Digitalna podatkovna sabirnica CAN [Toyota Land Cruiser J100]

Opće informacije

Redoslijed razmjene podataka putem CAN sabirnice

Moderna vozila koriste nekoliko CAN mrežnih sabirnica za razmjenu podataka (Controller Area Network) između modula/kontrolnih jedinica raznih sustava i kontrolera aktuatora vozila (pogledajte gornju ilustraciju).

Autobus je full duplex (ili samo duplex), one. Svaki uređaj spojen na njega može istovremeno primati i slati poruke.

Signal s osjetljivog elementa odgovarajuće informacije (senzora) šalje se do najbliže upravljačke jedinice, koja ga obrađuje i prenosi na sabirnicu za razmjenu podataka CAN.

Bilo koja upravljačka jedinica spojena na CAN podatkovnu sabirnicu može pročitati ovaj signal, izračunati upravljačke parametre na temelju njega i upravljati servo pogonom.

Prednosti

Konvencionalnim kabelskim povezivanjem električnih i elektroničkih uređaja ostvaruje se izravna veza između svake upravljačke jedinice i svih senzora i aktuatora od kojih prima rezultate mjerenja ili kojima upravlja.

Kompliciranost sustava upravljanja dovodi do prevelike duljine ili broja kabelskih vodova.

U usporedbi sa standardnim kablovima, podatkovna sabirnica pruža:

• Smanjenje broja kablova. Žice od senzora protežu se samo do najbliže upravljačke jedinice, koja pretvara izmjerene vrijednosti u paket podataka i prenosi ih na CAN sabirnicu;
• Aktuatorom se može upravljati bilo kojom upravljačkom jedinicom koja putem CAN sabirnice prima odgovarajući paket podataka i na temelju njega izračunava vrijednost upravljačkog djelovanja na servo mehanizam;
• Poboljšanje elektromagnetske kompatibilnosti;
• Smanjenje broja utičnih spojeva i smanjenje broja kontaktnih stezaljki na upravljačkim jedinicama;
• Gubitak težine;
• Smanjenje broja senzora, jer signale jednog senzora (na primjer, od senzora temperature rashladnog sredstva) mogu koristiti različiti sustavi;
• Poboljšanje dijagnostičkih mogućnosti. Jer signale jednog senzora (na primjer, signal brzine) koriste različiti sustavi, onda ako poruku o pogrešci generiraju svi sustavi koji koriste ovaj signal, neispravan je obično senzor ili upravljačka jedinica koja obrađuje njegove signale. Ako poruka o grešci dolazi samo iz jednog sustava, iako taj signal koriste i drugi sustavi, tada je uzrok greške najčešće u upravljačkoj jedinici obrade ili servo mehanizmu;
• Visoka brzina prijenosa podataka – moguće je do 1 Mbit/s s maksimalnom duljinom linije od 40 m.
• Preko iste linije može se uzastopno prenijeti nekoliko poruka.

CAN sabirnica podataka sastoji se od dvožilnog kabela izrađenog u obliku upredene parice. Svi uređaji su spojeni na ovu liniju (upravljačke jedinice uređaja).



Prijenos podataka provodi se dupliciranjem na obje žice, a logičke razine podatkovne sabirnice se zrcaljavaju (to jest, ako se na jednoj žici prenosi razina logičke nule (0), tada se na drugoj žici prenosi razina logičke jedinice (1) i obrnuto).

Dvožična shema prijenosa koristi se iz dva razloga: za kontrolu grešaka i kao osnova za pouzdanost.

Ako se skok napona dogodi samo na jednoj žici, na primjer zbog problema s elektromagnetskom kompatibilnošću (EMC), tada prijemne jedinice to mogu identificirati kao pogrešku i zanemariti skok.

U slučaju kratkog spoja ili prekida jedne od dvije žice CAN sabirnice, zahvaljujući integriranom softverskom i hardverskom sustavu pouzdanosti, vrši se prebacivanje u jednožilni način rada. Oštećeni dalekovod se više ne koristi.

Redoslijed i format podataka koje korisnici prenose i primaju (pretplatnika) poruke su definirane u protokolu za razmjenu podataka.

Bitna značajka razlikovanja CAN podatkovne sabirnice u usporedbi s drugim sustavima sabirnica koji se temelje na principu adresiranja pretplatnika je adresiranje vezano uz poruke.

To znači da se svakoj poruci koja se prenosi sabirnicom dodjeljuje vlastita stalna adresa (identifikator), označavajući sadržaj ove poruke (npr.: temperatura rashladne tekućine). Protokol sabirnice podataka CAN omogućuje prijenos do 2048 različitih poruka, s adresama 2033 do 2048 koje su trajno dodijeljene.

Količina podataka u jednoj poruci CAN sabirnice je 8 bajtova.

Blok primatelja obrađuje samo te poruke (paketi podataka), koji su pohranjeni u vlastitu identifikacijsku listu (kontrola prihvatljivosti).



Paketi podataka mogu se prenositi samo ako je CAN sabirnica slobodna (tj. ako je nakon zadnjeg podatkovnog paketa uslijedio 3-bitni interval, a niti jedna kontrolna jedinica ne započne slanje poruke). U tom slučaju logička razina sabirnice podataka mora biti recesivna (logička "1").

Ako više upravljačkih jedinica započne slanje poruka istovremeno, na snagu stupa načelo prioriteta prema kojem će poruka s najvećim prioritetom biti prva poslana bez gubitka vremena i bitova (arbitraža zahtjeva za pristup zajedničkoj podatkovnoj sabirnici).

Svaka kontrolna jedinica koja izgubi pravo arbitraže automatski se prebacuje na primanje i ponovno pokušava poslati svoju poruku čim se podatkovna sabirnica ponovno oslobodi.

Osim podatkovnih paketa, koriste se i paketi za traženje određene poruke preko CAN sabirnice podataka, na takav zahtjev odgovara upravljačka jedinica koja može dati traženu informaciju.

Format paketa podataka

U normalnom načinu prijenosa, podatkovni paketi imaju sljedeće blok (okvir) konfiguracije:

• Data Frame (okvir poruke) za prijenos poruka putem CAN sabirnice podataka (npr.: temperatura rashladne tekućine);
• Remote Frame (okvir zahtjeva) za traženje poruka putem CAN podatkovne sabirnice od druge upravljačke jedinice;
• Error Frame (okvir pogreške), sve povezane upravljačke jedinice su obaviještene da je došlo do greške i zadnja poruka na CAN podatkovnoj sabirnici nije važeća.

Protokol CAN podatkovne sabirnice podržava dva različita formata okvira poruke CAN podatkovne sabirnice koji se razlikuju samo u duljini identifikatora:

• Standardni format;
• Prošireni format.

Trenutno se u sustavima za razmjenu podataka sustava upravljanja vozilom koristi samo standardni format.

Format okvira

Svaki okvir poruke koji se prenosi putem CAN sabirnice sastoji se od sedam uzastopnih polja (pogledajte gornju ilustraciju):

• Start of Frame (početak malo): Označava početak poruke i sinkronizira sve module;
• Arbitration Field (identifikator i zahtjev): Ovo polje se sastoji od 11-bitnog identifikatora (adrese) i 1 kontrolnog bita (Remote Transmission Request-Bit). Ovaj kontrolni bit označava okvir kao podatkovni okvir (podatkovni okvir) ili kao daljinski okvir (udaljeni okvir zahtjeva) bez podatkovnih bajtova;
• Control Field (kontrolni bitovi): Kontrolno polje (6 bita) sadrži IDE bit (Identifier Extension Bit) za prepoznavanje standardnog i proširenog formata, rezervni bit za naknadna proširenja i - u zadnja 4 bita - broj bajtova podataka sadržanih u podatkovnom polju (podatkovno polje);
• Data Field (podaci): Polje podataka može sadržavati od 0 do 8 bajtova podataka; poruka CAN sabirnice podataka duljine 0 bajtova koristi se za sinkronizaciju distribuiranih procesa;
• CRC Field (kontrolno polje): CRC polje (Cyclic-Redundancy-Check Field) sadrži 16 bita i koristi se za detekciju pogreške kontrole tijekom prijenosa;
• ACK Field (potvrda prihvaćanja): polje ACK (Acknowledgement Field) sadrži signal kojim se potvrđuje prijem svih prijamnih jedinica koje su primile poruku putem CAN sabirnice bez greške;
• End of Frame (kraj okvira): Označava kraj podatkovnog paketa;
• Intermission (interval): Interval između dva paketa podataka. Razmak mora biti najmanje 3 bita. Nakon toga bilo koji blok za upravljanje može prenijeti na sljedeći paket podataka;
• IDLE (način odmora): Ako nijedna upravljačka jedinica ne šalje poruke, CAN sabirnica ostaje u stanju mirovanja do prijenosa sljedećeg paketa podataka.

Prioriteti

Za obradu podataka u stvarnom vremenu mora biti moguć njihov brzi prijenos.

Ovo ne samo da zahtijeva liniju visoke fizičke brzine prijenosa podataka, već također zahtijeva brz pristup zajedničkoj CAN sabirnici ako više upravljačkih jedinica treba slati poruke istovremeno.

Kako bi se poruke koje se prenose CAN sabirnicom podataka razlikovale prema stupnju hitnosti, za pojedine poruke su predviđeni različiti prioriteti.

Vrijeme paljenja, na primjer, ima najveći prioritet, vrijednosti klizanja imaju prosječni prioritet, a vanjska temperatura zraka ima najniži prioritet.

Prioritet s kojim se poruka prenosi preko CAN sabirnice određen je identifikatorom (adresom) odgovarajuće poruke.

Identifikator koji odgovara manjem binarnom broju ima veći prioritet i obrnuto.

Protokol CAN sabirnice podataka temelji se na dva logička stanja: Bitovi su ili "recesivni" (logička "1") ili "dominantni" (logička "0"). Ako dominantni bit prenosi barem jedan modul, tada se recesivni bitovi koje prenose drugi moduli prepisuju.

Primjer

Ako nekoliko kontrolnih jedinica istovremeno počne slati podatke, sukob za pristup zajedničkoj sabirnici podataka rješava se "bitnom arbitražom zajedničkih zahtjeva za resursima" korištenjem odgovarajućih identifikatora.

Prilikom odašiljanja polja identifikatora odašiljačka jedinica nakon svakog bita provjerava ima li još pravo odašiljanja ili neka druga kontrolna jedinica već odašilje poruku višeg prioriteta na sabirnici.

Kontrolne jedinice

Prvi kontrolni blok (NI) gubi arbitražu od bita 3.



Treći kontrolni blok (N III) gubi arbitražu od 7. bita.

Druga upravljačka jedinica (N II) zadržava pravo pristupa CAN podatkovnoj sabirnici i može prenijeti svoju poruku.

Ako se recesivni bit koji prenosi prvi blok odašiljača prebriše dominantnim bitom drugog bloka odašiljača, tada prvi blok odašiljača gubi pravo na prijenos (arbitraža) i postaje blok prijamnika (pogledajte gornju ilustraciju).

Ostale upravljačke jedinice pokušat će prenijeti svoje poruke preko CAN podatkovne sabirnice tek kada se ponovno oslobodi. U tom slučaju ponovno će se dodijeliti pravo prijenosa u skladu s prioritetom poruke na CAN sabirnici podataka.

Prepoznavanje grešaka

Smetnje mogu uzrokovati pogreške u prijenosu podataka. Takve greške koje se javljaju tijekom prijenosa moraju se prepoznati i ispraviti. Protokol sabirnice podataka CAN razlikuje dvije razine prepoznavanja pogreške:

• Mehanizmi razine okvira podataka (podatkovni okvir);
• Mehanizmi na razini bita.

Mehanizmi razine okvira podataka

Cyclic-Redundancy-Check

Na temelju poruke odaslane preko CAN podatkovne sabirnice, odašiljačka jedinica izračunava kontrolne bitove, koji se zajedno s paketom podataka prenose u polje "CRC polje" (kontrolni zbrojevi). Prijemna jedinica ponovno izračunava ove kontrolne bitove na temelju poruke primljene putem CAN sabirnice podataka i uspoređuje ih s kontrolnim bitovima primljenim s ovom porukom.

Frame Check

Ovaj mehanizam provjerava strukturu odaslanog bloka (okvira), odnosno ponovno se provjeravaju bitna polja sa zadanim fiksnim formatom i duljinom okvira.



Pogreške koje otkrije funkcija provjere okvira označavaju se kao pogreške formata.

Mehanizmi na razini bita

Praćenje

Svaki modul prati logičku razinu CAN podatkovne sabirnice prilikom prijenosa poruke i utvrđuje razlike između poslanih i primljenih bitova. Ovo osigurava pouzdano prepoznavanje globalnih i lokalnih pogrešaka bitova koje se javljaju u jedinici odašiljača.

Bit Stuffing

U svakom podatkovnom okviru između polja "Start of Frame" a kraj polja "CRC Field" ne smije biti više od 5 uzastopnih bitova s istim polaritetom.

Nakon svakog niza od 5 identičnih bitova, blok odašiljač dodaje jedan bit sa suprotnim polaritetom u tok bitova.

Prijemne jedinice brišu ove bitove nakon primanja poruke na CAN sabirnici podataka.

Rješavanje problema

Ako bilo koji modul CAN podatkovne sabirnice otkrije pogrešku, prekida trenutni proces prijenosa podataka slanjem poruke o pogrešci. Poruka o pogrešci sastoji se od 6 dominantnih bitova.

Zahvaljujući poruci o pogrešci, sve upravljačke jedinice spojene na CAN sabirnicu podataka dobivaju obavijest o lokalnoj pogrešci koja se dogodila i, sukladno tome, ignoriraju prethodno poslanu poruku.

Nakon kratke pauze, sve upravljačke jedinice ponovno će moći slati poruke putem CAN podatkovne sabirnice, pri čemu će se prva ponovno poslati poruka s najvećim prioritetom.

Upravljačka jedinica čija je poruka CAN sabirnice podataka uzrokovala pogrešku također počinje ponovno slati svoju poruku (funkcija automatskog zahtjeva za ponavljanje).

Vrste CAN sabirnice

Za različita kontrolna područja koriste se različite CAN sabirnice. Međusobno se razlikuju po brzini prijenosa podataka.

Brzina prijenosa CAN sabirnice podataka u području "motor i šasija" (CAN-C) je 125 kbit/s, dok je CAN sabirnica podataka "Unutrašnjost" (CAN-B) predviđena za brzinu prijenosa podataka od samo 83 kbit/s zbog manjeg broja posebno hitnih poruka.

Razmjena podataka između dva sabirnička sustava odvija se preko tzv. "internetwork gatewaya", tj. upravljačke jedinice spojene na obje podatkovne sabirnice.

D2B optička sabirnica (Digital Daten-Bus) podaci primijenjeni na područje "Audio/Komunikacije/Navigacija". Svjetlovodni kabel može prenijeti znatno više informacija od sabirnice bakrenog kabela.

CAN C – Autobus "Motor i šasija"

U krajnjoj upravljačkoj jedinici ugrađen je sa svake strane takozvani završni otpornik sabirnice podataka s otporom od 120 Ohma, spojen između obje žice sabirnice podataka.

CAN sabirnica podataka u prostoru motora aktivira se samo kada je paljenje uključeno.

Više od 7 upravljačkih jedinica može se spojiti na CAN-C sabirnicu.

CAN-B – "Salonski" autobus

Neke upravljačke jedinice spojene na CAN podatkovnu sabirnicu putničkog prostora aktiviraju se bez obzira na to je li paljenje uključeno (npr.: sustav s jednom bravom).

Dakle, CAN podatkovna sabirnica putničkog prostora mora biti u stanju funkcionalne pripravnosti čak i kada je kontakt isključen, što znači da sposobnost prijenosa paketa podataka mora biti osigurana čak i kada je kontakt isključen.

Kako bi se što više smanjila potrošnja struje mirovanja, CAN podatkovna sabirnica, kada nema podataka potrebnih za prijenos, prelazi u pasivno stanje mirovanja i ponovno se aktivira tek pri sljedećem pristupu.

Ako je bilo koja upravljačka jedinica u pasivnom stanju pripravnosti CAN podatkovne sabirnice putničkog prostora (na primjer, jedan upravljački modul brave) prenosi poruku preko njega, tada ju prima samo glavni modul sustava (prekidač elektroničkog paljenja, EZS/EIS). Modul EZS sprema poruku u memoriju i šalje signal za aktivaciju (Wake-up) na sve upravljačke jedinice priključene na sabirnici CAN-V.

Kada je aktiviran, EZS provjerava prisutnost svih korisnika CAN podatkovne sabirnice i zatim šalje prethodno pohranjenu poruku.

Više od 20 upravljačkih jedinica može se spojiti na CAN-B sabirnicu.