Протокол CAN является стандартом ISO (ISO 11898) в области последовательной передачи данных. Протокол был разработан с прицелом на использование в транспортных приложениях. Сегодня CAN получил широкое распространение и используется в системах автоматизации промышленного производства, а также на транспорте.
Стандарт CAN состоит из физического уровня и уровня передачи данных, определяющего несколько различных типов сообщений, правила разрешения конфликтов при доступе к шине и защиту от сбоев.
Протокол CAN
Протокол CAN описан в стандарте ISO 11898–1 и может быть кратко охарактеризован следующим образом:
Физический уровень использует дифференциальную передачу данных по витой паре;
Для управления доступом к шине используется неразрушающее bit–wise разрешение конфликтов;
Сообщения имеют малые размеры (по большей части 8 байт данных) и защищены контрольной суммой;
В сообщениях отсутствуют явные адреса, вместо этого каждое сообщение содержит числовое значение, которое управляет его очередностью на шине, а также может служить идентификатором содержимого сообщения;
Продуманная схема обработки ошибок, обеспечивающая повторную передачу сообщений, если они не были получены должным образом;
имеются эффективные средства для изоляции сбоев и удаления сбойных узлов с шины.
Протоколы более высоких уровней
Сам по себе протокол CAN определяет всего лишь, как малые пакеты данных можно безопасно переместить из точки A в точку B посредством коммуникационной среды. Он, как и следовало ожидать, ничего не говорит о том, как управлять потоком; передавать большое количество данных, нежели помещается в 8–байтное сообщение; ни об адресах узлов; установлении соединения и т.п. Эти пункты определяются протоколом более высокого уровня (Higher Layer Protocol, HLP). Термин HLP происходит из модели OSI и её семи уровней.
Протоколы более высокого уровня используются для:
Стандартизации процедуры запуска, включая выбор скорости передачи данных;
Распределения адресов среди взаимодействующих узлов или типов сообщений;
Определения разметки сообщений;
обеспечения порядка обработки ошибок на уровне системы.
Пользовательские группы и т.п.
Одним из наиболее эффективных способов повышения вашей компетентности в области CAN является участие в работе, осуществляемой в рамках существующих пользовательских групп. Даже если вы не планируете активно участвовать в работе, пользовательские группы могут являться хорошим источником информации. Посещение конференций является ещё одним хорошим способом получения исчерпывающей и точной информации.
Продукты CAN
На низком уровне принципиально различают два типа продуктов CAN, доступных на открытом рынке – микросхемы CAN и инструменты разработки CAN. На более высоком уровне – другие два типа продуктов: модули CAN и инструменты проектирования CAN. Широкий спектр данных продуктов доступен на открытом рынке в настоящее время.
Патенты в области CAN
Патенты, относящиеся к приложениям CAN, могут быть различных типов: реализация синхронизации и частот, передача больших наборов данных (в протоколе CAN используются кадры данных длиной всего лишь 8 байт) и т.п.
Системы распределённого управления
Протокол CAN является хорошей основой для разработки систем распределённого управления. Метод разрешения конфликтов, используемый CAN, обеспечивает то, что каждый узел CAN будет взаимодействовать с теми сообщениями, которые относятся к данному узлу.
Систему распределённого управления можно описать как систему, вычислительная мощность которой распределена между всеми узлами системы. Противоположный вариант – система с центральным процессором и локальными точками ввода–вывода.
Сообщения CAN
Шина CAN относится к широковещательным шинам. Это означает, что все узлы могут «слушать» все передачи. Не существует возможности послать сообщение конкретному узлу, все без исключения узлы будут принимать все сообщения. Оборудование CAN, однако, обеспечивает возможность локальной фильтрации, так что каждый модуль может реагировать только на интересующее его сообщение.
Адресация сообщений CAN
CAN использует относительно короткие сообщения – максимальная длина информационного поля составляет 94 бита. В сообщениях отсутствует явный адрес, их можно назвать контентно–адрессованными: содержимое сообщения имплицитно (неявным образом) определяет адресата.
Типы сообщений
Существует 4 типа сообщений (или кадров), передающихся по шине CAN:
Кадр данных (Data Frame);
Удаленный кадр (Remote Frame);
Кадр ошибки (Error Frame);
Кадр перегрузки (Overload Frame).
Кадр данных
Кратко: «Всем привет, есть данные с маркировкой X, надеюсь вам понравятся!»
