Can протокол с несколькими узлами. Арбитраж шины CAN. Методы обнаружения ошибок

Полевая шина CAN (Controller Area Network) характеризуется высокими скоростью передачи данных и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. Не удивительно, что благодаря этому CAN сегодня широко используется в таких областях, как автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленная автоматика, авиация, системы доступа и контроля. По данным ассоциации CiA (CAN in Automation, www.can-cia.de), в настоящее время в эксплуатации находится около 300 млн CAN-узлов по всему миру. В Германии CAN-шина занимает первое место по популярности среди остальных полевых шин. В данной статье приводится общее описание и технические характеристики CAN-шины и описывается логика ее работы. Кроме того, приводится описание встроенных модулей CAN, автономных контроллеров на примере микроконтроллеров (МК) Infineon, трансиверов и дросселей. Рассматриваются средства разработки устройств с CAN-шиной.

Характеристики протокола CAN Преимущества CAN

Общая тенденция в области автоматизации состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностики ошибок и проблемами с надежностью. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для многоконтроллерных систем. Рассмотрим более подробно преимущества CAN и причины, по которым CAN приобретает все большее распространение.

Испытанный стандарт. Протокол CAN активно используется уже более 20 лет, что очень важно для таких консервативных областей как железнодорожный транспорт или судостроение. CAN был разработан в 1980 г. фирмой Robert Bosch для автомобильной промышленности. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений. Низкая стоимость определяется хорошим соотношением цена/производительность, также широкой доступностью CAN-контроллеров на рынке. Надежность определяется линейной структурой шины и равноправностью ее узлов, так называемой мультимастерностью (Multi Master Bus), при которой каждый узел CAN может получить доступ к шине. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Одновременный прием очень важен для синхронизации в системах управления. Отказавшие узлы отключаются от обмена по шине.

Высокая помехоустойчивость достигается благодаря подавлению синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком, работе встроенных механизмов обнаружения ошибок (одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), повтору ошибочных сообщений, отключению неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.

Гибкость достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов не лимитировано протоколом нижнего уровня. Адресная информация содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом, по которому осуществляется арбитраж. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует также отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала и арбитраж, не разрушающий структуру сообщений при конфликтах. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от дешевой витой пары до оптоволоконной линии связи.

Работа в реальном времени становится возможной благодаря механизмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с), быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной сообщения от 0 до 8 байт.

Приложения CAN

CAN является идеальным решением для любого приложения, где микроконтроллеры обмениваются сообщениями друг с другом и с удаленными периферийными устройствами. Изначально CAN использовался в автомобилях для обеспечения критичного по времени управления и обмена информацией между двигателем и коробкой передач при гарантированном времени ожидания сообщения и допуске каждого из участников сети к работе с текущими данными. Наряду с достаточно дорогими высокоскоростными решениями существуют и экономичные решения для подключения к сети инерционных устройств, которые работают в шкале времени сотен микросекунд (система управления дверьми, подъемник окна, управление зеркалом). При этом мощные жгуты электрических проводов заменяются двухпроводной CAN-сетью, узлами которой являются, в том числе, тормозные огни и указатели поворота.

Широкое применение CAN нашел в промышленной автоматике, где имеется большое число устройств управления, датчиков, механизмов, электроприводов и других объектов, которые связаны единым технологическим циклом (системы отопления и кондиционирования, насосы, конвейеры, лифты, эскалаторы, транспортеры и т. д.). Важной особенностью таких систем является возможность диагностики и управления объектами, расположенными на большой территории, по адаптивным алгоритмам. В результате достигается существенное уменьшение потребляемой мощности, шума, износа оборудования. Подобная картина наблюдается и в железнодорожных бортовых системах, где решающую роль играет обмен данными между подсистемами при наборе скорости, торможении, управлении дверьми и диагностике.

Физический уровень

Физический уровень CAN-шины представляет собой соединение «монтажное И» между всеми устройствами, подключенными к ней. Дифференциальные сигнальные линии называются CAN_H и CAN_L и в статическом состоянии находятся под потенциалом 2,5 В. Лог. 1 (рецессивный бит) обозначает состояние шины, при котором уровень на линии CAN_H выше, чем уровень CAN_L. При лог. 0 (доминантный бит) уровень на линии CAN_H ниже, чем уровень CAN_L. Принято следующее соглашение о состоянии шины: пассивное состояние шины соответствует уровню лог. 1, а активное - уровню лог. 0. Когда сообщения не передаются по шине, она находится в пассивном состоянии. Передача сообщения всегда начинается с доминантного бита. Логика работы шины соответствует «проводному И»: доминантный бит «0» подавляет рецессивный бит «1» (рис. 1).

Рис. 1. Логика работы CAN шины

При физической реализации конкретного проекта с CAN необходимо определить свойства шины и ее узлов: где располагаются обрабатывающие устройства, какими свойствами они обладают, какие датчики и исполнительные механизмы присутствуют в системе, являются они интеллектуальными или нет, что можно сказать об их физическом расположении. В зависимости от условий эксплуатации могут использоваться однопроводная линия (в пределах печатной платы), двухпроводная линия, витая пара или волоконно-оптическая линия. При дифференциальном методе формирования сигналов двухпроводная линия позволяет значительно повысить помехоустойчивость. При использовании дифференциальных напряжений CAN-сеть продолжает функционировать в чрезвычайно шумной среде или при обрыве одной из сигнальных линий. Даже при простой витой паре дифференциальные входы CAN эффективно нейтрализуют шум.

Максимальная скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с при длине шины 40 м и около 40 Кбит/с при длине шины 1000 м.

Арбитраж узлов CAN-шины

CAN имеет много уникальных свойств, отличающих его от других шин. В протоколе CAN осуществляется посылка сообщений по общей CAN-шине, при этом отсутствуют адреса отправителя и получателя сообщения. Каждый узел постоянно «просматривает» шину и осуществляет локальную фильтрацию при приеме, используя битовые маски, и решает, какие сообщения извлекать из шины.

В результате узел принимает и обрабатывает только те сообщения, которые предназначены именно для него.

Каждое сообщение имеет свой приоритет, значение которого содержится в идентификаторе сообщения. Кроме того, идентификаторы используются для обозначения типа сообщения. Сообщению с младшим номером идентификатора соответствует высший приоритет; наивысшим приоритетом обладает сообщение с идентификатором, состоящим полностью из нулей. Передача сообщения начинается с отправки на шину идентификатора. Если доступ к шине требуют несколько сообщений, то сначала будет передано сообщение с наиболее высоким приоритетом, то есть с меньшим значением идентификатора, независимо от других сообщений и текущего состояния шины. Каждый узел перед передачей сообщения проверяет, работает ли узел с более высоким приоритетом. Если да, то он возвращается в состояние приемника и пытается передать сообщение в другое время. Это свойство имеет особое значение при использовании в системах управления реального времени, поскольку значение приоритета жестко определяет время ожидания.

Если передача узла А приостанавливается узлом B, посылающим сообщение с более высоким приоритетом, то, как только шина освободится, будет сделана другая попытка передачи сообщения от узла A. Этот принцип получил название CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (общий доступ с опросом/предотвращение конфликтов). Такой режим в отличие от Ethernet не позволяет конфликтующим узлам в шине выяснять отношения, а сразу выявляет победителя и сокращает время обмена.

