A CAN jelentése Controller Area Network jegyzőkönyv. Ez egy protokoll, amelyet a Robert Bosch 1986 körül. A CAN protokoll egy szabvány, amelyet arra terveztek, hogy a mikrokontroller és más eszközök gazdaszámítógép nélkül kommunikáljanak egymással. A CAN protokollt az egyéb kommunikációs protokollok között egyedivé tevő jellemző a busz broadcast típusa. Itt a broadcast azt jelenti, hogy az információt az összes csomóponthoz továbbítják. A csomópont lehet érzékelő, mikrokontroller vagy átjáró, amely lehetővé teszi a számítógép számára a hálózaton keresztüli kommunikációt az USB-kábelen vagy az Ethernet-porton keresztül. A CAN egy üzenet alapú protokoll, ami azt jelenti, hogy az üzenet hordozza az üzenetazonosítót, és az azonosító alapján dől el a prioritás. A CAN hálózatban nincs szükség csomópont azonosításra, így nagyon könnyű beilleszteni vagy törölni a hálózatból. Ez egy soros félduplex és aszinkron típusú kommunikációs protokoll. A CAN egy kétvezetékes kommunikációs protokoll, mivel a CAN hálózat a kétvezetékes buszon keresztül csatlakozik. A vezetékek sodrott érpárok, 120Ω karakterisztikus impedanciával, mindkét végén csatlakoztatva. Kezdetben elsősorban a járműveken belüli kommunikációra tervezték, de ma már sok más környezetben is használják. Az UDS-hez és a KWP 2000-hez hasonlóan a fedélzeti diagnosztikára is használható.
Miért tud?
A központosított szabványos kommunikációs protokollra az elektronikus eszközök számának növekedése miatt volt szükség. Például egy modern járműben több mint 7 TCU lehet különféle alrendszerekhez, például műszerfalhoz, sebességváltó-vezérlőhöz, motorvezérlő egységhez és még sok máshoz. Ha az összes csomópont egy az egyhez csatlakozik, akkor a kommunikáció sebessége nagyon magas lenne, de a vezetékek bonyolultsága és költsége nagyon magas lenne. A fenti példában egyetlen műszerfalhoz 8 csatlakozóra van szükség, ezért a probléma megoldása érdekében a CAN-t központosított megoldásként vezették be, amelyhez két vezeték szükséges, azaz a CAN magas és a CAN alacsony. A CAN protokoll használatának megoldása meglehetősen hatékony az üzenet prioritása miatt, és rugalmas, mivel egy csomópont beilleszthető vagy eltávolítható a hálózat befolyásolása nélkül.
A CAN protokoll alkalmazásai
Kezdetben a CAN protokollt a járműveken belüli kommunikációs problémák kezelésére tervezték. De a későbbiekben, az általa kínált funkciók miatt, számos más területen is használják. A CAN protokoll alkalmazásai a következők:
- Autóipar (személygépjárművek, teherautók, buszok)
- Elektronikus berendezések repüléshez és navigációhoz
- Ipari automatizálás és mechanikus vezérlés
- Lift és mozgólépcsők
- Épületautomatizálás
- Orvosi műszerek és berendezések
- Tengerészeti, orvosi, ipari, orvosi
CAN réteges architektúra
Mint tudjuk, hogy a OSI modell 7 különböző rétegre osztja fel a kommunikációs rendszert. De a CAN réteges architektúra két rétegből áll, azaz
Értsük meg mindkét réteget.
- Adatkapcsolati réteg: Ez a réteg felelős a csomópontok közötti adatátvitelért. Lehetővé teszi a kapcsolat létrehozását és megszakítását. Feladata továbbá a fizikai rétegen előforduló hibák észlelése és kijavítása. Az adatkapcsolati réteg két alrétegre oszlik:
MAC: A MAC a Media Access Control rövidítése. Meghatározza, hogy a hálózatban lévő eszközök hogyan férhetnek hozzá a közeghez. Biztosítja az adatok tokozását és dekapszulálását, hibaészlelést és jelzést. - Fizikai réteg: A fizikai réteg felelős a nyers adatok továbbításáért. Meghatározza az olyan paraméterek specifikációit, mint a feszültségszint, az időzítés, az adatátviteli sebesség és a csatlakozó.
A CAN specifikációk meghatározzák a CAN protokollt és a CAN fizikai réteget, amelyeket a CAN szabvány definiál ISO 11898. Az ISO 11898 három részből áll:
számtani logikai egység
- ISO 11898-1: Ez a rész az adatkapcsolati réteg és a fizikai jelkapcsolat specifikációit tartalmazza.
- ISO 11898-2: Ez a rész a CAN fizikai réteg alá tartozik a nagy sebességű CAN számára. A nagy sebességű CAN akár 1 Mbps adatátviteli sebességet tesz lehetővé az erőátvitelben és a jármű töltési területén.
- ISO 11898-3: Ez a rész szintén a CAN fizikai réteg alá tartozik az alacsony sebességű CAN számára. 125 kbps adatsebességet tesz lehetővé, és az alacsony sebességű CAN-t ott használják, ahol a kommunikáció sebessége nem kritikus tényező.
CiA DS-102: A CiA teljes formája a CAN az Automationban, amely meghatározza a CAN-csatlakozó specifikációit.
Ami a megvalósítást illeti, a CAN vezérlő és a CAN adó-vevő az alkalmazás, az operációs rendszer és a hálózatkezelési funkciók segítségével valósul meg a szoftverben.
CAN Keretezés
Ismerjük meg a CAN keret felépítését.
Most meglátjuk, hogyan továbbítják az adatokat a CAN hálózaton keresztül.
A CAN hálózat több CAN csomópontból áll. A fenti esetben három CAN-csomópontot vettünk figyelembe, és ezeket A csomópontnak, B csomópontnak és C csomópontnak neveztük el. A CAN-csomópont három elemből áll, amelyeket alább adunk meg:
- Házigazda
A gazdagép egy mikrokontroller vagy mikroprocesszor, amely valamilyen alkalmazást futtat egy adott feladat elvégzésére. A fogadó dönti el, hogy mit jelent a kapott üzenet, és milyen üzenetet küldjön ezután. - CAN vezérlő
A CAN vezérlő a CAN protokoll által leírt kommunikációs funkciókkal foglalkozik. Kiváltja a CAN üzenetek átvitelét vagy fogadását is. - CAN adó-vevő
A CAN adó-vevő felelős a CAN buszon lévő adatok továbbításáért vagy vételéért. Az adatjelet a CAN-buszról gyűjtött adatfolyammá alakítja, amelyet a CAN-vezérlő megért.
A fenti ábrán árnyékolatlan, csavart érpárú kábelt használnak az adatok továbbítására vagy fogadására. CAN-buszként is ismert, és a CAN-busz két vonalból áll, azaz a CAN alacsony vonalból és a CAN magas vonalból, amelyeket CANH-nak és CANL-nek is neveznek. Az átvitel az ezekre a vezetékekre alkalmazott feszültségkülönbség miatt következik be. A CAN a környezete miatt csavart érpárú kábelt és differenciálfeszültséget használ. Például egy autóban a motor, a gyújtásrendszer és sok más eszköz adatvesztést és adatsérülést okozhat a zaj miatt. A két vonal csavarása is csökkenti a mágneses teret. A busz mindkét végén 120Ω ellenállással van lezárva.
CAN jellemzők
A feszültségkülönbség segítségével meghatározzuk, hogy a 0 és az 1 hogyan kerül továbbításra a CAN buszon. A fenti ábra a feszültség grafikonja, amely a CAN alacsony és a CAN magas feszültségszintjét mutatja. A CAN terminológiában az 1-es logikát recesszívnek mondják, míg a logikai 0-t a domináns. Ha a CAN magas vonalat és a CAN alacsony vonalat 2,5 V-tal kapcsolják, akkor a tényleges differenciálfeszültség nulla volt. A CAN buszon lévő nulla voltos feszültséget a CAN adó-vevő recesszívként vagy logikai 1-ként olvassa be. A CAN buszon lévő nulla volt a busz ideális állapota. Ha a CAN magas vonalat 3,5 V-ra húzzuk, a CAN alacsony vonalat pedig 1,5 V-ra húzzuk le, akkor a busz tényleges differenciálfeszültsége 2 volt. A CAN adó-vevő domináns bitként vagy logikai 0-ként kezeli. Ha a busz állapotát domináns vagy logikai 0 értékre érjük el, akkor lehetetlenné válik, hogy bármely másik csomópont recesszív állapotba lépjen.
A CAN jellemzőiből tanult kulcspontok
- Az 1. logika recesszív állapot. Az 1 CAN buszon való átviteléhez a CAN magas és a CAN alacsony feszültséget egyaránt 2,5 V-tal kell alkalmazni.
- A logikai 0 egy domináns állapot. A 0 CAN buszon való átviteléhez a CAN high értéket 3,5 V-ra, a CAN alacsony értéket pedig 1,5 V-ra kell alkalmazni.
- A busz ideális állapota recesszív.
- Ha a csomópont eléri a domináns állapotot, akkor nem tud visszalépni a recesszív állapotba más csomópont által.
CAN busz logika
A fenti forgatókönyvből megtudhatjuk, hogy a domináns állapot felülírja a recesszív állapotot. Ha a csomópont egyszerre küldi a domináns és a recesszív bitet, akkor a busz domináns marad. A recesszív szint csak akkor következik be, ha az összes csomópont elküldi a recesszív bitet. Az ilyen logikát ÉS logika néven ismerik, és fizikailag nyitott kollektoros áramkörként valósítják meg.
CAN kommunikációs elv
Mint tudjuk, az üzenetet a választottbírósági mezőben beállított prioritás alapján küldjük el. A szabványos keretnél az üzenetazonosító 11 bites, míg a kiterjesztett keretnél az üzenetazonosító 29 bites. Lehetővé teszi a rendszertervező számára, hogy magában a tervezésben megtervezze az üzenetazonosítót. Minél kisebb az üzenetazonosító, annál magasabb lesz az üzenet prioritása.
Nézzük meg, hogyan működik a választottbíráskodás folyamatábrán keresztül.
A feladó el akarja küldeni az üzenetet, és arra vár, hogy a CAN-busz tétlenné váljon. Ha a CAN busz tétlen, akkor a küldő elküldi a SOF-t vagy a domináns bitet a busz eléréséhez. Ezután elküldi az üzenetazonosító bitet a legjelentősebb bitben. Ha a csomópont észleli a domináns bitet a buszon, miközben a recesszív bitet továbbította, az azt jelenti, hogy a csomópont elvesztette az arbitrációt, és leállítja a további bitek továbbítását. A feladó vár, és újra elküldi az üzenetet, ha a busz felszabadul.
CAN választottbírósági példa
Ha három csomópontot veszünk figyelembe, azaz az 1. csomópontot, a 2. csomópontot és a 3. csomópontot, akkor ezeknek a csomópontoknak az üzenetazonosítói 0x7F3, 0x6B3 és 0x6D9.
Mindhárom csomópont átvitele a legjelentősebb bittel a fenti diagramon látható.
tizenegythbit: Mivel a csomópontok mindhárom bitje recesszív, így a buszbit is recesszív marad.
10thbit: Minden csomópont 10. bitje recesszív, így a busz is recesszív marad.
9thbit: Az 1. csomópontnak recesszív bitje van, míg a többi csomópontnak domináns bitje van, így a busz is domináns marad. Ebben az esetben az 1. csomópont elvesztette az arbitrációt, ezért leállítja a bitek küldését.
hivatkozási mutató c
8thbit: Mind a 2, mind a 3 csomópont recesszív bitet küld, így a busz állapota recesszív marad.
7thbit: A 2. csomópont domináns bitet küld, míg a 3. csomópont recesszív bitet küld, így a busz állapota domináns marad. Ebben az esetben a 3-as csomópont elvesztette az arbitrációt, így leállítja az üzenet küldését, miközben a 2-es csomópont megnyerte az arbitrációt, ami azt jelenti, hogy továbbra is fenntartja a buszt az üzenet beérkezéséig.