Шина CAN – Введение

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.

В современных машинах используются электронные блоки управления (ЭБУ, ECU - Electronic Control Unit) для контроля и управления различными системами машины, такими как гидравликой, коробкой передач и двигателем.
Аналогично тому, как компьютеры могут быть соединены в одну сеть, блоки управления в машине тоже можно объединить.

Преимущества сетевого соединения:

• Более чувствительная система управления
• Получение более полных и надежных данных
• Обнаружение неисправностей и управление настройками производится средствами программного обеспечения.

Например, ЭБУ двигателя может обмениваться с другими ЭБУ машины по системе сети CAN .

Система CAN :Controller Area Network - сеть контроллеров. CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время получил широкое применение в автомобильной, авиационной, тракторостроительной и других видах промышленности.

Электронная система связи CAN, которая объединяет все блоки управления машиной в сеть с общим кабелем(шиной) и состоящая из одной пары проводов, называется шиной CAN. Закодированные данные посылаются от блоков управления на шину CAN.

Рисунок - CAN шина из 4-х блоков управления.

Выше показана шина CAN, состоящая из 4-х блоков управления. На концах общего кабеля (шины) устанавливается согласующие сопротивления (терминаторы, резисторы) Обычно сопротивление каждого резистора составляет 120 Ом. Применение согласующих резисторов на концах системы позволяет избежать отражение сигнала в конце линии тем самым обеспечивая нормальную работу всей CAN сети.

Передача сигналов в шине CAN осуществляется посредством двух скрученных между собой проводов (витая пара, Twisted Pair) Применение витой пары проводов, обусловлено дифференциальной передачей данных и высокой защитой такого решения от внешних помех.

В нашем случае блок №2 отправляет один сигнал по двум витым проводам в шину CAN, причем у этого сигнала будет различное напряжение на каждом проводе витой пары. Другие блоки в сети читают сигнал и определяют какому блоку оно предназначено и какую команду нужно выполнить (Блоки №1 и №4)

Передача одного и того же сигнала на два провода (CAN High и CAN low) с разным напряжением происходит методом "дифференциальной передачи данных". В состоянии покоя напряжение на проводе CAN High и CAN low составляет 2,5 В. Такое состояние называется "рецессивное" и упрощенно соответствует значению бита "0" При переходе в активное "доминантное" состояние (такое состояние может создать любой элемент сети) напряжение на проводе CAN High будет повышаться не меньше чем на 1 В до 3,5 В, а CAN low понижаться - тоже на 1 В до 1,5В. Чтобы "понимать" разницу напряжений между CAN High и CAN low, каждый блок управления подключается к шине CAN через трансивер, где происходит преобразование разности напряжений U CAN Hi и U CAN Lo в итоговое напряжение U DIFF . Разница между CAN High и CAN low будет 2В и будет восприниматься принимающими блоками управления как значение бита, равное "1". Такая "дифференциальная передача" сигнала, исключает влияние базового напряжения 2,5 В и другие скачки напряжений из-за различных помех на работу блоков управления. Например, происходит просадка напряжения в бортовой сети на 1,5 В из-за включения мощного потребителя в сеть: U CAN Hi и U CAN Lo в состоянии покоя 2,5 -1,5 = 1 В (U DIFF = 1 - 1 = 0 - Значение бита "0") Разница, при переходе в доминантное состояние U CAN Hi = 2,5 +1 -1,5 = 2 В; U CAN Lo =2,5 -1 -1,5 = 0 В. Итого U DIFF = 2 - 0 = 2 В (Значение бита "1"), даже такая нереальная просадка не повлияла на работу.

Рисунок - Принцип линии CAN

Так происходит передача сигналов по шине CAN. Сами эти сигналы представляют собой "кадры" (сообщения), которые принимаются всеми элементами сети CAN. Полезная информация в кадре состоит из идентификационного поля (идентификатора) длиной 11 бит (стандартный формат) или 29 бит (расширенный формат, надмножество предыдущего) и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификационное поле говрит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами. Также в кадре (сообщении) помимо полезной информации содержится служебная информация. Она представлена полями проверки, полем отзыва и другим полями. В конце кадра содержится "поле конец сообщения"

В шине CAN сообщения от блоков управления должны передаваться в общую шину, то для исключения конфликтов между блоками, каждый узел перед отправкой кадра проверяет сеть на передачу доминантного бита. Устройство передающее доминантный бит считается приоритетным. Таким образом устройство будет дожидаться освобождения линии CAN. С одной стороны такой алгоритм работы повышает быстродействие, но с другой при неправильной работе одного из блоков управления возможна полная "загрузка" CAN шины и невозможность отправки сообщении другими блоками, элементами сети CAN (Линия для них будет всегда занята).

Рисунок -Структура сообщения

Напоследок пример работы:

Переключением кнопки инициируем команду блока управления №1 передачу сообщений в шину CAN. Блок №2 получает сообщение и расшифровав в сообщении что кадр пришел для него с командой включить свет. Подается бортовое напряжение на потребитель.

Рисунок - Принцип коммуникации через CAN

Вот такой принцип работы шины CAN без конкретных углублений. Также стоит отметить, что шина CAN может иметь свои особенности, зависящее от области применения и фирмы производителя. В статье я рассказал о наиболее часто встречающейся шине CAN, которую можно встретить в современных грузовых и легковых автомобилях, тракторах и разнообразной спец технике.

Современный автомобиль оснащен электронными блоками управления различных систем: двигателя, антиблокировочной системы тормозов, кузова и другими. По-существу, эти блоки представляют собой микрокомпьютеры.

Для того, чтобы понять что такое CAN-шина в автомобиле, представьте что в машине организована локальная сеть, к которой подключены эти микрокомпьютеры — чтобы они работали в комплексе.

Это подобно тому, как в сеть объединяются офисные компьютеры, для того чтобы сотрудники могли без проблем брать информацию друг от друга, а начальник имел возможность оперативно контролировать работу офисных сотрудников.

В качестве начальника в автомобиле выступает бортовой компьютер и система диагностики.

История разработки и унификации Controller Area Network

Компания BOSCH, производя исследования в области автоматизации в 80-х годах прошлого века, предложила стандарт микроконтроллерной связи, который можно было применять и в автомобилестроении.

Стандарт CAN применяется не только в автомобилях. В настоящее время его используют в концепции «умный дом», промышленной автоматике и т.д.

Применительно к автомобильной технике стандарт CAN (Controller Area Network) адаптирован к шине с физическим уровнем. Она организована при помощи витой пары проводников, по которым идут пакеты сигналов разной полярности.

Такой стандарт получил международную классификацию ISO 11898. Кадр (пакет) включает 11-битный информационный сигнал (либо 29-битный в расширенном режиме).

В общем, CAN-шина не обязательно может быть реализована при помощи витой пары проводников. Это может быть и оптоволокно, и радиоканал.

Можно предположить, что с введением беспилотных транспортных средств CAN-шина трансформируется в мобильный интерфейс передачи информации одного, а возможно, и комплекса автомобилей.

CAN-шина автомобиля: что это такое и её принцип работы

Шина представляет собой локальную сеть, при помощи которой производится обмен информацией между блоками управления различными системами автомобиля. Таким образом, блок управления, например, двигателя автомобиля, помимо основного микроконтроллера, обслуживающего двигатель, предполагает наличие CAN-контроллера, который формирует посылки импульсов по двум шинам: CAN-высокий и CAN-низкий (Н и L).

Эти сигналы передаются по проводникам (витой паре) трансивером. Трансиверы, или приемо-передатчики, предназначены для:

• усиления сигналов,
• обеспечения помехозащищенности передаваемых импульсов;
• регулировки скорости передачи цифрового потока;
• защиты линии в случае повреждения CAN-шины.

Сейчас в автомобильной технике применяют следующие виды приемо-передатчиков — High Speed и Fault Toleran. High Speed трансмиттер обеспечивает относительно высокую скорость передачи информации – до 1 мегабит в секунду. Второй тип трансмиттера обладает меньшей скоростью передачи информации – до 120 килобит в секунду. Зато он менее чувствителен (толерантен к ошибкам) к качеству CAN-шины, допускает отклонение ее параметров.

Схема организации обмена данными

Структурно схему подключения различных блоков автомобиля к CAN-шине можно изобразить в таком виде:

Для согласования всех устройств, то есть организации оптимальных условий и скорости приемо — передачи, выходные сопротивления трансмиттеров должны быть приблизительно одинаковы.

В случае отключения или повреждения каких-либо из блоков управления систем автомобиля, сопротивление шины изменяется, нарушается согласование по сопротивлению, которое приводит к значительному уменьшению скорости передачи информации по шине. Такие нарушения могут привести к полной потере связи по CAN-шине.

На некоторых автомобилях для устранения проблем с синхронизацией CAN-информации применяется отдельный модуль межсетевого интерфейса.

Каждое сообщение, передаваемое по CAN-шине, имеет собственный идентификатор, например «температура охлаждающей жидкости» и код, соответствующий ее значению, типа «98,7 градусов Цельсия». Не обязательно это будут абсолютные значения, в большинстве случаев это относительные двоичные единицы, которые далее преобразуются в сигналы управления и контроля.

Эти же данные используют средства диагностики для контроля и обработки информации об основных системах автомобиля.

Основные режимы работы CAN-шины:

• активный (зажигание включено);
• спящий (при выключенном зажигании);
• пробуждение и засыпание (при включении и выключении зажигания).

Во время спящего режима ток потребления шины минимальный. Однако при этом по шине (с меньшей частотой) передаются сигналы о состоянии открытия дверей и окон, других систем, связанных с охранными функциями автомобиля.

В большинстве современных диагностических устройств предусмотрен режим диагностирования ошибок по CAN-шине. Технически это организовано непосредственным подключением проводников к диагностическому разъему.

Преимущества и недостатки применения КАН-шины в автомобиле

Начать следует с того, что, если бы в 80-х годах прошлого века не был предложен стандарт CAN, его место обязательно занял другой вид взаимодействия систем автомобиля.

Можно, конечно, разместить все блоки управления системами автомобиля в едином суперблоке, в котором программно обеспечить взаимодействие разных систем. Такие попытки были у французских производителей. Однако, с увеличением функциональности и производительности значительно увеличивается вероятность отказов. Сбои, например, дворников, могут привести к отказу запуска двигателя.

Основные преимущества применения CAN-шины:

• возможность проведения оперативного контроля и ;
• объединение потоков информации в едином помехозащищенном канале;
• универсальность, способствующая унификации процессов диагностирования;
• возможность подключения охранных систем по CAN-шине (нет необходимости тянуть проводку к каждому элементу контроля).

Недостатки CAN-шины:

• невысокая надежность;
• повреждение одного из блоков управления может привести к полной неработоспособности CAN-соединения.

Устранение неисправностей

На приборной панели автомобиля отсутствует индикаторная лампа неисправности CAN. Судить о том, что работоспособность CAN-шины нарушается, можно по косвенным показателям:

• на приборной панели одновременно загорелись несколько индикаторных ламп неисправностей;
• пропали показатели температуры охлаждающей жидкости, уровни топлива;

Прежде всего, следует выполнить диагностику. Если она покажет на неисправность CAN-шины, следует приступить к устранению проблемы.

Последовательность работ:

1. Найти проводники витой пары шины. Часто они имеют черный (высокий уровень) и оранжево-коричневый (низкий) цвета.
2. Проверить при включенном зажигании с помощью мультиметра напряжения на проводниках. Уровни не должны быть равны 0 или более 11 Вольт (обычно около 4,5 Вольта).
3. Выключить зажигание, снять клемму аккумуляторной батареи. Измерить сопротивление между проводниками. Если оно будет стремиться к нулю, значит, в шине присутствует короткое замыкание, если к бесконечности – обрыв.
4. Приступить к поиску обрыва или короткого замыкания.
5. Если есть подозрение на то, что замыкание шины происходит по причине отказа какого-либо блока управления, можно последовательно отключать блоки управления и контролировать сопротивление и работоспособность шины.

Неисправность CAN-шины относится к сложным неисправностям электрооборудования автомобиля. Если у автовладельца нет необходимых навыков ремонта электрики, то лучше воспользоваться услугами специалиста.

Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.

Ariel Nuñez
Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.


Рисунок 1: Как при помощи приложения управлять ключевыми функциями автомобиля?
Недавно я вместе со своими друзьями из компании Voyage работал над реализацией программного управления системой кондиционирования в Ford Fusion. На данный момент Voyage занимается разработкой бюджетных самоуправляемых автомобилей. Конечная цель: чтобы каждый смог вызвать автомобиль к своей входной двери и безопасно путешествовать туда, куда вздумается. В компании Voyage считают крайне важной возможностью предоставление доступа к ключевым функциям автомобиля с заднего кресла, поскольку не за горами тот день, когда работа водителя будет полностью автоматизирована.
Зачем нужна шина CAN
Современные автомобили используют множество систем управления, которые во многих случаях функционируют подобно микро-службам в веб-разработке. Например, подушки безопасности, тормозные системы, регулирование скорости движения (круиз контроль), электроусилитель руля, аудиосистемы, управление окнами и дверями, подстройка стекл, системы зарядки для электрических автомобилей и т. д. Эти системы должны уметь осуществлять коммуникацию и считывать параметры друг друга. В 1983 в компании Bosch началась разработка шины CAN (Controller Area Network; Локальная сеть контролеров) для решения этой сложной задачи.
Можно сказать, что шина CAN представляет собой простую сеть, где каждая система автомобиля может считывать и отсылать команды. Эта шина интегрируется все сложные компоненты элегантным образом, что дает возможность реализовать всеми любимые функции автомобиля, которыми мы пользуемся.


Рисунок 2: Впервые шина CAN стала использоваться в 1988 году в БМВ 8 серии
Самоуправляемые автомобили и шина CAN
Поскольку интерес к разработке самоуправляемых автомобилей серьезно вырос, соответственно, словосочетание «шина CAN» также становится популярным. Почему? Большинство компаний, создающих самоуправляемых автомобилей, не занимаются производством с нуля, а пытаются научиться программно управлять машинами после выхода с конвейера фабрики.
Понимание внутреннего устройства шины CAN, используемой в автомобиле, позволяет инженеру формировать команды при помощи программного обеспечения. Самые нужные команды, как вы можете догадаться, связаны с управлением рулем, ускорением и торможением.


Рисунок 3: Введение в LIDAR (ключевой сенсор самоуправляемого автомобиля)
При помощи сенсоров наподобие LIDAR (light detecting and ranging; оптическая локационная система) машина способна смотреть на мир как суперчеловек. Затем компьютер внутри автомобиля на базе полученной информации принимает решения и посылается команды в шину CAN для управления рулем, ускорение и торможением.
Не каждый автомобиль способен стать самоуправляемым. И по некоторым причинам компания Voyage выбрала модель Ford Fusion (подробнее о причинах можно почитать в этой статье).
Исследование шины CAN в Ford Fusion
Перед началом исследования систем кондиционирования воздуха в Ford Fusion я открыл мою любимую книгу The Car Hacker’s Handbook . Перед погружением в суть вопроса заглянем в Главу 2 , где описываются три важные концепции: протоколы шины, шина CAN и CAN-фреймы.
Шина CAN
Шина CAN начала использоваться в американских легковых машинах и небольших грузовиках с 1994 года и с 2008 года в обязательном порядке (в европейских автомобилях с 2001 года). В этой шине предусмотрено два провода: CAN high (CANH) и CAN low (CANL). Шина CAN использует дифференциальный сигналинг, суть которого заключается в том, что при поступлении сигнала на одном проводе вольтаж повышается, а на другом понижается на одну и ту же величину. Дифференциальный сигналинг используется в средах, которые должны быть малочувствительны к шуму, например, в автомобильных системах или при производстве.


Рисунок 4: Необработанный сигнал шины CAN, отображаемый на осциллографе
С другой стороны, пакеты, передаваемые по шине CAN, не стандартизированы . Каждый пакет содержит 4 ключевых элемента:

• Арбитражный ID (Arbitration ID ) представляет собой широковещательно сообщение, идентифицирующее устройство, которое пытается начать коммуникацию. Любое устройство может отсылать несколько арбитражных ID. Если в единицу времени по шине отсылаются два CAN-пакета, пропускается тот, у которого ниже арбитражный ID.
• Расширение идентификатора (Identifier extension ; IDE ) – в случае с шиной CAN стандартной конфигурации этот бит всегда равен 0.
• Код длины данных (Data length code ; DLC ) определяет размер данных, который варьируется от 0 до 8 байт.
• Данные. Максимальный размер данных, переносимых стандартной шиной CAN, может быть до 8 байт. В некоторых системах происходит принудительное дополнение пакета до размера 8 байт.

Рисунок 5: Формат стандартных CAN-пакетов
CAN фреймы
Для того чтобы включить / выключить климатическую систему мы должны найти нужную шину CAN (в автомобиле таких шин несколько). В Ford Fusion есть как минимум 4 задокументированные шины. 3 шины работают на высокой скорости 500 кбит/с (High Speed CAN; HS) и 1 шина на средней скорости 125 кбит/с (Medium Speed CAN; MS).
К порту OBD-II подключено две высокоскоростные шины HS1 и HS2, однако там стоит защита, которая не позволяет подделывать команды. Вместе с Аланом из компании Voyage мы вынули порт OBD-II и нашли места соединения со всеми шинами (HS1, HS2, HS3 и MS). На задней стенке OBD-II все шины подключались к модулю шлюза (Gateway Module).


Рисунок 6: Homer – первое самоуправляемое такси от компании Voyage
Поскольку климатическая система управляется через медиа-интерфейс (SYNC), нам придется отсылать команды через среднескоростную шину (MS).
Чтение и запись CAN-пакетов осуществляется при помощи драйвера и сетевого стека SocketCAN , созданного исследовательским отделом компании Volkswagen для ядра в Linux .
Мы будем подсоединять три провода от машины (GND, MSCANH, MSCANL) к переходнику Kvaser Leaf Light HSv2 (можно купить за 300$ на Амазоне) или к CANable (продается за 25$ на Tindie) и загружать на компьютере со свежим Linux-ядром шину CAN в качестве сетевого устройства.

Modprobe can
modprobe kvaser_usb
ip link set can0 type can bitrate 1250000
ifconfig can0 up

После загрузки запускаем команду candump can0 и начинаем отслеживать трафик:

Can0 33A 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 415 00 00 C4 FB 0F FE 0F FE can0 346 00 00 00 03 03 00 C0 00 can0 348 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F8 00 can0 3E0 00 00 00 00 80 00 00 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 34E 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 358 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 3A4 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 216 00 00 00 00 82 00 00 00 can0 3AC FF FF FF FF FF FF FF FF can0 415 00 00 C8 FA 0F FE 0F FE can0 083 00 00 00 00 00 01 7E F4 can0 2FD D4 00 E3 C1 08 52 00 00 can0 3BC 0C 00 08 96 01 BB 27 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 3BE 00 20 AE EC D2 03 54 00 can0 333 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 42A D6 5B 70 E0 00 00 00 00 can0 42C 05 51 54 00 90 46 A4 00 can0 33B 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 42E 93 00 00 E1 78 03 CD 40 can0 42F 7D 04 00 2E 66 04 01 77 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 3E7 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 216 00 00 00 00 82 00 00 00 can0 415 00 00 CC F9 0F FE 0F FE can0 3A5 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 3AD FF FF FF FF FF FF FF FF can0 50B 1E 12 00 00 00 00 00 00

Несмотря на то, что вышеуказанная информация эквивалентна амплитуде звукового сигнала, довольно трудно понять, что происходит, и обнаружить какие-либо закономерности. Нам нужно нечто похожее на частотный анализатор, и такой эквивалент есть в виде утилиты cansniffer. Cansniffer показывает список идентификаторов и позволяет отслеживать изменения в секции данных внутри CAN-фрейма. По мере того как мы будем изучать определенные идентификаторы, мы можем установить фильтр нужных ID, которые имеют отношение к нашей задаче.
На рисунке ниже показан пример информации, снятой при помощи cansniffer с шины MS. Мы отфильтровали все, что имеет отношение к идентификаторам 355, 356 и 358. После нажатия и отпускания кнопок, связанных с подстройкой температуры, в самом конце появляется значение 001C00000000.


Рисунок 7: Информация с шины MS, снятая при помощи утилиты cansniffer
Далее необходимо объединить функционал для управления климатической системой с компьютером, работающим внутри автомобиля. Компьютер работает на операционной системе ROS (Robot Operating System; Операционная система для роботов). Поскольку мы используем SocketCAN, то модуль socketcan_bridge серьезно упрощает задачу по преобразованию CAN-фрейма в блок информации, понимаемый операционной системой ROS.
Ниже показан пример алгоритма декодирования:

If frame.id == 0x356:
raw_data = unpack("BBBBBBBB", frame.data)
fan_speed = raw_data / 4
driver_temp = parse_temperature(raw_data)
passenger_temp = parse_temperature(raw_data)

Полученные данные хранятся в CelsiusReport.msg:

Bool auto
bool system_on
bool unit_on
bool dual
bool max_cool
bool max_defrost
bool recirculation
bool head_fan
bool feet_fan
bool front_defrost
bool rear_defrost string driver_temp
string passenger_temp

После нажатия всех нужных кнопок в машине, у нас появляется следующий список:

CONTROL_CODES = {
"ac_toggle": 0x5C,
"ac_unit_toggle": 0x14,
"max_ac_toggle": 0x38,
"recirculation_toggle": 0x3C,
"dual_temperature_toggle": 0x18,
"passenger_temp_up": 0x24,
"passenger_temp_down": 0x28,
"driver_temp_up": 0x1C,
"driver_temp_down": 0x20,
"auto": 0x34,
"wheel_heat_toggle": 0x78,
"defrost_max_toggle": 0x64,
"defrost_toggle": 0x4C,
"rear_defrost_toggle": 0x58,
"body_fan_toggle": 0x04,
"feet_fan_toggle": 0x0C,
"fan_up": 0x2C,
"fan_down": 0x30,
}

Затем эти строки отсылаются на узел под управлением операционной системы ROS и далее происходит трансляция в коды, понимаемые автомобилем:

Rostopic pub /celsius_control celsius/CelsiusControl ac_toggle

Заключение
Теперь мы можем создавать и посылать те же самые коды в шину CAN, которые формируются при нажатии физических кнопок, связанных с повышением и понижением температуры, что дает возможность удаленного изменения температуры автомобиля при помощи приложения, когда мы находимся на заднем сидении автомобиля.


Рисунок 8: Удаленное управление климатической системой автомобиля
Это лишь небольшой шаг при создании самоуправляемого такси вместе со специалистами компании Voyage . Я получил массу положительных эмоций во время работы над этим проектом. Если вы тоже интересуетесь этой темой, можете ознакомиться со списком вакансий в компании Voyage.

Диагностика и ремонт: CAN - шина

21.02.2006

Именно так выглядит (в основном) та самая "шина CAN", с которой в последнее время нам придется сталкиваться все чаще и чаще:

фото 1

Это обыкновенный двухпроводной кабель получивший название Twisted Pair.
На приведенном фото 1 показаны провода CAN High и CAN Low силового агрегата.
По этим проводам производится обмен данными между блоками управления, они могут нести информацию о скорости автомобиля, скорости вращения коленчатого вала, угле опережения зажигания и так далее.
Обратите внимание, что один из проводов дополнительно помечен черной полоской. Именно таким образом отмечается и визуально определяется провод CAN High (оранжево-черный).
Цвет провода CAN-Low - оранжево-коричневый.
За основной цвет шины CAN принят оранжевый цвет.