Итак, благодаря арбитражу шины сообщение с высшим приоритетом передается первым, обеспечивая функционирование системы в реальном масштабе времени и быструю передачу информации. Распределение приоритетов между различными типами сообщений задается разработчиком при проектировании сети.

Формат сообщений

Если не учитывать процедуру повтора сообщения, принятого с ошибкой, существует два вида связи между узлами: один узел передает информацию, а другой получает, или узел A запрашивает узел B о данных и получает ответ.

Рис. 2. Кадр данных (Data Frame)

Для передачи данных служит кадр данных - Data Frame (рис. 2), который содержит:

• идентификатор, указывающий на тип сообщения («скорость_двигателя», «температура_масла») и на приоритет доступа к шине. Поле идентификатора содержит различное количество бит в зависимости от разновидности протокола: в стандартном формате CAN V2.0A предусмотрен 11-разрядный идентификатор, а в расширенном CAN V2.0B - 29-разрядный;
• поле данных, содержащее соответствую-щее сообщение («скорость_двигателя»= 6000 об/мин, «температура_масла»=110 °C) длиной до восьми байт;
• два байта контрольной суммы - Cyclic Redundancy Check (CRC) для выявления и коррекции ошибок передачи.

Для запроса информации узел CAN использует кадр запроса данных Remote Frame (рис. 3), который содержит:

• идентификатор, определяющий тип запрашиваемой информации («скорость_ двигателя», «температура_масла») и приоритет сообщения;
• два байта контрольной суммы CRC .

Рис. 3. Кадр запроса данных Remote Frame

В этом случае за идентификатором не следуют данные и код длины данных не имеет прямого отношения к количеству байт данных. Узел, которому предложено передать информацию (датчик температуры масла), передает кадр данных, содержащий требуемую информацию. Таким образом, если узел А направляет узлу В кадр запроса с идентификатором «температура_масла», то узел В опрашивает датчик температуры и направляет узлу А кадр данных, содержащий идентификатор «температура_масла» и требуемую информацию.

Дополнительная информация, содержащаяся в кадре, позволяет определить формат и синхронизацию протокола передачи сообщения и тип посылки:

• какое сообщение послано - запрос о данных или собственно данные определяют бит удаленного запроса передачи (RTR для 11-разрядного идентификатора и SRR для 29-разрядного);
• код длины данных, сообщающий, сколько байтов данных содержит сообщение; все узлы принимают кадр данных, но те из них, которым эта информация не нужна, ее не сохраняют;
• для обеспечения синхронизации и контроля кадр содержит поля начала кадра Start of Frame, конца кадра End of Frame и подтверждения Acknowledgement Field;
• вход в режим синхронизации на шине осуществляется первым битом поля Start of Frame, далее синхронизация поддерживается фронтом при смене уровня посылаемых битов;
• используется механизм битстаффинга - вставка дополнительного бита при следующих подряд пяти нулях или единицах.

Обнаружение ошибок

Сигнализация об ошибках происходит путем передачи кадра ошибки Error Frame. Он инициируется любым узлом, обнаружившим ошибку. CAN-контроллеры используют метод статистической обработки ошибок. Каждый узел содержит счетчики ошибок при передаче и приеме Transmit Error Counter и Receive Error Counter. Если передатчик или приемник обнаруживают ошибку, значение соответствующего счетчика увеличивается. Когда значение счетчика превышает некоторый предел, текущая передача прерывается. Узел выдает сигнал об ошибке в виде Error Frame, где выставляет активный доминантный флаг ошибки длиной 6 бит. После этого узел, передача которого была прервана, повторяет сообщение. Ненадежным или частично поврежденным узлам разрешено посылать лишь пассивный рецессивный флаг ошибки.

В CAN существует несколько разновидностей ошибок. Из них три типа на уровне сообщений:

• CRC Error - ошибка контрольной суммы (при несовпадении принятой в поле CRC и вычисленной контрольных сумм).
• Form Error - ошибка формата кадра при несоответствии принятого сообщения формату CAN.
• Acknowledgement Error - ошибка подтверждения приема сообщения, если ни один из узлов не подтвердил правильного получения сообщения.

Кроме того, существует два типа ошибок на битовом уровне:

• Bit Error - обнаружение активным узлом расхождения между посланным в шину уровнем и фактическим значением за счет реализации узлом механизма самоконтроля.
• Stuff Error - наличие в поле сообщения шести следующих подряд бит 0 или 1 (ошибка битстаффинга).

Благодаря этим механизмам обнаружения и коррекции ошибок вероятность пропуска ошибки крайне мала. Например, при скорости 500 Кбит/с, загруженности шины 25 % и использовании в течение 2000 часов в год возникает лишь одна необнаруженная ошибка за 1000 лет. Кроме того, в шине невозможна ситуация блокировки неисправным узлом работы всей сети. Такие узлы обнаруживаются и отключаются от обмена по шине.

Разновидности CAN

В настоящее время доступны различные устройства с CAN-интерфейсом, которые помимо передачи данных из одной точки в другую позволяют реализовать синхронизацию процессов и обслуживание по приоритетам. Более ранние реализации CAN-контроллеров используют кадры с 11-разрядным идентификатором и возможностью адресации до 2048 сообщений и соответствуют спецификации CAN V. 2.0A. Такие контроллеры носят название Basic CAN и характеризуются сильной загруженностью центрального процессора (ЦПУ), так как каждое входящее сообщение запоминается в памяти и ЦПУ решает, нужны ему данные сообщения или нет (рис. 4). Контроллеры Basic CAN содержат один передающий буфер и один или два приемных буфера сообщений. Чтобы послать или получить сообщение, требуется задействовать ЦПУ через прерывания «сообщение_послано» и «сообщение_получено». В результате проверки каждого входящего сообщения загрузка ЦПУ очень велика, что ограничивает реальную скорость обмена по сети. По этой причине такие контроллеры используются в сетях CAN с низкой скоростью обмена и/или малым количеством сообщений.

Рис. 4. Структура контроллера Basic CAN

Большинство выпускаемых сегодня CAN-контроллеров используют расширенные кадры сообщений с идентификатором длиной 29 разрядов, что позволяет адресовать до 536 млн сообщений. Такие контроллеры соответствуют спецификации CAN V. 2.0B (active) и называются контроллеры Full-CAN. В них предусмотрен буфер для нескольких сообщений, причем каждое сообщение имеет свою маску, и фильтрация осуществляется по соответствию идентификатора маске.

В случае Full-CAN ЦПУ максимально разгружено, поскольку не обрабатывает ненужные сообщения (рис. 5). При приеме сообщения с идентификатором, соответствующим маске, оно запоминается в специальной зоне двухпортового ОЗУ, и работа ЦПУ прерывается. Full-CAN имеет также специальный тип сообщения, которое означает: «у кого бы ни находилась эта информация, пожалуйста, пошлите ее сейчас же». Контроллер Full-CAN автоматически прослушивает все сообщения и посылает запрошенную информацию.

Рис. 5. Структура контроллера Full-CAN

До недавнего времени в промышленности был широко распространен Basic CAN с 11-разрядным идентификатором. Этот протокол допускает простую связь между микроконтроллерами и периферийными устройствами при скорости обмена вплоть до 250 Кбит/с. Однако при стремительном удешевлении CAN-контроллеров использование Full-CAN стало оправданным и для связи с медленными устройствами. Если в промышленных приложениях требуется высокоскоростной (до 1 Мбит/с) обмен данными, то непременно следует использовать Full-CAN.