Кадр данных – самый распространенный тип сообщения. Он содержит в себе следующие основные части (некоторые детали не рассматриваются для краткости):
Поле арбитража (Arbitration Field), которое определяет очередность сообщения в том случае, когда за шину борятся два или более узла. Поле арбитража содержит:
В случае CAN 2.0A, 11–битный идентификатор и один бит, бит RTR который является определяющим для кадров данных.
В случае CAN 2.0B, 29–битный идентификатор (который также содержит два рецессивных бита: SRR и IDE) и бит RTR.
Поле данных (Data Field), которое содержит от 0 до 8 байт данных.
Поле CRC (CRC Field), содержащее 15–битную контрольную сумму, посчитанную для большинства частей сообщения. Эта контрольная сумма используется для обнаружения ошибок.
Слот распознавания (Acknowledgement Slot). Каждый контроллер CAN, способный корректно получить сообщение, посылает бит распознавания (Acknowledgement bit) в конце каждого сообщения. Приемопередатчик проверяет наличие бита распознавания и, если таковой не обнаруживается, высылает сообщение повторно.
Примечание 1: Присутствие на шине бита распознавания не значит ничего, кроме того, что каждый запланированный адресат получил сообщение. Единственное, что становится известно, это факт корректного получения сообщения одним или несколькими узлами шины.
Примечание 2: Идентификатор в поле арбитража, несмотря на свое название, необязательно идентифицирует содержимое сообщения.
Кадр данных CAN 2.0B («cтандартный CAN»).
Кадр данных CAN 2.0B («расширенный CAN»).
Удаленный кадр
Кратко: «Всем привет, кто–нибудь может произвести данные с маркировкой X?»
Удаленный кадр очень похож на кадр данных, но с двумя важными отличиями:
Он явно помечен как удаленный кадр (бит RTR в поле арбитража является рецессивным), и
Отсутствует поле данных.
Основной задачей удаленного кадра является запрос на передачу надлежащего кадра данных. Если, скажем, узел A пересылает удаленный кадр с параметром поля арбитража равным 234, то узел B, если он должным образом инициализирован, должен выслать в ответ кадр данных с параметром поля арбитража также равным 234.
Удаленные кадры можно использовать для реализации управления трафиком шины типа «запрос–ответ». На практике, однако, удаленный кадр используется мало. Это не так важно, поскольку стандарт CAN не предписывает действовать именно так, как здесь обозначено. Большинство контроллеров CAN можно запрограммировать так, что они будут автоматически отвечать на удаленный кадр, или же вместо этого извещать локальный процессор.
Есть одна уловка, связанная с удаленным кадром: код длины данных (Data Length Code) должен быть установлен длине ожидаемого ответного сообщения. В противном случае разрешение конфликтов работать не будет.
Иногда требуется чтобы узел, отвечающий на удаленный кадр, начинал свою передачу как только распознавал идентификатор, таким образом «заполняя» пустой удаленный кадр. Это другой случай.
Кадр ошибки (Error Frame)
Кратко (все вместе, громко): «О, ДОРОГОЙ, ДАВАЙ ПОПРОБУЕМ ЕЩЁ РАЗОК»
Кадр ошибки (Error Frame) – это специальное сообщение, нарушающее правила формирования кадров сообщения CAN. Он посылается, когда узел обнаруживает сбой и помогает остальным узлам обнаружить сбой – и они тоже будут отправлять кадры ошибок. Передатчик автоматически попробует послать сообщение повторно. Наличествует продуманная схема счетчиков ошибок, гарантирующая, что узел не сможет нарушить передачу данных по шине путём повторяющейся отсылки кадров ошибки.
Кадр ошибки содержит флаг ошибки (Error Flag), который состоит из 6 бит одинакового значения (таким образом нарушая правило вставки битов) и разграничителя ошибки (Error Delimiter), состоящего из 8 рецессивных бит. Разраничитель ошибки предоставляет некоторое пространство, в котором другие узлы шины могут отправлять свои флаги ошибки после того, как сами обнаружат первый флаг ошибки.
Кадр перегрузки (Overload Frame)
Кратко: «Я очень занятой 82526 маленький, не могли бы вы подождать минуточку?»
Кадр перегрузки упоминается здесь лишь для полноты картины. По формату он очень похож на кадр ошибки и передается занятым узлом. Кадр перегрузки используется нечасто, т.к. современные контроллеры CAN достаточно производительны, чтобы его не использовать. Фактически, единственный контроллер, который будет генерировать кадры перегрузки – это ныне устаревший 82526.
