Валюта магазина рубли у.е.

Поиск

CAN шина. Часть 1.

1. Локальная сеть контроллеров (CAN)

Области применения.

Электронные распределители, Автомобили, Морские суда, Гидравлическое оборудование, Текстильная Промышленность, Перерабатывающая промышленность, Медицинское оборудование, Железная дорога, Строительная автоматизация, Авиационная радиоэлектроника, Бытовые приборы, Вооруженные силы, Обработка материалов, Сельское хозяйство, Телекоммуникация, Грузовики, Строительные Машины и Транспортные средства, Индустриальная автоматизация.

Общие сведения

Локальная сеть контроллеров CAN это стандарт серийной шины, разработанный в 80-х годах Robert Bosch GmbH, для соединения электронных блоков управления. CAN был специально разработан для устойчивой работы в насыщенной помехами окружающей среде с применением разносторонне сбалансированной линии, такой как RS-485. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары. Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в разнообразных системах управления, в т.ч. индустриальных, работающих в насыщенной помехами окружающей среде.
Скорость обмена данными до 1Mbit/s возможна в сетях протяженностью не более 40м. Снижение скорости обмена позволяет увеличить протяженность сети, например - 250 Kbit/s при 250м.
CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11898-1 (2003). Этот стандарт главным образом описывает слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля доступа (MAC), и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на усмотрение разработчика сети.

CAN сети и их разновидности

Существуют различные CAN сети. Например, в автомобилях CAN сети разделены на две категории, основанные на принципе передачи данных по сети.
Сети контроля систем комфорта и удобств, с большим количеством идентификаторов информации, которые передаются без соблюдения определенного порядка или частоты.
И сети контроля силовой установки, управляют информацией относящейся к двигателю и трансмиссии. Содержат меньшее количество информации, но информация передается организованно и быстро.

Общая характеристика

Интегрированная серийная коммуникационная шина для приложений работающих в режиме реального времени.
. Сеть работоспособна при скорости обмена данными до 1Mbit/s.
. Обладает превосходными возможностями обнаружения и проверки ошибок и неисправностей.
. Изначально CAN шина разработана для применения в автомобилях
. Используется в различных автоматических системах и системах управления.
. Международный стандарт: ISO 11898

Определение CAN

CAN - система на серийной шине приспособленная для организации сети интеллектуальных устройств, так же как датчиков и исполнительных устройств в системе или подсистеме.

Свойства CAN

CAN система на серийной шине с мультифункциональными возможностями, все CAN узлы способны передавать данные и некоторые CAN узлы могут запрашивать шину одновременно. Передатчик передает сообщение всем CAN узлам. Каждый узел, на основании полученного идентификатора, определяет, следует ли ему обрабатывать сообщение или нет. Идентификатор так же определяет приоритет, который имеет сообщение при доступе к шине. Простота определяет стоимость оборудования и затраты на обучение персонала. CAN микросхемы могут быть относительно просто запрограммированы. Вводные курсы, функциональные библиотеки, наборы для начинающих, различные интерфейсы, I/O модули и инструменты в широком разнообразии представлены в открытой продаже по доступным ценам. С 1989 года CAN микросхемы могут быть свободно и просто соединены с микроконтроллерами. В настоящее время в наличии около 50 CAN микросхем для микроконтроллеров более чем 15 производителей.
CAN применяется в большинстве Европейских легковых автомобилях, а так же решение производителей грузовиков и внедорожников в дальнейшем применять CAN, определили развитие более чем на 10 лет. В других областях применения, таких как, бытовая сфера и индустриальный сектор наблюдается рост продаж CAN оборудования, и будет продолжаться в будущем. К весне 1997 года уже насчитывалось более чем 50 миллионов установленных CAN узлов. Одна из выдающихся особенностей CAN протокола высокая надежность обмена данными. CAN контроллер регистрирует ошибки и обрабатывает их статистически для проведения соответствующих измерений, CAN узел, являющийся источником неисправности, в результате будет отстранен от соединения.
Каждое CAN сообщение может содержать от 0 до 8 бит пользовательской информации. Конечно, возможна передача более продолжительных данных с применением фрагментации. Максимальная специфицированная скорость обмена 1 Mbit/s. Это возможно при протяженности сети не более 40м. Для более длинной коммуникации скорость обмена должна быть снижена. Для дистанции до 500 м скорость 125Kbit/s, и для передачи более чем на 1 км допускается скорость 50 Kbit/s.

