Cyfrowa magistrala danych CAN [Toyota Land Cruiser J100]

Informacje ogólne

Kolejność wymiany danych poprzez magistralę CAN

W nowoczesnych pojazdach stosuje się kilka magistral sieciowych wymiany danych CAN (Controller Area Network) pomiędzy modułami/jednostkami sterującymi różnych systemów i sterownikami siłowników pojazdów (zobacz ilustrację powyżej).

Autobus jest w pełni dupleksowy (lub po prostu duplex), te. Każde urządzenie podłączone do niego może jednocześnie odbierać i wysyłać wiadomości.

Sygnał z elementu wrażliwego odpowiadającej mu informacji (czujnika) przesyłany jest do najbliższej jednostki sterującej, która go przetwarza i przekazuje do magistrali wymiany danych CAN.

Każda jednostka sterująca podłączona do magistrali danych CAN może odczytać ten sygnał, na jego podstawie obliczyć parametry sterowania i sterować serwomechanizmem siłownika.

Zalety

W przypadku konwencjonalnego połączenia kablowego urządzeń elektrycznych i elektronicznych, każda jednostka sterująca jest bezpośrednio połączona ze wszystkimi czujnikami i elementami wykonawczymi, z których otrzymuje wyniki pomiarów lub którymi steruje.

Skomplikowany system sterowania prowadzi do nadmiernej długości lub liczby linii kablowych.

W porównaniu do standardowego okablowania, magistrala danych zapewnia:

• Zmniejszenie liczby kabli. Przewody od czujników prowadzone są tylko do najbliższej jednostki sterującej, która zamienia zmierzone wartości na pakiet danych i przesyła je do magistrali CAN;
• Sterowanie siłownikiem może odbywać się za pomocą dowolnej jednostki sterującej, która odbiera odpowiedni pakiet danych za pośrednictwem magistrali CAN i na jego podstawie oblicza wartość działania sterującego na serwomechanizm;
• Poprawa kompatybilności elektromagnetycznej;
• Zmniejszenie liczby połączeń wtykowych i zmniejszenie liczby zacisków stykowych w jednostkach sterujących;
• Utrata wagi;
• Zmniejszenie liczby czujników, ponieważ sygnały z jednego czujnika (na przykład z czujnika temperatury płynu chłodzącego) może być używany przez różne systemy;
• Poprawa możliwości diagnostycznych. Ponieważ sygnały z jednego czujnika (na przykład sygnał prędkości) są wykorzystywane przez różne systemy, to jeśli komunikat o błędzie jest generowany przez wszystkie systemy wykorzystujące ten sygnał, to zazwyczaj uszkodzony jest czujnik lub jednostka sterująca przetwarzająca jego sygnały. Jeżeli komunikat o błędzie pochodzi tylko z jednego systemu, mimo że sygnał ten jest wykorzystywany również przez inne systemy, to przyczyną błędu jest najczęściej jednostka sterująca przetwarzaniem lub serwomechanizm;
• Wysoka prędkość przesyłu danych – do 1 Mbit/s przy maksymalnej długości linii 40 m.
• Przez tę samą linię można przesyłać kolejno kilka wiadomości.

Magistrala danych CAN składa się z dwużyłowego kabla wykonanego w formie skrętki. Wszystkie urządzenia są podłączone do tej linii (jednostki sterujące urządzeniami).



Transmisja danych odbywa się z duplikacją na obu przewodach, a poziomy logiczne magistrali danych są lustrzane (czyli jeśli na jednym przewodzie przesyłany jest logiczny poziom zerowy (0), to na drugim przewodzie przesyłany jest logiczny poziom jedynki (1) i odwrotnie).

Dwuprzewodowy schemat transmisji używany jest z dwóch powodów: w celu kontroli błędów i jako podstawa niezawodności.

Jeżeli skok napięcia występuje tylko w jednym przewodzie, np. z powodu problemów ze zgodnością elektromagnetyczną (EMC), jednostki odbiorcze mogą zidentyfikować to jako błąd i zignorować skok.

W przypadku zwarcia lub przerwy w jednym z dwóch przewodów magistrali CAN, dzięki zintegrowanemu systemowi niezawodności oprogramowania i sprzętu, następuje przełączenie na tryb pracy jednoprzewodowej. Uszkodzona linia przesyłowa nie jest już używana.

Kolejność i format danych przesyłanych i odbieranych przez użytkowników (subskrybenci) wiadomości są definiowane w protokole wymiany danych.

Podstawową cechą wyróżniającą magistralę danych CAN w porównaniu z innymi systemami magistralowymi opartymi na zasadzie adresowania abonenta jest adresowanie związane z komunikatami.

Oznacza to, że każdej wiadomości przesyłanej przez magistralę przypisany jest własny, stały adres (identyfikator), zaznaczając treść tej wiadomości (np. temperatura płynu chłodzącego). Protokół magistrali danych CAN pozwala na transmisję do 2048 różnych komunikatów, przy czym adresy od 2033 do 2048 są na stałe przypisane.

Objętość danych w jednej wiadomości magistrali CAN wynosi 8 bajtów.



Blok odbiornika przetwarza tylko te wiadomości (pakiety danych), które są przechowywane na własnej liście identyfikacyjnej (kontrola akceptowalności).

Pakiety danych mogą być przesyłane tylko wtedy, gdy magistrala CAN jest wolna (tj. jeśli po ostatnim pakiecie danych nastąpił 3-bitowy odstęp, a żadna z jednostek sterujących nie rozpocznie przesyłania komunikatu). W tym przypadku poziom logiczny magistrali danych musi być recesywny (logiczne "1").

Jeżeli kilka jednostek sterujących rozpocznie przesyłanie wiadomości jednocześnie, obowiązuje zasada priorytetów, zgodnie z którą wiadomość o najwyższym priorytecie zostanie przesłana jako pierwsza, bez straty czasu lub bitów (arbitraż wniosków o dostęp do współdzielonej magistrali danych).

Każda jednostka sterująca, która utraci prawo arbitrażu, automatycznie przełącza się na odbiór i próbuje ponownie wysłać swoją wiadomość, gdy tylko magistrala danych zostanie ponownie zwolniona.

Oprócz pakietów danych wykorzystuje się także pakiety żądające przesłania konkretnej wiadomości za pośrednictwem magistrali danych CAN. Jednostka sterująca, która może dostarczyć żądaną informację, odpowiada na takie żądanie.

Format pakietu danych

W normalnym trybie transmisji pakiety danych mają następującą konfigurację bloków (ramek):

• Data Frame (ramka wiadomości) do przesyłania komunikatów poprzez magistralę danych CAN (np. temperatura płynu chłodzącego);
• Remote Frame (ramka żądania) do żądania wiadomości za pośrednictwem magistrali danych CAN od innej jednostki sterującej;
• Error Frame (ramka błędu), wszystkie podłączone jednostki sterujące zostają powiadomione, że wystąpił błąd i ostatni komunikat na magistrali danych CAN jest nieprawidłowy.

Protokół magistrali danych CAN obsługuje dwa różne formaty ramek komunikatów magistrali danych CAN, które różnią się jedynie długością identyfikatora:

• Format standardowy;
• Format rozszerzony.

Obecnie w systemach wymiany danych pomiędzy systemami sterowania pojazdami stosuje się wyłącznie format standardowy.

Format ramki

Każda ramka komunikatów przesyłanych przez magistralę CAN składa się z siedmiu następujących po sobie pól (zobacz ilustrację powyżej):

• Start of Frame (bit startowy):Oznacza początek wiadomości i synchronizuje wszystkie moduły;
• Arbitration Field (identyfikator i prośba):To pole składa się z 11-bitowego identyfikatora (adresu) i 1 bitu kontrolnego (Remote Transmission Request-Bit). Ten bit kontrolny oznacza ramkę jako ramkę danych (ramka danych) lub jako Ramka Zdalna (zdalna ramka żądania) bez bajtów danych;
• Control Field (bity kontrolne):Pole kontrolne (6 bitów) zawiera bit IDE (Identifier Extension Bit) do rozpoznawania formatu standardowego i rozszerzonego, bitu rezerwowego dla kolejnych rozszerzeń oraz - w ostatnich 4 bitach - liczby bajtów danych zawartych w Polu Danych (pole danych);
• Data Field (dane): Pole danych może zawierać od 0 do 8 bajtów danych; wiadomość magistrali danych CAN o długości 0 bajtów jest używana do synchronizacji rozproszonych procesów;
• CRC Field (pole kontrolne):Pole CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) zawiera 16 bitów i służy do wykrywania błędów sterowania podczas transmisji;
• ACK Field (potwierdzenie przyjęcia):pole ACK (Acknowledgement Field) zawiera sygnał potwierdzający odbiór wszystkich jednostek odbiorczych, które odebrały komunikat przez magistralę CAN bez błędów;
• End of Frame (koniec ramki): Oznacza koniec pakietu danych;
• Intermission (interwał): Odstęp pomiędzy dwoma pakietami danych. Odstęp powinien wynosić nie mniej niż 3 bitów. Wtedy każdy sterownik może przekazywać następnym pakiet danych;
• IDLE (tryb spoczynku): Jeżeli żadna jednostka sterująca nie przesyła wiadomości, magistrala CAN pozostaje w trybie bezczynności do momentu przesłania kolejnego pakietu danych.

