Digitálna dátová zbernica CAN

Všeobecné informácie

Moderné vozidlá využívajú niekoľko zberníc CAN (Controller Area Network) medzi modulmi / riadiacimi jednotkami rôznych systémov a ovládačmi akčných členov vozidla.



Autobus je plne duplexný (alebo len duplex), t.j. akékoľvek zariadenie k nemu pripojené môže súčasne prijímať a odosielať správy.

Signál z citlivého prvku zodpovedajúcej informácie (senzor) vstupuje do najbližšej riadiacej jednotky, ktorá ho spracuje a odovzdá na dátovú zbernicu CAN.

Akákoľvek riadiaca jednotka pripojená na dátovú zbernicu CAN dokáže prečítať tento signál, vypočítať na základe neho parametre riadiacej akcie a riadiť fungovanie príslušného aktuátora.

Výhody

Pri bežnom káblovom pripojení elektrických a elektronických zariadení je každá riadiaca jednotka priamo prepojená so všetkými snímačmi a akčnými členmi, z ktorých prijíma merania alebo ktoré riadi.

Komplikácia riadiaceho systému vedie k nadmernej dĺžke alebo viacnásobným káblovým vedeniam.


V porovnaní so štandardnou kabelážou poskytuje dátová zbernica:

• Zníženie počtu káblov. Vodiče zo snímačov sa ťahajú iba do najbližšej riadiacej jednotky, ktorá prevádza namerané hodnoty na dátový paket a prenáša ho na zbernicu CAN;
• Akákoľvek riadiaca jednotka môže ovládať aktor, ktorý prijíma príslušný dátový paket cez CAN zbernicu a na jeho základe vypočítava hodnotu riadiacej akcie;
• Zlepšenie elektromagnetickej kompatibility;
• Zníženie počtu konektorov a zníženie počtu kontaktných výstupov na riadiacich jednotkách;
• Strata váhy;
• Zníženie počtu snímačov, pretože signály jedného snímača (napríklad zo snímača teploty chladiacej kvapaliny) môžu byť použité rôznymi systémami;
• Zlepšenie diagnostických schopností. Pretože signály jedného snímača (napríklad signál rýchlosti) sú používané rôznymi systémami, potom ak všetky systémy používajúce tento signál vydajú poruchové hlásenie, je zvyčajne chybný snímač alebo riadiaca jednotka, ktorá spracováva jeho signály. Ak chybové hlásenie pochádza iba z jedného systému, hoci tento signál používajú iné systémy, príčina poruchy je najčastejšie v riadiacej jednotke alebo servomechanizme;
• Vysoká rýchlosť prenosu dát - možná až 1 Mbit/s s maximálnou dĺžkou linky 40 m V súčasnosti vozidlá Mercedes-Benz disponujú rýchlosťou prenosu dát od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s;
• Na tej istej linke je možné postupne prenášať niekoľko správ.

Dátová zbernica CAN pozostáva z dvojvodičového vodiča vyrobeného vo forme krúteného páru. Všetky zariadenia pripojené k tejto linke (riadiace jednotky zariadenia).


Prenos dát prebieha duplicitne na oboch vodičoch a logické úrovne dátovej zbernice sú zrkadlené (teda ak sa na jednom vodiči prenáša úroveň logickej nuly (0), potom na druhom drôte - úroveň logickej jednotky (1), a naopak).

Schéma dvojvodičového prenosu sa používa z dvoch dôvodov: na kontrolu chýb a ako základ spoľahlivosti.

Ak sa napäťová špička vyskytne len na jednom vodiči, napríklad v dôsledku problémov s EMC (EMC), potom to prijímače môžu identifikovať ako chybu a ignorovať túto špičku.

V prípade skratu alebo prerušenia jedného z dvoch vodičov zbernice CAN sa vďaka integrovanému systému spoľahlivosti softvéru a hardvéru prepne do jednovodičového režimu prevádzky. Poškodené prenosové vedenie sa už nepoužíva.

Objednávka a formát prenášaný a prijímaný používateľmi (predplatiteľov) správ je definovaný v komunikačnom protokole.

Základným rozlišovacím znakom dátovej zbernice CAN v porovnaní s inými zbernicovými systémami založenými na princípe adresovania účastníkov je adresovanie súvisiace so správou.

To znamená, že každej správe prenášanej na zbernici je priradená jej trvalá adresa (identifikátor), označujúce obsah tejto správy (napr.: teplota chladiacej kvapaliny). Protokol dátovej zbernice CAN umožňuje preniesť až 2048 rôznych správ, pričom adresy 2033 až 2048 sú trvalo priradené.

Množstvo dát v jednej správe na zbernici CAN je 8 bajtov.

Prijímacia jednotka spracováva len tie správy, ktoré sú uložené v jej vlastnom identifikačnom zozname (akceptačná kontrola).

Dátové pakety je možné prenášať len vtedy, ak je zbernica CAN voľná (t.j. ak po poslednom pakete nasleduje interval 3 bitov a žiadna z riadiacich jednotiek nezačne vysielať ďalšiu správu). V tomto prípade musí byť logická úroveň dátovej zbernice recesívna (logické «1»).


Ak niekoľko riadiacich jednotiek začne vysielať správy súčasne, potom vstúpi do platnosti princíp priority, podľa ktorého sa správa s najvyššou prioritou prenesie ako prvá bez straty času alebo bitov (arbitráž žiadostí o prístup k spoločnej dátovej zbernici).

Každá riadiaca jednotka, ktorá stratí právo rozhodovať, sa automaticky prepne na príjem a znova sa pokúsi odoslať svoju správu, len čo sa dátová zbernica opäť uvoľní.

Okrem dátových paketov sa pri výmene informácií využívajú aj pakety požiadaviek na určité správy na dátovej zbernici CAN - na takúto požiadavku odpovedá riadiaca jednotka, ktorá je schopná poskytnúť požadované informácie.

Formát prenosu dát

V normálnom režime prenosu sa používajú pakety nasledujúcich konfigurácií:

• Data Frame (rámec správy) na prenos správ na dátovej zbernici CAN (napr.: teplota chladiacej kvapaliny);
• Remote Frame (rám žiadosti) vyžiadať si správy na dátovej zbernici CAN od inej riadiacej jednotky;
• Error Frame (chybový rámec), - všetky pripojené riadiace jednotky sú upozornené, že nastala chyba a posledná správa na dátovej zbernici CAN je neplatná.

Protokol dátovej zbernice CAN podporuje dva rôzne formáty rámca správ, ktoré sa líšia iba dĺžkou identifikátora: Štandardný a Rozšírený.

V súčasnosti komunikačné systémy riadiaceho systému vozidla Daimler Chrysler používajú iba štandardný formát.




Každý rámec správ prenášaných cez zbernicu CAN pozostáva zo siedmich po sebe nasledujúcich polí:

• Start of Frame (štart bit): Označí začiatok správy a synchronizuje všetky moduly;
• Arbitration Field (arbitrážne pole): Toto pole pozostáva z 11-bitového identifikátora (adresy) a jeden ovládací bit (Remote Transmission Request-Bit), pričom rám označíte ako dátový rámec (dátový rámec) alebo ako vzdialený rám (rámec vzdialenej požiadavky);
• Control Field (ovládacie bity): 6-bitové riadiace pole obsahuje definujúci bit IDE (Identifier Extension Bit), ktorý sa používa na rozpoznanie typu používaného formátu (štandardné alebo rozšírené), vyhradený bit pre následné rozšírenia a - v posledných 4 bitoch - informácia o počte dátových bajtov vložených do dátového poľa (Pozri nižšie);
• Data Field (údajov): Dátové pole môže obsahovať od 0 do 8 bajtov dát, - prenos správ na zbernici CAN s dĺžkou 0 bajtov slúži na synchronizáciu distribuovaných procesov;
• CRC Field (kontrolné pole): CRC pole (Cyclic-Redundancy-Check Field) obsahuje 16 bitov a slúži na kontrolné rozpoznávanie chýb pri prenose;
• ACK Field (potvrdenie o prijatí): pole ACK (Acknowledgement Field) obsahuje potvrdzovací signál pre všetky prijímacie jednotky, ktoré prijali správu cez zbernicu CAN bez chýb;
• End of Frame (koniec rámu): Označuje koniec rámu;
• Intermission (interval): Interval medzi dvoma susednými dátovými rámcami. Dĺžka intervalu musí byť aspoň 3 bity, po ktorých môže ktorákoľvek z riadiacich jednotiek začať vysielať ďalší paket;
• IDLE (kľudový režim): Ak žiadna riadiaca jednotka nevysiela správy, zbernica CAN zostane v nečinnom režime (očakávania) do začiatku ďalšieho paketu.

Priority

Aby bolo možné údaje spracovávať v reálnom čase, musí byť možné ich rýchlo prenášať.

Vyžaduje si to nielen spojenie s vysokou fyzickou rýchlosťou prenosu dát, ale vyžaduje si to aj rýchly prístup k spoločnej zbernici CAN, ak viaceré riadiace jednotky potrebujú posielať správy súčasne.

Aby bolo možné rozlíšiť medzi správami prenášanými na dátovej zbernici CAN podľa stupňa naliehavosti, sú pre jednotlivé správy poskytnuté rôzne priority.

Napríklad časovanie zapaľovania má najvyššiu prioritu, hodnoty sklzu sú stredné a teplota vonkajšieho vzduchu je najnižšia.

Priorita, s ktorou sa správa prenáša na zbernici CAN, je určená identifikátorom (pole adresy) príslušnú správu.

Identifikátor zodpovedajúci menšiemu binárnemu číslu má vyššiu prioritu a naopak.

Protokol dátovej zbernice CAN je založený na dvoch logických stavoch: Bity sú buď «recesívny» (logické «1»), alebo «dominantný» (logické «0»). Ak je dominantný bit vysielaný aspoň jedným modulom, potom sú recesívne bity prenášané inými modulmi prepísané.

Príklad

Ak niekoľko riadiacich jednotiek spustí prenos dát súčasne, konflikt prístupu k spoločnej dátovej zbernici je vyriešený o «bitové rozhodovanie žiadostí o zdieľané zdroje» s príslušnými identifikátormi.

Pri vysielaní poľa identifikátorov vysielač po každom bite kontroluje, či má ešte vysielacie právo, alebo či už iná riadiaca jednotka na zbernici vysiela správu s vyššou prioritou.

Ak je recesívny bit vysielaný prvou vysielacou jednotkou prepísaný dominantným bitom inej vysielacej jednotky, potom prvá vysielacia jednotka stráca právo vysielať (arbitráž) a stáva sa blokom prijímača.

Ostatné riadiace jednotky sa pokúsia preniesť svoje správy na dátovú zbernicu CAN, až keď bude opäť voľná. V tomto prípade bude právo na prenos opäť udelené v súlade s prioritou správy na dátovej zbernici CAN.

Rozpoznanie chyby

Rušenie môže viesť k chybám pri prenose údajov. Takéto chyby prenosu by sa mali rozpoznať a opraviť. Protokol dátovej zbernice CAN rozlišuje dve úrovne rozpoznávania chýb:

• Mechanizmy na úrovni dátového rámca (dátový rámec);
• Mechanizmy na úrovni bitov.

Mechanizmy na úrovni dátového rámca

Cyclic-Redundancy-Check

Na základe správy prenášanej cez dátovú zbernicu CAN, vysielač vypočíta riadiace bity, ktoré sú prenášané spolu s dátovým paketom v teréne «CRC Field» (kontrolné súčty). Prijímacia jednotka prepočítava tieto riadiace bity na základe správy prijatej na dátovej zbernici CAN a porovnáva ich s riadiacimi bitmi prijatými s touto správou.

Frame Check

Tento mechanizmus kontroluje štruktúru prenášaného bloku (rám), to znamená, že bitové polia s daným pevným formátom a dĺžkou rámca sa znova skontrolujú.

Chyby zistené Frame Check sú označené ako chyby formátu.

Mechanizmy na úrovni bitov

Monitorovanie

Každý modul pri vysielaní správy sleduje logickú úroveň dátovej zbernice CAN a zisťuje rozdiely medzi prenášanými a prijímanými bitmi. To zaisťuje spoľahlivé rozpoznanie globálnych a lokálnych bitových chýb, ktoré sa vyskytujú vo vysielacej jednotke.

Bit Stuffing

V každom rámci údajov medzi poľami «Start of Frame» a koniec poľa «CRC Field» nemalo by existovať viac ako 5 po sebe idúcich bitov s rovnakou polaritou.

Po každej sekvencii 5 identických bitov pridá blokový vysielač k bitovému toku jeden bit s opačnou polaritou.

Prijímacie jednotky vymažú tieto bity po prijatí správy na dátovej zbernici CAN.

Riešenie problémov

Ak niektorý modul dátovej zbernice CAN zistí chybu, preruší aktuálny proces prenosu dát odoslaním chybového hlásenia. Chybové hlásenie pozostáva zo 6 dominantných bitov.

Vďaka chybovému hláseniu sú všetky riadiace jednotky pripojené na dátovú zbernicu CAN upozornené na vzniknutú lokálnu chybu a podľa toho ignorujú predtým vyslanú správu.

Po krátkej odmlke budú môcť všetky riadiace jednotky opäť posielať správy na dátovej zbernici CAN, pričom ako prvá sa opäť odošle správa s najvyššou prioritou.

Riadiaca jednotka, ktorej správa na dátovej zbernici CAN spôsobila chybu, tiež začne znova vysielať svoju správu (funkcia automatickej požiadavky na opakovanie).

Typy zbernice CAN

Pre rôzne oblasti riadenia sa používajú rôzne zbernice CAN. Líšia sa od seba rýchlosťou prenosu dát.

Oblasť prenosovej rýchlosti CAN «motor a podvozok» (CAN-C) je 125 Kbps a dátová zbernica CAN «Salón» (CAN-B) z dôvodu menšieho počtu obzvlášť urgentných správ je navrhnutý pre rýchlosť prenosu dát iba 83 Kbps.

Výmena dát medzi oboma zbernicovými systémami prebieha cez tzv «brány», t.j. riadiace jednotky pripojené na obe dátové zbernice.

Optické vlákno D2B (Digital Daten-Bus) údaje aplikované na oblasť «Zvuk/Komunikácia/Navigácia». Kábel z optických vlákien dokáže preniesť podstatne väčšie množstvo informácií ako zbernica s medeným káblom.

CAN-C zbernica «Motor a podvozok»

Takzvaný zakončovací odpor dátovej zbernice s odporom 120 Ω je inštalovaný na každej strane terminálovej riadiacej jednotky a je zapojený medzi oba vodiče dátovej zbernice.

Dátová zbernica CAN v motorovom priestore je aktívna len pri zapnutom zapaľovaní.

Na zbernicu CAN-C je možné pripojiť viac ako 7 riadiacich jednotiek.

CAN-B zbernica «Salón»

Niektoré riadiace jednotky pripojené k dátovej zbernici CAN priestoru pre cestujúcich sa aktivujú bez ohľadu na zapnuté zapaľovanie (napríklad systém s jedným zámkom).

Preto musí byť dátová zbernica CAN priestoru pre cestujúcich funkčná aj pri vypnutom zapaľovaní, čo znamená, že možnosť prenosu dátových paketov musí byť zabezpečená aj pri vypnutom zapaľovaní.

Aby sa čo najviac znížila spotreba kľudového prúdu, dátová zbernica CAN sa pri absencii dát potrebných na prenos prepne do pasívneho pohotovostného režimu a opäť sa aktivuje až pri ďalšom prístupe.

Ak je v pasívnom pohotovostnom režime dátovej zbernice CAN priestoru pre cestujúcich, akákoľvek riadiaca jednotka (napríklad riadiaci modul s jedným zámkom) cez ňu odošle správu, potom ju prijme iba hlavný systémový modul (elektronický spínač zapaľovania, EZS/EIS). Modul EZS uloží túto správu do pamäte a odošle aktivačný signál (Wake-up) do všetkých riadiacich jednotiek pripojených na zbernicu CAN-B.

Keď je aktivovaný, EZS skontroluje všetkých používateľov dátovej zbernice CAN a potom odošle predtým uloženú správu.

Na zbernicu CAN-B je možné pripojiť viac ako 20 riadiacich jednotiek.