомобилях настоящего времени. В отличие от кабельных древовидных структур, сетевой протокол обнаруживает и исправляет ошибки передачи, вызванные электромагнитными помехами. Дополнительными преимуществами такой сети являются простота конфигурирования всей системы и возможность центральной диагностики.

Цель использования CAN в транспортных средствах заключается в том, чтобы любая станция могла взаимодействовать с любым другим, не налагая слишком большую нагрузку на компьютер контроллера.

Использование CAN сети в автомобилях

Существует четыре основных приложения для последовательной связи в транспортных средствах, каждое из которых имеет разные требования и цели.

Сетевые контроллеры для синхронизации двигателя, трансмиссии, шасси и тормозов. Скорости передачи данных находятся в диапазоне - типичном для систем реального времени от 200 кбит /с до 1 Мбит /с.
Сетевые компоненты общей электроники и электроники шасси, которые делают автомобиль более комфортным. Примерами таких мультиплексных применений являются управление освещением, кондиционирование воздуха и центральный замок, а также регулировка сиденья и зеркала. Особое значение здесь должно быть уделено стоимости компонентов и требованиям к проводке. Типичная скорость передачи данных составляет около 50 кбит / с.
В ближайшем будущем последовательная связь также будет использоваться в области мобильной связи, чтобы связать такие компоненты, как автомобильные радиоприемники, автомобильные телефоны, навигационные средства и т. д., с центральной более эргономичной панелью управления. Функции, определенные в проекте «Прометей», такие как связь между транспортным средством и транспортным средством, будут в большой степени зависеть от последовательной связи.
В настоящее время CAN используется для первых трех приложений, но для диагностики предпочтительным решением является интерфейс в соответствии со стандартом ISO 9141.

Промышленные применения сети CAN

Сравнение требований к шинным системам транспортных средств и системам промышленных полевых шин показывает удивительные сходства: низкая стоимость, работоспособность в жесткой электрической среде, высокие возможности в реальном времени и простота использования одинаково желательны в обоих секторах.

Стандартное использование CAN в «S-классе» Mercedes-Benz и принятие CAN коммерческими автопроизводителями США для быстрой передачи (до 1 Мбит / с) заставляли промышленных пользователей навострить уши. Не только производители мобильных и стационарных сельскохозяйственных и морских машин и оборудования выбрали CAN, но и выбор производителей медицинской аппаратуры, текстильных машин, а также специальной техники и элементов управления лифтами. Система последовательной шины особенно хорошо подходит для сетевых «интеллектуальных» устройств ввода-вывода, а также датчиков и исполнительных механизмов внутри машины или завода.

Промышленность текстильного машиностроения является одним из пионеров CAN. Один производитель оснастил свои ткацкие станки модульными системами управления, сообщающимися в режиме реального времени через сети CAN еще в 1990 году. Тем временем несколько производителей текстильных машин объединились в группу «CAN Textile Users Group», которая, в свою очередь, является членом международной группы пользователей и производителей «CAN in Automation». Аналогичные требования к текстильному оборудованию имеются в упаковочных машинах и машинах для производства и обработки бумаги.

В США ряд предприятий используют CAN в производственных линиях и станках в качестве внутренней системы шин для сетевых датчиков и исполнительных механизмов внутри линии или непосредственно машины. Некоторые пользователи, такие как сектор медицинской инженерии, решили в пользу CAN, поскольку у них были особенно строгие требования безопасности. С аналогичными проблемами сталкиваются и другие производители машин и оборудования с особыми требованиями в отношении безопасности (например, роботы и транспортные системы).

Помимо высокой надежности передачи, низкие затраты на соединение на станцию являются еще одним решающим аргументом для CAN. В приложениях, где цена имеет решающее значение, очень важно, чтобы чипы CAN были доступны от различных производителей. Компактность других чипов контроллера также является важным аргументом, например, в области низковольтных распределительных устройств.

Как функционируют CAN-сети

Принципы обмена данными

Когда данные передаются по CAN, никакие станции не адресуются, но вместо этого содержание сообщения (например, скорость вращения или температура двигателя) обозначается идентификатором, который является уникальным во всей сети. Идентификатор определяет не только содержимое, но и приоритет сообщения. Это важно для распределения шины, когда несколько станций конкурируют за доступ к шине. Если ЦПУ данной станции желает отправить сообщение одной или нескольким станциям, он передает данные и их идентификаторы в назначенный CAN-чип (стостояние «Готово»). Это все, что должен сделать ЦП, чтобы инициировать обмен данными. Сообщение формируется и передается с помощью CAN-чипа. Как только CAN-чип получает выделение шины (состояние «Send Message»), все остальные станции в сети CAN становятся получателями этого сообщения (состояние «Receive Message»). Каждая станция в сети CAN, правильно приняв сообщение, выполняет приемный тест (тест получения), чтобы определить, относятся ли полученные данные к этой станции (состояние «Выбор»). Если данные имеют значение для соответствующей станции, они обрабатываются (состояние «Принято»), в противном случае они игнорируются. Высокая степень гибкости системы и конфигурации достигается благодаря схеме адресации, ориентированной на содержание. Очень просто добавлять станции в существующую сеть CAN без внесения каких-либо изменений в аппаратные или программные средства для существующих станций при условии, что новые станции являются чисто приемниками. Поскольку протокол передачи данных не требует физических адресов назначения для отдельных компонентов, он поддерживает концепцию модульной электроники, а также допускает множественный прием (широковещательный, многоадресный) и синхронизацию распределенных процессов: могут быть переданы измерения, необходимые в качестве информации несколькими контроллерами через сеть таким образом, что для каждого контроллера не требуется иметь свой собственный датчик.

1. Передача вещания и входная фильтрация узлами CAN на предмет того подходящие ли данные для того или иного узла

Неразрушающая побитовая проверка:

Для того, чтобы данные обрабатывались в режиме реального времени, они должны передаваться быстро. Это требует не только физического канала передачи данных со скоростью до 1 Мбит/с, но также требует быстрого распределения шины, когда несколько станций хотят отправлять сообщения одновременно.

2. Принцип неразрушающего побитового проверки(оценки, считывания)

В режиме реального времени безотлагательность (очередность) обмена сообщениями по сети может сильно различаться: быстро изменяющийся размер (например, нагрузка на двигатель) должен передаваться чаще и, следовательно, с меньшими задержками, чем другие измерения (например, температура двигателя), которые изменяются относительно медленно. Приоритет, при котором сообщение передается по сравнению с другим менее срочным сообщением, определяется идентификатором соответствующего сообщения. Приоритеты закладываются при проектировании системы в виде соответствующих двоичных значений и динамически не могут быть изменены. Идентификатор с наименьшим двоичным числом имеет самый высокий приоритет.

Конфликты доступа к шине разрешаются путем побитной проверки каждой из участвующих станций получаемых идентификаторов через наблюдение (считывание) уровня шины бит за битом. В соответствии с «проводным и» механизмом, посредством которого доминирующее состояние (логический 0) перезаписывает рецессивное состояние (логический 1), конкуренция за распределение шины теряется всеми этими станциями с рецессивной передачей и доминирующим наблюдением (ожиданием 0 для получения). Все «проигравшие» автоматически становятся получателями сообщения с наивысшим приоритетом и не передают повторную передачу до тех пор, пока шина не будет доступна снова.

Эффективность распределения шины:

Эффективность системы распределения шины определяется в основном возможным применением для этой системы последовательной шины. Чтобы судить о том, какие шинные системы подходят, для каких приложений литература включает метод классификации процедур распределения шины. Обычно мы различаем следующие классы:

Распределение по фиксированному графику. Распределение производится последовательно каждому участнику для максимальной продолжительности независимо от того, нужена ли этому участнику шина в данный момент или нет (примеры: маркерная ячейка или передача маркера).
Распределение шины на основе необходимости. Шина назначается одному участнику на основании невыполненных запросов на передачу, то есть система распределения учитывает только участников, желающих передать (примеры: CSMA, CSMA / CD, управляющий полет, циклическая или побитовая проверка). Для CAN распределение шины согласовано исключительно между сообщениями, ожидающими передачи. Это означает, что процедура, определенная CAN, классифицируется как распределение на основе необходимости.

Еще одним средством оценки эффективности систем проверки(оценки) шины является метод доступа к шине:

Неразрушающий доступ к шине. С помощью методов этого типа шина назначается одной и только одной станции либо немедленно, либо в течение определенного времени после одного доступа к шине (одной или несколькими станциями). Это гарантирует, что каждый доступ к шине одной или несколькими станциями приводит к однозначному распределению шины (примеры: : маркерная ячейка, передача маркера, циклическая обработка, побитовая проверка.
Разрушающее распределение шины. Одновременный доступ к шине более чем одной станцией приводит к прерыванию всех попыток передачи и, следовательно, успешное распределение шины отсутствует. Для распределения шины может потребоваться более одного доступа к шине, количество попыток до успешного распределения шины является чисто статистической величиной (примеры: CSMA / CD, Ethernet). Чтобы обрабатывать все запросы на передачу сети CAN, соблюдая ограничения времени ожидания при как можно более низкой скорости передачи данных, CAN-протокол должен реализовывать метод распределения шины, который гарантирует, что всегда имеется однозначное распределение шины, даже если есть одновременныё доступ к шине с разных станций.

Метод поразрядной проверки с использованием идентификатора сообщений, которые должны передаваться, однозначно разрешает любое столкновение между несколькими станциями, которые хотят передавать, и он делает это самое позднее в течение 13 (стандартного формата) или 33 (расширенного формата) битовых периодов для любого периода доступа к шине. В отличие от проверки по сообщениям, используемого методом CSMA / CD, этот неразрушающий метод разрешения конфликтов гарантирует, что пропускная способность шины не используется без передачи полезной информации.

Даже в ситуациях, когда шина перегружена, связь приоритета доступа к шине с содержимым сообщения оказывается полезным атрибутом системы по сравнению с существующими протоколами CSMA / CD или токенными(маркерными) протоколами: несмотря на недостаточную пропускную способность шины, все невыполненные запросы на передачу обрабатываются в порядке их важности для всей системы (как определено приоритетом сообщения).

Имеющаяся пропускная способность эффективно используется для передачи полезных данных, так как «пробелы» в распределении шины остаются очень маленькими. Падение всей системы передачи из-за перегрузки, что может произойти с протоколом CSMA / CD, невозможен при CAN. Таким образом, CAN позволяет реализовать быстрый, трафик-определенный доступ к шине, который является неразрушающим из-за побитовой проверке на основе используемого приоритета сообщения.

Неразрушающий доступ к шине можно разделить на:

Централизованное управление доступом к шине и
Децентрализованное управление доступом к шине

В зависимости от того, присутствуют ли механизмы управления в системе только один раз (централизованный) или более одного раза (децентрализованный).

Система связи с назначенной станцией (в частности, для централизованного управления доступом к шине) должна обеспечивать стратегию, которая вступает в силу в случае сбоя основной станции. Эта концепция имеет тот недостаток, что стратегия управления отказами является сложной и дорогостоящей для реализации, а также того, что захват центральной станции резервной станцией может занять очень много времени.

По этим причинам и для того, чтобы обойти проблему надежности ведущей станции (и, следовательно, всей системы связи), протокол CAN реализует децентрализованное управление шиной. Все основные механизмы связи, в том числе контроль доступа к шине, выполняются несколько раз в системе, потому что это единственный способ удовлетворить высоким требованиям к доступности системы связи.

В целом можно сказать, что CAN реализует трафик-определенную систему распределения шин, которая позволяет с помощью неразрушающего доступа к шине с децентрализованным управлением доступом обеспечить высокую полезную скорость передачи данных при минимально возможной скорости передачи данных шины в условиях занятости шины для всех станций. Эффективность процедуры проверки шины увеличивается за счет того, что шина используется только теми станциями, которые ожидают передачи запросов.

Эти запросы обрабатываются в порядке важности сообщений для системы в целом. Это особенно выгодно в случае перегрузки. Так как доступ к шине имеет приоритет на основе сообщений, можно гарантировать низкие индивидуальные задержки в системах реального времени.

3. Кадр сообщения для стандартного формата (CAN Specification 2.0A)

Форматы сообщений.

Протокол CAN поддерживает два формата фреймов (кадров) сообщения, единственное существенное отличие заключается в длине идентификатора (ID). В стандартном формате длина идентификатора равна 11 битам, а в расширенном формате длина равна 29 битам. Кадр сообщения для передачи по шине содержит семь основных полей.

Сообщение в стандартном формате начинается с стартового бита «начало кадра», за ним следует «поле проверки», которое содержит идентификатор и бит «RTR» (запрос удаленной передачи), который указывает, является ли это кадр с данными или кадр запроса без каких-либо байтов данных (кадр удаленного запроса).

«Поле управления» содержит бит расширения IDE (идентификатор расширения), который указывает либо стандартный формат, либо расширенный формат, бит зарезервирован для будущих расширений и - в последних 4 битах - счет байтов данных в поле данных.

«Поле данных» находится в диапазоне от 0 до 8 байтов в длину и сопровождается полем «CRC», которое используется в качестве проверки безопасности кадра для обнаружения битовых ошибок.

Поле «ACK» содержит слот ACK (1 бит) и разделитель ACK (один рецессивный бит). Бит в слоте ACK отправляется как рецессивный бит и перезаписывается в качестве доминантного бита теми приемниками, которые на этот момент времени приема данных приняли их корректно(правильно) (положительное подтверждение). Правильные сообщения подтверждаются приемниками независимо от результата приемочной проверки. Конец сообщения обозначается «конец кадра». «Перерыв» - это минимальное количество периодов битов, разделяющих последовательные сообщения. Если какой-либо станции нет следующего доступа к шине, шина остается бездействующей («bus idle»).

Обнаружение и сигнализация об ошибках.

В отличие от других систем шины CAN-протокол не использует сообщения подтверждения, а вместо этого сигнализирует о любых возникающих ошибках. Для обнаружения ошибок в протоколе CAN реализованы три механизма на уровне сообщения:

Циклическая проверка избыточности (CRC) CRC защищает информацию в кадре путем добавления избыточных проверочных битов на конце передачи. На конце приемника эти биты повторно вычисляются и проверяются на соответствие принятым битам. Если они не согласны, произошла ошибка CRC. Проверка кадра - этот механизм проверяет структуру передаваемого кадра, проверяя битовые поля на фиксированный формат и размер фрейма. Ошибки, обнаруженные при проверке кадров, обозначаются как «ошибки формата».
Ошибки ACK. Как уже упоминалось выше, полученные кадры подтверждаются всеми получателями посредством «положительного подтверждения». Если не получено подтверждение передатчиком сообщения (ошибка ACK), это может означать, что есть ошибка передачи, которая была обнаружена только получателями, что поле ACK было повреждено или что нет приемников.

Протокол CAN также реализует два механизма обнаружения ошибок на уровне битов.

Мониторинг. Способность передатчика обнаруживать ошибки основана на контроле сигналов шины: каждый узел, который передает, также наблюдает за уровнем шины и, таким образом, обнаруживает различия между отправленным битом и полученным битом. Это обеспечивает надежное обнаружение всех глобальных ошибок и ошибок, локальных для передатчика.
Набивка бит - кодирование отдельных битов проверяется на уровне битов. Битовое представление, используемое CAN, - это кодирование NRZ (non-return-to-zero), которое гарантирует максимальную эффективность в кодировании битов. Края синхронизации генерируются посредством заполнения битов, то есть после пяти последовательных равных битов отправитель вставляет в поток битов бит информации с дополнительным значением, которое удаляется приемниками. Проверка кода ограничивается проверкой соблюдения правила заполнения. Если одна или несколько ошибок обнаруживаются по меньшей мере одной станцией (любой станцией) с использованием указанных выше механизмов, текущая передача прерывается отправкой «флага ошибки». Это предотвращает прием другими станциями сообщений и, таким образом, обеспечивает согласованность данных на протяжении всей сети.

После прекращения передачи ошибочного сообщения отправитель автоматически повторяет попытку передачи (автоматический запрос повторения). Может снова возникнуть конкуренция за распределение шины. Как правило, повторная передача начинается в течение 23-битных периодов после обнаружения ошибки; В особых случаях время восстановления системы составляет 31 бит.

Однако эффективным и действенным описанный метод может быть в случае, когда неисправность станции может привести к прерыванию всех сообщений (в том числе и правильных), что блокирует систему шини, если не было предпринято никаких мер для самоконтроля. Таким образом, протокол CAN обеспечивает механизм для выделения спорадических ошибок из постоянных ошибок и локализации отказов станций (ограничение ошибок). Это делается путем статистической оценки ситуаций, связанных с ошибками станции, с целью распознавания собственных дефектов станции и возможного входа в режим работы, когда остальная часть сети CAN не подвергается негативному воздействию. Это может дойти до того, что станция выключится сама по себе, чтобы предотвратить ошибочное распознование некорректных сообщений среди тех, что были прерваны.

Надежность данных протокола CAN:

Внедрение в автомобилях систем, связанных с безопасностью, связано с высокими требованиями к надежности передачи данных. Цель часто формулируется так, чтобы не допускать возникновения опасных ситуаций для водителя в результате обмена данными в течение всего срока службы транспортного средства.

Эта цель достигается, если надежность данных достаточно высока или вероятность остаточной ошибки достаточно низкая. В контексте данных шинных систем под надежностью понимается способность идентифицировать данные, искаженные ошибками передачи. Остаточная вероятность ошибки является статистической мерой ухудшения надежности данных: она определяет вероятность искажения данных и того, что это повреждение будет оставаться незамеченным. Вероятность остаточной ошибки должна быть настолько мала, что в среднем никакие поврежденные данные не останутся незамеченными на протяжении всего срока службы системы.

4. Вероятность остаточной ошибки как функция вероятности ошибки бита

Вычисление вероятности остаточной ошибки требует классификации ошибок и того, что весь путь передачи описывается моделью. Если мы определим вероятность остаточной ошибки CAN как функцию вероятности ошибки в битах для длин сообщений от 80 до 90 бит, для системных конфигураций, например, пяти или десяти узлов и с частотой ошибок 1/1000 (ошибка в одном сообщении из каждой тысячи), то максимальная вероятность ошибки в битах составляет приблизительно от 0,02 – до порядка 10^-13. Исходя из этого, можно рассчитать максимальное количество необнаруживаемых ошибок для данной сети CAN.

Например, если сеть CAN работает со скоростью передачи данных 1 Мбит/с, при среднем использовании пропускной способности шины 50%, при общем сроке службы 4000 часов и при средней длине сообщения 80 бит, то общее число Передаваемых сообщений составляет 9x10^10. Статистическое число необнаруженных ошибок передачи в течение срока эксплуатации, таким образом, составляет менее чем порядка 10^-2. Или, иначе говоря, с продолжительностью работы восемь часов в день на 365 дней в году и частотой ошибок каждые 0,7 с, одна необнаруженная ошибка происходит раз в тысячу лет (статистическое среднее значение).

Сообщения CAN расширенного формата

Подкомитет SAE «Грузовые автомобили и автобусы» стандартизовал сигналы и сообщения, а также протоколы передачи данных для различных скоростей передачи данных. Стало очевидно, что стандартизацию такого рода легче реализовать, когда доступно более длинное поле идентификации.

Чтобы поддержать эти усилия, протокол CAN был расширен за счет введения 29-битного идентификатора. Этот идентификатор состоит из существующего 11-битного идентификатора (базового ID) и 18-битного расширения (ID-расширения). Таким образом, протокол CAN позволяет использовать два формата сообщений: StandardCAN (Версия 2.0A) и ExtendedCAN (Версия 2.0B). Поскольку два формата должны сосуществовать на одной шине, устанавливается, какое сообщение имеет более высокий приоритет на шине в случае коллизий доступа к шине с форматами сглаживания и одним и тем же базовым идентификатором: стандартное сообщение всегда имеет приоритет над сообщением в расширенном формате.

CAN-контроллеры, которые поддерживают сообщения в расширенном формате, могут также отправлять и получать сообщения в стандартном формате. Только сообщения в стандартном формате могут передаваться по всей сети, если в этой сети используются CAN-контроллеры, которые поддерживают только стандартный формат (Версия 2.0A). Сообщения в расширенном формате будут неправильно поняты. Однако есть CAN-контроллеры, которые поддерживают только стандартный формат, но распознают сообщения в расширенном формате и игнорируют их (версия 2.0B пассивная).

Различие между стандартным форматом и расширенным форматом осуществляется с использованием бита IDE (бит расширения идентификатора), который передается как доминирующий в случае кадра в стандартном формате. Для кадров в расширенном формате это рецессивно. Бит RTR передается доминантно или рецессивно в зависимости от того, передаются ли данные или запрашивается конкретное сообщение от станции. Вместо бита RTR в стандартном формате бит SRR (замена удаленного запроса) передается для кадров с расширенным идентификатором. Бит SRR всегда передается как рецессивный, чтобы гарантировать, что в случае проверки стандартный кадр всегда имел приоритетное распределение шины к расширенному кадру, когда оба сообщения имеют одинаковый базовый идентификатор.

В отличие от стандартного формата, в расширенном формате за битом IDE следует 18-битный ID-номер, бит RTR и зарезервированный бит (r1).

Все следующие поля идентичны стандарту. Соответствие между двумя форматами обеспечивается тем фактом, что CAN-контроллеры, которые поддерживают расширенный формат, могут также обмениваться данными в стандартном формате

5. Кадр сообщения для расширенного формата (CAN Specification 2.0A)

Реализации протокола CAN

Связь идентична для всех реализаций протокола CAN. Однако существуют различия в отношении того, в какой степени реализация осуществляет передачу сообщений от микроконтроллеров, которые следуют за ней в схеме. Связь идентична для всех реализаций протокола CAN. Однако существуют различия в отношении того, в как реализуется передача сообщений от микроконтроллеров, которые следуют за ней в схеме.

CAN-контроллер с промежуточным буфером

Контроллеры CAN с промежуточным буфером (ранее называемые чипами basicCAN) реализовали в качестве аппаратного обеспечения логику, необходимую для создания и проверки потока битов согласно протоколу. Однако администрирование наборов данных, которые должны быть отправлены и получены, в частности, фильтрация приёма осуществляется только CAN-контроллером.