Стандартный и расширенный CAN
Изначально стандарт CAN установил длину идентификатора в поле арбитража равной 11 битам. Позже, по требованию покупателей стандарт был расширен. Новый формат часто называют расширенным CAN (Extended CAN), он позволяет использовать не менее 29 бит в идентификаторе. Для различения двух типов кадров используется зарезервированный бит в поле управления Control Field.
Формально стандарты именуются следующим образом –
2.0A – только с 11–битными идентификаторами;
2.0B – расширенная версия с 29–битными или 11–битными идентификаторами (их можно смешивать). Узел 2.0B может быть
2.0B active (активным), т.е. способным передавать и получать расширенные кадры, или
2.0B passive (пассивным), т.е. он будет молча сбрасывать полученные расширенные кадры (но, смотрите ниже).
1.x – относится к оргинальной спецификации и её ревизиям.
В настоящее время новые контроллеры CAN обычно относятся к типу 2.0B. Контроллер типа 1.x или 2.0A прибудет в замешательство, получив сообщения с 29 битами арбитража. Контроллер 2.0B пассивного типа примет их, опознает, если они верны и, затем – сбросит; a контроллер 2.0B активного типа сможет и передавать, и получать такие сообщения.
Контроллеры 2.0B и 2.0A (равно, как и 1.x) совместимы. Можно использовать их все на одной шине до тех пор, пока контроллеры 2.0B будут воздерживаться от рассылки расширенных кадров.
Иногда люди заявляют, что стандартный CAN «лучше» расширенного CAN, потому что в сообщениях расширенного CAN больше служебных данных. Это необязательно так. Если вы используете поле арбитража для передачи данных, то кадр расширенного CAN может содержать меньше служебных данных, чем кадр стандартного CAN.
Основной CAN (Basic CAN) и полный CAN (Full CAN)
Термины Basic CAN и Full CAN берут начало в «детстве» CAN. Когда–то существовал CAN–контроллер Intel 82526, предоставлявший программисту интерфейс в стиле DPRAM. Потом появился Philips с моделью 82C200, в котором применялась FIFO–ориентированная модель программирования и ограниченные возможности фильтрации. Для обозначения различия между двумя моделями программирования, люди стали называть способ Intel – Full CAN, а способ Philips – Basic CAN. Сегодня большинство контроллеров CAN поддерживают обе модели программирования, поэтому нет смысла в использовании терминов Full CAN и Basic CAN – фактически, эти термины могут вызвать неразбериху и стоит воздержаться от их употребления.
В действительности, контроллер Full CAN может взаимодействовать с контроллером Basic CAN и наоборот. Проблемы с совместимостью отсутствуют.
Разрешение конфликтов на шине и приоритет сообщения
Разрешение конфликтов сообщений (процесс, в результате которого два или более контроллера CAN решают, кто будет пользоваться шиной) очень важно для определения реальной доступности полосы пропускания для передачи данных.
Любой контроллер CAN может начать передачу, когда обнаружит, что шина простаивает. Это может привести к тому, что два или более контроллеров начнут передачу сообщения (почти) одновременно. Конфликт решается следующим образом. Передающие узлы осуществляют мониторинг шины в процессе отправки сообщения. Если узел обнаруживает доминантный уровень в то время, как сам он отправляет рецессивный уровень, он незамедлительно устранится от процесса разрешения конфликта и станет приемником. Разрешение конфликтов осуществляется по всему полю арбитража, и после того, как это поле отсылается, на шине остается только один передатчик. Данный узел продолжит передачу, если ничего не случится. Остальные потенциальные передатчики попытаются передать свои сообщения позже, когда шина освободится. В процессе разрешения конфликта время не теряется.
Важным условием для благополучного разрешения конфликта является невозможность ситуации, при которой два узла могут передать одинаковое поле арбитража. Из этого правила есть одно исключение: если сообщение не содержит данных, то любой узел может передавать это сообщение.
Поскольку, CAN–шина является шиной с подсоединением устройств по типу «монтажное И» (wired–AND) и доминантный бит (Dominant bit) является логическим 0, следовательно сообщение с самым низким в численном выражении полем арбитража выиграет в разрешении конфликта.
Вопрос: Что произойдет в случае, если единственный узел шины попытается отослать сообщение?
Ответ: Узел, разумеется, выиграет в разрешении конфликта и успешно проведет передачу сообщения. Но когда наступит время распознавания… ни один узел не отправит доминантный бит области распознавания, поэтому передатчик определит ошибку распознавания, пошлет флаг ошибки, повысит значение своего счетчика ошибок передачи на 8 и начнет повторную передачу. Этот цикл повторится 16 раз, затем передатчик перейдет в статус пассивной ошибки. В соответствии со специальным правилом в алгоритме ограничения ошибок, значение счетчика ошибок передачи не будет более повышаться, если узел имеет статус пассивной ошибки и ошибка является ошибкой распознавания. Поэтому узел будет осуществлять передачу вечно, до тех пор, пока кто–нибудь не распознает сообщение.
Адресация и идентификация сообщения
Повторимся, нет ничего страшного в том, что в сообщениях CAN нет точных адресов. Каждый контроллер CAN будет получать весь траффик шины, и при помощи комбинации аппаратных фильтров и ПО, определять – «интересует» его это сообщение, или нет.
Фактически, в протоколе CAN отсутствует понятие адреса сообщения. Вместо этого содержимое сообщения определяется идентификатором, который находится где–то в сообщении. Сообщения CAN можно назвать «контентно–адрессовнными».
Определённый адрес работает так: «Это сообщение для узла X». Контентно–адресованное сообщение можно описать так: «Это сообщение содержит данные с маркировкой X». Разница между этими двумя концепциями мала, но существенна.
Содержимое поле арбитража используется, в соответствии со стандартом, для определения очередности сообщения на шине. Все контроллеры CAN будут также использовать всё (некоторые – только часть) поле арбитража в качестве ключа в процессе аппаратной фильтрации.
Стандарт не говорит, что поле арбитража непременно должно использоваться в качестве идентификатора сообщения. Тем не менее, это очень распространенный вариант использования.
Примечание о значениях идентификатора
Мы говорили, что идентификатору доступны 11 (CAN 2.0A) или 29 (CAN 2.0B) бит. Это не совсем верно. Для совместимости с определенным старым контроллером CAN (угадайте каким?), идентификаторы не должны иметь 7 старших бит установленных в логическую единицу, поэтому 11–битным идентификаторам доступны значения 0..2031, а пользователи 29–битных идентификаторов могут использовать 532676608 различных значений.
Заметьте, что все остальные контроллеры CAN принимают «неправильные» идентификаторы, поэтому в современных системах CAN идентификаторы 2032..2047 могут использоваться без ограничений.
Физические уровни CAN
Шина CAN
Шина CAN использует код без возвращения к нулю (NRZ) с вставкой битов. Существуют два разных состояния сигнала: доминантное (логический 0) и рецессивное (логическая 1). Они соответствуют определенным электрическим уровням, зависящим от используемого физического уровня (их несколько). Модули подключены к шине по схеме «монтажное И» (wired–AND): если хотя бы один узел переводит шину в доминантное состояние, то вся шина находится в этом состоянии, вне зависмости от того, сколько узлов передают рецессивное состояние.
Различные физические уровни
Физический уровень определяет электрические уровни и схему передачи сигналов по шине, полное сопротивление кабеля и т.п.
Существует несколько различных версий физических уровней: Наиболее распространенным является вариант, определенный стандартом CAN, часть ISO 11898–2, и представляющий собой двухпроводную сбалансированную сигнальную схему. Он также иногда называется high–speed CAN.
Другая часть того же стандарта ISO 11898–3 описывает другую двухпроводную сбалансированную сигнальную схему – для менее скоростной шины. Она устойчива к сбоям, поэтому передача сигналов может продолжаться даже в том случае, когда один из проводов будет перерезан, замкнут на «землю» или в состоянии Vbat. Иногда такая схема называется low–speed CAN.
SAE J2411 описывает однопроводной (плюс «земля», разумеется) физический уровень. Он используется в основном в автомобилях – например GM–LAN.
Существуют несколько проприетарных физических уровней.
В былые времена, когда драйверов CAN не существовало, использовались модификации RS485.
Различные физические уровни как правило не могут взаимодействовать между собой. Некоторые комбинации могут работать (или будет казаться, что они работают) в хороших условиях. Например, приемопередатчики high–speed и low–speed могут работать на одной шине лишь иногда.
Абсолютное большинство микросхем приемопередатчиков CAN произведено компанией Philips; в число других производителей входят Bosch, Infineon, Siliconix и Unitrode.
Наиболее распространен приемопередатчик 82C250, в котором реализован физический уровень, описываемый стандартом ISO 11898. Усовершенствованная версия – 82C251.