Элементная база для CAN

На самом нижнем уровне CAN-шины находится собственно двухпроводная линия с терминальными резисторами. Далее для повышения помехоустойчивости расположен дифференциальный приемопередатчик - трансивер. На следующем уровне - контроллер со встроенным модулем или автономный модуль CAN, подключаемый к главному контроллеру через параллельный или последовательный порт. Связь с узлами CAN, осуществляющими обмен информацией, ведется через линии портов микроконтроллеров. CAN-контроллеры осуществляют процедуру приема-передачи данных и соединяются с шиной двумя сигналами: RxD для приема с шины и TxD для передачи на шину. Реализация CAN-шины с помощью микроконтроллеров Infineon представлена на рис. 6.

Рис. 6. Реализация CAN-шины с помощью микроконтроллеров Infineon

Микроконтроллеры с CAN-модулем

Одним из факторов, обеспечивших популярность CAN, является богатый выбор и доступная цена элементной базы различных производителей - Infineon, Motorola, Microchip, Philips и др.

В данной статье упор сделан на элементную базу Infineon. Такое решение основано, в частности, на результатах опроса, проводимого на сайте Keil Software (www.keil.com) для микроконтроллерных платформ 8051/251/С166. На вопрос, какой микроконтроллер со встроенным CAN вы используете, по выборке из 2111 респондентов ответы распределились согласно табл. 1.

Таблица 1. Результаты опроса: "Какой микроконтроллер со встроенным CAN вы используете?"

Фирма Infineon выпускает продукты во всех классах цена/производительность. В настоящее время доступны как 8-разрядные контроллеры C505CA, C515C, так и 16-разрядные: C161CS, C164CI, C167CR, 167CS (табл. 2). Самым дешевым кристаллом с CAN является C505CA. МК C161CS и C167СS содержат два CAN-модуля. Самый мощный и дорогой микроконтроллер TriCore TC1775 также содержит реконфигурируемый модуль TwinCAN с двумя модулями CAN на 32 сообщения. TriCore - это первый 32-разрядный микроконтроллер Infineon с архитектурой DSP, оптимизированный для встроенных приложений реального времени, который заменяет собой МК, процессор DSP и заказную микросхему ASIC. Встроенный модуль соответствует спецификации CAN V2.0 B active и содержит память на 15 сообщений для приема/передачи с собственными идентификаторами, битами состояния и управления. Кроме того, он содержит регистры маски для фильтрации входящих сообщений и оснащен двумя приемными буферами. Встроенный модуль CAN позволяет строить системы с разнообразными задачами, используя минимальное количество микросхем внешнего интерфейса. Подключение любого из микроконтроллеров Infineon к CAN-шине осуществляется по одним и тем же принципам. Пример соединения C167CR с CAN-шиной представлен на рис. 7.

Таблица 2. CAN-микроконтроллеры фирмы Infineon

Тип	Версия CAN	Кол-во сообщ.	CAN-модуль	Корпус	Примечание
С505СА	V2.0 B	15	1 x CAN	MQFP-44	8 bit MC
С151С	V2.0 B	15	1 x CAN	MQFP-80	8 bit MC
С161СS	V2.0 B	30	2 x CAN	TQFP-128	16 bit MC
C164CI	V2.0 B	15	1 x CAN	MQFP-80	16 bit MC
C167CR	V2.0 B	15	1 x CAN	MQFP-144	16 bit MC
C167CS	V2.0 B	30	2 x CAN	MQFP-144	16 bit MC
TC1775	V2.0 B	32	TwinCAN	BGA-329	32 bit MC
SAE81C90	V2.0 A	16	1 x CAN	PLCC-44	Stand Alone
SAE81C91	V2.0 A	16	1 x CAN	PLCC-28	Stand Alone
SAK82C900	V2.0 B	32	TwinCAN	P-DSO-28	Stand Alone

Кроме того, следует сказать также несколько слов о МК фирмы Philips - одного из родоначальников элементной базы CAN. На смену устаревшему автономному CAN-контроллеру Philips PCA82C200 пришел полностью совместимый с ним контроллер SJA1000, работающий со стандартом CAN V2.0 B. Необходимо отметить, что PCA82C200 поддерживает только стандарт CAN V2.0 A и способен передавать и принимать только стандартный CAN-протокол, то есть при приеме расширенного кадра он генерирует ошибку и может разрушить всю сеть. В SJA1000 за счет поддержки стандарта PeliCAN (чтение и запись счетчиков ошибок, программирование их количественного порога) значительно расширены возможности по управлению CAN.

Рис. 7. Пример соединения МК С167CR c CAN-шиной

В результате объединения SJA1000 с ядром XA появился 16-разрядный МК XAC3 с интегрированным CAN-интерфейсом. Совместимый с 8051 режим микроконтроллера Philips XA позволяет осуществить простой переход от 8-разрядной архитектуры 8051 к 16-разрядной, что особенно важно для сохранения преемственности программного обеспечения. Среди 8-разрядных МК следует отметить также Philips P80C592, P8xC591 и 8xCE598.

Motorola тоже предлагает широкий спектр микроконтроллеров с интегрированным CAN-модулем: от самых дешевых 8-разрядных МК 68HC05X до 32-разрядного Power PC MPC555 с дуальным CAN V2.0 B.

Продолжение следует

Впервые идея CAN была предложена в середине 80-х немецкой компанией Robert Bosch, которая задумывала ее в качестве экономичного средства для объединения контроллеров, расположенных внутри автомобиля. Традиционный способ связи распределенных по объекту контроллеров жгутами проводов по своей технической сложности, по ценовым и по весовым параметрам для столь массового изделия, коим является автомобиль, оказался непригоден. Требовалось альтернативное решение, сокращающее количество проводов, поэтому был предложен протокол CAN, для которого достаточно любой проводной пары.

Идея заключалась в том, чтобы создать сетевое решение для распределённых систем, работающих в реальном времени. Первоначально CAN применялся в автомобилях, но затем область его применения расширилась и на проблемы автоматизации технологических процессов.

CAN обеспечивает высокий уровень защиты данных от повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи), при этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1 Mbit/s). Важным достоинством CAN является также то, что разработчик системы может влиять на приоритет сообщений с тем чтобы самые важные из них не ожидали в очереди на отправку. Это свойство CAN позволяет строить сети, поддерживающие реальный масштаб времени.

Высокая степень и надежности сети благодаря развитым механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех обеспечивает сети широчайшую сферу применения.

Среди многочисленных факторов, обеспечивших взлет популярности CAN в последние годы, следует отметить разнообразие элементной базы CAN и ее дешевизну.

Немалую роль играет и возможность поддержки разнотипных физических сред передачи данных - от дешевой витой пары до оптоволокна и радиоканала. А ряд оригинальных механизмов сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с) способствуют эффективной реализации режима реального времени в системах распределенного управления.

Топология сети CAN.

В любой реализации CAN - носитель (физическая среда передачи данных) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

CAN сеть предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

CAN контроллеры соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L , по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции:

• Регулировка скорости нарастания входного сигнала путем изменением тока на входе.
• Встроенная схема ограничения тока защищает выходы передатчиков от повреждения при возможных замыканиях линий CAN_H и CAN_L с цепями питания, а также от кратковременного повышения напряжения на этих линиях.
• Внутренняя тепловая защита.
• Режим пониженного энергопотребления, в котором приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении на шине информационных сигналов он мог вывести приемопередатчики в нормальный режим работы.

Наиболее широкое распространение получили два типа приемоперадатчиков (трансиверов):

• "High Speed" приемопередатчики (ISO 11898-2),
• "Fault Tolerant" приемопередатчики

Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом "High-Speed" (ISO11898-2), наиболее просты, дешевы и дают возможность передавать данные со скоростью до 1 Мбит/c. "Fault-Tolerant" приемопередатчики (не чувствительные к повреждениям на шине) позволяют построить высоконадежную малопотребляющую сеть со скоростями передачи данных не выше 125 кбит/c.

Физический уровень канала CAN.

Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411). В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898.

ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом.

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

Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице: скорость передачи максимальная длина сети 1000 Кбит/сек 40 метров 500 Кбит/сек 100 метров 250 Кбит/сек 200 метров 125 Кбит/сек 500 метров 10 Кбит/сек 6 километров.

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

Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L.
Логическая единица - в случае когда сигналы CAN_HI и CAN_LO одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В).
Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях.
Логический ноль - называется доминантным битом, а логическая единица - рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN.

При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Арбитраж шины CAN.

Быстродействие CAN сети (до 1 Mbit/s) достигается благодаря механизму недеструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой(другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится. Конечно,если шина в данный момент занята,то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все CAN контроллеры принимают сигналы с шины одновременно. Т.е. в одно и то же время один и тот же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны такое положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, а с другой стороны ограничивает длину CAN bus. Сигнал распространяется по CAN bus с огромной, но конечной, скоростью и для правильной работы CAN нужно, чтобы все контроллеры "услышали" его почти одновременно. Почти, потому что каждый контроллер принимает бит в течении определённого промежутка времени, отсчитываемого системным часам. Таким образом, чем выше скорость передачи данных, тем меньшая длинна CAN bus возможна.

Структура формата передачи данных.

Данные по CAN сети пересылаются в виде отдельных кадров стандартного формата. Наиболее важными полями являются поле идентификатора (identifier) и собственно данные (data).

Идентификатор служит уникальным именем для типа сообщения и определяет то, кем будет принято и как будет интерпретировано следующее за ним поле данных. Чему именно (арифметически) равно это число, в общем случае не имеет значения. Такая контекстная адресация отличается рядом достоинств для сетей небольшого масштаба. Она обеспечивает максимально возможную простоту модернизации. Поскольку децентрализованные контроллеры никак не связаны между собой логически, добавление нового элемента в систему никак не повлияет на поведение всех остальных.

Более интересным представляется использование идентификаторов в качестве основного инструмента, используемого в процедуре разрешения коллизий. В CAN в качестве основного критерия для разбора коллизий, для принятия решения, кому отдать эфир, используется приоритет сообщений. Если одновременно несколько станций начали передачу, и при этом произошла коллизия, происходит суперпозиция передаваемых идентификаторов. Идентификаторы последовательно, побитно (bitwise), начиная со старшего, налагаются друг на друга и в их "противоборстве" выигрывает тот, у кого меньше арифметическое значение идентификатора, а значит, выше приоритет. Доминантный "нуль" подавит единицы и в любом случае к концу передачи поля идентификатора оно станет равно более приоритетному значению. Таким образом, система позволяет на уровне проектирования (и определения идентификатра) для любого сообщения в системе заранее предопределить его приоритетность в обслуживании.

Приоритетность сообщения, таким образом определяется значением идентификатора. Приоритет тем больше, чем идентификатор меньше. Как правило контроллер позволяет задавать лишь эти два поля. Остальные поля используются для передачи специфических данных, необходимых для функционирования CAN.

Форматы кадра.

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

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

Data Frame - это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей: поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть.

Поле арбитража состоит в свою очередь из:

• для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
• для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

Следует еще раз отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных.

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

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

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

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

Мехнизм обработки ошибок.

Надежность CAN сети определяется также механизмами обнаружения ошибок. Стандарт CAN определяет следующие методы обнаружения ошибок в сети CAN:

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

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

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

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

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

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

Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение).

Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок:

• Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и
• Receive Error Counter (счетчик ошибок приема).

Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.

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

Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют.

Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла.

Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).

Адресация и протоколы высокого уровня

Однако сетевых сервисов спецификации Robert Bosch CAN Specification 2.0A/B и международного стандарта ISO 11898 зачастую явно недостаточно для эффективной разработки CAN-сетей. Дело в том, что упомянутые документы описывают лишь два самых нижних уровня эталонной (семиуровневой) модели взаимосвязи открытых систем OSI/ISO физический и канальный. Определены форматы сообщений, процессы передачи данных длиной до 8 байт, механизмы обнаружения ошибок, некоторые физические параметры среды передачи данных (только в ISO 11898) и др.
Но "за кадром" остаются такие важные на этапе разработки моменты, как адресация узлов, распределение между ними CAN-идентификаторов, интерпретация содержимого фрейма данных, передача данных длиной более 8 байт и др.

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов, сообщения не имеют явной адресации приемника. Источник выставляет на шину свой идентификатор и данные, а приемник самостоятельно, исходя из решаемых задач, обрабатывет принятые данные от данного источника, либо игнорирует их.
Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там).

С другой стороны, стандарт протокола предусматривает возможность удаленного запроса данных (RTR). В отличие от предыдущего описания, приемник не ожидает появления необходимых данных, а запрашивает данные у необходимого узла.

Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Стандарт CAN не регламентирует каким образом конкретные приложения будут передавать специфичные для себя данные по сети CAN. Т.о. возникает потребность в использовании какого-нибудь протокола верхнего уровня. Можно придумать свой протокол, который позволял бы приложениям работать с CAN сетью просто и удобно, но едва ли стоит тратить на это силы, если уже существует множество высокоуровневых протоколов на основе CAN технологии. Причём это открытые протоколы, т.е. можно получить уже готовые спецификации и даже участвовать в дальнейшем развитии данных систем.

Поэтому с началом массового выпуска CAN- компонентов и широкого распространения CAN-приложений рядом независимых компаний и некоммерческих ассоциаций в области систем промышленной автоматизации, транспорта и т. д. проводилась (и продолжается по сей день) работа по созданию и стандартизации спецификаций протоколов верхнего уровня HLP (Higher Level Protocol) для CAN-сетей.

Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP - Higher Layer Protocols).

Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.

К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди подобного многообразия CAN HLP наибольшее распространение, в особенности в системах промышленной автоматизации, получили четыре, поддерживаемых ассоциацией CiA, а именно:

• CAL/ CANopen,
• CAN Kingdom,
• DeviceNet и

CAL/CANopen

Разработка и поддержка открытого протокола прикладного уровня для сетей промышленной автоматизации были одними из приоритетных целей создания организации CiA в 1992 году. Основой такого протокола послужил HLP, разработанный фирмой Philips, после доработки и усовершенствования которого рабочей группой CiA, в 1993 году была опубликована спецификация CAL CAN Application Level (CiA DS 20x).

