Протокол can 2.0. Неразрушающая побитовая проверка. Разделённая оконечная нагрузка

Входящий в МК STM32 CAN-контроллер является полнофункциональным CAN-узлом, отвечающий требованиям к активным и пассивным устройствам CAB 2.0A и 2.0B и поддерживающий передачу данных на скорости не более 1 Мбит/сек. CAN-контроллер оснащен также дополнительными возможностями для организации детерминистической передачи данных по специальному CAN-протоколу передачи в реальном времени TTCAN. После активизации функции TTCAN будет поддерживаться автоматическая повторная передача сообщений и автоматическая вставка в CAN-пакет двух дополнительных байт с зафиксированным моментом времени передачи сообщения. Все эти возможности необходимы в системах управления через CAN-интерфейс в масштабе реального времени.

Полное наименование CAN-контроллера - модуль bxCAN, где bx указывает на поддержку модулем дополнительных возможностей. Обычный модуль CAN использует один буфер приема и передачи, а у расширенного модуля CAN используется несколько буферов приема и передачи. Модуль bxCAN является гибридом двух архитектур модулей CAN. У него имеется три почтовых ящика для передаваемых сообщений и два почтовых ящика для принимаемых сообщений. Каждый из принимающих почтовых ящиков имеет буфер FIFO для помещения в него трех сообщений. Данная архитектура является компромиссной с точки зрения производительности передачи данных и занимаемого места в кристалле ИС.

Модуль CAN оснащен тремя почтовыми ящиками для передачи сообщений и имеет возможность автоматической вставки в сообщение текущего времени по протоколу TTCAN

Следующая важная функция CAN-контроллера - фильтрация получаемых сообщений. Поскольку CAN является широковещательной шиной, каждое переданное сообщение принимается всеми узлами шины. В CAN-шине любой разумной степени сложности передается достаточно большое число сообщений. Задачей каждого подключенного к CAN-узлу ЦПУ является реагирование на CAN-сообщения. Таким образом, чтобы избавить CAN-контроллер от проблемы приема в буфер нежелательных сообщений, необходима их фильтрация. У CAN-контроллера микроконтроллеров STM32 имеется 14 банков фильтров, которые можно использовать для блокировки всех CAN-сообщений, кроме избранных сообщений или групп сообщений.

14 фильтров сообщений поддерживают две конфигурации, которые можно использовать для фильтрации индивидуальных сообщений

Каждый банк фильтров состоит из двух 32-битных регистров и может работать в одном из четырех режимов. При использовании базового метода в каждый регистр банка фильтров записывается идентификатор сообщения. После поступления сообщения проверяется его идентификатор и, исходя из этого, принимается решение о приеме или отклонении сообщения. Данный режим поддерживает две конфигурации. В первой конфигурации регистры банков фильтров являются 3-битными и могут использоваться для фильтрации 11- и 29-битных полей идентификаторов сообщения, а также бит RTR и IDE в 16-битном режиме.

Во второй конфигурации, в первый 32-битный регистр записывается идентификатор сообщения, во второй - маска сообщения. Регистр маски маркирует биты регистра идентификатора, как "важный" или "неважный". Благодаря этому, появляется возможность принимать группу сообщений с помощью одного банка фильтров. Если принимающие фильтры пропускают сообщение, то вместе с ним принимающий буфер FIFO будет записан указатель на определивший совпадение фильтр. Это позволит прикладной программе ускорить идентификацию сообщения без необходимости считывания и дешифрации идентификатора пакета сообщения.

Все CAN-контроллеры поддерживают два режима работы: нормальный режим для приема и передачи пакетов сообщений и режим инициализации для задания параметров связи. Как уже говорилось, МК STM32 могут работать в экономичном режиме SLEEP. В этом режиме синхронизация модуля bxCAN отключена, однако доступ к регистрам почтовых ящиков остается возможным. Модуль bxCAN имеет возможность активизации работы при обнаружении активности на шине CAN. Его работу можно также реактивировать прикладной программой. Работая в нормальном режиме, поддерживаются два дополнительных подрежима. Первый подрежим - режим SILENT. В нём CAN-контроллер может принимать сообщения, но не может передавать и не генерирует бит ошибок в посылке и подтверждения сообщения. Данный режим рассчитан на CAN-шины с пассивным мониторингом. Второй подрежим - режим LOOPBACK. В этом режиме, передаваемые сообщения сразу же принимаются в приемный буфер. Он необходим для реализации диагностических функций и также полезен на фазе отладки кода программы. Оба рассмотренных режима можно комбинировать. Они идеальны для выполнения функций самотестирования при подключении к работающей шине.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

Сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) был разработан в 1987г. (версия 1.0) фирмами BOSCH и INTEL для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. Последняя спецификация интерфейса 2.0, разработанная фирмой BOSCH в 1992г., является дополнением предыдущей версии. В международной организации по стандартизации зарегистрирован ISO 11898 (для высокоскоростных приложений) и ISO 11519-2 (для низкоскоростных приложений).