CAN приложения

CAN сети могут быть использованы как внедренные коммуникационные системы для микроконтроллеров так же как и открытые коммуникационные системы для интеллектуальных устройств. CAN система серийной шины, разработанная для применения в автомобилях, будет широко применяться в промышленных коммуникационных системах и во многом они будут сходны. В обоих случаях основными требованиями являются: низкая стоимость, способность функционировать в сложных условиях, продолжительная работоспособность и простота применения.
Некоторые пользователи, например, в области медицинской инженерии, предпочитают CAN потому, что необходимо соблюдать жесткие требования по безопасности. Подобные условия с повышенными требованиями по надежности и безопасности предъявляются и некоторым другим устройствам и оборудованию (т.е. роботы, подъемные и транспортные системы).

Лицензия CAN

CAN протокол разработан Robert Bosch GmbH и защищен патентами.

Основные стандарты CAN

Далее перечислены некоторые международные CAN стандарты
. CAN стандарты:
o ISO 11898-1 - CAN протокол
o ISO 11898-2 - CAN высокоскоростная физическая структура
o ISO 11898-3 - CAN низкоскоростная физическая структура совместимая с ошибками
o ISO 11898-4 - CAN запуск
o ISO 11898-5 - Высокоскоростное низковольтное устройство (в разработке).
o ISO 11519-2 - заменен на 11898-3.
. ISO 14230 - "Keyword Protocol 2000" - диагностический протокол использующий серийную линию, не CAN
. ISO 15765 - Диагностический протокол по CAN bus - Keyword 2000 на CAN bus.
. J1939 - Основной CAN протокол для грузовиков и автобусов определенный SAE
. ISO 11783 - J1939 и дополнение для сельхоз машин
. ISO 11992 - определяет интерфейс тягачей и прицепов
. NMEA 2000 - Протокол основанный на J1939 для судов, определен NMEA.

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко распространены, и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных машинах и автомобилях

Преимущества CAN:

- Доступность для потребителя.
CAN протокол успешно применяется на протяжении более 15 лет, с 1986 года. Существует богатый выбор CAN продуктов и устройств в открытой продаже.

- Реализация протокола на аппаратном уровне
Протокол базируется на аппаратном уровне. Это дает возможность комбинировать способность распознавать и контролировать ошибки со способностью высокоскоростной передачи данных.

- Примитивная линия передачи
Линия передачи данных, в большинстве случаев, витая пара. Но связь по CAN протоколу так же может осуществляться по одному проводу. В различных случаях возможно применение наиболее подходящих каналов связи, оптического или радио канала.

- Превосходная способность обнаружения ошибок и сбоев и локализация неисправностей.
Способность обнаруживать ошибки и сбои является существенным преимуществом CAN протокола. Механизм определения ошибок построен на экстенсивном принципе, так же надежна и хорошо разработана система проверки и подтверждения ошибок и сбоев.
Система определения неисправностей и повторная передача данных выполняется автоматически на аппаратном уровне.

- Система обнаружения и проверки неисправностей
Неисправный источник в системе способен дезорганизовать всю систему, т.е. занять все каналы связи. CAN протокол имеет встроенную возможность которая предохраняет систему от источника неисправности. Источник ошибки отстраняется от приема и передачи данных по CAN шине.

2. CAN шина

Введение

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко распространены и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных машинах и автомобилях.
CAN стандарт описывает параметры сигнала на физическом уровне и порядок передачи данных который определен двумя различными типами сообщений, правила арбитража доступа шины и метод определения и проверки неисправности.

CAN протокол

CAN определен стандартом ISO 11898-1 и включает следующие основные сведения.
. На физическом уровне, сигнал передается, используя витую пару.
. Для контроля к доступу шины применяются правила арбитража.
. Блоки данных небольшие по размеру (в большинстве случаев 8 байт) и защищены чексуммой.
. Блоки данных не имеют адресации, вместо того каждый блок содержит числовое значение, которое определяет приоритет передачи по шине, так же может нести идентификатор содержания блока данных.
. сложная схема обработки ошибок, которая приводит к повторной передаче данных, которые должным образом не получены.
. Эффективные действия по изоляции неисправностей и отключение источника неисправности от шины.

Протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства определяются HLP(Higher layer protocol) или Протокол Высшего Порядка. Условия HLP получены и состоят из семи порядков OSI модели.

Назначение HLP
. Стандартизация процедур запуска и установка скорости передачи
. Распределение адресации устройств и разновидности сообщений.
. Определение порядка сообщений
. обеспечивает механизм определения неисправностей системного уровня

CAN продукты

Существуют два вида продуктов CAN , CAN микросхемы и средства обеспечения и развития CAN.
На высшем уровне две другие разновидности продуктов, CAN модули и CAN средства разработки. Широкое разнообразие подобных продуктов доступно в открытой продаже.

Патенты в области CAN

Патенты в отношении CAN приложений могут быть различных видов и направлений. Далее несколько видов:
. Синхронизация и реализация частоты передачи
. Передача больших блоков данных (CAN протокол использует фреймы длинной не более 8 бит)
Системы контроля распределения
CAN протокол продуктивная база для создания систем контроля распределения. Метод арбитража обеспечивает возможность каждого CAN устройства взаимодействовать с сообщениями относительно этого устройства.
Система контроля распределения может быть заявлена как система, в которой возможности процессора распределены среди устройств системы, или же наоборот, как система с центральным процессором и локальными I/O устройствами.
При разработке CAN сети могут быть применены различные совместимые аппаратные устройства, обладающие необходимыми свойствами и удовлетворяющие заданным или расчетным параметрам сети такие как, частота процессора, скорость передачи данных и т.д.

Действующие протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства определяются HLP, higher layer protocol (Протоколами Высшего Порядка). Условия HLP получены и состоят из семи порядков

OSI модели (Open Systems Interconnect Model)
CanKingdom
CANopen/CAL
DeviceNet
J1939
OSEK
SDS
HLP обычно определяет
. Параметры запуска
. Распределение идентификатора сообщения среди различных устройств в системе
. Интерпретация содержимого блоков данных
. Статус взаимодействия в системе

Характеристика SDS, DeviceNet and CAN Kingdom.

И различия между CAN Kingdom and CANopen. В настоящее время насчитывается более 50 HLP. Применение HLP обязательно, в противном случае придется изобрести свой, собственный HLP.

CAnKingdom

CanKingdom поддерживается организацией CanKingdom International полная спецификация доступна на сайте организации.
CanKingdom обычно упоминается как CAN (Controller Area Network) протокол высшего порядка. В реальности наиболее упорядоченный протокол. Модули в системе соединены сетью, в которой один из модулей является главным (King). Например: для организации plug & play системы, главный модуль определяет какое устройство и при каких обстоятельствах может быть добавлено, разрешено добавление только специфицированных устройств. CanKingdom обеспечивает простую уникальную идентификацию устройств в системе, для этого используется стандарт идентификации EAN/UPC, индивидуальный идентификатор устройства определяется серийным номером устройства.
CanKingdom предоставляет разработчику все потенциальные возможности CAN.
Дизайнер не ограничен мультимастер протоколом CSMA/AMP и может создавать виртуальные системы управления шинами всевозможных разновидностей и топологии. Предоставляет возможность создания общих модулей без учета обстоятельств таких как, зависимость от HLP и свойств системы. Дизайнер может определить использование только специфических модулей, совмещая тем самым ценности открытой системы с преимуществами системы с ограниченным и безопасным доступом.

Потому как идентификатор в CAN сообщениях не только идентифицирует сообщение, но так же управляет доступом к шине, ключевое значение имеет нумерация сообщений. Другой важный фактор - это идентичность структуры данных в поле данных, как в передающем, так и принимающем модулях. Введением небольших, простых правил, указанные факторы полностью контролируемы и коммуникации оптимизированы для любой системы. Это выполняется во время короткой фазы установки при инициализации системы. Так же возможно включение устройств, не следующих CanKingdom правилам, в CanKingdom систему.
CanKingdom сопровождается соответствующей документацией по модулям и системам.

CAL and CANopen

CAL сокращенно от "CAN Application Layer" Порядок или слой CAN приложений, протокол поддерживается CiA. CAL разделен на несколько составных частей:
. CMS (CAN-based Message Specification) определяет протоколы передачи данных между CAN устройствами
. NMT (Network Management Service) определяет протоколы запуска и выключения, определения неисправностей, и т.д.
. DBT (Distributor Service) определяет протокол распределения идентификаторов различных устройств в системе
- CAL протокол отличный от OSI модели (Open Systems Interconnect (OSI) Model)
- CANopen является подразделом CAL, и скомпонован как набор профилей, которые не завершены окончательно.
- CAL/CANopen один из HLP действующих протоколов, поддерживаемых CiA.
- CAL и CANopen спецификации в полном объеме доступны и поддеживаются CiA

DeviceNet

Протокол развивается “Rockwell Automation nowadays”, определен организацией ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). DeviceNet один из четырех протоколов, которые поддерживает CiA.

SAE J1939

J 1939 высокоскоростная сетевая коммуникация класса С разработанная для поддержки функций управления в режиме реальногго времени между контроллерами, которые физически расположены в различных местах автомобиля.
Jl708/Jl587 предыдущий, широко распространенный тип сети класса B с возможность обмена простой информацией, включая диагностические данные, между контроллерами. J1939 обладает всеми свойствами J1708/J1587.
J1939 использует CAN протокол с позволяет любому устройству передавать сообщение по сети в момент когда шина не загружена. Каждое сообщение включат в себя идентификатор, который определяет приоритет сообщения, информацию об отправителе данных, об информации, заключенной в сообщении. Конфликты избегаются благодаря механизму арбитража, который активизируется с передачей идентификатора (используется безопасная схема арбитража). Это позволяет сообщениям с наивысшим приоритетом передаваться с наименьшими задержками, по причине равного доступа к шине любым из устройств сети.
J1939 организован из нескольких частей основанных на (Open Systems Interconnect (OSI) Model). OSI модель определяет семь коммуникационных порядков (слоев), каждый представляет различные функции. В то время как есть документ J1939, ассигнованный каждому слою, не все они явно определены в пределах J1939. Другие слои выполняют вторичные функции, описанные в другом месте. Физический Слой описывает электрический интерфейс коммуникаций (витая экранированная пара проводов, который может также быть упомянут как шина). Слой Канала связи описывает протокол или управляет структурой сообщения, получая доступ к шине, и обнаруживая ошибки передачи. Слой приложения определяет специфические данные, содержащиеся в каждом сообщении, посылаемом по сети.
Полный комплект спецификации можно приобрести в SAE, ниже приведен перечень документов
J1939 дополняется следующими документами:
J1939 Практические рекомендации по Контролю серийной передачи и коммуникационная сеть транспортного средства
J1939/11 Физический порядок (слой) - 250k bits/s, экранированная витая пара
J1939/13 Диагностические разъемы
J1939/21 Данные слоя связи
J1939/31 Слой сети
J1939/71 Слой приложений
J1939/73 Диагностика
J1939/81 Управление сетью

OSEK/VDX

OSEK/VDX является совместным проектом в автомобильной индустрии. Создан как промышленный стандарт открытой оконечной архитектуры для распределенных контроллеров транспортных средств. Операционная система в режиме реального времени, интерфейсы программных средств и задачи управления сетью специфицированы совместно. OSEK" (Open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics.) Открытые системы и информационные интерфейсы для автомобильной электроники. VDX “Whicule Distributed eXecutive" Распределенные исполнители транспортного средства.
Компании совместно участвующие в разработке: Opel, BMW, DaimlerChrysler, IIIT - University of Karlsruhe, PSA, Renault, Bosch, Siemens, Volkswagen.
Официальный сайт: www.osek-vdx.org

Smart Distributed System (SDS)

SDS система, на основе шины для интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, с упрощенным процессом установки, предоставляет широкие возможности управления вводом - выводом. Посредством одного четырехпроводного кабеля SDS система может быть оборудована до 126 приборами с индивидуальным адресом. Дополнительная информация и спецификация по SDS доступна на сайте разработчика Honeywell. SDS один из действующих четырех протоколов поддерживаемых CiA.

Сравнительная характеристика основных HLP протоколов
Общие сведения

DeviceNet, SDS и CAN Kingdom основаны на ISO 11898 CAN коммуникационном протоколе и функционируют согласно требований CAN спецификации. Каждый CAN модуль, следующий определенному протоколу может быть подключен к CAN шине следующей тому же протоколу. В любом случае при подключении модулей, которые действуют по различными протоколам, в большинстве случаев проблемы возникают по причине конфликта интерпретации сообщений на уровне приложений. CAN Kingdom отличается от SDS и DeviceNet основным принципом: CAN Kingdom организуется главным узлом коммуникации (“King”) при запуске, в отличии от SDS и DeviceNet. Такая организация позволяет упростить разработку комплекса систем реального времени и сокращает необходимое количество модулей координирующих спецификации, часто обозначаемые как профили.
SDS эффективен при подключении I/O устройств, различных выключателей и датчиков к PLC , фактически представляет собой соединение между основным модулем и удаленными I/O устройствами.
DeviceNet открытая система, в которой все модули имеют равные права по пользованию шиной, и порядок пользования шиной определяется небольшим набором инструкций. Разработчик модулей системы может передать полномочия по управлению коммуникацией другим модулям, например основному модулю в предопределенном режиме Главный/подчиненный, но DeviceNet не имеет возможности передать полномочия другим модулям. Характеристики SDS с использованием I/O устройств и DeviceNet в режиме Главный/подчиненный сходны.
Can Kingdom протокол ориентированный на системы продуцирования, соединения и контроля и не поддерживает профили для цифровых и аналоговых устройств. Основная особенность протокола заключается в том что модуль, подключенный к системе только ожидает инструкции от главного устройства. Все CAN приоритеты и идентификаторы принадлежат и предоставляются главным устройством. Во время запуска каждый модуль конфигурируется основным устройством, определяются приоритеты и идентификаторы объектов продуцирующих и потребляющих. Основное устройство является главным, но только в период конфигурирования системы. Главное устройство не может быть внедрено в период коммуникационной сессии между работающими приложениями различных модулей. Основное устройство может быть удалено после конфигурирования и проверки комплектности, при том каждый модуль запоминает полученные инструкции в памяти.