Сетевые CAN приложения, основанные на прикладном уровне CAL, в настоящее время успешно работают в медицинской электронике, системах контроля дорожного движения, на транспорте, в промышленном оборудовании. Результатом дополнения CAL (точнее, некоторого его подмножества) системой профилей (устройств, интерфейсов, приложений и т. д.) и спецификациями физического уровня (типы соединителей, правила битового квантования и т. д.) явилось появление более "конкретного" стандарта протокола CANopen. По существу CANopen является приложением прикладного уровня CAL. Первоначально CANopen предназначался для сетей управления движущимися механизмами в системах промышленной автоматики.
Однако впоследствии протокол нашел применение в медицине, морской электронике, на транспорте и в системах автоматизации зданий. CANopen базируется на двух уровнях стандарта CAN (ISO 11898, Bosch CAN Specification 2.0 A/B). В дополнение к спецификациям физического уровня ISO 11898 (среда передачи данных двухпроводная дифференциальная линия), CANopen содержит собственные правила битового квантования, а также определяет три рекомендуемых типа соединителей. Разводкой контактов для всех типов соединителей предусмотрена возможность подачи питания на трансиверы узлов, имеющих гальваническую развязку. В сети CANopen определены восемь градаций скоростей передачи данных: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500, 250, 125, 50, 20 и 10 кбит/с. Поддержка скорости 20 кбит/с является обязательной для всех модулей.

CAN Kingdom

Протокол шведской компании KVASER-AB (www.kvaser.se) занимает особое место среди CAN HLP благодаря оригинальной концепции сетевого взаимодействия и эффективности CAN-приложений на его основе.

Началу работ над первой версией (текущая третья) протокола CAN Kingdom в 1990 году предшествовал многолетний опыт компании в области создания систем распределенного управления. Протокол был специально разработан для управления движущимися машинами и механизмами промышленными роботами, текстильными станками, мобильными гидравлическими устройствами, и позволяет достичь высокой производительности в режиме реального времени при удовлетворении жестких требований безопасности.

CAN Kingdom является также основой американского военного стандарта CDA 101 и широко используется в военной технике от надувных лодок и систем наведения на цели до сверхзвуковых истребителей и ракет. Основной целью создания протокола было предоставление системному разработчику максимальной свободы в реализации своих идей при построении сети, сохранив при этом возможность использования стандартных модулей от независимых производителей. CAN Kingdom не является "готовым" протоколом в том смысле, в каком это справедливо, например, по отношению к стандартам типа CANopen или DeviceNet. Это скорее набор примитивов метапротокол, с помощью которых можно "собрать" протокол под конкретную сеть модулей. Этим достигается уникальное сочетание простоты интеграции готовых модулей с высокой степенью "закрытости" оригинального протокола. Краеугольным камнем концепции сетевого взаимодействия CAN Kingdom является принцип: "Модули обслуживают сеть" (MSN Modules Serves the Network) в отличие от принципа "Сеть обслуживает пользователей" (NSM Network Serves the Modules), свойственного компьютерным сетям.

В сеть CAN Kingdom не существует каких-либо рекомендуемых скоростей передачи данных. Но за первые 200 мс после подачи питания узел обязан настроиться на прослушивание шины на скорости 125 кбит/ с. Допустимы отличающиеся от ISO 11898 спецификации физического уровня.

DeviceNet

DeviceNet протокол, разработанный и опубликованный в 1994 году компанией Allen-Bradley (www.ab.com) корпорации Rockwell и впоследствии переданный в ведение специально организованной для его поддержки ассоциации ODVA (Open DeviceNet Vendor Association Inc., www.odva.org).

DeviceNet недорогое, простое и эффективное решение для объединения разнообразных устройств промышленной автоматизации независимых производителей в единую систему: фото-, термодатчики, стартеры, считыватели штриховых кодов, элементы человеко- машинного интерфейса клавиатуры, дисплейные панели, наряду с управляющими устройствами PLC, компьютерами и т. д. При разработке протокола помимо снижения стоимости также стояла задача упрощения и унификации диагностики подобных устройств. Первые устройства, удовлетворяющие спецификации DeviceNet, появились на рынке в начале 1995 года. DeviceNet также построен на двух нижних уровнях стандарта CAN, дополненных более детальными, чем в других HLP, спецификациями физической среды.

Сеть DeviceNet имеет шинную топологию с отводами. Физической средой передачи является 4- проводной кабель (CAN_H, CAN_L, Vcc, Ground), причем возможны две его разновидности: толстый (внешний диаметр 12,2 мм) и тонкий (6,9 мм). Определены лишь три значения скорости передачи данных 125, 250 и 500 кбит/с.

Важной особенностью сети DeviceNet является возможность питания модулей непосредственно от сетевого кабеля (24 В, до 8 А на толстом кабеле), а также допускается применение нескольких источников питания в любой точке шины. Все это дает возможность построения автономной сети, не зависящей от наличия или качества внешнего питания, а при необходимости позволит легко демонтировать и снова развернуть систему на новом месте.

Сеть DeviceNet допускает "горячее" (без обесточивания сети) подключение и отключение модулей. Стандарт DeviceNet содержит также подробное описание многочисленных типов переходников, разветвителей (одиночных и многопортовых), соединителей (Mini, Micro), сетевых отводов и т. п. При описании организации типов данных, сетевого поведения модулей в DeviceNet используется объектно-ориентированная модель.

Максимальное число узлов в сети DeviceNet 64.

SDS (Smart Distributed System)

SDS разработка компании Honeywell Inc. (Micro Switch Division, www.honeywell.sensing.com). Наряду со стандартом DeviceNet, SDS представляет собой еще одно недорогое и законченное решение для сетевого управления интеллектуальными датчиками и актуаторами от центрального контроллера (PLC, компьютера) в системах промышленной автоматизации. По степени завершенности от спецификаций физической среды до прикладного уровня, ориентировке на снижение стоимости, SDS-стандарт напоминает DeviceNet. Шинная топология представляет собой линейную шину (магистраль или транк) с короткими отводами.

Определены два базовых типа кабельной разводки:

• Mini (применяемый при сборке транка сети) 4-проводной кабель с максимальной токовой нагрузкой 8 А, 5-контактный разъем и
• Micro (для подключения физических устройств к сети) 4-проводной кабель, 3 А, 4-контактный разъем без отдельного контакта для экрана кабеля.

В сети SDS допускается и обычная проводная разводка с использованием открытых клеммных соединителей. Всеми типами кабельной разводки и соединителей, также как и в сети DeviceNet, предусмотрено подведение питающего напряжения к узлам.

Сеть SDS всегда требует наличия единственного мастера-менеджера сети как минимум на этапе включения для выполнения автонастройки скорости передачи модулей. В процессе работы сети допускается наличие нескольких мастеров на шине, но они должны функционировать в пределах своих адресных доменов, а при включении сети только один из них может брать на себя функцию сетевого менеджера для автонастройки скорости устройств.

25.10.2012

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

* Что такое CAN?

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

* Controller Area Network (CAN)

* Основные принципы CAN

* Как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии

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

Что такое CAN ?

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

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

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

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

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

Вот эти семь уровней:

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

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

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

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

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

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

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

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

Controller Area Network (CAN)

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

Основные принципы CAN

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Описание фрейма сообщения стандарта CAN 2.0А

Начало сообщения (Start of Frame (SOF)

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

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

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

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)

Поле передаваемых данных (Data Field DLC .

