Дигитална магистрала података CAN [Toyota Land Cruiser J100]

Опште информације

Редослед размене података на магистрали CAN

Савремена возила користе вишеструке мрежне магистрале за размену података CAN (Controller Area Network) између модула/контролних јединица различитих система и контролера актуатора возила (погледајте горњу илустрацију).

Аутобус је фулл-дуплек (или једноставно дуплекс), тј. Сваки уређај повезан са њим може истовремено да прима и преноси поруке.

Сигнал са осетљивог елемента одговарајуће информације (сензора) шаље се најближој контролној јединици, која га обрађује и преноси на магистралу за размену података CAN.

Било која контролна јединица повезана на магистралу података CAN, може прочитати овај сигнал, израчунати параметре контролног дејства на основу њега и контролисати сервомеханизам актуатора.

Предности

Конвенционалним кабловским повезивањем електричних и електронских уређаја остварује се директна веза између сваке управљачке јединице и свих сензора и актуатора од којих прима резултате мерења или којима управља.

Компликација система управљања доводи до превелике дужине или броја кабловских водова.

У поређењу са стандардним кабловима, магистрала података пружа:

• Смањење броја каблова. Жице од сензора се протежу само до најближе контролне јединице, која измерене вредности претвара у пакет података и преноси га на магистралу CAN;
• Актуатором може управљати било која контролна јединица која комуницира преко магистрале CAN прима одговарајући пакет података и на основу њега израчунава вредност контролног дејства на серво механизам;
• Побољшање електромагнетне компатибилности;
• Смањење броја утичних прикључака и смањење броја контактних терминала на управљачким јединицама;
• Губитак тежине;
• Смањење броја сензора, јер сигнале са једног сензора (на пример, са сензора температуре расхладне течности) могу користити различити системи;
• Побољшање дијагностичких могућности. Јер сигнале са једног сензора (на пример, сигнал брзине) користе различити системи, онда ако се порука о грешци генерише од стране свих система који користе овај сигнал, неисправан је обично сензор или контролна јединица која обрађује његове сигнале. Ако порука о грешци долази само из једног система, иако овај сигнал користе и други системи, онда је узрок квара најчешће у управљачкој јединици обраде или серво механизму;
• Висока брзина преноса података – могућа до 1 Мбит/с са максималном дужином линије од 40 м.
• Неколико порука се може пренети сукцесивно преко исте линије.

Сабирница података CAN састоји се од двожилног кабла направљеног у облику упреденог пара. Сви уређаји (контролне јединице уређаја) су повезани на ову линију.



Пренос података се врши дублированием на оба жице, а логичке нивое гуме података имају пресликавање (то јест, ако један по један жицом преноси на ниво логичке нуле (0), онда је на другом жицом – ниво логичке јединице (1), и обрнуто).

Двожична шема преноса се користи из два разлога: за контролу грешака и као основа за поузданост.

Ако се скок напона догоди само на једној жици, на пример због проблема са електромагнетном компатибилношћу (ЕМЦ), пријемне јединице могу то идентификовати као грешку и игнорисати скок.

У случају кратког споја или прекида једне од две жице сабирнице CAN, захваљујући интегрисаном систему поузданости софтвера и хардвера, постиже се прелазак на једножични режим рада кола. Оштећени далековод се више не користи.

Редослед и формат порука које преносе и примају корисници (претплатници) дефинисан је протоколом размене података.

Основна карактеристика магистрале података CAN у поређењу са другим системима магистрале заснованим на принципу претплатничког адресирања, адресирање је везано за поруке.

То значи да се свакој поруци која се преноси преко магистрале додељује стална адреса (идентификатор), која означава садржај ове поруке (на пример: температура расхладне течности). Протокол магистрале података CAN омогућава пренос до 2048 различитих порука, при чему су адресе од 2033 до 2048 трајно додељене.

Количина података у једној поруци на магистрали CAN је 8 бајтова.

Пријемна јединица обрађује само оне поруке (пакете података) које су ускладиштене у сопственој идентификационој листи (контрола прихватања).



Пакети података могу да се преносе само ако је размена магистрала CAN бесплатно (тј. ако је после последњег пакета података уследио интервал од 3 бита и ниједна контролна јединица не почне да емитује поруку). У овом случају, логички ниво магистрале података мора бити рецесиван (логички "1").

Ако више управљачких јединица почне истовремено да емитује поруке, ступа на снагу принцип приоритета по коме ће се прва послати порука са највећим приоритетом без губитка времена или битова (арбитража захтева за приступ заједничкој магистрали података).

Свака контролна јединица која изгуби своје право арбитраже аутоматски прелази на пријем и покушава поново да пошаље своју поруку чим се магистрала података поново ослободи.