Как правило, CAN-контроллеры с промежуточным буфером имеют два приема и один буфер передачи. 8-разрядные регистры кода и маски допускают ограниченную фильтрацию принятия (8 MSB идентификатора). Подходящий выбор этих значений регистра позволяет считывать группы идентификаторов или, в пограничных случаях, выбирать все идентификаторы. Если для дифференцирования сообщений требуется более 8 ID-MSB, тогда микроконтроллер, следующий за CAN-контроллером в схеме, должен дополнять фильтрацию принятия программным обеспечением.

Контроллеры CAN с промежуточным буфером могут перенести большую нагрузку на микроконтроллер с фильтрацией приёма, но они требуют только небольшой площади кристалла и поэтому могут быть изготовлены с меньшими затратами. В принципе, они могут принимать все объекты в сети CAN.

CAN-контроллер с хранилищем объектов.

Объекты CAN состоят в основном из трех компонентов: идентификатора, кода длины данных и фактических полезных данных.

CAN-контроллеры с хранилищем объектов (ранее называемые fullCAN) функционируют как CAN-контроллеры с промежуточными буферами, но также управляют определенными объектами. Там, где есть несколько одновременных запросов, они определяют, например, какой объект должен быть передан первым. Они также выполняют фильтрацию принятия для входящих объектов. Интерфейс к следующему микроконтроллеру соответствует ОЗУ. Данные, подлежащие передаче, записываются в соответствующую область ОЗУ, полученные данные считываются из области ОЗУ, соответственно. Микроконтроллер должен управлять только несколькими битами (например, запросом передачи).

Контроллеры CAN с хранилищем объектов рассчитаны на максимальную нагрузку от локального микроконтроллера. Однако эти CAN-контроллеры требуют большей площади кристалла и, следовательно, более дороги. В дополнение к этому, они могут администрировать только ограниченное количество чипов(микроконтроллеров).

На сегодняшний день доступны контроллеры CAN, которые сочетают в себе оба принципа реализации. Они имеют хранилище объектов, по крайней мере одно из которых спроектировано как промежуточный буфер. По этой причине больше нет смысла дифференцировать basicCAN и fullCAN.

CAN подчиненные контроллеры для функций ввода / вывода.

Также как CAN-контроллеры, которые поддерживают все функции CAN-протокола, есть CAN-чипы, для которых не требуется следующий за ним микроконтроллер. Эти CAN-чипы называются SLIO (последовательное соединение ввода / вывода). CAN-чипы являются подчиненными и должны управляться CAN-мастером(центральный, основной микроконтроллер в сети).

Физическое соединение CAN

Скорости передачи данных (до 1 Мбит / с) требуют достаточно крутого наклона импульса, который может быть реализован только с использованием силовых элементов. В принципе возможно несколько физических соединений. Тем не менее, пользователи и производители группы «CAN in Automation» рекомендуют использовать схемы драйверов в соответствии с ISO 11898.

Встроенные микросхемы драйверов в соответствии с ISO 11898 доступны от нескольких компаний (Bosch, Philips, Siliconix и Texas Instruments). Международная группа пользователей и производителей (CiA) также определяет несколько механических соединений (кабель и разъемы).

6. Physical CAN Connection according to ISO 11898

С уважением, перевод предоставлен коллективом мастерской

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Рис. 1. Топология сети CAN.

CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии - CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы. Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица - в случае когда сигналы CAN_H и CAN_L одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В). Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях. Логический ноль - называется доминантным битом, а логическая единица - рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Типы сообщений сети CAN.

Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:

• Data Frame
• Remote Frame
• Error Frame
• Overload Frame

Data Frame - это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей:

• поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть. Поле арбитража состоит в свою очередь из:
  • для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
  • для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

  Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал).

• поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных
• поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок
• слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.

Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.

Remote Frame - это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 - рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Error Frame - это сообщение которое явно нарушает формат солобщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).

Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, каждый из них сравнивает, бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.

Методы обнаружения ошибок.

CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:

• Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement Check
• CRC Check

Bit monitoring - каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.

Bit stuffing - когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.

Frame Check - некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.

ACKnowledgement Check - каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.

CRC Check - каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение). Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок: Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.

Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.

Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют. Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).