Cyclic Redundancy Check (CRC) ) - 15 бит.

Разделитель CRC

Подтверждение (Acknowledge (ACK)

Разделитель ACK - 1 бит, должен быть рецессивным.

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

Описание фрейма сообщения стандарта CAN 2.0В

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разделитель CRC - 1 бит, должен быть рецессивный.

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

Разделитель ACK - 1 бит, должен быть рецессивным.

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

Фрейм данных CAN

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

А рбитраж (Arbitration)

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

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

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

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

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

Обработка ошибок (Error Handling)

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

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

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

Сообщение об ошибке (The CAN Error Frame)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Шаг 2 - Определяются все периодические сообщения.

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

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

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

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

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

Протоколы синхронизированные по времени (Time-triggered Protocols)

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

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

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

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

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

Интерфейс CAN был разработан в конце 80-х годов фирмой Bosch для связи электронных устройств, применяемых в автомобилях.

Общее описание CAN. Сеть предназначена для коммуникации так называемых узлов, которые могут быть приемниками или передатчиками. Каждый узел состоит из двух составляющих: CAN-контроллера и приемопередатчика (трансивера). Контроллер реализует протокол обмена по сети CAN, а трансивер обеспечивает взаимодействие с сетью (передачу и прием сигналов).

На практике, согласно стандарту шина CAN обычно представляет собой витую пару, по которой передаются сигналы дифференциальным методом.

На рис. приведена структура CAN-сети. Обычно в качестве контроллера используется микроконтроллер, имеющий CAN-модуль, который имеет выход передатчика TxD последовательного кода и вход приемника RxD кода. Трансивер преобразует логические сигналы, то есть логические 0 и 1, в дифференциальное напряжение, поступающее на два провода шины, обозначенные CAN_H и CAN_L.

Согласно стандарту линия должна иметь волновое сопротивление в пределах 108-132 Ом. Для уменьшения отражений сигналов на каждом конце шины должны быть подключены согласующие резисторы RС сопротивлением 120 Ом. Для повышения надежности передачи и повышения помехоустойчивости иногда используют третий провод – общий, обозначаемый как GND. Питающее напряжение UCC (или UDD) по стандарту равно +5 В относительно GND.

Для абстрагирования от физической среды передачи спецификация CAN определяет два логических состояния (то есть логические 0 и 1) как рецессивное (recessive) и доминантное (dominant). При этом предполагается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим доминантного, принят будет доминантный бит.

В рецессивном состоянии (то есть логическая 1 на входе TxD трансивера) дифференциальное напряжение UDIFF =UCANH – UCANL меньше минимального порога (0,5 В на входе приемника или 0,05 В на выходе передатчика).

В доминантном состоянии (то есть логический 0 на входе TxD трансивера) дифференциальное напряжение UDIFF больше минимального порога (0,9 В на входе приемника или 1,5 В на выходе передатчика).

Сообщения в CAN. Интерфейс использует короткие сообщения: максимальный размер – 94 бита. Содержимое данных в CAN-сообщении как бы неявно определяет адрес источника этого сообщения и адреса приемников, кому эта информация необходима.

Например. один CAN-узел выдает на шину сообщение «Температура масла двигателя 80». Все другие узлы принимают это сообщение, но используют эту информацию только те узлы, кому она необходима.

Сообщения, передаваемые по CAN-шине, именуются кадрами или фреймами. В зависимости от инициатора передачи и ее цели существуют 4 типа кадров:

1) кадр данных, используется для передачи данных;

2) кадр запроса данных, используется для дистанционного запроса данных от удаленного узла;

3) кадр ошибки, когда обнаруживаются ошибки на шине;

4) кадр перегрузки, передается для задержки передачи пакетов кадр данных и кадр запроса, например, при неготовности приемника.

Вид стандартного формата сообщения кадр данных приведен на рис. Он состоит из семи различных битовых полей:

Поле начала кадра состоит из одного доминантного бита, который служит также для синхронизации генераторов приемников и передатчика.

Поле арбитража содержит 11-битный идентификатор ID и бит RTR – (запрос передачи данных). Для кадра данных этот бит должен иметь доминантный уровень.

Управляющее поле состоит из шести битов. Два самых старших бита в настоящее время не используются. Четырехбитный код длины данных указывает число байтов в поле данных.

Поле данных содержит от нуля до восьми байтов данных.

Поле контрольной суммы включает в себя контрольную сумму сообщения (15 бит) и бит-разделитель рецессивного уровня.

Поле подтверждения состоит из двух битов. Старший бит с именем Slot выставляет передающий узел рецессивного уровня. В случае, когда передача прошла успешно, приемный узел сигнализирует об этом установкой этого бита в доминантный уровень. Второй бит в этом поле является битом-разделителем рецессивного уровня.

Поле конца кадра состоит из семи битов рецессивного уровня.

После конца кадра (EOF) следует поле промежутка, состоящее из трех битов рецессивного уровня. После этого промежутка шина считается свободной.

Многие сетевые протоколы описываются с помощью семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection ), как показано на Рис. 1 . Протокол CAN (Controller Area Network - контроллерная локальная сеть ) определяет канальный уровень (Data Link Layer ) и часть физического уровня (Physical Layer ). Оставшаяся часть физического уровня и все остальные вышележащие уровни не входят в спецификацию CAN и могут либо определяться разработчиком системы, либо реализовываться с помощью существующих высокоуровневых протоколов (Higher Layer Protocols - HLPs ) и физических уровней.

Как сказано выше, канальный уровень определяется спецификацией CAN. Подуровень управления логической связью (Logical Link Control - LLC ) обеспечивает управление перегрузкой и уведомление о ней, фильтрацию сообщений и функции управления восстановлением. Подуровень управления доступом к среде (Medium Access Control - MAC ) выполняет инкапсуляцию/декапсуляцию (расформирование) данных, обнаружение ошибок и защиту от них, битстаффинг/дестаффинг (битовое наполнение/удаление наполняющего бита), функции преобразования в последовательную форму и обратно.

Подуровни соединения с физической средой (Physical Medium Attachment - PMA ) и среда-зависимого интерфейса (Medium Dependent Interface - MDI ) - две части физического уровня, не определённые в CAN. Подуровень физической сигнализации (Physical Signaling - PS ), наоборот, определён в спецификации CAN. Разработчик может выбрать любой драйвер/приёмник и среду передачи, если они соответствуют требованиям PS-подуровня.

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization - ISO ) определила стандарт, который включает спецификацию CAN в качестве физического уровня. Стандарт ISO-11898 изначально был создан для высокоскоростной связи в транспортных средствах, использующей CAN. ISO-11898 определяет физический уровень для обеспечения совместимости между приёмопередатчиками CAN.

Контроллер CAN обычно реализует всю спецификацию CAN аппаратно, как показано на Рис. 1 . PMA-подуровень не определяется CAN, однако, он определён в ISO-11898. Данный пример применения рассматривает приёмопередатчик CAN MCP2551 и то, насколько он удовлетворяет требованиям спецификации ISO-11898.