Распространенный приемопередатчик для «low–speed CAN» – Philips TJA1054.
Максимальная скорость передачи данных по шине
Максимальная скорость передачи данных по шине CAN, в соответствии со стандартом , равна 1 Мбит/с. Однако некоторые контроллеры CAN поддерживают скорости выше 1 Мбит/с и могут быть использованы в специализированных приложениях.
Low–speed CAN (ISO 11898–3, см. выше) работает на скоростях до 125 кбит/с.
Однопроводная шина CAN в стандартном режиме может передавать данные со скоростью порядка 50 кбит/с, а в специальном высокоскоростном режиме, например для программирования ЭБУ (ECU), около 100 кбит/с.
Минимальная скорость передачи данных по шине
Имейте в виду, что некоторые приемопередатчики не позволят вам выбрать скорость ниже определенного значения. Например, при использовании 82C250 или 82C251 вы можете без проблем установить скорость 10 кбит/с, но если вы используете TJA1050, то не сможете установить скорость ниже 50 кбит/с. Сверяйтесь со спецификацией.
Максимальная длина кабеля
При скорости передачи данных 1 Мбит/с, максимальная длина используемого кабеля может составлять порядка 40 метров. Это связано с требованием схемы разрешения конфликтов, согласно которому фронт волны сигнала должен иметь возможность дойти до самого дальнего узла и вернуться назад прежде чем бит будет считан. Иными словами, длина кабеля ограничена скоростью света. Предложения по увеличению скорости света рассматривались, но были отвергнуты в связи с межгалактическими проблемами.
Другие максимальные длины кабеля (значения приблизительные):
100 метров при 500 кбит/с;
200 метров при 250 кбит/с;
500 метров при 125 кбит/с;
6 километров при 10 кбит/с.
Если для обеспечения гальванической изоляции используются оптопары, максимальная длина шины соответственно сокращается. Совет: используйте быстрые оптопары, и смотрите на задержку сигнала в устройстве, а не на максимальную скорость передачи данных в спецификации.
Оконечное прерывание шины
Шина CAN стандарта ISO 11898 должна заканчиваться терминатором. Это достигается путем установки резистора сопротивлением 120 Ом на каждом конце шины. Терминирование служит двум целям:
1. Убрать отражения сигнала на конце шины.
2. Убедиться, что получает корректные уровни постоянного тока (DC).
Шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Я повторю: шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Для лабораторной работы может хватить и одного терминатора. Если ваша шина CAN работает даже при отсутствии терминаторов – вы просто счастливчик.
Заметьте, что другие физические уровни , такие как low–speed CAN, однопроводная шина CAN и другие, могут требовать, а могут и не требовать наличия оконечного терминатора шины. Но ваша высокоскоростная шина CAN стандарта ISO 11898 всегда будет требовать наличия хотя бы одного терминатора.
Кабель
Стандарт ISO 11898 предписывает, что волновое сопротивление кабеля номинально должно равнятся 120 Ом, однако допускается интервал значений сопротивления Ом.
Немногие, из присутствующих сегодня на рынке, кабели удовлетворяют этим требованиям. Есть большая вероятность, что интервал значений сопротивления будет расширен в будущем.
ISO 11898 описывает витую пару, экранированную или неэкранированную. Идёт работа над стандартом однопроводного кабеля SAE J2411.
Чтобы связно и гармонично управлять системами, обеспечить качество и функциональность передачи данных, многие автомобилестроительные компании применяют современную систему, известную как CAN-шина. Принцип ее организации заслуживает подробного рассмотрения.
Общая характеристика
Визуально CAN-шина выглядит как асинхронная последовательность. Ее информация передается по двум витым проводникам, радиоканалу или оптоволокну.
Управлять шиной способны несколько устройств одновременно. Их количество не ограничено, а скорость обмена информацией запрограммирована до 1 Мбит/с.
CAN-шина в современных автомобилях регламентируется спецификацией "CAN Sorcjfication version 2,0".
Он состоит из двух разделов. Протокол А описывает передачу информации с применением 11-битной системы передачи данных. Часть В выполняет эти функции при применении 29-битного варианта.
CAN имеет узлы персональных тактовых генераторов. Каждый из них посылает сигналы всем системам одновременно. Получающие устройства, присоединенные к шине, определяют, относится ли сигнал к их компетенции. Каждая система обладает аппаратной фильтрацией адресованных ей посланий.