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи 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.

Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Рис. 1. Топология сети CAN.

CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии - CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы. Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица - в случае когда сигналы CAN_H и CAN_L 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).

Типы сообщений сети CAN.

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 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.

Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.

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 солобщения 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.

Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).

Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, 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 передают 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.

Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.

Методы обнаружения ошибок.

CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:

• Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement 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.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

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

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. 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). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

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.

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

• DeviceNet
• CAL/CANopen
• CanKingdom

Физичекий уровень протокола 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. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах - CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик - Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света 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:

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

В данной статье не будем полностью расписывать CAN протокол, а обратим внимание лишь на вещи, которые надо обязательно знать и понимать для использования или разработки электронных устройств с поддержкой CAN.

Протокол CAN был разработан для автомобильной промышленности и впоследствии стал стандартом в области создания бортовых сетей автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д. CAN позволяет создавать сети с развитыми средствами контроля ошибок, скоростью передачи до 1Мбит/с и пакетами содержащими не более восьми байтов данных.

Канальный и физический уровни CAN

В протоколе CAN нет строгого определения физического уровня, поэтому для передачи сообщений может использоваться, например, витая пара или оптоволокно. По сути дела CAN реализует канальный уровень, т.е. осуществляет формирование пакетов сообщений, ограничение распространения ошибок, подтверждение приема и арбитража. Есть конечно и распространенные стандарты прикладного уровня например CANopen, но если нет необходимости обеспечивать взаимодействие между оборудованием различных производителей, то лучше использовать внутренний протокол.

Структура узла сети CAN

Рассматриваемый нами узел сети CAN состоит из микроконтроллера, CAN контроллера и приемопередатчика (рисунок 1). Чаще всего мы используем микроконтроллеры с встроенным CAN контроллером для упрощения схемы, но иногда используется автономный контроллер CAN с интерфейсом SPI (MCP2510). Далее приемопередатчик подключается к витой паре, на концах которой размещены согласующие резисторы (терминатор) с сопротивлением 120 Ом.

Рисунок 1 – Узел сети CAN

Для формирования логической единицы в витой паре, или свободной шине, на оба провода подается напряжение, равное половине разности напряжения между 0 или Vcc. Логическому нулю соответствует подача на провода линии дифференциального напряжения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Логические уровни на CAN-шине

Шина CAN позволяет передавать данные со скоростью 1 Мбит/c при длине кабеля не более 40 м. В обучающей литературе написано, что при снижении скорости передачи до 10кбит/с можно добиться длины сети в 1.5км.

Пакет сообщения CAN

Формат сообщения CAN показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пакет сообщения CAN

По факту пакет сообщения формируется CAN контроллером, а прикладное ПО только устанавливает идентификатор сообщения, длину сообщения и предоставляет байты данных, поэтому полностью рассматривать пакет не будем, а посмотрим на данные которые мы изменяем при работе с CAN шиной.

Идентификатор сообщения используется для идентификации данных, отправленных в этом пакете. Каждое отправленное сообщение принимается всеми узлами сети и в данном случае идентификатор позволяет понять конкретному устройству, необходимо ли обрабатывать данное сообщение. Максимальная длина сообщения 8 байт, но можно уменьшить это значение для сохранения пропускной способности шины CAN. Для примера ниже по тексту есть несколько скриншотов CAN сообщений из автомобильной сети.

Арбитраж на шине CAN

Если без подробностей, то первым по шине CAN всегда передается сообщение с наименьшим идентификатором.

Настройка скорости передачи данных по шине CAN

Скорость передачи данных по CAN шине настраивается за счет формирования квантов времени, а не как во многих других протоколах последовательной передачи данных за счет делителя скорости. В большинстве случаев используются скорости 10Кбит/c, 20Кбит/c, 50Кбит/c, 100Кбит/c, 125Кбит/c, 500Кбит/c, 800Кбит/c, 1MBaud и настройки для этих скоростей уже посчитаны. На рисунке 4 изображено окно выбора скорости в программе PcanView.

Рисунок 4 – Выбор скорости передачи данных в программе PcanView

Как мы видим при установке стандартной скорости настройки проставляются автоматически, но бывают случаи когда необходимо использовать другую скорость передачи данных. Например бортовой CAN автомобиля может работать со скоростью 83Кбит/c. В этом случае придется провести расчет настроек самостоятельно или поискать специализированный калькулятор скорости в интернете. Для самостоятельного расчета скорости необходимо понимать, что для передачи одного бита сообщения используется несколько квантов, а интервал передачи состоит из трех сегментов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Время передачи одного бита

Первый сегмент всегда фиксирован и равняется одному кванту. Далее идет два сегмента Tseg1 и Tseg2 и количество квантов в каждом сегменте определяется пользователем и может быть равно от 8 до 25. Точка выборки находится между Tseg1 и Tseg2, т.е. в конце первого и в начале второго сегмента. Так же пользователь может определить ширину скачка синхронизации (Synchronization Jump Width - SJW) для подстройки битовой скорости принимающего устройства, который может быть в диапазоне 1 – 4 квантов времени.