Адресация и протоколы высокого уровня

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP - Higher Layer Protocols). Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

• DeviceNet
• CAL/CANopen
• CanKingdom

Физичекий уровень протокола CAN

Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898. ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах - CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик - Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети. Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице:

Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

В данной статье не будем полностью расписывать CAN протокол, а обратим внимание лишь на вещи, которые надо обязательно знать и понимать для использования или разработки электронных устройств с поддержкой CAN.

Протокол CAN был разработан для автомобильной промышленности и впоследствии стал стандартом в области создания бортовых сетей автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д. CAN позволяет создавать сети с развитыми средствами контроля ошибок, скоростью передачи до 1Мбит/с и пакетами содержащими не более восьми байтов данных.

Канальный и физический уровни CAN

В протоколе CAN нет строгого определения физического уровня, поэтому для передачи сообщений может использоваться, например, витая пара или оптоволокно. По сути дела CAN реализует канальный уровень, т.е. осуществляет формирование пакетов сообщений, ограничение распространения ошибок, подтверждение приема и арбитража. Есть конечно и распространенные стандарты прикладного уровня например CANopen, но если нет необходимости обеспечивать взаимодействие между оборудованием различных производителей, то лучше использовать внутренний протокол.

Структура узла сети CAN

Рассматриваемый нами узел сети CAN состоит из микроконтроллера, CAN контроллера и приемопередатчика (рисунок 1). Чаще всего мы используем микроконтроллеры с встроенным CAN контроллером для упрощения схемы, но иногда используется автономный контроллер CAN с интерфейсом SPI (MCP2510). Далее приемопередатчик подключается к витой паре, на концах которой размещены согласующие резисторы (терминатор) с сопротивлением 120 Ом.

Рисунок 1 – Узел сети CAN

Для формирования логической единицы в витой паре, или свободной шине, на оба провода подается напряжение, равное половине разности напряжения между 0 или Vcc. Логическому нулю соответствует подача на провода линии дифференциального напряжения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Логические уровни на CAN-шине

Шина CAN позволяет передавать данные со скоростью 1 Мбит/c при длине кабеля не более 40 м. В обучающей литературе написано, что при снижении скорости передачи до 10кбит/с можно добиться длины сети в 1.5км.

Пакет сообщения CAN

Формат сообщения CAN показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пакет сообщения CAN

По факту пакет сообщения формируется CAN контроллером, а прикладное ПО только устанавливает идентификатор сообщения, длину сообщения и предоставляет байты данных, поэтому полностью рассматривать пакет не будем, а посмотрим на данные которые мы изменяем при работе с CAN шиной.

Идентификатор сообщения используется для идентификации данных, отправленных в этом пакете. Каждое отправленное сообщение принимается всеми узлами сети и в данном случае идентификатор позволяет понять конкретному устройству, необходимо ли обрабатывать данное сообщение. Максимальная длина сообщения 8 байт, но можно уменьшить это значение для сохранения пропускной способности шины CAN. Для примера ниже по тексту есть несколько скриншотов CAN сообщений из автомобильной сети.

Арбитраж на шине CAN

Если без подробностей, то первым по шине CAN всегда передается сообщение с наименьшим идентификатором.

Настройка скорости передачи данных по шине CAN

Скорость передачи данных по CAN шине настраивается за счет формирования квантов времени, а не как во многих других протоколах последовательной передачи данных за счет делителя скорости. В большинстве случаев используются скорости 10Кбит/c, 20Кбит/c, 50Кбит/c, 100Кбит/c, 125Кбит/c, 500Кбит/c, 800Кбит/c, 1MBaud и настройки для этих скоростей уже посчитаны. На рисунке 4 изображено окно выбора скорости в программе PcanView.

Рисунок 4 – Выбор скорости передачи данных в программе PcanView

Как мы видим при установке стандартной скорости настройки проставляются автоматически, но бывают случаи когда необходимо использовать другую скорость передачи данных. Например бортовой CAN автомобиля может работать со скоростью 83Кбит/c. В этом случае придется провести расчет настроек самостоятельно или поискать специализированный калькулятор скорости в интернете. Для самостоятельного расчета скорости необходимо понимать, что для передачи одного бита сообщения используется несколько квантов, а интервал передачи состоит из трех сегментов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Время передачи одного бита

Первый сегмент всегда фиксирован и равняется одному кванту. Далее идет два сегмента Tseg1 и Tseg2 и количество квантов в каждом сегменте определяется пользователем и может быть равно от 8 до 25. Точка выборки находится между Tseg1 и Tseg2, т.е. в конце первого и в начале второго сегмента. Так же пользователь может определить ширину скачка синхронизации (Synchronization Jump Width - SJW) для подстройки битовой скорости принимающего устройства, который может быть в диапазоне 1 – 4 квантов времени.

Теперь приведем формулу расчета скорости (Пример расчета скорости для CAN контроллера SJA1000):

BTR = Pclk/(BRP * (1 + Tseg1 + Tseg2))

BTR – скорость передачи данных,

Pclk – частота работы CAN контроллера,

BRP – значение предделителя частоты генератора скорости передачи

Tseg1 – первый сегмент

Tseg2 – Второй сегмент

Для проверки возьмем уже посчитанную скорость 125Кбит/c и попробуем получить настройки вручную. Pclk возьмем 16 МГц.

BRP = 16МГц /(125K * (1 + Tseg1 + Tseg2))

Затем подбираем интервал передачи бита находящийся в диапазоне от 8 до 25 квантов времени, так что бы получилось целое значение BRP. В нашем случае если взять (1 + Tseg1 + Tseg2) = 16, то BRP будет равен 30.

SP = ((1 + Tseg1 + Tseg2) * 70)/100

Подставляем значения и получаем 16 * 0.7 = 11.2, что соответствует соотношению Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, т.е. 1 + 10 + 5 = 16. Далее смотрим если Tseg2 >= 5, то SJW = 4, если Tseg2 < 5, то SJW = (Tseg2 – 1). В нашем случае SJW = 4.

Итого для получения скорости 125Кбит/c необходимо в параметрах указать, BRP = 30, Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, SJW = 4.

P.S. Конфигурирование baud rate значительно отличается между старыми модулями USB-CANmodul (GW-001 и GW-002) с контроллером SJA1000 и новыми модулями sysWORXX с контроллером AT91SAM7A3. В статье описывающей работу с бортовым CAN автомобиля на скорости 83кбит/c приведен расчет скорости для контроллера AT91SAM7A3.

Пример получения и передачи данных по CAN-интерфейсу

В примере будем использовать CAN-адаптер с программой PcanView от SYSTEC и подключимся к салонному CAN автомобиля, работающему со скоростью 125Кбит/с. Рассматриваемый нами автомобиль оснащен креслами с электроприводом и поэтому исследуем данные отвечающие за положение кресел и постараемся изменить положение спинки подменив пакет с помощью компьютера.

Для начала на схеме автомобиля находим наиболее удобно расположенный разъем с линиями CANH и CANL и подключаем к нему наш адаптер. Если разъем и провода найти не получилось, то можно подлезть к блоку управления кресла, найти там два скрученных между собой провода и аккуратно надрезав провода подключить адаптер. Если после подключения и настройки адаптера сообщения не приходят, то в первую очередь попробуйте поменять между собой CANH CANL и проверить включено ли зажигание.
Далее запускаем программу PcanView, в открывшемся окне настроек устанавливаем Baudrate = 125Кбит/c и нажимаем ОК (рисунок 4). В следующем окне устанавливаем Message filter = Standard, диапазон адресов от 000 до 7FF и нажимаем ОК (рисунок 6).

Рисунок 6 – Настройка CAN фильтра

Если все сделано правильно, то мы увидим сообщения от кресел (рисунок 7), а при нажатии кнопки наклона спинки на пульте управления мы увидим еще одно сообщение с адресом 1F4 идущее от пульта к креслу (рисунок 8).

Рисунок 7 – CAN сообщения от кресла с электроприводом


Рисунок 8 – CAN сообщения от кресла с электроприводом и сообщение от пульта управления к креслу

Теперь мы знаем какие должны быть адрес, длина и данные в CAN пакете для имитации нажатия кнопки изменения положения спинки. Во вкладке Transmit нажимаем NEW и в открывшемся окне создаем копию пакета 1F4, т.е. ID = 1F4, Length = 3, Data = 40 80 00. Period можно оставить 0 ms, тогда сообщения будут отправляться по факту нажатия кнопки пробел (рисунок 9).

Рисунок 9 – Создание CAN сообщения

На рисунке 10 отображено поле Transmit главного окна содержащее все отправляемые сообщения в CAN и информацию о них. При выделении сообщения и нажатии кнопки пробел произойдет отправка пакета в CAN сеть и кресло немного сдвинется в нужном направлении.

Понятное дело, что добиться полноценного управления креслом в таком случае не получиться, т.к. мы не можем исключить из сети пакеты заводского пульта управления, но эта проблема вполне решаема.

Итог

Мы увидели как при определенных усилиях и навыках можно создавать собственные электронные системы с использованием высокотехнологичного протокола CAN и как можно подключаться, исследовать и управлять устройствами подключенными к автомобильной CAN шине.