На рисунках и чертежах принято изображать цвета проводов шины CAN другими цветами, а именно:

фото 2

CAN-High - желтым цветом
CAN-Low - зеленым цветом

Всего существует несколько разновидностей шин CAN, определяемых выполняемыми ими функциями:
Шина CAN силового агрегата (быстрый канал ).
Она позволяет передавать информацию со скоростью)500 кбит/с и служит для связи между блоками управления (двигатель - трансмиссия)
Шина CAN системы "Комфорт" (медленный канал ).
Она позволяет передавать информацию со скоростью100 кбит/с и служит для связи между блоками управления, входящими в систему "Комфорт".
Шина данных CAN информационно- командной системы (медленный канал ), позволяющая передавать данные со скоростью 100 kBit/s. Обеспечивает связь между различными обслуживающимисистемами ( например,телефонной и навигационной системами) .

Новые модели автомобилей все более становятся похожими на самолеты - по количеству заявленных функций для безопасности, комфорта и экологичности. Блоков управления становится все больше и больше и "тянуть" от каждого грозди проводов - нереально.
Поэтому кроме шины CAN уже существуют другие шины, получившие названия:
– шина LIN (однопроводная шина)
– шина MOST (оптоволоконная шина)
– беспроводная шина Bluetooth

Но не будем "расплываться мыслью по древу", заострим наше внимание пока что на одной конкретной шине: CAN (по взглядам корпорации BOSCH).

На примере шины CAN силового агрегата можно посмотреть форму сигнала:

Фото 3

Когда на High шине CAN доминантное состояние, то напряжение проводе повышается до 3.5 вольт.
В рецессивном состоянии напряжение на обоих проводах равняется 2.5 вольта.
Когда на проводе Low доминантное состояние, то напряжение падает до 1.5 вольта.
("Доминанта" - явление, доминирующее, главенствующее или господствующее в какой-либо сфере,- из словарей).

Для повышения надежности передачи данных, в шине CAN применяется дифференциальный способ передачи сигналов по двум проводам, имеющим название Twisted Pair. А провода, которые образуют эту пару, называются CAN High и CAN Low.
В исходном состоянии шины на обоих проводах поддерживается постоянное напряжение на определенном (базовом) уровне. Для шины CAN силового агрегата оно приблизительно равняется 2.5 вольта.
Такое исходное состояние называется "состоянием покоя" или "рецессивом".

Каким образом передаются и преобразуются сигналы по CAN шине?

Каждый из блоков управления подсоединен к CAN шине посредством отдельного устройства под названием трансивер, в котором имеется приемник сигналов, представляющий собой дифференциальный усилитель, установленный на входе сигналов:

фото 4

Поступающие по проводам High и Low сигналы, поступают в дифференциальный усилитель, обрабатываются и поступают на вход блока управления.
Эти сигналы представляют собою напряжение на выходе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель формирует это выходное напряжение как разность между напряжениями на проводах High и Low шины CAN.
Таким образом исключается влияние величины базового напряжения (у шины CAN силового агрегата оно равно 2,5 В) или какого либо напряжения, вызванного, например, внешними помехами.

Кстати, насчет помех. Как говорят, "шина CAN довольно устойчива к помехам, поэтому она нашла такое широкое применение".
Попробуем разобраться с этим.

Провода шины CAN силового агрегата расположены в моторном отсеке и на них могут воздействовать помехи различного порядка, например, помехи от системы зажигания.

Так как шина CAN состоит из двух проводов, которые перекручены между собой, то помеха одновременно воздействует на два провода:

Из вышеприведенного рисунка видно, что происходит далее: в дифференциальном усилителе напряжение на проводе Low (1,5 В – " Pp") вычитается из напряжения
на проводе High (3,5 В – " Pp") и в обработанном сигнале помеха отсутствует (" Pp" - помеха).

Примечание: По наличию времени статья может иметь продолжение - много еще остается "за кадром".

Кучер В.П.
© Легион-Автодата

Вас также может заинтересовать: