Шина CAN в автомобиле

Шина CAN в автомобиле

Шина CAN в автомобиле — это сеть контроллеров, предназначенных для обеспечения подключения электронных устройств, которые способны передавать и получать определенную информацию. Такая схема подключения позволила снизить негативное влияние внешних электромагнитных полей и существенно увеличить скорость передачи данных.

 

Классификация шинных систем автомобиля

 

Классификация шинных систем 22

Шина CAN была при­знана стандартом с момента своего появления в серийно выпускаемых автомобилях в 1991 году. Но она также часто используется и в автоматизации. Основные особенности:

  • передача сообщений с ранжированием при­оритетов и неразрушающим арбитражем;
  • снижение затрат благодаря использо­ванию недорогой витой пары и простого протокола с невысокими требованиями к вычислительной мощности;
  • скорость передачи данных до 1 тбит/с у высокоскоростной шины CAN и до 125 кбит/с у низкоскоростной шины CAN (бо­лее низкие расходы на аппаратную часть);
  • высокая надежность передачи данных за счет распознавания и сигнализации спора­дических и постоянных неисправностей и благодаря унифицированию сетевых про­цессов через acknowledge;
  • принцип много абонентской шины;
  • высокая степень готовности за счет обна­ружения неисправных станций;
  • стандартизация по ISO 11898 [1].

Система передачи данных по шине CAN

 

Логические состояния шин и шифрование

Для обмена данными шина CAN использует два состояния «доминантное» и «рецессив­ное», с помощью которых передаются ин­формационные биты. Доминантное состояние соответствует «0», а рецессивное — «1». Для шифрования передачи используется процесс NRZ (без возврата на ноль), в котором нулевое состояние не всегда возвращается в промежу­ток между двумя одинаковыми состояниями передачи и, соответственно, необходимый для синхронизации временной интервал между двумя фронтами может оказаться слишком большим.

В основном используется двухпроводной кабель, в зависимости от окружающих усло­вий, с витой или не витой парой. Две шинные линии называются CAN-H и CAN-L (рис.1 «Уровень напряжения передачи по CAN»).

Уровень напряжения передачи по CAN

Двухпроводный кабель обеспечивает сим­метричную передачу данных, при которой биты передаются через обе шинные линии с использованием разных напряжений. Это уменьшает чувствительность к синфазным помехам, поскольку помехи влияют на обе линии и могут быть отфильтрованы путем создания разности (рис.2 «Фильтрация помех по шине CAN»).

Однопроводный кабель представляет со­бой способ сокращения производственных затрат за счет экономии на втором кабеле. Однако общее подключение к массе, выпол­няющей функцию второго кабеля, должно быть доступно для этой цели всем пользова­телям шины. Поэтому однопроводный вари­ант шины CAN возможен только для системы связи с ограниченным монтажным простран­ством. Передача данных по однопроводному кабелю более чувствительна к излучаемым помехам — он не позволяет фильтровать импульсы помех так, как в двухпроводном кабеле. В результате на шинной линии тре­буется сигнал более высокого уровня. Это, в свою очередь, отрицательно сказывается на излучении помех. Поэтому необходимо снизить крутизну фронта импульсов сигна­лов шины по сравнению с двухпроводным кабелем. Это связано с уменьшением скоро­сти передачи данных. По этой причине одно­проводной кабель используется только для низкоскоростной шины CAN в области кузова и электроники для функций комфорта. На­пример, низкоскоростная шина CAN с двух­проводным кабелем в случае обрыва кабеля должна продолжать работать как однопрово­дная система. Однопроводное решение не описывается в спецификации CAN.



Уровни напряжения шины CAN

Высокоскоростные и низкоскоростные шины CAN используют разные уровни напряжения для передачи доминантных и рецессивных состояний. Уровни напряжения низкоско­ростной шины CAN показаны на рис.1а, а высокоскоростной — на рис.1Ь.

Высокоскоростная шина CAN в рецессив­ном состоянии на обеих линиях использует номинальное напряжение 2,5 В. В доминант­ном состоянии на CAN-H и CAN-L подается номинальное напряжение 3,5 В и 1,5 В, со­ответственно. В низкоскоростной шине CAN в рецессивном состоянии на CAN-H подается напряжение 0 В (максимум 0,3 В), на CAN-L — 5 В (минимум 4,7 В). В доминантном состоя­нии на CAN-H напряжение составляет не ме­нее 3,6 В, а на CAN-L не более 1,4 В.

Предельные значения

Для арбитражного метода в случае CAN важно, чтобы все узлы в сети видели биты идентификатора фрейма одновременно, чтобы узел, передавая бит, видел, передают ли их другие узлы. Задержки возникают из-за распространения сигнала в шине данных и обработки в трансивере. Таким образом, максимально допустимая скорость передачи данных зависит от общей длины шины. Стан­дарт ISO предусматривает скорость 1 Мбит/с для 40 м. У более длинных проводов возмож­ная скорость передачи данных примерно об­ратно пропорциональна длине провода. Сети с дальностью 1 км могут работать со скоро­стью 40 кбит/с.

Протокол CAN

 

Конфигурация шины

CAN работает в соответствии с принципом многорежимного управления, при котором линейная структура шины подсоединяет не­сколько блоков управления равного приори­тета ранжирования.

Адресация по содержанию CAN использует адресацию по содержанию сообщений. Каждому сообщению присваива­ется метка-идентификатор, который класси­фицирует содержание сообщения (например, о частоте вращения коленчатого вала двига­теля). В каждой станции ведется обработка только тех сообщений, чьи идентификаторы накапливаются в приемочном списке сообщений. Это называется приемочной провер­кой (рис.3 «Адресация и проверка приемки»). Таким образом, CAN не требует адресов станции для передачи данных. Это облегчает адаптацию к различным уровням оборудования.