Поред пакета података, користе се и пакети за тражење одређене поруке преко магистрале података CAN, контролна јединица која може да пружи тражену информацију одговара на такав захтев.

Формат пакета података

У нормалном режиму преноса, пакети података имају следеће блок (фраме) конфигурације:

• Data Frame (оквир поруке) за пренос порука преко магистрале података CAN (нпр. температура расхладне течности);
• Remote Frame (оквир захтева) за тражење порука на магистрали података CAN из друге контролне јединице;
• Error Frame (оквир грешке), све повезане контролне јединице су обавештене да је дошло до грешке и последња порука на магистрали података CAN је неважећи.

Протокол магистрале података CAN подржава два различита формата оквира порука преко магистрале података CAN, који се разликују само по дужини идентификатора:

• Стандардни формат;
• Проширени формат.

Тренутно се у системима за размену података система управљања возилом користи само стандардни формат.

Формат оквира

Сваки оквир се преноси преко магистрале CAN порука се састоји од седам узастопних поља (погледајте илустрацију изнад):

• Start of Frame (почетни бит): Означава почетак поруке и синхронизује све модуле;
• Arbitration Field (идентификатор и упит): Ово поље се састоји од 11-битног идентификатора (адреса) и 1 контролног бита (Remote Transmission Request-Bit). Овај контролни бит означава оквир као Data Frame (оквир података) или како Remote Frame (оквир удаљеног захтева) без бајтова података;
• Control Field (контролни битови): Контролно поље (6 битова) садржи IDE-бит (Identifier Extension Bit) да препозна стандардни и проширени формат, резервни бит за накнадна проширења и - у последња 4 бита - број бајтова података садржаних у Data Field (поље са подацима);
• Data Field (подаци): Поље података може да садржи од 0 до 8 бајтова података; порука сабирнице података CAN дужина 0 бајтова који се користе за синхронизацију дистрибуираних процеса;
• CRC Field (контролно поље): Поље CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) садржи 16 бита и користи се за откривање управљачких грешака током преноса;
• ACK Field (потврда прихватања): Поље ACK (Acknowledgement Field) садржи сигнал који потврђује пријем свих пријемних јединица које су примиле поруку преко магистрале CAN без грешака;
• End of Frame (крај оквира): Означава крај пакета података;
• Intermission (интервал): Интервал између два пакета података. Интервал мора бити најмање 3 бита. Након тога, било која контролна јединица може пренети следећи пакет података;
• IDLE (режим мировања): Ако ниједна контролна јединица не емитује поруке, сабирница CAN остаје у режиму мировања док се не пренесе следећи пакет података.

Приоритети

Да би се подаци обрађивали у реалном времену, мора бити омогућено њихово брзо преношење.

Ово не само да захтева доступност линије са високом физичком брзином преноса података, већ захтева и брзо обезбеђивање приступа заједничкој магистрали CAN, ако више управљачких јединица треба истовремено да преноси поруке.

Да би се разликовали подаци који се преносе преко магистрале CAN поруке по степену хитности, са различитим приоритетима за појединачне поруке.

Време паљења, на пример, има највећи приоритет, вредности клизања имају просечан приоритет, а температура спољашњег ваздуха има најмањи приоритет.

Приоритет са којим се порука преноси на магистралу CAN, одређује се идентификатором (адресом) одговарајуће поруке.

Идентификатор који одговара мањем бинарном броју има већи приоритет, и обрнуто.

Протокол магистрале података CAN заснива се на два логичка стања: Битови су или "рецесивни" (логички "1") или "доминантни" (логички "0"). Ако доминантни бит преноси најмање један модул, онда се рецесивни битови које преносе други модули преписују.

Пример

Ако више контролних јединица истовремено почне да емитује податке, конфликт за приступ заједничкој магистрали података се решава "битном арбитражом заједничких захтева за ресурсе" коришћењем одговарајућих идентификатора.

Приликом преноса поља идентификатора, јединица за пренос проверава после сваког бита да ли још увек има право на пренос, или да ли друга контролна јединица већ преноси поруку са већим приоритетом на магистрали.

Контролне јединице

Први контролни блок (НИ) губи арбитражу од бита 3.



Трећа контролна јединица (Н III) губи арбитражу од 7. бит.

Друга контролна јединица (Н II) задржава права приступа магистрали података CAN и може да пренесе своју поруку.

Ако се рецесивни бит који преноси први предајник замени доминантним битом другог предајника, тада први предајник губи право на пренос (арбитража) и постаје пријемник (погледајте горњу илустрацију).

Друге контролне јединице ће покушати да пренесу своје поруке преко магистрале података CAN тек пошто поново буде слободна. У овом случају, право преноса ће поново бити додељено у складу са приоритетом поруке на магистрали података CAN.

Препознавање грешке

Сметње могу изазвати грешке у преносу података. Такве грешке које се јављају током преноса морају бити препознате и исправљене. Протокол магистрале података CAN разликује два нивоа препознавања грешке:

• Механизми на нивоу Data Frame (оквир података);
• Механизми на нивоу бита.

Механизми на нивоу Data Frame

Cyclic-Redundancy-Check

На основу података пренетих преко магистрале CAN блок порука предајник израчунава контролне битове, који се преносе заједно са пакетом података у пољу "CRC Field" (контролне суме). Пријемни блок поново израчунава ове бите провере на основу података примљених на магистрали CAN поруке и упоређује их са контролним битовима примљеним заједно са том поруком.

Frame Check

Овај механизам проверава структуру пренетог блока (фрама), односно поново се проверава битова поља са датим фиксним форматом и дужином оквира.

Препознат по функцији Frame Check грешке су означене као грешке формата.

Механизми на нивоу бита

Мониторинг

Сваки модул прати логички ниво магистрале података приликом преноса поруке CAN и одређује разлике између пренетих и примљених битова. Ово осигурава поуздано препознавање глобалних и локалних грешака бита које се јављају у јединици предајника.

Bit Stuffing

У сваком оквиру података између "Start of Frame" и крај поља "CRC Field" не сме бити више од 5 узастопних битова са истим поларитетом.

После сваке секвенце од 5 идентичних битова, блок предајник додаје један бит са супротним поларитетом у ток битова.

Блокови пријемника уклањају ове битове након пријема поруке на магистрали података CAN.

Решавање проблема

Ако било који модул сабирнице података CAN препозна грешку, прекида тренутни процес преноса података слањем поруке о грешци. Порука о грешци се састоји од 6 доминантних битова.

Захваљујући поруци о грешци, сви они повезани на магистралу података CAN контролне јединице се обавештавају о локалној грешци која се догодила и, сходно томе, игноришу претходно пренету поруку.

Након кратке паузе, све контролне јединице ће поново моћи да преносе поруке преко магистрале података CAN, а порука са највишим приоритетом ће поново бити послата прва.

Управљачка јединица чија се порука шаље преко магистрале података CAN изазвао је грешку, такође почиње да поново емитује своју поруку (функција Automatic Repeat Request).

Врсте гума CAN

За различите области управљања користе се различити аутобуси CAN. Они се међусобно разликују по брзини преноса података.

Брзина преноса магистрале података CAN области "мотор и шасија" (CAN-C) је 125 кбпс, а магистрала података CAN "Салон" (CAN-B) због мањег броја посебно хитних порука, пројектован је за брзину преноса података од само 83 кбпс.

Размена података између два система магистрала врши се преко такозваних "интернетворк гатеваи-а", тј. контролне јединице повезане на обе магистрале података.

Оптичка магистрала D2B (Digital Daten-Bus) подаци се примењују на област "Аудио/Цоммуницатионс/Навигатион". Оптички кабл може пренети знатно више информација од бакарне кабловске магистрале.

CAN C – гума "Мотор и шасија"

У завршној контролној јединици је са сваке стране уграђен такозвани завршни отпорник магистрале података отпора од 120 ома, који је повезан између обе жице сабирнице података.

Сабирница података CAN моторни простор се активира само када је контакт укључен.

До гуме CAN-Може се повезати више од 7 контролних јединица.

CAN-B – гума "Салон"

Неке контролне јединице повезане на магистралу података CAN унутрашњост, активирају се без обзира да ли је контакт укључен (на пример: систем са једним закључавањем).

Дакле, магистрала података CAN унутрашњост мора бити у режиму функционалне спремности чак и када је контакт искључен, то значи да могућност преноса пакета података мора бити обезбеђена чак и када је контакт искључен.

Да би се што више смањила потрошња струје мировања, магистрала података CAN, ако за пренос нису потребни подаци, прелази у пасивни режим приправности и поново се активира тек следећи пут када му се приступи.

Ако је у пасивном режиму приправности магистрале података CAN ако било која контролна јединица у путничком простору (на пример, контролни модул једноструке браве) преноси поруку преко ње, онда само главни системски модул (електронска брава за паљење, EZS/EIS). Модул EZS чува ову поруку у меморији и шаље сигнал за активирање (Wake-up) на све управљачке јединице повезане на магистралу CAN-ИН.

Када се активира, EZS проверава присуство свих корисника магистрале података CAN, након чега преноси поруку претходно сачувану у меморији.

До гуме CAN-Може се повезати више од 20 контролних јединица.