Принцип работы

CAN является высокоинтегрированным сетевым интерфейсом передачи данных со скоростью до 1 Мбит/сек. Устройства в CAN-системе соединяются по шине, состоящей из 3-х проводов (2 сигнальных и один общий) (см. рис.).

Сообщения данных, передаваемые из любого узла по CAN-шине, могут содержать от 1 до 8 байт. Каждое сообщение помечено идентификатором, который в сети является уникальным (например: "Нагрев до 240", "Отказ нагрева","Бункер загружен", и т.д.). При передаче другие узлы сети получают сообщение и каждый из них проверяет идентификатор. Если сообщение имеет отношение к данному узлу, то оно обрабатывается, в противном случае - игнорируется. CAN-контроллер каждого из устройств может обрабатывать одновременно несколько идентификаторов (например, контроллеры SIEMENS и INTEL могут обрабатывать до 15). Таким образом, в каждом из устройств можно легко организовать несколько "виртуальных" каналов обмена информацией с различными устройствами, включая каналы одновременного получения сообщений.

Рис. 1. Соединение устройств по CAN-шине

Идентификаторы

Идентификатор определяет тип и приоритет сообщения. Более низкому числовому значению идентификатора соответствует более высокое значение приоритета. Сообщение, имеющее более высокий приоритет, передается раньше сообщения, имеющего более низкий приоритет. После сообщения с высоким приоритетом передается сообщение с более низким приоритетом, если во время передачи не появится сообщение с более высоким приоритетом, затем передается сообщение с еще более низким приоритетом и т. д.

Физическая шина

Представляет собой витую пару (экранированную или неэкранированную) и общий провод. Плоская пара (телефонный тип кабеля) также работает хорошо, но более чувствительна к внешним источникам шума.

Высокая надёжность

Для обеспечения безотказной работы в тяжёлых условиях по стандарту ISO11898 CAN-контроллер обеспечивает работу в сети в следующих случаях:

• любой из 3-х проводов в шине оборван,
• любой провод - закорочен на питание,
• любой провод - закорочен на общий провод.

При обрыве 2-х проводов часть функций основной системы может быть реализована в каждой из подсистем, созданных обрывом.

Сетевая гибкость и лёгкость расширения

Принятая в CAN-сети схема передачи сообщений обеспечивает большие возможности при создании, расширении и модернизации систем.

Новые устройства, предназначенные для приёма данных, могут добавляться к сети без изменения уже существующих программных средств, если их подключение не приводит к превышению нагрузочной способности и максимальной длины шины. При этом новые сетевые устройства способны обмениваться информацией между собой, не нарушая работоспособность старой системы, если в протоколе обмена были использованы новые идентификаторы.

В CAN-сети имеется возможность одновременной передачи сообщений сразу нескольким устройствам. Эта особенность позволяет передавать по ней синхросигналы.

Арбитраж CAN-шины

В любой системе некоторые из параметров изменяются быстрее, чем другие. Например, скорость ротора двигателя, как правило, изменяется за меньший промежуток времени, чем температура его корпуса или положение заслонки. Быстро изменяющиеся параметры должны передаваться более часто и, следовательно, требуют более высокого приоритета. Во время работы также возможно появление аварийных сообщений, которые должны передаваться с наивысшим приоритетом (например, превышение допустимой температуры, обрыв управляющего соленоида, короткое замыкание в цепи и т.д.).

Узлы CAN-сети являются равноправными при обмене, и каждый из них в любой момент времени может иметь сообщение, требующее безотлагательной передачи. Вероятность одновременного требования передачи от различных устройств не является чем-то необычайным, а случается регулярно. Для разрешения подобного конфликта требуется быстродействующий механизм распределения очередности передачи сообщений. Для этого в CAN-системе используется Неразрушающий Поразрядный Арбитраж .

Приоритет CAN-сообщения определяется двоичным значением его идентификатора.

Числовое значение каждого идентификатора сообщения назначается в начальной фазе проектирования системы. Идентификатор с самым низким числовым значением идентификатора имеет самый высокий приоритет. Передача логического нуля по CAN-шине осуществляется токовой посылкой, а состояние логической единицы определяется по отсутствию тока. В процессе передачи каждый из источников сообщений, который имеет необходимость в передаче, начинает передавать свой идентификатор, одновременно проверяя его на линии. Если в процессе передачи обнаруживается несовпадение (т.е. "лишний" ноль), то передатчик, обнаруживший это несоответствие, прекращает передачу своего идентификатора и переключается на прием. Конфликта на шине при этом нет, так как значение бита с уровнем логической единицы фактически не передается, и в результате сообщение с наивысшим приоритетом проходит по шине так, как будто оно единственное. В следующем цикле шины будет передано сообщение с более низким приоритетом, и т.д. Таким образом достигается максимальная пропускная способность шины и минимальная задержка для "горячих" сообщений.

Рис. 2. Соединение устройств по CAN-шине

Обнаружение Ошибок

CAN содержит 5-ступенчатый механизм обнаружения ошибок:

• циклический контроль по избыточности (CRC),
• контроль передаваемого поля битов,
• контроль сигнала "Подтверждение Приема",
• текущий контроль логического уровня битов,
• контроль заполнения битов.