Рис. 1. CAN и модель OSI

Краткий обзор ISO11898-2

ISO11898 - международный стандарт для высокоскоростной связи CAN, применяемой в транспортных средствах. ISO-11898-2 определяет PMA и MDI подуровни физического уровня. Общее представления узлов и шины CAN, описанное в ISO-11898 приведено на Рис. 3 .

Уровни шины

CAN определяет два логических состояния: рецессивное (recessive ) и доминантное (dominant ). ISO-11898 определяет дифференциальное напряжение для представления рецессивного и доминантного состояний (или битов), как показано на Рис. 2 .

В рецессивном состоянии (то есть логическая "1" на входе TXD MCP2551) дифференциальное напряжение на CANH и CANL меньше минимального порог (Рис. 4).

В доминантном состоянии (то есть логический "0" на входе TXD MCP2551) дифференциальное напряжение на CANH и CANL больше минимального порога. Доминантный бит перекрывает рецессивный бит на шине для достижения неразрушающего поразрядного арбитража.

Рис. 2. Дифференциальная шина

Разъёмы и провода

В ISO-11898-2 не определены механические провода и разъёмы. Однако спецификация требует, чтобы провода и разъёмы соответствовали электротехническим требованиям.

Спецификация также требует наличие резисторов-терминаторов номиналом 120 Ом на каждом конце шины. На Рис. 3 показан пример шины CAN, основанной на ISO-11898.

Рис. 3. Шина CAN

Рис. 4. Номинальные уровни шины по ISO-11898

Помехоустойчивость

Спецификация ISO11898-2 требует, чтобы приёмопередатчик, соответствующий спецификации или совместимый с ней, соответствовал ряду электротехнических требований. Некоторые из этих требований предусмотрены, чтобы гарантировать, что приёмопередатчик сможет выдержать жёсткие электрические условия, таким образом защищая узел CAN. Входы приёмопередатчика должны выдерживать напряжение от -3 В до +32 В и кратковременное воздействие напряжения от -150 В до +100 В. Таблица 1 показывает главные электрические требования ISO11898-2 в сравнении со спецификацией MCP2551.

Таблица 1. Сравнение спецификаций MCP2551 и ISO11898-2.

Параметр	ISO-11898-4		MCP2551		Единица измерения	Комментарии
	минимум	максимум	минимум	максимум
Постоянное напряжение на CANH и CANL	-3	+32	-40	+40	В	Превышает ISO-11898
Кратковременное воздействие напряжений на CANH и CANL	-150	+100	-250	+250	В	Превышает ISO-11898
Напряжение синфазного сигнала шины	-2.0	+7.0	-12	+12	В	Превышает ISO-11898
Выходное напряжение шины в рецессивном состоянии	+2.0	+3.0	+2.0	+3.0	В	Соответствует ISO-11898
Дифференциальное выходное напряжение рецессивного состояния	-500	+50	-500	+50	мВ	Соответствует ISO-11898
Внутреннее сопротивление	10	100	20	100	кОм	Соответствует ISO-11898
Входное сопротивление	5.0	50	5.0	50	кОм	Соответствует ISO-11898
Дифференциальное выходное напряжение доминантного состояния	+1.5	+3.0	+1.5	+3.0	В	Соответствует ISO-11898
Выходное напряжение доминантного состояния на CANH	+2.75	+4.50	+2.75	+4.50	В	Соответствует ISO-11898
Выходное напряжение доминантного состояния на CANL	+0.50	+2.25	+0.50	+2.25	В	Соответствует ISO-11898
Обнаружение постоянного доминанта (драйвер)	Не требуется		1.25	-	мс
Сброс при включении питания (POR) и обнаружение кратковременного падения напряжения (BOD)	Не требуется		Да		-

Длина шины

ISO11898 определяет, что приёмопередатчик должен быть способен управлять шиной длиной 40 м на скорости 1 Мбит/с. Большая длина шины достигается при уменьшении скорости передачи данных. Самое большое ограничение на длину шины накладывает задержка распространения приёмопередатчика.

Задержка распространения

Протокол CAN определяет рецессивное (логическая "1") и доминантное (логический "0") состояния для реализации схемы поразрядного неразрушающего арбитража. Именно на эту методологию арбитража больше всего воздействуют задержки распространения. Каждый узел, вовлечённый в арбитраж, должен быть способен осуществлять выборку уровня каждого бита в пределах одного и того же времени передачи бита. Например, если два узла на противоположных концах шины начали передавать сообщения в одно и то же время, они должны выполнить арбитраж для захвата управления шиной. Арбитраж будет эффективен, только если оба узла способны сделать выборку в течение одного и того же времени передачи бита. На Рис. 5 показана односторонняя задержка распространения между двумя узлами. Чрезмерные задержки распространения (вне точки выборки) приведут к ошибочному арбитражу. Это означает, что длина шины ограничена для заданной скорости передачи данных.

Задержка распространения в системе CAN вычисляется как удвоенная сумма времени прохождения сигнала по физической шине туда и обратно (t BUS ), выходной задержки драйвера (t DRV ) и входной задержки компаратора (t CMP ). Приняв, что все узлы в системе имеют одинаковые задержки компонентов, получим задержку распространения:

t PROP = 2·(t BUS + t CMP + t DRV ).

Рис. 5. Односторонняя задержка распространения

MCP2551 - приёмопередатчик CAN

Микросхема MCP2551 - приёмопередатчик CAN, который реализует физический уровень, описанный в спецификации ISO-11898-2. Он поддерживает скорость передачи данных до 1 Мбит/с и подходит для систем с напряжениями питания 12 В и 24 В. MCP2551 обеспечивает защиту от короткого замыкания до ±40 В и защиту от кратковременных напряжений до ±250 В.

Дополнительно, будучи совместим с ISO-11898-2, MCP2551 обеспечивает сброс при включении питания (power-on reset - POR ) и защиту от кратковременного падения напряжения (brown-out protection ), а также обнаружение постоянного доминанта (permanent dominant detection ), чтобы гарантировать, что обесточенный или неисправный узел не будет мешать работе шины. Устройство реализует настраиваемую наклонную регулировку усиления (slope control ) на выводах шины для уменьшения излучения радиопомех (RFI ). На Рис. 6 представлена блок-схема MCP2551.

Рис. 6. Блок-схема MCP2551

Основная работа MCP2551

Передача

Контроллер протокола CAN выдаёт поток последовательных данных на логический вход TXD MCP2551. Соответствующее рецессивное или доминантное состояние выдаётся на выводы CANH и CANL.

Приём

MCP2551 принимает доминантное или рецессивное состояния на те же выводы CANH и CANL, с которых осуществляется передача. Эти состояния выдаются в виде соответствующих логических уровней на вывод RXD, чтобы контроллер протокола CAN принял кадр CAN.

Рецессивное состояние

Логическая "1" на входе TXD отключает драйверы от вводов CANH и CANL, и выводы "подтягиваются" к номиналу 2.5 В через резисторы смещения.

Доминантное состояние

Логический "0" на входе TXD включает драйверы выводов CANH и CANL. На CANH подаётся на ~1 В больше, чем номинал рецессивного состояния 2.5 В, таким образом увеличивая напряжение до ~3.5 В. На CANL подаётся на ~1 В меньше, чем номинал рецессивного состояния, таким образом уменьшая напряжение до ~1.5 В.

