Digitálna dátová zbernica CAN [Toyota Land Cruiser J100]

Všeobecné informácie

Poradie výmeny dát cez CAN zbernicu

Moderné vozidlá využívajú niekoľko sieťových zberníc na výmenu dát CAN (Controller Area Network) medzi modulmi/riadiacimi jednotkami rôznych systémov a ovládačmi akčných členov vozidla (pozrite si ilustráciu vyššie).

Autobus je plne duplexný (alebo len duplex), tie. Akékoľvek zariadenie, ktoré je k nemu pripojené, môže súčasne prijímať a odosielať správy.

Signál z citlivého prvku zodpovedajúcej informácie (snímača) je odoslaný do najbližšej riadiacej jednotky, ktorá ho spracuje a odošle na zbernicu výmeny dát CAN.

Akákoľvek riadiaca jednotka pripojená na dátovú zbernicu CAN dokáže tento signál prečítať, vypočítať na základe neho riadiace parametre a ovládať servopohon.

Výhody

Pri klasickom káblovom prepojení elektrických a elektronických zariadení je vytvorené priame spojenie medzi každou riadiacou jednotkou a všetkými snímačmi a akčnými členmi, z ktorých prijíma výsledky meraní alebo ktoré riadi.

Komplikácia riadiaceho systému vedie k nadmernej dĺžke alebo počtu káblových vedení.

V porovnaní so štandardnou kabelážou poskytuje dátová zbernica:

• Zníženie počtu káblov. Vodiče od snímačov sú predĺžené len k najbližšej riadiacej jednotke, ktorá namerané hodnoty prevedie na dátový paket a odošle ho na zbernicu CAN;
• Pohon môže byť riadený akoukoľvek riadiacou jednotkou, ktorá prijíma príslušný dátový paket cez CAN zbernicu a na základe neho vypočíta hodnotu riadiacej akcie na servomechanizme;
• Zlepšenie elektromagnetickej kompatibility;
• Zníženie počtu konektorov a zníženie počtu kontaktných svoriek na riadiacich jednotkách;
• Chudnutie;
• Zníženie počtu snímačov, pretože signály z jedného snímača (napríklad zo snímača teploty chladiacej kvapaliny) môžu byť použité rôznymi systémami;
• Zlepšenie diagnostických schopností. Pretože signály z jedného snímača (napríklad signál rýchlosti) sú používané rôznymi systémami, potom ak pomocou tohto signálu vygenerujú poruchové hlásenie všetky systémy, chybný je zvyčajne snímač alebo riadiaca jednotka, ktorá spracováva jeho signály. Ak chybové hlásenie pochádza len z jedného systému, hoci tento signál využívajú aj iné systémy, príčina poruchy je najčastejšie v riadiacej jednotke spracovania alebo v servomechanizme;
• Vysoká rýchlosť prenosu dát – možná až 1 Mbit/s pri maximálnej dĺžke linky 40 m.
• Cez tú istú linku je možné postupne prenášať niekoľko správ.

Dátovú zbernicu CAN tvorí dvojžilový kábel vyrobený vo forme krútenej dvojlinky. Všetky zariadenia sú pripojené k tejto linke (riadiace jednotky zariadenia).



Prenos dát sa vykonáva duplikovane na oboch vodičoch a logické úrovne dátovej zbernice sa zrkadlia (to znamená, že ak sa na jednom vodiči prenáša úroveň logickej nuly (0), potom sa na druhom vodiči prenáša logická úroveň (1) a naopak).

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

Ak dôjde k napäťovému špičke iba na jednom vodiči, napríklad v dôsledku problémov s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC), prijímacie jednotky to môžu identifikovať ako chybu a špičku ignorovať.

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

Poradie a formát údajov prenášaných a prijímaných používateľmi (predplatiteľov) správy sú definované v protokole výmeny údajov.

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

To znamená, že každej správe prenášanej cez zbernicu je priradená vlastná trvalá adresa (identifikátor), označenie obsahu tejto správy (napr.: teplota chladiacej kvapaliny). Protokol dátovej zbernice CAN umožňuje prenos až 2048 rôznych správ, pričom adresy 2033 až 2048 sú trvalo priradené.

Objem dát v jednej správe zbernice CAN je 8 bajtov.

Blok prijímača spracováva iba tieto správy (dátové pakety), ktoré sú uložené vo vlastnom identifikačnom zozname (kontrola prijateľnosti).



Dátové pakety je možné prenášať len vtedy, ak je zbernica CAN voľná (t.j. ak po poslednom dátovom pakete nasledoval 3-bitový interval a žiadna z riadiacich jednotiek nezačne vysielať správu). V tomto prípade musí byť logická úroveň dátovej zbernice recesívna (logická "1").

Ak viaceré riadiace jednotky začnú vysielať správy súčasne, začne platiť princíp priority, podľa ktorého sa správa s najvyššou prioritou prenesie ako prvá bez straty času alebo bitov (arbitráž žiadostí o prístup k zdieľanej dátovej zbernici).

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

Okrem dátových paketov sa využívajú aj pakety na vyžiadanie konkrétnej správy cez dátovú zbernicu CAN, na takúto požiadavku odpovedá riadiaca jednotka, ktorá môže poskytnúť požadované informácie.

Formát dátového paketu

V normálnom režime prenosu majú dátové pakety nasledujúce konfigurácie blokov (rámcov):

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

Protokol dátovej zbernice CAN podporuje dva rôzne formáty správy rámca dátovej zbernice CAN, ktoré sa líšia iba dĺžkou identifikátora:

• Štandardný formát;
• Rozšírený formát.

V súčasnosti sa v systémoch výmeny údajov riadiaceho systému vozidla používa iba štandardný formát.

Formát rámu

Každý rámec správ prenášaných cez zbernicu CAN pozostáva zo siedmich po sebe nasledujúcich polí (pozrite si ilustráciu vyššie):

• Start of Frame (štart bit): Označí začiatok správy a synchronizuje všetky moduly;
• Arbitration Field (identifikátor a žiadosť): Toto pole pozostáva z 11-bitového identifikátora (adresy) a 1 riadiaceho bitu (Remote Transmission Request-Bit). Tento riadiaci bit označí rámec ako dátový rámec (dátový rámec) alebo ako vzdialený rám (rámec vzdialenej požiadavky) bez dátových bajtov;
• Control Field (ovládacie bity): Riadiace pole (6 bitov) obsahuje bit IDE (Identifier Extension Bit) na rozpoznanie štandardného a rozšíreného formátu, rezervný bit pre následné rozšírenia a - v posledných 4 bitoch - počet bajtov dát obsiahnutých v dátovom poli (dátové pole);
• Dátové pole: Dátové pole môže obsahovať 0 až 8 bajtov údajov; správa dátovej zbernice CAN s dĺžkou 0 bajtov sa používa na synchronizáciu distribuovaných procesov;
• CRC Field (kontrolné pole): CRC pole (Cyclic-Redundancy-Check Field) obsahuje 16 bitov a slúži na detekciu chýb riadenia pri prenose;
• ACK Field (potvrdenie o prijatí): pole ACK (Acknowledgement Field) obsahuje signál potvrdzujúci príjem všetkých prijímacích jednotiek, ktoré prijali správu cez zbernicu CAN bez chýb;
• End of Frame (koniec rámu): Označuje koniec dátového paketu;
• Intermission (prestávka): Interval medzi dvoma dátovými paketmi. Interval musí byť aspoň 3 bity. Každá riadiaca jednotka môže potom vysielať nasledujúci dátový balík;
• IDLE (kľudový režim): Ak žiadna riadiaca jednotka nevysiela správy, zbernica CAN zostane v nečinnom režime, kým sa neprenesie ďalší dátový paket.

Priority

Na spracovanie údajov v reálnom čase musí byť možné ich rýchlo prenášať.

To si vyžaduje nielen vysokú fyzickú dátovú rýchlosť, ale vyžaduje si to aj rýchly prístup k spoločnej zbernici CAN, ak viaceré riadiace jednotky potrebujú prenášať správy súčasne.

Aby bolo možné rozlíšiť správy prenášané cez dátovú zbernicu CAN podľa stupňa ich naliehavosti, sú pre jednotlivé správy poskytnuté rôzne priority.

Napríklad časovanie zapaľovania má najvyššiu prioritu, hodnoty sklzu majú priemernú prioritu a teplota vonkajšieho vzduchu má najnižšiu prioritu.

Priorita, s ktorou sa správa prenáša cez zbernicu CAN, je určená identifikátorom (adresou) príslušnej správy.

Identifikátor zodpovedajúci menšiemu binárnemu číslu má vyššiu prioritu a naopak.

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

Príklad

Ak niekoľko riadiacich jednotiek súčasne začne vysielať dáta, konflikt o prístup k spoločnej dátovej zbernici sa vyrieši "bitovou arbitrážou spoločných požiadaviek na zdroje" pomocou zodpovedajúcich identifikátorov.

Vysielacia jednotka pri prenose poľa identifikátora po každom bite skontroluje, či má ešte právo vysielať, alebo či už iná riadiaca jednotka na zbernici vysiela správu s vyššou prioritou.

Riadiace jednotky

Prvý riadiaci blok (NI) stráca rozhodovanie z bitu 3.



Tretí riadiaci blok (N III) stráca rozhodovanie od 7. bitu.

Druhá riadiaca jednotka (N II) si ponecháva prístupové práva k dátovej zbernici CAN a môže prenášať jej správu.

Ak je recesívny bit vysielaný prvým blokom vysielača prepísaný dominantným bitom iného bloku vysielača, potom prvý blok vysielača stratí právo vysielať (arbitráž) a stáva sa blokom prijímača (pozrite si ilustráciu vyššie).

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

Rozpoznanie chyby

Rušenie môže spôsobiť chyby pri prenose údajov. Takéto chyby, ktoré sa vyskytnú počas prenosu, musia byť rozpoznané a opravené. Protokol dátovej zbernice CAN rozlišuje dve úrovne rozpoznávania chýb:

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

Mechanizmy na úrovni dátového rámca

Cyclic-Redundancy-Check

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

Frame Check

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

Chyby zistené funkciou Frame Check sú označené ako chyby formátu.

Mechanizmy na bitovej úrovni

Monitorovanie

Každý modul sleduje logickú úroveň dátovej zbernice CAN pri prenose správy a určuje rozdiely medzi prenášanými a prijímanými bitmi. To zaisťuje spoľahlivé rozpoznanie globálnych a lokálnych bitových chýb vyskytujúcich sa v jednotke vysielača.

Bit Stuffing

V každom dátovom rámci medzi poľami "Start of Frame" a koniec poľa "CRC Field" nesmie mať 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 upovedomené o lokálnej chybe, ktorá sa vyskytla, a preto ignorujú predtým vyslanú správu.

Po krátkej odmlke budú môcť všetky riadiace jednotky opäť prenášať správy cez dátovú zbernicu CAN, pričom ako prvá bude opäť odoslaná správa s najvyššou prioritou.

Riadiaca jednotka, ktorej správa dátovej zbernice CAN spôsobila chybu, tiež začne znova vysielať svoju správu (funkcia automatického opakovania požiadavky).

Typy zbernice CAN

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

Materiál bol prevzatý zo zdroja: www.TOYOTAMAN.ru

Prenosová rýchlosť dátovej zbernice CAN v oblasti "motor a podvozok" (CAN-C) je 125 kbit/s, pričom dátová zbernica CAN "Interiér" (CAN-B) je z dôvodu menšieho počtu obzvlášť urgentných správ dimenzovaná na rýchlosť prenosu dát iba 83 kbit/s.

Výmena dát medzi dvoma zbernicovými systémami sa uskutočňuje prostredníctvom takzvaných "internetwork gateways", t.j. riadiace jednotky pripojené na obe dátové zbernice.

D2B optická zbernica (Digital Daten-Bus) údaje použité v oblasti "Audio/Komunikácia/Navigácia". Kábel z optických vlákien môže prenášať podstatne viac informácií ako zbernica medených káblov.

CAN C – autobus "Motor a podvozok"

V koncovej riadiacej jednotke je na každej strane inštalovaný takzvaný ukončovací odpor dátovej zbernice s odporom 120 Ohm, zapojený medzi oba vodiče dátovej zbernice.

Dátová zbernica CAN v motorovom priestore sa aktivuje len pri zapnutom zapaľovaní.

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

CAN-B – "Salónny" autobus

Niektoré riadiace jednotky pripojené na dátovú zbernicu CAN priestoru pre cestujúcich sa aktivujú bez ohľadu na to, či je zapnuté zapaľovanie (napr.: systém jedného zámku).

Dátová zbernica CAN priestoru pre cestujúcich preto musí byť v režime funkčnej pripravenosti aj pri vypnutom zapaľovaní, čo znamená, že schopnosť prenášať dátové pakety musí byť zabezpečená aj pri vypnutom zapaľovaní.

Aby sa čo najviac znížila spotreba kľudového prúdu, dátová zbernica CAN, keď nie sú potrebné žiadne dáta na prenos, prejde do pasívneho pohotovostného režimu a opäť sa aktivuje až pri ďalšom prístupe.

Ak je ktorákoľvek riadiaca jednotka v pasívnom pohotovostnom režime dátovej zbernice CAN priestoru pre cestujúcich (napríklad modul ovládania jedného zámku) cez ňu odošle správu, potom ju prijme iba hlavný systémový modul (elektronický spínač zapaľovania, EZS/EIS). Na EZS modul uloží túto správu do pamäte a pošle aktivačný signál (Wake-up) pre všetky riadiace jednotky pripojené na CAN-B autobus.

Po aktivácii EZS skontroluje prítomnosť všetkých používateľov dátovej zbernice CAN a následne odošle predtým uloženú správu.

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