Разновидности и маркировка
Одной из самых известных на сегодняшний день является разработанная Робертом Бошем CAN-шина. CAN BUS (под таким названием известна система) бывает последовательная, где импульс подается за импульсом. Она называется Serial bus. Если же информация передается по нескольким проводам, то это параллельная шина Parallel bus.
I - узлы управления;
II - коммуникации системы.
Опираясь на разновидности идентификаторов КАН-шин, встречается маркировка двух типов.
В случае, когда узел поддерживает 11-битный формат обмена информацией и не обозначает ошибки на сигналы 29-битного идентификатора, его маркируют "CAN2,0A Active, CAN2,0B Passive".
Когда таковые генераторы используют оба типа идентификаторов, шина имеет маркировку "CAN2,0B Active".
Встречаются узлы, поддерживающие коммуникации в 11-битном формате, а увидев в системе 29-битный идентификатор, выдают сообщение об ошибке. В современных автомобилях подобные CAN-шины не используются, ведь система должна быть логичной и согласованной.
Система же функционирует при двух типах скоростей передачи сигналов - 125, 250 кбит/с. Первые предназначены для вспомогательных устройств (стеклоподъемники, освещение), а вторые обеспечивают главное управление (коробка-автомат, двигатель, ABS).
Передача сигналов
Физически проводник CAN-шины современного автомобиля выполнен из двух составляющих. Первый - черного цвета и называется CAN-High. Второй проводник, оранжево-коричневый, именуется CAN-Low. Благодаря представленной структуре коммуникаций из схемы автомобиля удалена масса проводников. При производстве транспортных средств это позволяет уменьшить вес изделия до 50 кг.
Общая сетевая нагрузка состоит из разрозненных сопротивлений блоков, которые входят в состав протокола, называемого КАН-шина.
Различны и скорости передачи-получения каждой системы. Поэтому обеспечивается обработка разнотипных сообщений. Согласно описанию шины-CAN, эту функцию выполняет преобразователь сигналов. Он называется межсетевым электронным интерфейсом.
Расположен этот прибор в конструкции управляющего блока, но бывает выполнен в виде обособленного прибора.
Представленный интерфейс применяют также для вывода и ввода сигналов диагностического характера. Для этого предусмотрено наличие унифицированной колодки OBD. Это особый разъем для диагностики системы.
Разновидности функций шин
Существуют разные типы представленного устройства.
- КАН-шина агрегата силового. Это быстрый канал, который передает послания со скоростью 500 кбит/с. Его главная задача заключается в коммуникации блоков управления, например трансмиссия-двигатель.
- Система "Комфорт" - более медлительный канал, передающий данные со скоростью 100 кбит/с. Он связывает все устройства системы "Комфорт".
- Информационно-командная программа шины также передает сигналы медленно (100 кбит/с). Ее основное предназначение - обеспечить связь между обслуживающими системами, например телефоном и навигацией.
При изучении вопроса, чем является CAN-шина, может показаться, что по количеству программ она похожа на систему самолета. Однако, дабы обеспечить качество, безопасность и комфорт при управлении автомобилем, никакие программы не будут лишними.
Помехи в шине
Все управляющие блоки присоединены к CAN-шине трансиверами. Они имеют приемники сообщений, представляющих собой избирательные усилители.
Описание шины CAN оговаривает поступление посланий по проводникам High и Low в усилитель дифференциальный, где он обрабатывается и направляется в блок управления.
Усилитель определяет этот выходной сигнал как разность напряжений проводов High и Low. Такой подход позволяет исключить влияние внешних помех.
Чтобы понять, что собой представляет КАН-шина и ее устройство, следует вспомнить ее облик. Это два проводника, скрученные между собой.
Так как сигнал помехи поступает сразу на оба провода, в процессе обработки значение напряжения Low отнимается от напряжения High.
Благодаря этому CAN-шина считается надежной системой.
Типы сообщений
Протоколом предусматривается использование при обмене информацией посредством шины CAN четырех типов команд.
I - CAN-шина;
II - резистор сопротивления;
III - интерфейс.
В процессе приема-передачи информации на проведение одной операции отводится определенное время. Если оно вышло, формируется фрейм ошибки. Error Frame также длится определенное количество времени. Неисправный блок автоматически отключается от шины при накоплении большого количества ошибок.
Функциональность системы
Чтобы понять, что такое CAN-шина, следует разобраться в ее функциональном назначении.
Она призвана передавать фреймы в реальном времени, которые содержат информацию о значении (например, перемена скорости) или о возникновении события от одного узла-передатчика к приемникам программы.
Команда состоит из 3 разделов: имени, значения события, времени наблюдения за переменной величиной.
Ключевое значение придается переменной показателя. Если в сообщении нет данных о времени, тогда это сообщение принимается системой по факту его получения.
Когда компьютер коммуникационной системы запрашивает показатель состояния параметра, он посылается в приоритетной очередности.
Разрешение конфликтов на шине
Когда сигналы, поступающие на шину, приходят на несколько контроллеров, система выбирает, в какой очередности будет обработан каждый. Два или более устройства могут начать работу практически одновременно. Чтобы при этом не возник конфликт, производится мониторинг. CAN-шина современного автомобиля производит эту операцию в процессе отправки сообщения.
Существует градация сообщений по приоритетной и рецессивной градации. Информация, имеющая самое низкое числительное выражение поля арбитража, выиграет при наступлении конфликтного положения на шине. Остальные передатчики постараются отослать свои фреймы позже, если ничего не изменится.
В процессе передачи информации время, указанное в нем, не теряется даже при наличии конфликтного положения системы.
Физические составляющие
Устройство шины состоит, помимо кабеля, из нескольких элементов.
Микросхемы приемопередатчика часто встречаются от компании Philips, а также Siliconix, Bosch, Infineon.
Чтобы понять, что такое КАН-шина, следует изучить ее компоненты. Максимальная длина проводника при скорости 1 Мбит/с достигает 40 м. Шина- CAN (известная еще как CAN-BUS) в конце наделена терминатором.
Для этого на конец проводников устанавливаются резисторы сопротивления по 120 Ом. Это необходимо, дабы устранить отражения сообщения на конце шины и убедиться, что она получает соответствующие уровни тока.
Сам проводник в зависимости от конструкции может быть экранированным или неэкранированным. Концевое сопротивление может отходить от классического и находиться в диапазоне от 108 до 132 Ом.
Технология iCAN
Рассматривая шины транспортного средства, следует уделить внимание программе блокировки работы двигателя.
Для этого разработан обмен данными посредством шины CAN, iCAN-модулем. Он подключается к цифровой шине и отвечает за соответствующую команду.
Имеет небольшие габариты и присоединяется к любому отделению шины. При старте движения автомобиля iCAN посылает команду соответствующим блокам, и мотор глохнет. Преимуществом данной программы является отсутствие разрыва сигнала. Существует инструктирование электронного блока, после этого сообщение отключает функционирование соответствующих исполнительных элементов.
Этот тип блокировки характеризуется наивысшей скрытностью, а потому и надежностью. При этом ошибки не записываются в память ЭБУ. CAN-шина предоставляет всю информацию о скорости, движении автомобиля данному модулю.
Защита от угона
Модуль iCAN устанавливается в каком угодно узле, где расположены жгуты, в месте установки шины. Из-за минимальных габаритов и особого алгоритма действий выявить блокировку обычными методами при совершении угона практически нереально.
Внешне этот модуль маскируется под разные контролирующие датчики, что также делает невозможным его обнаружение. При желании возможно настроить работу прибора для автоматической защиты им стекол автомобиля, зеркал.
При наличии у транспортного средства автозапуска двигателя, iCAN не помешает его работе, так как срабатывает при старте движения.
Ознакомившись с устройством и принципами обмена данными, которой наделена CAN-шина, становится понятным, почему все современные автомобили применяют эти технологии при разработке управления транспортным средством.
Представленная технология по своему устройству довольно сложна. Однако все заложенные в нее функции обеспечат максимально эффенктивное, безопасное и комфортное управление автомобилем.
Существующие разработки помогут обеспечить защиту транспортного средства даже от угона. Благодаря этому, а также комплексу других фунций, шина-CAN популярна и востребована.
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.
Что такое CAN шина.
История появления CAN началась в середине 80-х годов прошлого века. Компания bosсh совместно с компанией intel разработали новый цифровой интерфейс для передачи данных — Controller Area Network (CAN).
Аналоговое подключение сигнализации (без CAN шины)
Зачем нужна CAN шина в автомобиле.
CAN шина позволяет соединить между собой любое количество датчиков, контроллеров, исполнительных элементов и прочих блоков, находящихся в автомобиле (например: системы ABS,SRS AIRBAG, ESP, иммобилайзер, блок управления двигателем, климат, КПП, центральный замок, свет, подвеска, приборная панель и т.д…) в дуплексном режиме (приём и передача данных) со скоростью до 1 Мбит/с. При этом сама can шина состоит всего из двух проводов (витая пара). Ранее для соединения блоков необходимо было использовать сотни проводов т.к. передача единицы информации от блока к блоку осуществлялась по отдельному проводу.