Режимы работы

Существует три режима работы, которые управляются извне через вывод RS:
1. Высокоскоростной режим.
2. Режим наклонной регулировки усиления.
3. Режим ожидания (Standby )

Высокоскоростной режим

Высокоскоростной режим выбирается подключением вывода RS к V SS . В этом режиме выходные драйверы имеют быстрое время нарастания и спада, что обеспечивает наивысшие скорости передачи до 1 Мбита/с и/или максимальную длину шины, а также обеспечивая минимальные циклические задержки приёмопередатчика.

Режим наклонной регулировки усиления

Если требуется уменьшить излучаемые драйвером электромагнитные помехи, MCP2551 можно установить в режим наклонной регулировки усиления подключением резистора (R EXT) от вывода RS на общий минус. В режиме наклонной регулировки усиления скорость нарастания выходного напряжения на одном проводе (на CANH или CANL) в основном пропорциональна выходному току на выводе RS. Ток должен быть в диапазоне от 10 мкА Уменьшение скорости нарастания выходного напряжения приводит к уменьшению скорости передачи данных CAN при заданной длине шины, либо к сокращению длины шины при заданной скорости передачи данных.

Режим ожидания

Режим ожидания (или спящий режим (sleep )) устанавливается подключением вывода RS к V DD . В спящем режиме передатчик отключен, а приёмник работает в режиме пониженного энергопотребления. Принимающий вывод (RXD) по-прежнему функционирует, но на более низкой скорости.

Режим ожидания можно использовать для установки устройства в режим низкого энергопотребления и выключения передатчика в случае, если контроллер CAN неисправен и выдаёт на шину непредсказуемые данные.

Обнаружение постоянного доминанта на передатчике

Если на передатчике обнаруживается состояние постоянного доминанта, MCP2551 отключает передатчик от CANH и CANL. Эта возможность предотвращает постоянное разрушение шины CAN неисправным узлом (контроллером CAN или самим MCP2551).

Драйверы отключаются, если низкий уровень присутствует на TXD в течение более чем ~1.25 мс (минимум) (см. Рис. 7).

Драйверы остаются отключенными всё время, пока на TXD остаётся низкий уровень. Появление нарастающего фронта на TXD сбросит логику таймера и включит драйвер.

Рис. 7. Обнаружение постоянного доминанта на TXD

Сброс при включении питания и защита от кратковременного снижения питания

MCP2551 имеет способность сброса при включении питания (Power-On Reset - POR ) и обнаружения кратковременного снижения напряжения питания (Brown-Out Detection - BOD ) (см. Рис. 8 ).

Сброс при включении питания (POR)

Когда на MCP2551 подаётся питание, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока VDD не достигнет высокого напряжения POR (POR high voltage - VPORH ). Кроме того, если при включении питания на выводе TXD низкий уровень, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока на TXD не установится высокий уровень. После чего драйвер будет функционировать нормально.

Обнаружение кратковременного снижения напряжения питания (BOD)

BOD происходит, когда VDD опускается ниже низкого напряжения сброса при включении питания (power-on reset low voltage - VPORL ). В этой точке выводы CANH и CANL входят в высокоимпедансное состояние и остаются в нем, пока не будет достигнуто напряжение VPORH.

Рис. 8. Сброс при включении питания и обнаружение кратковременного снижения напряжения питания

Смещения земли

Поскольку не требуется обеспечивать общую землю между узлами, то возможно возникновение смещений земли между ними. То есть каждый узел может наблюдать разные однопроводные напряжения шины (напряжения синфазного сигнала шины), в то же время поддерживая одинаковое дифференциальное напряжение. В то время как MCP2551 предусмотрен для управления смещениями земли от -12 В до +12 В, спецификация ISO-11898 требует только от -2 В до +7 В. На Рис. 9 и 10 показано, как между узлами возникают смещения земли.

Рис. 9 показывает передающий узел с положительным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANH = +12 В. Максимальное выходное напряжение доминанта CAN (V O(CANH)) от передающего узла составляет 4.5 В. Вычитание этого максимума даёт смещение земли (относительно принимающего узла) в 7.5 В для передающего узла. В рецессивном состоянии каждый узел пытается притянуть выводы CANH и CANL к их основным уровням (обычно 2.5 В). Однако результирующее напряжение синфазного сигнала в рецессивном состоянии принимает значение 6.25 В для принимающего узла и -1.25 В для передающего.

Рис. 10 показывает передающий узел с отрицательным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANL = -12 В. Минимальное выходное напряжение доминанта CAN (V O(CANL)) из передающего узла составляет 0.5 В. Вычитание этого минимума даёт фактическое смещение земли относительно принимающего узла в -12.5 В. Напряжение синфазного сигнала для рецессивного состояния составляет -6.25 В для принимающего узла и 6.25 В для передающего.

Поскольку все узлы работают как передатчики для части каждого сообщения (то есть каждый приёмник должен подтверждать (ACK) правильные сообщения в течение временного интервала ACK), наибольшее смещение земли, допускаемое между узлами составляет 7.5 В, как показано на Рис. 9 .

Работа системы CAN с большим смещением земли может привести к увеличению электромагнитных излучений. Если система чувствительна к излучениям, нужно предпринять меры для устранения смещений земли.

Рис. 9. Земля принимающего узла ниже земли передающего

Рис. 10. Земля принимающего узла выше земли передающего

Оконечная нагрузка шины

) используется для минимизации отражения сигнала в шине. ISO-11898 требует, чтобы шина CAN имела номинальную характеристику входного полного сопротивления линии передачи в 120 Ом. Поэтому обычное значение согласующего резистора для каждого конца шины составляет 120 Ом. Есть несколько различных способов реализации оконечной нагрузки, используемых для увеличения электромагнитной совместимости (EMC ) (см. Рис. 11 ):

1. Стандартная оконечная нагрузка.
2. Разделённая оконечная нагрузка.
3. Смещённая разделённая оконечная нагрузка.

Примечание : электромагнитная совместимость определяется не только передатчиком и методом оконечной нагрузки, но также и тщательным анализом всех компонентов и топологии системы.

Стандартная оконечная нагрузка

Как подразумевает название, эта оконечная нагрузка состоит из одинарных резисторов номиналом в 120 Ом на каждом конце шины. Этот метод приемлем во многих системах CAN.

Разделённая оконечная нагрузка

Разделённая оконечная нагрузка приобретает всё большую популярность, так как позволяет легко добиваться снижения излучения. Разделённая оконечная нагрузка - модификация стандартной оконечной нагрузки, в которой один резистор номиналом 120 Ом на каждом конце шины разделяется на два резистора по 60 Ом с развязывающим конденсатором, присоединенным между резисторами и подключенным к земле. Номиналы этих резисторов должны как можно меньше отличаться друг от друга.

Смещённая разделённая оконечная нагрузка

Этот метод оконечной нагрузки используется для поддержания синфазного напряжения рецессивного сигнала на постоянном значении, таким образом увеличивая EMC. Эта схема аналогична схеме разделённой оконечной нагрузки, но добавлена дополнительная схема делителя напряжения для достижения напряжения V DD /2 между двумя резисторами по 60 Ом (см. Рис. 11 ).

Примечание : Номиналы резисторов смещения на Рис. 11 , также как и резисторов разделённой оконечной нагрузки, должны как можно меньше отличаться друг от друга.

Рис. 11. Схемы оконечной нагрузки