Теперь приведем формулу расчета скорости (Пример расчета скорости для CAN контроллера SJA1000):

BTR = Pclk/(BRP * (1 + Tseg1 + Tseg2))

BTR – скорость передачи данных,

Pclk – частота работы CAN контроллера,

BRP – значение предделителя частоты генератора скорости передачи

Tseg1 – первый сегмент

Tseg2 – Второй сегмент

Для проверки возьмем уже посчитанную скорость 125Кбит/c и попробуем получить настройки вручную. Pclk возьмем 16 МГц.

BRP = 16МГц /(125K * (1 + Tseg1 + Tseg2))

Затем подбираем интервал передачи бита находящийся в диапазоне от 8 до 25 квантов времени, так что бы получилось целое значение BRP. В нашем случае если взять (1 + Tseg1 + Tseg2) = 16, то BRP будет равен 30.

SP = ((1 + Tseg1 + Tseg2) * 70)/100

Подставляем значения и получаем 16 * 0.7 = 11.2, что соответствует соотношению Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, т.е. 1 + 10 + 5 = 16. Далее смотрим если Tseg2 >= 5, то SJW = 4, если Tseg2 < 5, то SJW = (Tseg2 – 1). В нашем случае SJW = 4.

Итого для получения скорости 125Кбит/c необходимо в параметрах указать, BRP = 30, Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, SJW = 4.

P.S. Конфигурирование baud rate значительно отличается между старыми модулями USB-CANmodul (GW-001 и GW-002) с контроллером SJA1000 и новыми модулями sysWORXX с контроллером AT91SAM7A3. В статье описывающей работу с бортовым CAN автомобиля на скорости 83кбит/c приведен расчет скорости для контроллера AT91SAM7A3.

Пример получения и передачи данных по CAN-интерфейсу

В примере будем использовать CAN-адаптер с программой PcanView от SYSTEC и подключимся к салонному CAN автомобиля, работающему со скоростью 125Кбит/с. Рассматриваемый нами автомобиль оснащен креслами с электроприводом и поэтому исследуем данные отвечающие за положение кресел и постараемся изменить положение спинки подменив пакет с помощью компьютера.

Для начала на схеме автомобиля находим наиболее удобно расположенный разъем с линиями CANH и CANL и подключаем к нему наш адаптер. Если разъем и провода найти не получилось, то можно подлезть к блоку управления кресла, найти там два скрученных между собой провода и аккуратно надрезав провода подключить адаптер. Если после подключения и настройки адаптера сообщения не приходят, то в первую очередь попробуйте поменять между собой CANH CANL и проверить включено ли зажигание.
Далее запускаем программу PcanView, в открывшемся окне настроек устанавливаем Baudrate = 125Кбит/c и нажимаем ОК (рисунок 4). В следующем окне устанавливаем Message filter = Standard, диапазон адресов от 000 до 7FF и нажимаем ОК (рисунок 6).

Рисунок 6 – Настройка CAN фильтра

Если все сделано правильно, то мы увидим сообщения от кресел (рисунок 7), а при нажатии кнопки наклона спинки на пульте управления мы увидим еще одно сообщение с адресом 1F4 идущее от пульта к креслу (рисунок 8).

Рисунок 7 – CAN сообщения от кресла с электроприводом


Рисунок 8 – CAN сообщения от кресла с электроприводом и сообщение от пульта управления к креслу

Теперь мы знаем какие должны быть адрес, длина и данные в CAN пакете для имитации нажатия кнопки изменения положения спинки. Во вкладке Transmit нажимаем NEW и в открывшемся окне создаем копию пакета 1F4, т.е. ID = 1F4, Length = 3, Data = 40 80 00. Period можно оставить 0 ms, тогда сообщения будут отправляться по факту нажатия кнопки пробел (рисунок 9).

Рисунок 9 – Создание CAN сообщения

На рисунке 10 отображено поле Transmit главного окна содержащее все отправляемые сообщения в CAN и информацию о них. При выделении сообщения и нажатии кнопки пробел произойдет отправка пакета в CAN сеть и кресло немного сдвинется в нужном направлении.

Понятное дело, что добиться полноценного управления креслом в таком случае не получиться, т.к. мы не можем исключить из сети пакеты заводского пульта управления, но эта проблема вполне решаема.

Итог

Мы увидели как при определенных усилиях и навыках можно создавать собственные электронные системы с использованием высокотехнологичного протокола CAN и как можно подключаться, исследовать и управлять устройствами подключенными к автомобильной CAN шине.