Циклический контроль по избыточности (CRC)

Каждое переданное сообщение содержит контрольный код (CRC), вычисленный передатчиком на основе содержания передаваемого сообщения. Приёмные узлы выполняют аналогичную операцию, помечают обнаруженные ошибки и устанавливают соответствующие флаги.

Текущий контроль логического уровня битов

Любой передатчик автоматически контролирует и сравнивает фактический логический уровень битов на шине с уровнем, который он передает. Если уровни не совпадают, помечается ошибка логического уровня битов.

(Примечание: этот механизм также используется при арбитраже шины для определения приоритета сообщения, однако ошибка в этом случае, естественно, не возникает).

Контроль передаваемого поля битов

В составе CAN-сообщения передаются предопределенные битовые комбинации, которые контролируются при приёме. Если приемник обнаруживает недопустимый бит в одной из этих комбинаций, то устанавливается флаг ошибки формата.

Контроль заполнения битов

CAN использует методику добавления заполняющего бита для дополнительного контроля передаваемых сообщений. После передачи пяти последовательных битов с одинаковым уровнем передатчик автоматически вводит в разрядный поток бит противоположного значения. Приемники сообщения автоматически удаляют такие биты перед обработкой сообщения. Если обнаруживается шестой бит одинаковой полярности, то помечается ошибка заполнения битов.

Контроль сигнала "Подтверждение Приема"

Каждое переданное сообщение подтверждается приемником, и если этого не произошло, тогда устанавливается флаг ошибки подтверждения приема.

Флаг ошибки

В случае если обнаружена ошибка, то узел, обнаруживший ошибку, прерывает передачу посылкой флага ошибки. При этом передатчик автоматически реинициализирует передачу сообщения, что предотвращает все узлы от возникновения ошибок и гарантирует непротиворечивость данных в сети.

С учетом действия всех механизмов контроля, реальное значение возникновения необнаруженной ошибки в CAN-системе - 10-11 .

Формат CAN-сообщения

Стандартный CAN-протокол (версия 2.0A) поддерживает формат сообщения с 11-разрядными идентификаторами (Стандартное сообщение).

Расширенный CAN-протокол (версия 2.0B) поддерживает 11-битовый и 29-битовый форматы идентификаторов (Расширенное сообщение).

Большинство контроллеров версии 2.0A передают и принимают только сообщения стандартного формата, хотя часть из них могут только получать сообщения расширенного формата.

Контроллеры версии 2.0B могут посылать и получать сообщения в обоих форматах.

Различия форматов

В версии 2.0B поле битов идентификатора состоит из двух частей.

Первая часть (основная часть идентификатора) имеет длину одиннадцать битов для совместимости с версией 2.0A, вторая часть - восемнадцать битов (расширение идентификатора), что дает общую длину идентификатора в двадцать девять бит.

Для различения форматов используются биты Identifier Extension (IDE) и Substitute Remote Request (SRR) в Поле Арбитража.

CAN (Controller Area Network - "область, охваченная сетью контроллеров") представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. Начало развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CANконтроллеров были выпущены фирмами Intel и Philipsв 1987 году, в настоящее время контроллеры и трансиверы CANвыпускаются многими фирмами, в том числе Analog Devices, Inc., Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc., Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp., STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.

В России интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN в России крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

В настоящее время CAN поддерживается 11-ю стандартами ISO, в том числе [ISO - Diagnostics ].

CAN охватывает два style="color:red"> уровня модели OSI: физический и канальный (табл. 2.7). Стандарт не предусматривает никакого протокола прикладного (7-го) уровня модели OSI. Поэтому для его воплощения в жизнь различные фирмы разработали несколько таких протоколов: CANopen (организации CiA), SDS (фирмы Honeywell Micro Switch Division), CAN Kingdom (фирмы Kvaser), DeviceNet (фирмы Allen-Bradley, ставший Европейским стандартом в 2002 г.) и ряд других [Грибанов - Третьяков ].

CAN характеризуется следующими основными свойствами:

• каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет ;
• гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;
• гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;
• широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;
• непротиворечивость данных на уровне всей системы;
• допустимость нескольких ведущих устройств в сети ("многомастерная сеть");
• способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;
• автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;
• автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in Automation (CiA).

2.6.1. Физический уровень

Где - длительность переднего фронта передатчика. Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.

Выводы "земли" всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.

Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два - с гнездами.

Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй - с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа D- Sub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле - со штырьками. Цоколевка разъемов показана в табл. 2.8 .

Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при "горячей" замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания.

Отметим, что в основанном на CAN стандарте CANopen предусмотрено гораздо большее разнообразие вариантов разъемов, в том числе для плоского кабеля, RJ-10, RJ45, разъемный винтовой клеммник, и еще около десяти вариантов специальной конструкции [Cabling ]. Допускается применение и других разъемов.