Priorytety

Aby przetwarzać dane w czasie rzeczywistym, musi być możliwa ich szybka transmisja.

Wymaga to nie tylko fizycznego łącza o dużej przepustowości, ale także szybkiego dostępu do wspólnej magistrali CAN w przypadku, gdy wiele jednostek sterujących musi przesyłać wiadomości jednocześnie.

Aby umożliwić różnicowanie wiadomości przesyłanych magistralą danych CAN ze względu na stopień ich pilności, poszczególnym wiadomościom nadawane są różne priorytety.

Przykładowo, najwyższy priorytet ma moment zapłonu, średni priorytet mają wartości poślizgu, a najniższy priorytet ma temperatura powietrza na zewnątrz.

Priorytet, z jakim wiadomość jest przesyłana przez magistralę CAN, jest ustalany na podstawie identyfikatora (adresu) odpowiadającej jej wiadomości.

Identyfikator odpowiadający mniejszej liczbie binarnej ma wyższy priorytet i odwrotnie.

Protokół magistrali danych CAN opiera się na dwóch stanach logicznych: Bity są albo "recesywne" (logiczne "1"), albo "dominujące" (logiczne "0"). Jeżeli bit dominujący zostanie przesłany przez co najmniej jeden moduł, bity recesywne przesłane przez inne moduły zostaną nadpisane.

Przykład

Jeżeli kilka jednostek sterujących jednocześnie rozpocznie transmisję danych, konflikt dostępu do wspólnej magistrali danych zostaje rozwiązany poprzez "bitowy arbitraż wspólnych żądań zasobów" przy użyciu odpowiednich identyfikatorów.

Podczas przesyłania pola identyfikatora jednostka nadawcza sprawdza po każdym bicie, czy ma jeszcze prawo do transmisji, czy też inna jednostka sterująca przesyła już wiadomość o wyższym priorytecie na magistrali.

Jednostki sterujące

Pierwszy blok sterujący (NI) traci arbitraż z bitu 3.

Trzeci blok sterujący (N III) traci arbitraż z siódmego bitu.

Druga jednostka sterująca (N II) zachowuje prawa dostępu do magistrali danych CAN i może przesyłać jej komunikaty.

Jeżeli bit recesywny przesłany przez pierwszy blok nadawczy zostanie nadpisany przez bit dominujący innego bloku nadawczego, wówczas pierwszy blok nadawczy traci prawo do transmisji (arbitrażu) i staje się blokiem odbiorczym (zobacz ilustrację powyżej).

Pozostałe jednostki sterujące podejmą próbę przesłania swoich komunikatów za pośrednictwem magistrali danych CAN dopiero wtedy, gdy będzie ona ponownie wolna. W tym przypadku prawo transferu zostanie ponownie przyznane zgodnie z priorytetem komunikatu na magistrali danych CAN.

Rozpoznawanie błędów

Zakłócenia mogą powodować błędy w transmisji danych. Tego typu błędy powstające w trakcie transmisji muszą zostać rozpoznane i naprawione. Protokół magistrali danych CAN rozróżnia dwa poziomy rozpoznawania błędów:

• Mechanizmy na poziomie ramek danych (ramka danych);
• Mechanizmy na poziomie bitowym.

Mechanizmy na poziomie ramek danych

Cyclic-Redundancy-Check

Na podstawie komunikatu przesłanego przez magistralę danych CAN, jednostka nadawcza oblicza bity sterujące, które są przesyłane razem z pakietem danych w polu "CRC Field" (sumy kontrolne). Jednostka odbiorcza przelicza te bity sterujące na podstawie komunikatu odebranego poprzez magistralę danych CAN i porównuje je z bitami sterującymi odebranymi wraz z tym komunikatem.

Frame Check

Mechanizm ten sprawdza strukturę przesyłanego bloku (ramki), tzn. ponownie sprawdzane są pola bitowe o danym stałym formacie oraz długość ramki.

Błędy wykryte przez funkcję Frame Check są oznaczane jako błędy formatu.

Mechanizmy na poziomie bitów

Monitorowanie

Każdy moduł monitoruje poziom logiczny magistrali danych CAN podczas przesyłania wiadomości i określa różnice pomiędzy bitami przesłanymi i odebranymi. Zapewnia to niezawodne rozpoznawanie globalnych i lokalnych błędów bitowych, które występują w jednostce nadawczej.