Установка сигнализации по CAN шине
Автосигнализации c CAN модулем.
CAN модуль
Современные автосигнализации производятся с интегрированным CAN модулем, что позволяет подключать автомобильную сигнализацию непосредственно к цифровой шине автомобиля CAN. Автосигнализация получает в цифровом виде информацию о состоянии концевиков, замков, зажигания, ручника, тахометра и т.д. а также может управлять замками дверей, стеклоподъемниками, люком, штатной сигнализацией и некоторыми другими системами автомобиля. позволяет значительно сократить вмешательство в штатную электропроводку (подключения производятся всего к 6-8 проводам, вместо 15-20 в варианте без использования can шины) и позволяет избежать проблем с гарантией на электрооборудование автомобиля.
Часто основной причиной неисправности в электронной системе управления транспортным средством - являются механические повреждения шины CAN или выход из строя блоков управления, висящих на шине CAN.
Ниже в статье приведены способы диагностики шины CAN при различных неисправностях. В качестве примера показана типичная схема CAN шины на тракторе Valtra T " серии.
Условные обозначения:
- ICL - Instrumental Cluster (Панель приборов)
- TC1/TC2 - Transmission controller (Блок управления трансмиссией 1/2)
- EC - Electronic controller (Блок управления двигателем)
- PCU - Pump Control Unit (Блок управления топливным насосом)
Измерения шины CAN BUS
Оконечные резисторы 120 Ом (Иногда эти резисторы называют терминаторы) внутри блока управления EC и резистор, расположенный рядом с блоком TC1
Если на дисплее (на боковой стойке) отображается код неисправности, имеющий отношение к шине CAN, то это означает неисправность проводки шины CAN или блока управления.
Система может автоматически сообщить, какой из блоков управления не может получать информацию (мониторы блоков управления передают информацию друг другу).
Если дисплей мигает или сообщение шины CAN не может быть передано через шину, то для обнаружения места повреждения проводки шины CAN (или неисправного блока управления) можно использовать мультиметр.
Шина CAN не имеет физических повреждений
Если сопротивление между проводами Hi (Высокое) и Lo (Низкое) шины CAN (в любой точке) примерно равно 60 Ом, то шина CAN не имеет физических повреждений.
- Блоки управления EC и TC1 исправны, так как оконечные резисторы (120 Ом) расположены в блоке EC и рядом с блоком TC1.
Блок управления TC2 и приборная панель ICL также не повреждены, поскольку шина CAN проходит через эти блоки.
Шина CAN повреждена
Если сопротивление между проводами Hi и Lo шины CAN (в любой точке) примерно равно 120 Ом, то проводка шины CAN повреждена (один или оба провода).
Шина CAN имеет физические повреждения
Если шина CAN повреждена, следует определить место повреждения.
Сначала замеряется сопротивление провода CAN-Lo, например, между блоками управления EC и TC2.
Таким образом, измерения должны быть выполнены между разъемами Lo-Lo или Hi-Hi. Если сопротивление примерно равно 0 Ом, то провод между измеряемыми точками не поврежден.
Если сопротивление примерно равно 240 Ом, то между измеряемыми точками шина повреждена. На рисунке показано повреждение провода CAN-Lo между блоком управления TC1 и приборной панелью ICL.
Короткое замыкание в шине CAN
Если сопротивление между проводами CAN-Hi и CAN-Lo примерно равно 0 Ом, то в шине CAN произошло короткое замыкание.
Отсоедините один из блоков управления и измерьте сопротивление между контактами разъемов CAN-Hi и CAN-Lo на блоке управления. Если устройство исправно, установите его на место.
Затем отсоедините следующее устройство, выполните измерения. Действуйте таким образом до тех пор, пока не будет обнаружено неисправное устройство. Блок неисправен, если сопротивление примерно равно 0 Ом.
Если все блоки проверены, а измерения по-прежнему сигнализируют о коротком замыкании, это означает неисправность проводки шины CAN. Чтобы найти место повреждения проводов, их следует проверить визуально.
Измерение напряжения шины CAN
Включите питание и измерьте напряжение между проводами CAN-Hi, CAN-Lo и проводом заземления.
Напряжение должно находиться в диапазоне 2,4 - 2,7 В.