Логические состояния шины CAN

Протокол CAN основывается на двух логиче­ских состояниях: биты информации являются или «рецессивными» (логическое состояние 1), или «доминантными» (логическое со­стояние 0). Когда, по крайней мере, одной из станций передается доминантный бит, тогда перезаписываются рецессивные биты, одновременно посылаемые ото всех других станций.

Адресация и проверка приемки

Назначение приоритетов

Идентификатор присваивает адреса данным как содержания, так и приоритета посылае­мых сообщений. Идентификаторы, соответ­ствующие низким бинарным числам, исполь­зуют высокий приоритет и наоборот.

Арбитраж шины CAN

Каждая станция может начать передачу со­общения только после освобождения шины. Когда несколько станций начинают переда­вать сообщения одновременно, для разреше­ния создаваемых конфликтов доступа к шине используется арбитраж «wired-and» (монтаж­ное И). Сообщению с высшим приоритетом (наименьшим двоичным значением иденти­фикатора) присваивается право первого до­ступа, без задержек и потерь битов (рис.4 «Побитовый арбитраж»). Передатчики реагируют на невозможность получения доступа к шине путем автомати­ческого переключения в режим приема; за­тем ими повторяется попытка передачи, как только шина снова освобождается.

Фрейм данныхФрейм данных и формат сообщения Шина CAN поддерживает два разных фор­мата сообщений, различающихся только длиной идентификаторов. Стандартный формат включает 11 битов, в то время как расширенная версия состоит из 29 битов. Таким образом, рамка передачи данных со­держит максимум 130 битов стандартного или 150 битов расширенного формата. Это обеспечивает минимальное время ожидания до последующей передачи, которая может быть срочной. Фрейм данных состоит из семи последо­вательных полей (рис. 5 «Фрейм данных»). «Начало фрейма» показывает начало сообщения и синхронизирует все узлы.

Поле «арбитра» состоит из идентифи­катора сообщения и дополнительного кон­трольного бита. Во время передачи этого поля передающее устройство сопровождает передачу каждого бита проверкой о том, что сообщение более высокого приоритета, кото­рое могло бы аннулировать санкционирован­ный доступ, не передается. Контрольный бит определяет, будет ли сообщение классифи­цироваться как «фрейм данных» или «дис­танционный фрейм».

Поле «контроля» содержит код, показываю­щий количество байтов данных в поле «данных».

Поле «данных» содержит от 0 до 8 байтов. Сообщение длиной 0 данных может быть ис­пользовано для синхронизации распредели­тельных процессов.

Поле «CRC» (периодический резервный контроль) содержит контрольную сумму для обнаружения возможных помех при пере­даче.

Поле «АСК» (уведомление) содержит сигналы подтверждения, с помощью которых получа­тели подтверждают доставку сообщений.

«Конец фрейма» обозначает конец со­общения.

Затем идет «межфреймовый промежу­ток», отделяющий фрейм от следующего фрейма.

Инициация передатчика

Передатчик обычно инициирует передачу данных посредством отправки фрейма дан­ных. Однако приемник также может запро­сить данные от передатчика, отправив дис­танционный фрейм. Этот дистанционный фрейм имеет тот же идентификатор, что и со­ответствующий фрейм данных. Они различа­ются битом, стоящим после идентификатора.



Обнаружение ошибок

Контролирующими отличительными призна­ками ошибок являются:

  • 15-битовый CRC: (каждый приемник срав­нивает получаемую им последователь­ность CRC с вычисляемой последовательностью);
  • контроль: каждый передатчик считывает с шины собственное переданное сообщение и сравнивает каждый переданный и отска­нированный бит;
  • заполнение битами: (между началом фрейма и концом поля CRC каждого фрейма данных или дистанционного фрейма могут находиться максимум пять последовательных битов одной полярно­сти); передатчик реализует пять последовательных битов одной полярности путем вставки в поток битов бита противополож­ной полярности. После доставки сообще­ний получатели снова удаляют эти биты;
  • проверка фреймов: (протокол CAN со­держит несколько битовых полей со сме­шанным форматом для проверки всех станций).

Обработка ошибок

При обнаружении ошибки контроллер CAN прерывает текущую передачу отправкой сигнала ошибки, состоящего из шести доминантных битов; при этом происходит со­знательное нарушение условия наполнения битами и форматов.

Локализация неисправностей

Так как неисправные станции могут значи­тельно ухудшать нагрузочный режим шины, бортовые контроллеры связи могут включать механизмы, которые позволяют различать промежуточную и постоянную ошибки из-за неисправности местной станции. Этот про­цесс базируется на статистической оценке условий возникновения ошибок.

Варианты исполнения

Изготовители полупроводников предлагают различные варианты исполнения контрол­леров CAN, различающиеся в основном воз­можностями хранения и обработки сообще­ний. Таким образом, главный компьютер может быть освобожден от операций, свя­занных с протоколом.

Стандартизация

Шина CAN стандартизирована для обмена данными в автомобилях; для низкоскорост­ной передачи (до 125 кбит/с) — ISO 11898-3, для высокоскоростной передачи (более 125 кбит/с) — ISO 11898-2 и SAE J 1939 (грузовики и автобусы).

CAN с таймерным управлением

 

Расширенный протокол CAN с возможностью работы в режиме таймерного управления на­зывается «CAN с таймерным управлением» (TTCAN). В нем можно произвольно выбрать соотношение компонентов с таймерным управлением и компонентов с управлением событиями, поэтому он полностью совме­стим с сетями CAN. TTCAN стандартизируется в ISO 11898-4.

В следующей статье я расскажу о автомобильной навигации.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *