Кто разработал автомобильную шину can bus

Опубликовано: 11.05.2024

Электрические цепи автомобилей усложнялись и разрастались год от года. Первые автомобили обходились без генератора и аккумулятора – зажигание работало от магнето, а фары были ацетиленовые.
К середине 70-х годов в жгуты увязывались уже сотни метров электрических проводов, автомобили по оснащённости электрикой, соперничали с легкомоторной авиацией.
Идея упрощения электропроводки лежала на поверхности – хорошо бы проложить в автомобиле всего один провод, нанизать на него потребителей и возле каждого поставить некое управляющее устройство. Тогда по этому проводу можно было бы пустить и энергию для потребителей (лампочек, датчиков, исполнительных устройств) и управляющие сигналы.
К началу 90-х развитие цифровых технологий позволило приступить к осуществлению этой идеи - компаниями BOSCH и INTEL был разработан сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. В электронике проводную систему, по которой передаются данные, принято называть “шиной”.

Если данные передаются по двум проводам (т.н. “витая пара”) последовательно, импульс за импульсом – это будет последовательная шина (serial bus), если данные передаются по жгуту из нескольких проводов одновременно – это будет параллельная шина (parallel bus).
И хотя параллельная шина работает быстрее, для упрощения электропроводки автомобиля она не подходит – она её как раз только усложнит. Витая пара последовательной шины способна передавать до 1Мбит/сек, чего вполне достаточно.
Правила, по которым отдельные блоки обмениваются информацией, в электронике называются протоколом . Протокол позволяет посылать отдельным блокам отдельные команды, опрашивать каждый блок в отдельности или всех сразу. Кроме адресного обращения к устройствам, протокол предусматривает и возможность задания приоритетов самим командам. Например, команда на управление двигателем будет иметь приоритет перед командой на управление кондиционером.
Развитие и миниатюризация электроники позволяют теперь выпускать недорогие модули управления и связи, которые в автомобиле можно соединять в виде звезды, кольца или цепи.
Обмен информацией идет в обоих направлениях, т.е. можно не только включить например лампочку заднего хода, но и получить информацию светит ли она.
Получая информацию от различных устройств система управления двигателем выберет оптимальный режим, система кондиционирования включит отопление или охлаждение, система управления стеклоочистителем взмахнет щетками и т.п.
Значительно упрощается и система диагностики двигателя и всего автомобиля в целом.
И хотя главная мечта электрика – всего два провода по всей машине – ещё не сбылась, CAN шина значительно упростила электропроводку автомобиля и повысила общую надежность всей системы.

Итак, CAN-шина - это система цифровой связи и управления электрическими устройствами автомобиля, позволяющая собирать данные от всех устройств, обмениваться информацией между ними, управлять ими. Информация о состоянии устройств и командные (управляющие) сигналы для них передаются в цифровой форме по специальному протоколу двумя проводами, т.н. «витая пара». Кроме того к каждому устройству подается и питание от бортовой электросети, но в отличии от обычной проводки – все потребители соединены параллельно, т.к. нет необходимости вести от каждого выключателя до каждой лампочки свой провод. Это значительно упрощает монтаж, снижает число проводов в жгутах и повышает надёжность всей электросистемы.

CAN-шина не имеет никакого отношения к автомобильным покрышкам. Дело в том, что в электронике "шиной" называют систему, по которой передаются данные. Это своего рода река с ручейками, если говорить проще. Что касается аббревиатуры, расшифровывающейся как Controller Area Network (сеть контроллеров), то за ней стоит стандарт промышленной сети для объединения в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков.

Принцип работы CAN-шины

CAN-шина, будучи системой цифровой связи и управления электронными устройствами, позволяет осуществлять обмен информацией между блоками управления. Сеть имеет три основных режима работы – активный при включенном зажигании, спящий при выключенном зажигании и, наконец, режим пробуждения и засыпания, когда зажигание включают и выключают.

CAN-шина выполняет ряд задач, среди которых ускорение передачи сигналов к разным системам, механизмам и устройствам, уменьшение количества проводов, упрощение подсоединения и работы дополнительных устройств.

Виды CAN-шин

Существует три основных вида.

Силовые обеспечивают синхронизацию и обмен данными между ЭБУ двигателя и основными агрегатами и системами автомобиля – коробкой передач, зажиганием и другими. "Комфортные" нужны, соответственно, для работы опций комфорта. Например, климатической системы, электропривода зеркал и обогрева сидений.

Информационно-командные введены для обмена данными между ЭБУ и такими вспомогательными информационными комплексами как навигационная система.

Как передается информация

Итак, CAN-шина представляет собой сеть, по которой происходит обмен информацией между устройствами. Возьмем для примера блок управления двигателем – он имеет не только основной микроконтроллер, но и CAN-устройство, которое формирует и рассылает импульсы по шинам H (CAN-высокий) и L (CAN-низкий), которые называются витая пара.

Сигналы рассылаются по витой паре трансивером или приемопередатчиком. Он нужен для целого ряда задач – усиления сигналов, защиты линии в случае повреждения CAN-шины, создания условий помехозащищенности передаваемых импульсов и регулировки скорости их передачи. В автомобильной промышленности применяются передатчики двух типов с говорящими названиями High Speed и Fault Tolerant. Первый обеспечивает передачу данных на высокой скорости, до 1 мегабита в секунду. Второй не столь быстрый и передает в секунду до 120 килобит в секунду, но при этом допускает отклонение от параметров CAN-шины и не столь чувствителен к ее качеству.

Каждый подключенный к CAN-шине блок имеет определенное входное сопротивление, в результате образуется общая нагрузка шины CAN.

Общее сопротивление нагрузки зависит от числа подключенных к шине электронных блоков управления и исполнительных механизмов.

Рис. 2. Фрагмент CAN-шины с распределением нагрузки в проводах: CAN High CAN Low

Системы и блоки управления автомобиля имеют не только различные нагрузочные сопротивления, но и скорости передачи данных, все это может препятствовать обработке разнотипных сигналов.Для решения данной технической проблемы используется преобразователь для связи между шинами.Такой преобразователь принято называть межсетевым интерфейсом, это устройство в автомобиле чаще всего встроено в конструкцию блока управления, комбинацию приборов, а также может быть выполнено в виде отдельного блока.

Рис. 3. Блок-схема межсетевого интерфейса

Схемы CAN-шины

Такая схема подключения устройств называется параллельной схемой подключения. Для достижения максимальной скорости волновые сопротивления блоков должны согласовываться. Если выходит из строя один из блоков (трансмиттеров), этот блок может «завалить» всю шину.

Все сообщения, которые передаются по шине, имеют определенный цифровой код.

Это позволяет производить компьютерную диагностику при помощи опроса блоков по шине.

Диагностическое устройство преобразует цифровые коды и сигнал в абсолютные значения либо коды ошибок.

В спящем режиме CAN-шина полностью не бездействует. Большинство автомобилей используют шину для организации сбора информации дла системы сигнализации и охраны, собирая информацию по шине о датчиках проникновения, контактных устройствах.

Видео «Диагностика авто с помощью CAN шины»

Разновидности функций шин

Существуют разные типы представленного устройства.

КАН-шина агрегата силового. Это быстрый канал, который передает послания со скоростью 500 кбит/с. Его главная задача заключается в коммуникации блоков управления, например трансмиссия-двигатель.
Система "Комфорт" - более медлительный канал, передающий данные со скоростью 100 кбит/с. Он связывает все устройства системы "Комфорт".
Информационно-командная программа шины также передает сигналы медленно (100 кбит/с). Ее основное предназначение - обеспечить связь между обслуживающими системами, например телефоном и навигацией.

Типы сообщений

Протоколом предусматривается использование при обмене информацией посредством шины CAN четырех типов команд.

Data Frame. Такой тип сообщений (фреймов) передает сигналы с определенным идентификатором.
Error Frame представляет собой сообщение сбоя в процессе обмена. Он предлагает повторить действия сначала.
Overload Frame. Послание появляется в момент необходимости перезапустить работу контроллера.
Request Frame Remout Transmission обозначает запрос данных, где именно находится идентификатор.

II - резистор сопротивления;

В процессе приема-передачи информации на проведение одной операции отводится определенное время. Если оно вышло, формируется фрейм ошибки. Error Frame также длится определенное количество времени. Неисправный блок автоматически отключается от шины при накоплении большого количества ошибок.

Функциональность системы

Команда состоит из 3 разделов: имени, значения события, времени наблюдения за переменной величиной.

Ключевое значение придается переменной показателя. Если в сообщении нет данных о времени, тогда это сообщение принимается системой по факту его получения.

Когда компьютер коммуникационной системы запрашивает показатель состояния параметра, он посылается в приоритетной очередности.

Разрешение конфликтов на шине

Когда сигналы, поступающие на шину, приходят на несколько контроллеров, система выбирает, в какой очередности будет обработан каждый. Два или более устройства могут начать работу практически одновременно. Чтобы при этом не возник конфликт, производится мониторинг. CAN-шина современного автомобиля производит эту операцию в процессе отправки сообщения.

Существует градация сообщений по приоритетной и рецессивной градации. Информация, имеющая самое низкое числительное выражение поля арбитража, выиграет при наступлении конфликтного положения на шине. Остальные передатчики постараются отослать свои фреймы позже, если ничего не изменится.

В процессе передачи информации время, указанное в нем, не теряется даже при наличии конфликтного положения системы.

Физические составляющие

Устройство шины состоит, помимо кабеля, из нескольких элементов.

Микросхемы приемопередатчика часто встречаются от компании Philips, а также Siliconix, Bosch, Infineon.

Для этого на конец проводников устанавливаются резисторы сопротивления по 120 Ом. Это необходимо, дабы устранить отражения сообщения на конце шины и убедиться, что она получает соответствующие уровни тока.

Сам проводник в зависимости от конструкции может быть экранированным или неэкранированным. Концевое сопротивление может отходить от классического и находиться в диапазоне от 108 до 132 Ом.

Скорость передачи данных CAN-шины

Все составляющие сети CAN должны иметь единую скорость передачи информации. Однако данный стандарт не задает одного определенного параметра, ограничиваясь лишь максимальным пределом – 1Мбит/с. Изменения объема передаваемого кадра должно успеть распространиться по всей длине сети, что ставит в обратную зависимость скорости от протяженности – чем длиннее провод, тем ниже скорость. Для передачи 1Мбита за 1секунду нужная длина должна составлять не менее 40 метров. Добавьте к этому объективные факторы, снижающие скорость – защита от помех и разветвленная сеть, где происходят множественные отражения сигнала.

В угоду ускорения процесса разработчики уменьшают протяженность проводов, одновременно увеличивая число цепей с возможностью подключения большего количества приборов. Например, общая длина шины, составляющая 10 метров, способна пропускать через себя кадры, со скоростью 2 Мбит/c, с 64 подключенными приборами. Если автомобиль снабжен большим числом электрооборудования, то добавляется одна, две цепи или более.

Сегодня, все современные автомобили, учитывая огромное множество различных электронных систем и датчиков, становятся большими компьютерами на колесах. Чтобы упорядочить управление электронных систем в авто, была придумана CAN-шина. Давайте постараемся понятье ее принципы работы и что это вообще такое.

Немного истории про автомобильную CAN шину.

Самые первые автомобили обходились без мозговых центров, но и времена тогда были соответствующие. Двигатель автомобиля на тот момент запускался при помощи магнитно-электрического устройства, преобразовывая кинетические энергии в электрическую.

Но с развитием машиностроительной индустрии, автомобили все больше и больше опутывались проводами, а с 1970 годов, по количеству встроенных датчиков автомобиль начал соперничать с самолетом. И чем больше различных электронных опций или устройств размещалось в автомобиле, тем острее становился вопрос о рационализации электрических цепей в автомобиле.

В момент микропроцессорной революцией решение проблемы стало возможным:

Всем знаменитый немецкая компания «Bosch» в 1983 году, приступила к разработке скоростного протокола данных для автомобилестроения. Тремя годами позже, в Детройте на конференции был официально анонсировано устройство под названием CAN (от англ. Controller Area Network - сеть пространства датчиков).

Первыми вариантами чудо устройства в 1987 году по реализации продукции, занялись крупные компании «INTEL» и «FILIPS», а годом позже в 1989 году , компания BMW выпустила первый автомобиль «BMW 8-й серии», на которой датчики были сконструированы при помощи CAN.

BMW 8 Series E31 (1989-1999) – убийца Феррари

Тремя годами позже, а именно 1991 году, компания «Bosch» добавила в устройства новые технологии, обновив тем самым существующий стандарт.

Далее, примерно в 1993 году стандарт «CAN» получил международный классификатор «ISO» и вышел уже на всемирную арену.

И после непродолжительного времени, а именно 2001 году в Европе автомобили стали оснащаться CAN-шиной в обязательном порядке, а в 2012 году был выпущен автомобиль с повышенной скорости передачи данных. В связи с колосальными изменениями, автомобили стали оснащаться различными, умными электронными устройствами, а организовывал работу различных датчиков и устройств так называемый CAN блок, с этого момента пошла эра цифровых автомобилей.

1991 году, компания «Bosch» добавила в устройства новые технологии.

Принципы работы CAN-шины

Сама по себе CAN шина – это микро чип, обеспечивающий всю работу программной электроники по 2 проводам CAN_H (Сan-High) / CAN_L (Can-Low) с высокой передачей данных. По каждому из провода передается больше сотни различных управляющих сигналов одновременно, коммутируя между собой различные устройства и контролеры в автомобиле, но и тут предел устройства не ограничивается, при необходимости увеличения потока данных, сигнал может быть усилен до необходимого для этого уровня.

Функционал технологии CAN-шины:

Фоновый режим – в момент выключенной системы, на микро чип CAN-шины продолжает питание, но это не страшно, уровень потребления электричества в фоновом режиме не высок примерно 2Ma – 3Ma доли миллиампер.
Старт системы – в момент поворота ключа или нажатия на кнопку «STATR» система оживает, включая при этом режим стабилизации питания с блоков или поступающие на различные управляющие автомобилем датчики.
Работа в обычном режиме – автомобильные контроллеры обмениваются между собой нужной для автомобиля и водителя информацией, например - диагностической или текущей, при этом уровень потребления питания на пиковых нагрузках может возрасти до «85 Ma» миллиампер.
Режим сна CAN модуля – как только прекращается эксплуатация автомобиля различные датчики «CAN-шины» системы отсоединяются от электрической сети и переходят в режим спячки до следующего запуска.

Автомобиль и CAN-шина

Применение скоростной CAN-шины в автомобиле строении является главным связующим звеном совершенно всех электрических цепей в автомобиле, ее действия как позвоночник у человека, соединяющий весь функционал движения тела в целом, благодаря чему и достигается скоростная обработка данных проходимых по сети.

Что такое CAN-шина.

Современные автомобили обладают огромным количеством пот датчиков, датчико-пот датчиков соединенных в единую цифровую автомобильную сеть CAN, объединяя следующие устройства:

Двигатель ;
Коробка переключения передач (МКПП / АКПП);
Система безопасности автомобиля «Аирбэги» и их датчики (коротко, «подушки безопасности»);
Система блокировки и антиблокировки автомобиля;
Различные усилитель управления рулем;
Зажигание;
Приборка;
Различные контроллеры, например, определяющие давление в шинах;
Системы складывания зекрал заднего вида и очистки стекол;
Мультимедийно-навигационная системы автомобиля;
Бортовой компьютер;
Сигнализация да все что есть в автомобиле, так или иначе работая по средством проводки.

CAN-шина в других отраслях.

Современные автомобили обладают огромным количеством потдатчиков, датчикопотдатчиков соединенных в единую цифровую автомобильную сеть CAN, объединяя следующие устройства в автомобиле.

Простота технологии и высокая скорость передачи и обработки данных CAN стала распространятся не только в автомобилестроении, CAN-шина стала применятся в таких областях, как:

Велосипедном производстве, напрмер, знаменитая Японская компания «Симано» в 2009 году, анонсировала велосипед с системой многоуровневого управления переключения скоростей по принципу CAN. Последовав этому размному решению, компания Байон-ИКС применил CAN-шину для системного прямого привода.
Также технология получила распространение и на бытовом уровне, при реализации системы «умного дома», стала активно применяться технология по принципу CAN-шины. Огромное количество электронных устройств, могут решать свои задачи при помощи сети интрнет и совершенно без человеческого вмешательства, например – системы охраны периметра дома (видеонаблюдение, сигнализации, датчики света, движения и пр..), полив травы, кондиционирование в помещение, да все что может подключаться к питанию.

Примечание! И это еще не предел, CAN шина обязательно помимо основного своего направления – автомобили и умного дома (а автомобиль, своего рода второй дом!), найдет и своего потребителя в других областях.

Преимущества CAN-шины и недостатки.

Положительные качества CAN шины в автомобиле строении:

Высокая скорость обработки информации, система обладает возможностью работы даже в условиях жесткого «цейтнота» (недостаток времени для обдумывания ходов);
Простота установки и копеечная стоимость при проведении работ с блоком;
Помехоустойчиво (что важно в автомобиле);
В процессе входа-выхода данных, многоуровневая система позволяет избежать огромного количества ошибок в процессе эксплуатации;
Учитывая возможность работать в условиях повышенной передачи данных, CAN-шине легко приспособиться к любой ситуации;
CAN-шина обладает высоким уровнем безопасности автомобиля с блокировкой всех двигательных систем стороннего проникновения и идеальная коммутируемость с автосигнализацией и иммобилайзером;
Палитра и многообразие стандартов CAN-шины, позволяет внедрять эту технологию даже в самый дешевый автомобиль.

Как и любой электронной системе, у высокоскоростной CAN-шины есть много различных направлений развития и естественно имеются слабые стороны, а именно:

Объем обрабатываемой информации, доступный для передачи данных одновременно ограничен учитывая современные технологии и требования различных систем;
Большая часть обладает техническим и служебным назначением, а на более полезные данные отводится крохотная часть трафика в сети (есть к чему стремиться, я думаю это временно);
Не стандартизирован протокол высшего уровня.

Выводы: всеми любимая и очень круто-популярная немецкая компания «BOSCH» является изобретателем не только свечи зажигания двигателя внутреннего возгорания с топливным фильтром, но и, так сказать «внутри автомобильный интернет» для большущего количества автомобильных датчиков с именем «CAN-шина» и не смотря на все узнаваемость CAN-шины совсем недавно, этому детищу примерно уже 30 лет отроду.

Это следующая наша переводная статья из цикла посвященного шине CAN, которая еще чуть более подробно раскрывает то, как устроена и функционирует шина КАН.

Многие автомобили уже имеют большое количество электронных систем управления. Рост автомобильной электроники является результатом отчасти стремления потребителя к большей безопасности и комфорту, а также отчасти требований правительства по улучшению контроля за выбросами и снижению расхода топлива. Управляющие устройства, отвечающие этим требованиям уже используются в течение некоторого времени в области управления двигателем, коробкой передач и дроссельной заслонкой, а также в антиблокировочных системах (ABS) и системе управления ускорением (ASC) .

Сложность функций, реализованных в этих системах, требует обмена данными между ними. В традиционных системах обмен данными осуществляется с помощью выделенных сигнальных линий, но это становится все труднее и дороже, так как функции управления становятся все более сложными. В случае сложных систем управления (таких как Motronic), в частности, количество соединений не может больше увеличиваться.

Кроме того, разрабатывается ряд систем, реализующих функции, охватывающие более одного управляющего устройства. Например, ASC требует взаимодействия системы управления двигателем и управления дросселем (впрыском) для уменьшения крутящего момента при проскальзывании ведущего колеса. Другим примером функций, охватывающих более одного блока управления, является электронное управление коробкой передач, где легкость переключения передач может быть улучшена путем кратковременной регулировки опережения зажигания.

Если мы также рассмотрим будущие разработки, направленные на общую оптимизацию транспортных средств, то необходимо преодолеть ограничения, существующие в связи с обычными устройствами управления. Это можно сделать только путем объединения в сеть компонентов системы с использованием последовательной шины данных. Bosch разработал для этой цели систему «Controller Area Network» (CAN), которая с тех пор была стандартизирована на международном уровне (ISO 11898) и была «отлита в камне (в кремнии)» несколькими производителями полупроводников.

Используя CAN, одноранговые (одноуровневые) станции (контроллеры, датчики и исполнительные механизмы) подключаются через последовательную шину. Сама шина является симметричной или асимметричной двухпроводной цепью, которая может быть экранированной или неэкранированной. Электрические параметры физической передачи также указаны в стандарте ISO 11898. Подходящие чипы драйвера шины доступны от большого ряда производителей

Протокол CAN, соответствующий уровню канала передачи данных в эталонной модели ISO / OSI, удовлетворяет требованиям автомобильных для применения в автомобилях настоящего времени. В отличие от кабельных древовидных структур, сетевой протокол обнаруживает и исправляет ошибки передачи, вызванные электромагнитными помехами. Дополнительными преимуществами такой сети являются простота конфигурирования всей системы и возможность центральной диагностики.

Цель использования CAN в транспортных средствах заключается в том, чтобы любая станция могла взаимодействовать с любым другим, не налагая слишком большую нагрузку на компьютер контроллера.

Использование CAN сети в автомобилях

Существует четыре основных приложения для последовательной связи в транспортных средствах, каждое из которых имеет разные требования и цели.

- Сетевые контроллеры для синхронизации двигателя, трансмиссии, шасси и тормозов. Скорости передачи данных находятся в диапазоне - типичном для систем реального времени от 200 кбит /с до 1 Мбит /с.

- Сетевые компоненты общей электроники и электроники шасси, которые делают автомобиль более комфортным. Примерами таких мультиплексных применений являются управление освещением, кондиционирование воздуха и центральный замок, а также регулировка сиденья и зеркала. Особое значение здесь должно быть уделено стоимости компонентов и требованиям к проводке. Типичная скорость передачи данных составляет около 50 кбит / с.

- В ближайшем будущем последовательная связь также будет использоваться в области мобильной связи, чтобы связать такие компоненты, как автомобильные радиоприемники, автомобильные телефоны, навигационные средства и т. д., с центральной более эргономичной панелью управления. Функции, определенные в проекте «Прометей», такие как связь между транспортным средством и транспортным средством, будут в большой степени зависеть от последовательной связи.

- В настоящее время CAN используется для первых трех приложений, но для диагностики предпочтительным решением является интерфейс в соответствии со стандартом ISO 9141.

Промышленные применения сети CAN

Сравнение требований к шинным системам транспортных средств и системам промышленных полевых шин показывает удивительные сходства: низкая стоимость, работоспособность в жесткой электрической среде, высокие возможности в реальном времени и простота использования одинаково желательны в обоих секторах.

Стандартное использование CAN в «S-классе» Mercedes-Benz и принятие CAN коммерческими автопроизводителями США для быстрой передачи (до 1 Мбит / с) заставляли промышленных пользователей навострить уши. Не только производители мобильных и стационарных сельскохозяйственных и морских машин и оборудования выбрали CAN, но и выбор производителей медицинской аппаратуры, текстильных машин, а также специальной техники и элементов управления лифтами. Система последовательной шины особенно хорошо подходит для сетевых «интеллектуальных» устройств ввода-вывода, а также датчиков и исполнительных механизмов внутри машины или завода.

Промышленность текстильного машиностроения является одним из пионеров CAN. Один производитель оснастил свои ткацкие станки модульными системами управления, сообщающимися в режиме реального времени через сети CAN еще в 1990 году. Тем временем несколько производителей текстильных машин объединились в группу «CAN Textile Users Group», которая, в свою очередь, является членом международной группы пользователей и производителей «CAN in Automation». Аналогичные требования к текстильному оборудованию имеются в упаковочных машинах и машинах для производства и обработки бумаги.

В США ряд предприятий используют CAN в производственных линиях и станках в качестве внутренней системы шин для сетевых датчиков и исполнительных механизмов внутри линии или непосредственно машины. Некоторые пользователи, такие как сектор медицинской инженерии, решили в пользу CAN, поскольку у них были особенно строгие требования безопасности. С аналогичными проблемами сталкиваются и другие производители машин и оборудования с особыми требованиями в отношении безопасности (например, роботы и транспортные системы).

Помимо высокой надежности передачи, низкие затраты на соединение на станцию являются еще одним решающим аргументом для CAN. В приложениях, где цена имеет решающее значение, очень важно, чтобы чипы CAN были доступны от различных производителей. Компактность других чипов контроллера также является важным аргументом, например, в области низковольтных распределительных устройств.

Как функционируют CAN-сети

Принципы обмена данными

Это все, что должен сделать ЦП, чтобы инициировать обмен данными. Сообщение формируется и передается с помощью CAN-чипа. Как только CAN-чип получает выделение шины (состояние «Send Message»), все остальные станции в сети CAN становятся получателями этого сообщения (состояние «Receive Message»). Каждая станция в сети CAN, правильно приняв сообщение, выполняет приемный тест (тест получения), чтобы определить, относятся ли полученные данные к этой станции (состояние «Выбор»).

Если данные имеют значение для соответствующей станции, они обрабатываются (состояние «Принято»), в противном случае они игнорируются. Высокая степень гибкости системы и конфигурации достигается благодаря схеме адресации, ориентированной на содержание.

Очень просто добавлять станции в существующую сеть CAN без внесения каких-либо изменений в аппаратные или программные средства для существующих станций при условии, что новые станции являются чисто приемниками. Поскольку протокол передачи данных не требует физических адресов назначения для отдельных компонентов, он поддерживает концепцию модульной электроники, а также допускает множественный прием (широковещательный, многоадресный) и синхронизацию распределенных процессов: могут быть переданы измерения, необходимые в качестве информации несколькими контроллерами через сеть таким образом, что для каждого контроллера не требуется иметь свой собственный датчик.

Неразрушающая побитовая проверка:

Для того, чтобы данные обрабатывались в режиме реального времени, они должны передаваться быстро. Это требует не только физического канала передачи данных со скоростью до 1 Мбит/с, но также требует быстрого распределения шины, когда несколько станций хотят отправлять сообщения одновременно.

В режиме реального времени безотлагательность (очередность) обмена сообщениями по сети может сильно различаться: быстро изменяющийся размер (например, нагрузка на двигатель) должен передаваться чаще и, следовательно, с меньшими задержками, чем другие измерения (например, температура двигателя), которые изменяются относительно медленно. Приоритет, при котором сообщение передается по сравнению с другим менее срочным сообщением, определяется идентификатором соответствующего сообщения. Приоритеты закладываются при проектировании системы в виде соответствующих двоичных значений и динамически не могут быть изменены. Идентификатор с наименьшим двоичным числом имеет самый высокий приоритет.

Конфликты доступа к шине разрешаются путем побитной проверки каждой из участвующих станций получаемых идентификаторов через наблюдение (считывание) уровня шины бит за битом. В соответствии с «проводным и» механизмом, посредством которого доминирующее состояние (логический 0) перезаписывает рецессивное состояние (логический 1), конкуренция за распределение шины теряется всеми этими станциями с рецессивной передачей и доминирующим наблюдением (ожиданием 0 для получения). Все «проигравшие» автоматически становятся получателями сообщения с наивысшим приоритетом и не передают повторную передачу до тех пор, пока шина не будет доступна снова.

Эффективность распределения шины:

Эффективность системы распределения шины определяется в основном возможным применением для этой системы последовательной шины. Чтобы судить о том, какие шинные системы подходят, для каких приложений литература включает метод классификации процедур распределения шины. Обычно мы различаем следующие классы:

- Распределение по фиксированному графику. Распределение производится последовательно каждому участнику для максимальной продолжительности независимо от того, нужена ли этому участнику шина в данный момент или нет (примеры: маркерная ячейка или передача маркера).

- Распределение шины на основе необходимости. Шина назначается одному участнику на основании невыполненных запросов на передачу, то есть система распределения учитывает только участников, желающих передать (примеры: CSMA, CSMA / CD, управляющий полет, циклическая или побитовая проверка). Для CAN распределение шины согласовано исключительно между сообщениями, ожидающими передачи. Это означает, что процедура, определенная CAN, классифицируется как распределение на основе необходимости.

Еще одним средством оценки эффективности систем проверки(оценки) шины является метод доступа к шине:

• Неразрушающий доступ к шине. С помощью методов этого типа шина назначается одной и только одной станции либо немедленно, либо в течение определенного времени после одного доступа к шине (одной или несколькими станциями). Это гарантирует, что каждый доступ к шине одной или несколькими станциями приводит к однозначному распределению шины (примеры: : маркерная ячейка, передача маркера, циклическая обработка, побитовая проверка.

• Разрушающее распределение шины. Одновременный доступ к шине более чем одной станцией приводит к прерыванию всех попыток передачи и, следовательно, успешное распределение шины отсутствует. Для распределения шины может потребоваться более одного доступа к шине, количество попыток до успешного распределения шины является чисто статистической величиной (примеры: CSMA / CD, Ethernet). Чтобы обрабатывать все запросы на передачу сети CAN, соблюдая ограничения времени ожидания при как можно более низкой скорости передачи данных, CAN-протокол должен реализовывать метод распределения шины, который гарантирует, что всегда имеется однозначное распределение шины, даже если есть одновременныё доступ к шине с разных станций.

Метод поразрядной проверки с использованием идентификатора сообщений, которые должны передаваться, однозначно разрешает любое столкновение между несколькими станциями, которые хотят передавать, и он делает это самое позднее в течение 13 (стандартного формата) или 33 (расширенного формата) битовых периодов для любого периода доступа к шине. В отличие от проверки по сообщениям, используемого методом CSMA / CD, этот неразрушающий метод разрешения конфликтов гарантирует, что пропускная способность шины не используется без передачи полезной информации.

Даже в ситуациях, когда шина перегружена, связь приоритета доступа к шине с содержимым сообщения оказывается полезным атрибутом системы по сравнению с существующими протоколами CSMA / CD или токенными(маркерными) протоколами: несмотря на недостаточную пропускную способность шины, все невыполненные запросы на передачу обрабатываются в порядке их важности для всей системы (как определено приоритетом сообщения).

Имеющаяся пропускная способность эффективно используется для передачи полезных данных, так как «пробелы» в распределении шины остаются очень маленькими. Падение всей системы передачи из-за перегрузки, что может произойти с протоколом CSMA / CD, невозможен при CAN. Таким образом, CAN позволяет реализовать быстрый, трафик-определенный доступ к шине, который является неразрушающим из-за побитовой проверке на основе используемого приоритета сообщения.

Неразрушающий доступ к шине можно разделить на:

• Централизованное управление доступом к шине и

• Децентрализованное управление доступом к шине

В зависимости от того, присутствуют ли механизмы управления в системе только один раз (централизованный) или более одного раза (децентрализованный).

Система связи с назначенной станцией (в частности, для централизованного управления доступом к шине) должна обеспечивать стратегию, которая вступает в силу в случае сбоя основной станции. Эта концепция имеет тот недостаток, что стратегия управления отказами является сложной и дорогостоящей для реализации, а также того, что захват центральной станции резервной станцией может занять очень много времени.

По этим причинам и для того, чтобы обойти проблему надежности ведущей станции (и, следовательно, всей системы связи), протокол CAN реализует децентрализованное управление шиной. Все основные механизмы связи, в том числе контроль доступа к шине, выполняются несколько раз в системе, потому что это единственный способ удовлетворить высоким требованиям к доступности системы связи.

В целом можно сказать, что CAN реализует трафик-определенную систему распределения шин, которая позволяет с помощью неразрушающего доступа к шине с децентрализованным управлением доступом обеспечить высокую полезную скорость передачи данных при минимально возможной скорости передачи данных шины в условиях занятости шины для всех станций. Эффективность процедуры проверки шины увеличивается за счет того, что шина используется только теми станциями, которые ожидают передачи запросов.

Эти запросы обрабатываются в порядке важности сообщений для системы в целом. Это особенно выгодно в случае перегрузки. Так как доступ к шине имеет приоритет на основе сообщений, можно гарантировать низкие индивидуальные задержки в системах реального времени.

В CAN сети все ЭБУ подключены к шине параллельно. Обмен данными производится короткими пакетами — сообщениями.

CAN сообщение
Каждое сообщение содержит идентификатор, который в сети является уникальным (например, «Температура двигателя 100 град» или «Скорость автомобиля 50 км/ч»). При передаче, все ЭБУ в сети получают сообщение и каждый из них проверяет идентификатор. Если сообщение имеет отношение к данному ЭБУ, то оно обрабатывается, в противном случае – игнорируется. Идентификатор может быть длиной 11 бит или 29 бит.

Арбитраж
В шине CAN биты 0 и 1 имеют ещё одно название: рецессивный уровень и доминантный уровень, соответственно. Если двумя разными передатчиками будет одновремнно передан рецессивный и доминантный уровни, то доминантный уровень подавит рецессивный. Этим механизмом подавления обеспечивается арбитраж на шине. Каждый передатчик одновремнено считывает то, что он предаёт в шину. Передатчик с более низким приоритетом вынужден отпустить шину, так как чужой доминантный уровень с более высоким приоритетом исказил его предачу. В то же время, пакет с более высоким уровнем остался неизменным. Передатчик, потерявший арбитраж, может повторить попытку через некоторе время.

Физический уровень
В автомобиле может применяться несколько типов шин CAN.

Высокоскоростной CAN (High speed) применяется в основном в сети управления двигателем и управления шасси. Там, где необходима высокая скорость реакции. Скорость обмена по этой шине 500 или 250 кбит/сек.

Схема подключения ЭБУ к высокоскоростной шине CAN

Низкоскоростной CAN (Low speed) применяется в сети управления кузова. Скорость обмена по этой шине, как правило, равняется 125 кбит/сек.

Схема подключения ЭБУ к низкоскоростной шине CAN

Однопроводный CAN (1-wire) Это удешевлённый варинат Low speed CAN, применяется в основном концерном GM. Используется для коммуникации между ЭБУ кузова машины. Работает на скорости 33,3 кбит/сек.

Схема подключения ЭБУ к однопроводной шине CAN

Надёжность
Двухпроводная шина сохраняет свою работоспособность при обрыве или замыкании одного из проводов (для двухпроводной шины).

Фазы работы
Шина CAN используется в автомобилях достаточно давно. Изначально шина CAN использовалась в простых конфигурациях. Например, для надёжной и быстрой связи между ЭБУ мотора и ЭБУ автоматической коробки передач. В этой конфигурации шина использовалась только для передачи данных. В ЭБУ заводилась линия питания и линия от замка зажигания, диагностика производилась по отдельным К-линиям, идущим из каждого ЭБУ.

В более современных автомобилях, по шине CAN передаётся не только управляющая, но и диагностическая информация. Помимо этого, шина CAN стала управлять системой питания ЭБУ. В этой конфигурации все ЭБУ подключены к общему питанию и шине CAN. Замок зажигания является электронным блоком управления и информация о включении зажигания передаётся от него по CAN шине.

Можно выделить четыре основные фазы работы шины:

Спящий режим
В этом режиме все ЭБУ, кроме ЭБУ замка, находятся в выключенном состоянии. На драйвер CAN подается питание. Драйвер так же находится в спящем состоянии. При этом, его энергопотребление составляет около 0,3 мА.
Пробуждение
Когда вставляется ключ зажигания или открывается дверь, замок выдаёт доминантное состояние в шину CAN. Это приводит к пробуждению CAN драйверов в спящих ЭБУ. Драйверы при обнаружении активности на шине включают стабилизаторы питания в своих ЭБУ.
Активный режим
В активном режиме ЭБУ постоянно обмениваются информацией. Энергопотребление каждого предатчика при доминантных уровнях может достигать 80 мА.
Засыпание
В момент выключения зажигания, по шине CAN выдаётся команда на выключение, после чего каждый ЭБУ сам себя обесточивает и преходит в спящий режим.
Примечание:
Для однопроводной шины CAN сигнал пробуждения имеет уровень 12 В, обычный обмен 0-4 В.

Немного отступлю от первоисточника.
Самый главный плюс, это очень высокая помехозащищённость сигнала. В чём прикол? Одновременно идут два дублирующих сигнала, только один высокий, второй низкий. Ловят они помеху. Помеха воздействует одинаково на оба сигнала. А на выходе у нас одинаковый уровень. Два уровня сигнала компенсируют помеху. Наглядно это выглядит вот так:

Читайте также: