Digitalna podatkovna sabirnica CAN (Audi A4 B6)

Vozilo koristi nekoliko CAN mrežnih sabirnica za razmjenu podataka (Controller Area Network) između upravljačkih jedinica (modula) raznih sustava i kontrolera aktuatora vozila.

Pojedinačne upravljačke jedinice međusobno su povezane u zajedničku mrežu i mogu razmjenjivati podatke.

Autobus je dvosmjeran, tj. Svaki uređaj spojen na njega može primati i slati poruke.

Signal s osjetljivog elementa (senzora) šalje se do najbliže upravljačke jedinice, koja ga obrađuje i šalje na CAN sabirnicu podataka.

Bilo koja kontrolna jedinica spojena na CAN podatkovnu sabirnicu može očitati ovaj signal, izračunati vrijednost kontrolnog djelovanja na temelju njega i upravljati servo pogonom.

Razmjena podataka putem CAN sabirnice

• B — Senzor 1
• CAN - podatkovna sabirnica
• M - Izvršni elementi I-III (servomehanizmi)
• N — Upravljačke jedinice (kontrolori) I-V

Prednosti

Konvencionalnim kabelskim povezivanjem električnih i elektroničkih uređaja ostvaruje se izravna veza između svake upravljačke jedinice i svih senzora i aktuatora od kojih prima rezultate mjerenja ili kojima upravlja.



Kompliciranost sustava upravljanja dovodi do prevelike duljine ili broja kabelskih vodova.

U usporedbi sa standardnim kablovima, podatkovna sabirnica pruža:

• Smanjenje broja kablova. Žice od senzora protežu se samo do najbliže upravljačke jedinice, koja pretvara izmjerene vrijednosti u paket podataka i prenosi ih na CAN sabirnicu.
• Aktuatorom se može upravljati bilo kojom upravljačkom jedinicom koja putem CAN sabirnice prima odgovarajući paket podataka i na temelju njega izračunava vrijednost upravljačkog djelovanja na servomehanizam.
• Poboljšanje elektromagnetske kompatibilnosti.
• Smanjenje broja utičnih spojeva i smanjenje broja kontaktnih stezaljki na upravljačkim jedinicama.
• Gubitak težine.
• Smanjenje broja senzora, jer signale jednog senzora (na primjer, od senzora temperature rashladnog sredstva) mogu koristiti različiti sustavi.
• Poboljšanje dijagnostičkih mogućnosti. Jer signale jednog senzora (na primjer, signal brzine) koriste različiti sustavi, onda ako poruku o pogrešci generiraju svi sustavi koji koriste ovaj signal, neispravan je obično senzor ili upravljačka jedinica koja obrađuje njegove signale. Ako poruka o grešci dolazi samo iz jednog sustava, iako taj signal koriste i drugi sustavi, tada je uzrok greške najčešće u upravljačkoj jedinici obrade ili servo mehanizmu.
• Visoka brzina prijenosa podataka - moguća je do 1 Mbit/s uz maksimalnu duljinu linije od 40 m. Trenutno je brzina prijenosa podataka na automobilu od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s.
• Preko iste linije može se uzastopno prenijeti nekoliko poruka.

CAN sabirnica podataka sastoji se od dvožilnog kabela izrađenog u obliku upredene parice. Svi uređaji su spojeni na ovu liniju (upravljačke jedinice uređaja).



Prijenos podataka provodi se dupliciranjem na obje žice, a logičke razine sabirnice podataka imaju zrcalnu sliku (to jest, ako se razina logičke nule prenosi duž jedne žice, tada se razina logičke jedinice prenosi duž druge žice, i obrnuto).

Dvožična shema prijenosa koristi se iz dva razloga: za otkrivanje grešaka i kao osnova za pouzdanost.

Ako se vršni napon pojavi samo na jednoj žici (na primjer, zbog problema s EMC-om (elektromagnetska kompatibilnost)), tada prijemne jedinice mogu identificirati ovo kao pogrešku i zanemariti ovaj vrh napona.

Ako dođe do kratkog spoja ili prekida u jednoj od dvije žice sabirnice podataka CAN, tada će se zahvaljujući integriranom sustavu pouzdanosti softvera i hardvera prebaciti na način rada s jednom žicom. Oštećeni dalekovod neće se koristiti.

Redoslijed i format podataka koje korisnici prenose i primaju (pretplatnika) poruke su definirane u protokolu za razmjenu podataka.

Bitna značajka razlikovanja CAN podatkovne sabirnice u usporedbi s drugim sustavima sabirnica koji se temelje na principu adresiranja pretplatnika je adresiranje vezano uz poruke.

To znači da je svakoj poruci na CAN sabirnici podataka dodijeljena vlastita stalna adresa (identifikator), označavajući sadržaj ove poruke (npr.: temperatura rashladne tekućine). Protokol sabirnice podataka CAN omogućuje prijenos do 2048 različitih poruka, s adresama od 3 do 2048 koje su trajno dodijeljene.

Količina podataka u jednoj poruci na CAN sabirnici podataka je 8 bajtova.

Blok primatelja obrađuje samo te poruke (paketi podataka), koje su pohranjene u njegovu listu primljenih CAN poruka putem podatkovne sabirnice (kontrola prihvatljivosti).



Paketi podataka mogu se prenositi samo ako je CAN sabirnica podataka slobodna (tj. ako je nakon zadnjeg podatkovnog paketa bio 3-bitni interval, a niti jedna kontrolna jedinica ne započne slanje poruke).

U tom slučaju logička razina sabirnice podataka mora biti recesivna (logička "1").

Ako više upravljačkih jedinica započne slanje poruka u isto vrijeme, stupa na snagu načelo prioriteta, prema kojem će poruka CAN podatkovne sabirnice s najvećim prioritetom biti poslana prva bez gubitka vremena ili bitova (arbitraža zahtjeva za pristup zajedničkoj podatkovnoj sabirnici).

Svaka kontrolna jedinica koja izgubi pravo arbitraže automatski se prebacuje na primanje i ponovno pokušava poslati svoju poruku čim se CAN sabirnica podataka ponovno oslobodi.

Osim paketa podataka postoji i paket zahtjeva za određenu poruku na CAN sabirnici podataka.

U tom slučaju upravljačka jedinica koja može dati traženi paket podataka odgovara na ovaj zahtjev.

Format paketa podataka

U normalnom načinu prijenosa, podatkovni paketi imaju sljedeće konfiguracije blokova (okviri):

• Data Frame (okvir poruke) za prijenos poruka putem CAN sabirnice podataka (npr.: temperatura rashladne tekućine).
• Remote Frame (okvir zahtjeva) za traženje poruka putem CAN podatkovne sabirnice od druge upravljačke jedinice.
• Error Frame (okvir pogreške) sve povezane upravljačke jedinice su obaviještene da je došlo do greške i zadnja poruka na CAN podatkovnoj sabirnici nije važeća.

Protokol CAN podatkovne sabirnice podržava dva različita formata okvira poruke CAN podatkovne sabirnice, koji se razlikuju samo u duljini identifikatora:

• standardni format;
• prošireni format.

Trenutno se koristi standardni format.

Paket podataka za prijenos poruka putem CAN sabirnice podataka sastoji se od sedam uzastopnih polja:

• Start of Frame (početak malo): Označava početak poruke i sinkronizira sve module.
• Arbitration Field (identifikator i zahtjev): Ovo polje se sastoji od 11-bitnog identifikatora (adrese) i 1 kontrolnog bita (Remote Transmission Request-Bit). Ovaj kontrolni bit označava paket kao podatkovni okvir (okvir poruke) ili kao daljinski okvir (okvir zahtjeva) bez podatkovnih bajtova.
• Control Field (kontrolni bitovi): Kontrolno polje (6 bita) sadrži IDE bit (Identifier Extension Bit) za prepoznavanje standardnog i proširenog formata, rezervni bit za naknadna proširenja i - u zadnja 4 bita - broj bajtova podataka sadržanih u podatkovnom polju (podatkovno polje).
• Data Field (podaci): Podatkovno polje može sadržavati od 0 do 8 bajtova podataka. Poruka CAN sabirnice podataka od 0 bajta koristi se za sinkronizaciju distribuiranih procesa.
• CRC Field (kontrolno polje): CRC polje (Cyclic-Redundancy-Check Field) sadrži 16 bita i služi za kontrolno prepoznavanje grešaka tijekom prijenosa.
• ACK Field (potvrda prihvaćanja): polje ACK (Acknowledgement Field) sadrži signal koji potvrđuje primitak svih prijamnih jedinica koje su primile poruku putem CAN sabirnice bez greške.
• End of Frame (kraj okvira): Označava kraj podatkovnog paketa.
• Intermission (interval): interval između dva paketa podataka. Interval mora biti najmanje 3 bita. Nakon toga bilo koja upravljačka jedinica može poslati sljedeći paket podataka.
• IDLE (način odmora): Ako nijedna upravljačka jedinica ne šalje poruke, CAN sabirnica ostaje u stanju mirovanja do prijenosa sljedećeg paketa podataka.

Prioriteti

Za obradu podataka u stvarnom vremenu mora biti moguć njihov brzi prijenos.

Ovo ne samo da zahtijeva liniju visoke fizičke brzine prijenosa podataka, već također zahtijeva brz pristup zajedničkoj CAN sabirnici ako više upravljačkih jedinica treba istovremeno slati poruke.

Kako bi se poruke koje se prenose CAN sabirnicom podataka razlikovale prema stupnju hitnosti, za pojedine poruke su predviđeni različiti prioriteti.

Vrijeme paljenja, na primjer, ima najveći prioritet, vrijednosti klizanja imaju prosječni prioritet, a vanjska temperatura zraka ima najniži prioritet.

Prioritet s kojim se poruka prenosi preko CAN sabirnice određen je identifikatorom (adresom) odgovarajuće poruke.

Identifikator koji odgovara manjem binarnom broju ima veći prioritet i obrnuto.

Protokol CAN sabirnice podataka temelji se na dva logička stanja: Bitovi su ili "recesivni" (logička "1") ili "dominantni" (logička "0"). Ako dominantni bit prenosi barem jedan modul, tada se recesivni bitovi koje prenose drugi moduli prepisuju.

Primjer

Ako nekoliko kontrolnih jedinica istovremeno počne slati podatke, sukob pristupa zajedničkoj sabirnici podataka rješava se "bitnom arbitražom zajedničkih zahtjeva za resursima" korištenjem odgovarajućih identifikatora.



Prilikom odašiljanja polja identifikatora, odašiljačka jedinica nakon svakog bita provjerava ima li još pravo odašiljanja ili neka druga upravljačka jedinica već odašilje poruku višeg prioriteta preko CAN sabirnice podataka.

Ako se recesivni bit koji je odašiljao prvi blok odašiljača prebriše dominantnim bitom drugog bloka odašiljača, tada prvi blok odašiljača gubi pravo na prijenos (arbitraža) i postaje prijemni blok.

Prvi kontrolni blok (NI) gubi arbitražu od bita 3.

Treći kontrolni blok (N III) gubi arbitražu od 7. bita.

Druga upravljačka jedinica (N II) zadržava pravo pristupa CAN podatkovnoj sabirnici i može prenijeti svoju poruku.

Ostale upravljačke jedinice pokušat će prenijeti svoje poruke preko CAN podatkovne sabirnice tek kada se ponovno oslobodi. U tom slučaju ponovno će se dodijeliti pravo prijenosa u skladu s prioritetom poruke na CAN sabirnici podataka.

Prepoznavanje grešaka

Smetnje mogu uzrokovati pogreške u prijenosu podataka. Takve greške koje se javljaju tijekom prijenosa moraju se prepoznati i ispraviti. Protokol sabirnice podataka CAN razlikuje dvije razine prepoznavanja pogreške:

• mehanizmi razine podatkovnog okvira (okvir poruke);
• mehanizmi bitne razine.

Mehanizmi razine okvira podataka

Cyclic-Redundancy-Check:

Na temelju poruke odaslane preko CAN podatkovne sabirnice, odašiljačka jedinica izračunava kontrolne bitove, koji se zajedno s paketom podataka prenose u polje "CRC polje" (kontrolni zbrojevi). Prijemna jedinica ponovno izračunava ove kontrolne bitove na temelju poruke primljene putem CAN sabirnice podataka i uspoređuje ih s kontrolnim bitovima primljenim s ovom porukom.

Frame Check:

Ovaj mehanizam provjerava strukturu odaslanog bloka (okvira), odnosno ponovno se provjeravaju bitna polja sa zadanim fiksnim formatom i duljinom okvira.

Pogreške koje otkrije funkcija provjere okvira označavaju se kao pogreške formata.

Mehanizmi na razini bita

Praćenje:

Svaki modul prati logičku razinu CAN podatkovne sabirnice prilikom prijenosa poruke i utvrđuje razlike između poslanih i primljenih bitova. Ovo osigurava pouzdano prepoznavanje globalnih i lokalnih pogrešaka bitova koje se javljaju u jedinici odašiljača.

Bit Stuffing:

U svakom podatkovnom paketu između polja "Start of Frame" a kraj polja "CRC Field" ne smije biti više od 5 uzastopnih bitova s istim polaritetom.

Nakon svakog niza od 5 identičnih bitova, blok odašiljač dodaje jedan bit sa suprotnim polaritetom u tok bitova.

Prijemne jedinice brišu ove bitove nakon primanja poruke na CAN sabirnici podataka.

Rješavanje problema

Ako bilo koji modul CAN podatkovne sabirnice otkrije pogrešku, prekida trenutni proces prijenosa podataka slanjem poruke o pogrešci. Poruka o pogrešci sastoji se od 6 dominantnih bitova.

Zahvaljujući poruci o pogrešci, sve upravljačke jedinice spojene na CAN podatkovnu sabirnicu dobivaju obavijest o lokalnoj pogrešci koja se dogodila i sukladno tome ignoriraju prethodno poslanu poruku.

Nakon kratke pauze, sve upravljačke jedinice ponovno će moći slati poruke putem CAN podatkovne sabirnice, pri čemu se ponovno prva šalje poruka s najvećim prioritetom.

Upravljačka jedinica čija je poruka CAN sabirnice podataka uzrokovala pogrešku također počinje ponovno slati svoju poruku (funkcija automatskog zahtjeva za ponavljanje).

Vrste CAN sabirnice

Za različita kontrolna područja koriste se različite CAN sabirnice. Međusobno se razlikuju po brzini prijenosa podataka.

Brzina prijenosa CAN sabirnice podataka u području "motor i šasija" (CAN-C) je 125 kbit/s, dok je CAN sabirnica podataka "Unutrašnjost" (CAN-B) predviđena za brzinu prijenosa podataka od samo 83 kbit/s zbog manjeg broja posebno hitnih poruka.

Razmjena podataka između dva sabirnička sustava odvija se preko tzv. "internetwork gatewaya", tj. upravljačke jedinice spojene na obje podatkovne sabirnice.

D2B optička sabirnica (Digital Daten-Bus) podaci primijenjeni na područje "Audio/Komunikacije/Navigacija". Svjetlovodni kabel može prenijeti znatno više informacija od sabirnice bakrenog kabela.

(Ovaj članak je kopiran s web stranice: AudiManual)