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

Интерфейс CAN (Controller Area Network, локальная сеть контроллеров) предназначен для организации высоконадежных и недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Он позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.

В настоящее время CAN-интерфейс широко применяется во многих областях, в том числе в промышленной автоматике и в аэрокосмическом приборостроении. CAN-интерфейс
(или CAN-Bus) чаще всего используется как связующее звено между главной магистралью управляющего устройства и множеством вспомогательных датчиков, механизмов и т. п., подключение которых к центральной магистрали не всегда целесообразно.

Протокол CAN, разработанный фирмой Bosch, изначально проектировался для нужд автомобильной промышленности оказался настолько удачным, что к настоящему моменту он применяется повсеместно.

CAN-протокол отличается повышенной помехоустойчивостью, надежностью и обладает следующими возможностями:

конфигурационная гибкость;

получение сообщений всеми узлами с синхронизацией по времени;

неразрушающий арбитраж доступа к шине;

режим мультимастер;

обнаружение ошибок и передача сигналов об ошибках;

автоматическая передача сбойных сообщений при получении возможности повторного доступа к шине;

различие между случайными ошибками и постоянными отказами узлов с возможностью выключения дефектных узлов;

работает по витой паре на расстоянии до 1 км.

Типичными примерами применения CAN-сети являются системы контроля и управления текстильным оборудованием, производимого компаниями Cezoma, Lindauer Dornier, Rieter,
Schlafhorst, Sulzer.

Среди других важных областей применения сети нужно отметить промышленную автоматизацию и системы управление роботами. ABB, Bosch, Engel и другие компании уже применяют CAN в своем оборудовании. Edeka использует CAN в своем центре логистики Не обходятся без применения CAN-технологий системы автоматизации и жизнеобеспечения зданий, где они используются в управлении кондиционированием (Colt
International), поддержания температуры (Buderus), интегрированного контроля состояния помещений и освещения.

CAN-интерфейс является последовательной шиной с поддержкой одновременной работы многих мастер-устройств, что означает возможность для всех узлов CAN-сети передавать данные и запрашивать шину нескольким узлам одновременно.

Устройства в CAN-системе соединяются по шине, состоящей из трех проводов (2 сигнальных и одни общий).

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 идентификаторов). Таким образом, в каждом из устройств можно легко организовать несколько виртуальных каналов обмена информацией с различными устройствами, включая каналы одновременного получения сообщении.

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 помнится сообщение с более высоким приоритетом; затем передается сообщение с еще более низким приоритетом и т. д.

CAN содержит 5-ступепчатый механизм обнаружения ошибок:

циклический контроль по избыточности (CRC);

контроль передаваемого поля битов;

контроль сигнала «Подтверждение приема»;

текущий контроль логического уровня битов;

контроль заполнения битов.

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

Физический уровень CAN-интерфейса определяется стандартом ISO 11898 и характеризуется следующими возможностями: дифференциальное включение приемопередатчиков обеспечивает подавление синфазной помехи, при этом уровень сигналов составляет 1/3 от значения напряжения питания, причем, само напряжение питания не определяется жестко.

Например, типичные значения при напряжении питания +5 В приведены на рис. 5.18, причем доминирующим уровнем является нижний уровень, а рецессивным, соответственно, верхний;

максимальное расстояние между узлами – до 1 км;

скорость обмена до 1 Мбит/с при длине линии 60 м;

возможность применения гальванической развязки, причем, гальваническая развязка может устанавливаться либо между приемо-передающим буфером и микросхемой, обеспечивающей

функции CAN, либо между микросхемой и остальной системой (рис. 5.19).

В CAN-протоколе определены следующие типы фреймов :

фрейм данных перемещает данные с передатчика на приемник (приемники);

удаленный фрейм запрашивает передачу фрейма данных, связанного с определенным идентификатором;

фрейм ошибки выражает, какой узел обнаружил ошибку шины/сети;

фрейм перегрузки обеспечивает задержку между передачей фреймов, чтобы управлять потоком данных.

Рис. 5.18. Сигнальные уровни на CAN-шине

Рис. 5.19. Два типа гальванической развязки

Рассмотрим подробнее фрейм данных (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Управляющее поле фрейма данных (окончание)

Он состоит из стартового поля SOF, поля арбитража Arbitration Field, управляющего поля Control Field, поля данных Data Field, поля контрольной суммы CRC, поля подтверждения ACK Field, поля конца фрейма EOF.

Поле SOF (Start of Frame) находится в начале фрейма данных и удаленного фрейма и содержит один доминирующий бит.

Поле арбитража Arbitration Field содержит 11-битовый идентификатор и RTR-бит, показывающий, является ли данный фрейм фреймом данных или удаленным фреймом. Идентификатор предназначен для адресации сообщений и используется механизмом арбитража.

Управляющее поле Control Field (см. рис. 5.20) содержит
6 битов, из которых 4 бита (DLC0-DLC4) составляют поле Data Length Code, показывающее количество байтов данных, которое будет передаваться в поле данных; два других бита зарезервированы для следующих редакций протокола.

Поле данных Data Field содержит передаваемые данные, причем, количество передаваемых байтов указывается в поле Control Field и не может превышать 8.

Поле CRC обеспечивает механизм избыточного контроля по четности передаваемых данных.

Поле подтверждения ACK Field (см. рис. 5.21) содержит участки ACK Slot и ACK Delimiter и выполняет следующую функцию: передающий узел посылает по одному рецессивному биту на каждом из участков, а приемник, если он принял сообщение без сбоев, устанавливает на линии доминирующий бит в поле ACK Slot. При наложении рецессивного и доминирующего уровней на линии устанавливается доминирующий, и это событие сигнализирует передающему узлу о том, что передача прошла нормально и повтор не требуется.

Поле конца фрейма EOF содержится в фрейме данных и удаленном фрейме и состоит из семи рецессивных битов.

Рис. 5.21. Поле подтверждения фрейма данных

Удаленный фрейм аналогичен по структуре фрейму данных, но не имеет поля данных, а фрейм ошибок и фрейм перегрузки содержат по два поля: в первом располагаются флажки ошибок и служебная информация, а второе является полем разграничителя Delimiter, и содержит восемь рецессивных битов.

Передающий узел в CAN-протоколе определяет все другие узлы в сети и подтверждают это. Всякий раз, когда шина свободна от передачи, узел может начинать передавать. Если узел передает, эта передача должна быть завершена прежде, чем другой узел может пытаться передавать. Если два или больше узла начинают передавать в одно и то же время, конфликт решается при помощи неразрушающего (non-destructive) поразрядного алгоритма арбитража, использующего поле арбитража.

Поле арбитража, включенное во все фреймы данных, состоит из: 11-битового поля идентификатора; RTR-бита.

RTR-бит указывает, является ли фрейм фреймом данных или удаленным фреймом.

11-битовое поле идентификатора передается от старшего к младшему значащему биту. Доминирующий уровень – логический 0. Одновременная передача бита с доминирующим уровнем (логический 0) и бита с рецессивным уровнем (логическая 1) дает в результате уровень логического 0.

В течение передачи поля арбитража каждый передатчик контролирует текущий уровень на шине и сравнивает это с битом, который он должен передавать. Если значения равны, узел способен затем продолжить передачу. Если бит с пассивным уровнем (логическая 1) был передан, а активный бит (логический 0) обнаружен на шине, то данный узел теряет право передачи и должен прекратить передачу последующих данных (рис. 5.12). Узел, который потерял шину, может сделать попытку передачи снова, когда текущая передача завершена.

Важно следующее: идентификатор с самым низким значением выигрывает арбитраж.

CAN – это протокол, ориентированный на использование в условиях помех. Различные сообщения, передающиеся по сети, имеют идентификатор, и каждая станция решает, основываясь на этом идентификаторе, получать или нет это сообщение. Этот идентификатор определен в поле идентификатора CAN-фрейма.

При этом адрес приемника устанавливается в самом приемнике путем настройки входных фильтров соответствующих микросхем.

Входные фильтры представляют собой решета, или идентификационные экраны. Любое сообщение, которое проходит через входные фильтры, должно быть обработано процессором обслуживания CAN-контроллера. Чем большее количество единиц может быть отфильтровано, тем меньше нагрузка на процессор.

Микросхемы, поддерживающие CAN-протокол, могут иметь одиночный фильтр или многократные фильтры, в зависимости от конкретной реализации. Существуют следующие два типа входных фильтров:

фиксированные – фильтры, которые требуют, чтобы биты соответствовали точно один к одному (one-for-one);

Mask-and-Match (маскируемые) – фильтры, которые применяют маску к полю идентификатора, прежде чем он сравнивается с приемным регистром кода.

В настоящее время СAN-протокол активно используется в индустриальных сетях. Такие известные фирмы, как Hoheywell и Allan_Bradley, разработали и поддерживают сетевые протоколы верхнего уровня SDS и DeviceNet, причем последний является открытым и на данный момент более 200 фирм выпускают и разрабатывают свои изделия в этом стандарте. Кроме того, достаточно известными в Европе являются стандарты сети верхнего уровня CanOpen, CAL (Германия) и CanKingdom (Швеция). Все эти сети используют CAN-протокол на физическом и транспортном уровнях. Ряд отечественных фирм также выпускает изделия с CAN-протоколом, в том числе в популярном формате MicroPC.