Bit Stuffing

W każdej ramce danych pomiędzy polem "Start of Frame" a koniec pola "Pole CRC" nie może zawierać więcej niż 5 kolejnych bitów o tej samej polaryzacji.

Po każdej sekwencji 5 identycznych bitów nadajnik blokowy dodaje do strumienia bitów jeden bit o przeciwnej polaryzacji.

Jednostki odbiorcze czyszczą te bity po otrzymaniu komunikatu na magistrali danych CAN.

Rozwiązywanie problemów

Jeżeli którykolwiek moduł magistrali danych CAN wykryje błąd, przerywa bieżący proces przesyłu danych, wysyłając komunikat o błędzie. Komunikat o błędzie składa się z 6 dominujących bitów.

Dzięki komunikatowi o błędzie wszystkie jednostki sterujące podłączone do magistrali danych CAN zostają powiadomione o wystąpieniu błędu lokalnego i w związku z tym ignorują przesłany wcześniej komunikat.

Po krótkiej przerwie wszystkie jednostki sterujące będą mogły ponownie przesyłać komunikaty poprzez magistralę danych CAN, przy czym komunikat o najwyższym priorytecie będzie wysyłany jako pierwszy.

Materiał został przedrukowany z zasobu: toyotaman.ru

Jednostka sterująca, której komunikat magistrali danych CAN spowodował błąd, również zaczyna retransmitować swój komunikat (funkcja automatycznego żądania powtórzenia).

Typy magistrali CAN

W różnych obszarach sterowania stosuje się różne magistrale CAN. Różnią się one od siebie szybkością przesyłu danych.

Prędkość transmisji magistrali danych CAN w obszarze "silnik i podwozie" (CAN-C) wynosi 125 kbit/s, natomiast magistrala danych CAN "wnętrze" (CAN-B) ze względu na mniejszą liczbę szczególnie pilnych wiadomości zaprojektowana jest do transmisji danych z prędkością zaledwie 83 kbit/s.

Wymiana danych pomiędzy dwoma systemami magistrali odbywa się poprzez tzw. "bramy sieciowe", tzn. Jednostki sterujące podłączone do obu magistral danych.

Magistrala światłowodowa D2B (Digital Daten-Bus) dane odnoszące się do obszaru "Audio/Komunikacja/Nawigacja". Kabel światłowodowy może przesyłać znacznie więcej informacji niż magistrala miedziana.

CAN C – magistrala "Silnik i podwozie"

W końcowej jednostce sterującej po każdej stronie zamontowano tzw. rezystor końcowy magistrali danych o rezystancji 120 Ohm, podłączony pomiędzy obydwa przewody magistrali danych.

Magistrala danych CAN komory silnika jest aktywowana tylko po włączeniu zapłonu.

Do magistrali CAN-C można podłączyć więcej niż 7 jednostek sterujących.

CAN-B – magistrala "Salon"

Niektóre jednostki sterujące podłączone do magistrali danych CAN przedziału pasażerskiego są aktywowane niezależnie od tego, czy zapłon jest włączony (np.: system pojedynczego zamka).

Dlatego magistrala danych CAN przedziału pasażerskiego musi znajdować się w trybie gotowości funkcjonalnej nawet przy wyłączonym zapłonie, co oznacza, że możliwość przesyłania pakietów danych musi być zapewniona nawet przy wyłączonym zapłonie.

Aby maksymalnie zredukować pobór prądu w stanie spoczynku, magistrala danych CAN, gdy nie ma danych wymaganych do transmisji, przechodzi w pasywny tryb czuwania i jest ponownie aktywowana dopiero przy następnym dostępie do niej.

Jeżeli jakakolwiek jednostka sterująca znajduje się w trybie biernego czuwania magistrali danych CAN przedziału pasażerskiego (na przykład pojedynczy moduł sterujący zamkiem) przesyła przez niego wiadomość, a następnie odbiera ją tylko główny moduł systemu (elektroniczny wyłącznik zapłonu EZS/EIS). Moduł EZS zapisuje wiadomość w pamięci i wysyła sygnał aktywacji (Wake-up) na wszystkie bloki sterowania podłączone do magistrali CAN-W.

Po aktywacji EZS sprawdza obecność wszystkich użytkowników magistrali danych CAN, a następnie przesyła poprzednio zapisaną wiadomość.

Do magistrali CAN-B można podłączyć ponad 20 jednostek sterujących.