Cyfrowa magistrala danych CAN (Audi A4 B6)

Pojazd wykorzystuje kilka magistral sieciowych wymiany danych CAN (Controller Area Network) pomiędzy jednostkami sterującymi (modułami) różnych układów i sterownikami urządzeń wykonawczych pojazdu.

Poszczególne jednostki sterujące są połączone ze sobą we wspólnej sieci i mogą wymieniać się danymi.

Autobus jest dwukierunkowy, tzn. Każde urządzenie podłączone do niego może odbierać i wysyłać wiadomości.

Sygnał z elementu czułego (czujnika) przesyłany jest do najbliższej jednostki sterującej, która go przetwarza i przesyła do magistrali danych CAN.

Każda jednostka sterująca podłączona do magistrali danych CAN może odczytać ten sygnał, na jego podstawie obliczyć wartość akcji sterującej i sterować serwomechanizmem siłownika.

Wymiana danych poprzez magistralę CAN

• B — Czujnik 1
• CAN - magistrala danych
• M - Elementy wykonawcze I-III (serwomechanizmy)
• N — Jednostki sterujące (kontrolery) I-V

Zalety

W przypadku konwencjonalnego połączenia kablowego urządzeń elektrycznych i elektronicznych, każda jednostka sterująca jest bezpośrednio połączona ze wszystkimi czujnikami i elementami wykonawczymi, z których otrzymuje wyniki pomiarów lub którymi steruje.

Skomplikowany system sterowania prowadzi do nadmiernej długości lub liczby linii kablowych.

W porównaniu do standardowego okablowania, magistrala danych zapewnia:

• Zmniejszenie liczby kabli. Przewody od czujników prowadzone są tylko do najbliższej jednostki sterującej, która zamienia zmierzone wartości na pakiet danych i przesyła je do magistrali CAN.
• Sterowanie siłownikiem może odbywać się za pomocą dowolnej jednostki sterującej, która odbiera odpowiedni pakiet danych za pośrednictwem magistrali CAN i na jego podstawie oblicza wartość działania sterującego na serwomechanizm.
• Poprawa kompatybilności elektromagnetycznej.
• Zmniejszenie liczby połączeń wtykowych i zacisków przyłączeniowych w jednostkach sterujących.
• Utrata wagi.
• Zmniejszenie liczby czujników, ponieważ sygnały z jednego czujnika (na przykład z czujnika temperatury płynu chłodzącego) mogą być wykorzystywane przez różne systemy.
• Poprawa możliwości diagnostycznych. Ponieważ sygnały z jednego czujnika (na przykład sygnał prędkości) są wykorzystywane przez różne systemy, to jeśli komunikat o błędzie jest generowany przez wszystkie systemy wykorzystujące ten sygnał, to zazwyczaj uszkodzony jest czujnik lub jednostka sterująca przetwarzająca jego sygnały. Jeżeli komunikat o błędzie pochodzi tylko z jednego systemu, mimo że sygnał ten jest wykorzystywany również przez inne systemy, to przyczyną błędu jest najczęściej jednostka sterująca przetwarzaniem lub serwomechanizm.
• Wysoka prędkość przesyłu danych - do 1 Mbit/s jest możliwa przy maksymalnej długości linii 40 m. Obecnie prędkość przesyłu danych w samochodzie wynosi od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s.
• Przez tę samą linię można przesyłać kolejno kilka wiadomości.

Magistrala danych CAN składa się z dwużyłowego kabla wykonanego w formie skrętki. Wszystkie urządzenia są podłączone do tej linii (jednostki sterujące urządzeniami).



Transmisja danych odbywa się z duplikacją na obu przewodach, a logiczne poziomy magistrali danych mają lustrzane odbicie (czyli jeśli logiczny poziom zerowy jest przesyłany jednym przewodem, to logiczny poziom jedynki jest przesyłany drugim przewodem i odwrotnie).

Dwuprzewodowy schemat transmisji używany jest z dwóch powodów: do wykrywania błędów i jako podstawa niezawodności.

Jeśli szczytu napięcia występuje tylko na jednym przewodzie (na przykład z powodu problemów z EMC (kompatybilność elektromagnetyczna)), wówczas jednostki odbiorcze mogą zidentyfikować to jako błąd i zignorować ten szczyt napięcia.

Jeżeli w jednym z dwóch przewodów magistrali danych CAN dojdzie do zwarcia lub przerwy, wówczas dzięki zintegrowanemu systemowi niezawodności oprogramowania i sprzętu nastąpi przełączenie na tryb pracy jednoprzewodowej. Uszkodzona linia przesyłowa nie będzie używana.

Kolejność i format danych przesyłanych i odbieranych przez użytkowników (subskrybenci) wiadomości są definiowane w protokole wymiany danych.

Podstawową cechą wyróżniającą magistralę danych CAN w porównaniu z innymi systemami magistralowymi opartymi na zasadzie adresowania abonenta jest adresowanie związane z komunikatami.

Oznacza to, że każdej wiadomości na magistrali danych CAN przypisany jest własny, stały adres (identyfikator), zaznaczając treść tej wiadomości (np. temperatura płynu chłodzącego). Protokół magistrali danych CAN pozwala na transmisję do 2048 różnych komunikatów, przy czym adresy od 3 do 2048 są na stałe przypisane.



Objętość danych w jednej wiadomości na magistrali danych CAN wynosi 8 bajtów.

Blok odbiornika przetwarza tylko te wiadomości (pakiety danych), które są przechowywane na liście otrzymanych komunikatów CAN za pośrednictwem magistrali danych (kontrola akceptowalności).

Pakiety danych mogą być przesyłane tylko wtedy, gdy magistrala danych CAN jest wolna (tj. jeśli po ostatnim pakiecie danych nastąpił 3-bitowy odstęp, a żadna z jednostek sterujących nie rozpocznie przesyłania komunikatu).

W tym przypadku poziom logiczny magistrali danych musi być recesywny (logiczne "1").

Jeżeli kilka jednostek sterujących rozpocznie przesyłanie komunikatów jednocześnie, obowiązuje zasada priorytetów, zgodnie z którą komunikat magistrali danych CAN o najwyższym priorytecie zostanie przesłany jako pierwszy, bez straty czasu i bitów (arbitraż wniosków o dostęp do wspólnej magistrali danych).

Każda jednostka sterująca, która utraci prawo arbitrażu, automatycznie przełącza się na odbiór i próbuje ponownie wysłać swoją wiadomość, gdy tylko magistrala danych CAN zostanie ponownie zwolniona.

Oprócz pakietów danych istnieje także pakiet żądania konkretnej wiadomości na magistrali danych CAN.

W takim przypadku jednostka sterująca, która może dostarczyć żądany pakiet danych, odpowiada na to żądanie.

Format pakietu danych

W normalnym trybie transmisji pakiety danych mają następujące konfiguracje bloków (ramek):

• Data Frame (ramka wiadomości) do przesyłania komunikatów poprzez magistralę danych CAN (np. temperatura płynu chłodzącego).
• Remote Frame (ramka żądania) do żądania wiadomości poprzez magistralę danych CAN od innej jednostki sterującej.
• Error Frame (ramka błędu) wszystkie podłączone jednostki sterujące zostają powiadomione, że wystąpił błąd i ostatni komunikat na magistrali danych CAN jest nieprawidłowy.

Protokół magistrali danych CAN obsługuje dwa różne formaty ramek komunikatów magistrali danych CAN, które różnią się jedynie długością identyfikatora:

• standardowy format;
• rozszerzony format.

Obecnie używany jest format standardowy.

Pakiet danych służący do przesyłania komunikatów poprzez magistralę danych CAN składa się z siedmiu następujących po sobie pól:

• Start of Frame (bit startowy): Oznacza początek wiadomości i synchronizuje wszystkie moduły.
• Arbitration Field (identyfikator i prośba):To pole składa się z 11-bitowego identyfikatora (adresu) i 1 bitu kontrolnego (Remote Transmission Request-Bit). Ten bit kontrolny oznacza pakiet jako ramkę danych (ramka wiadomości) lub jako Ramka Zdalna (ramka żądania) bez bajtów danych.
• Control Field (bity kontrolne):Pole kontrolne (6 bitów) zawiera bit IDE (Identifier Extension Bit) do rozpoznawania formatu standardowego i rozszerzonego, bitu rezerwowego dla kolejnych rozszerzeń oraz - w ostatnich 4 bitach - liczby bajtów danych zawartych w Polu Danych (pole danych).
• Data Field (dane): Pole danych może zawierać od 0 do 8 bajtów danych. Do synchronizacji rozproszonych procesów używana jest 0-bajtowa wiadomość magistrali danych CAN.
• CRC Field (pole kontrolne):Pole CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) zawiera 16 bitów i służy do sterowania rozpoznawaniem błędów podczas transmisji.
• ACK Field (potwierdzenie przyjęcia):pole ACK (Acknowledgement Field) zawiera sygnał potwierdzający odbiór wszystkich odbiorników, które odebrały wiadomość poprzez magistralę CAN bez błędów.
• End of Frame (koniec ramki): Oznacza koniec pakietu danych.
• Intermission (interwał): Interwał pomiędzy dwoma pakietami danych. Interwał musi wynosić co najmniej 3 bity. Następnie każda jednostka sterująca może przesłać kolejny pakiet danych.
• IDLE (tryb spoczynku): Jeżeli żadna jednostka sterująca nie przesyła wiadomości, magistrala CAN pozostaje w trybie bezczynności do momentu przesłania kolejnego pakietu danych.

Priorytety

Aby przetwarzać dane w czasie rzeczywistym, musi być możliwa ich szybka transmisja.

Wymaga to nie tylko fizycznego łącza o dużej przepustowości, ale także szybkiego dostępu do wspólnej magistrali CAN w przypadku, gdy wiele jednostek sterujących musi przesyłać wiadomości jednocześnie.

Aby umożliwić różnicowanie komunikatów przesyłanych magistralą danych CAN ze względu na stopień ich pilności, poszczególnym komunikatom nadawane są różne priorytety.

Przykładowo, najwyższy priorytet ma moment zapłonu, średni priorytet mają wartości poślizgu, a najniższy priorytet ma temperatura powietrza na zewnątrz.

Priorytet, z jakim wiadomość jest przesyłana przez magistralę CAN, jest ustalany na podstawie identyfikatora (adresu) odpowiadającej jej wiadomości.

Identyfikator odpowiadający mniejszej liczbie binarnej ma wyższy priorytet i odwrotnie.

Protokół magistrali danych CAN opiera się na dwóch stanach logicznych: Bity są albo "recesywne" (logiczne "1"), albo "dominujące" (logiczne "0"). Jeżeli bit dominujący zostanie przesłany przez co najmniej jeden moduł, bity recesywne przesłane przez inne moduły zostaną nadpisane.

Przykład

Jeżeli kilka jednostek sterujących jednocześnie rozpocznie transmisję danych, konflikt dostępu do wspólnej magistrali danych zostaje rozwiązany poprzez "bitowy arbitraż wspólnych żądań zasobów" przy użyciu odpowiednich identyfikatorów.



Podczas przesyłania pola identyfikatora jednostka nadawcza sprawdza po każdym bicie, czy ma jeszcze prawo do transmisji, czy też inna jednostka sterująca przesyła już wiadomość o wyższym priorytecie poprzez magistralę danych CAN.

Jeżeli bit recesywny przesłany przez pierwszy blok nadawczy zostanie nadpisany przez bit dominujący innego bloku nadawczego, wówczas pierwszy blok nadawczy traci prawo do transmisji (arbitrażu) i staje się blokiem odbiorczym.

Pierwszy blok sterujący (NI) traci arbitraż z bitu 3.

Trzeci blok sterujący (N III) traci arbitraż z 7. bitu.

Druga jednostka sterująca (N II) zachowuje prawa dostępu do magistrali danych CAN i może przesyłać jej komunikaty.

Pozostałe jednostki sterujące podejmą próbę przesłania swoich komunikatów za pośrednictwem magistrali danych CAN dopiero wtedy, gdy będzie ona ponownie wolna. W tym przypadku prawo transferu zostanie ponownie przyznane zgodnie z priorytetem komunikatu na magistrali danych CAN.

Rozpoznawanie błędów

Zakłócenia mogą powodować błędy w transmisji danych. Tego typu błędy powstające w trakcie transmisji muszą zostać rozpoznane i naprawione. Protokół magistrali danych CAN rozróżnia dwa poziomy rozpoznawania błędów:

• mechanizmy na poziomie ramki danych (ramka wiadomości);
• mechanizmy na poziomie bitowym.

Mechanizmy na poziomie ramek danych

Cyclic-Redundancy-Check:

Na podstawie komunikatu przesłanego przez magistralę danych CAN, jednostka nadawcza oblicza bity sterujące, które są przesyłane razem z pakietem danych w polu "CRC Field" (sumy kontrolne). Jednostka odbiorcza przelicza te bity sterujące na podstawie komunikatu odebranego poprzez magistralę danych CAN i porównuje je z bitami sterującymi odebranymi wraz z tym komunikatem.

Frame Check:

Mechanizm ten sprawdza strukturę przesyłanego bloku (ramki), tzn. ponownie sprawdzane są pola bitowe o danym stałym formacie oraz długość ramki.

Błędy wykryte przez funkcję Frame Check są oznaczane jako błędy formatu.

Mechanizmy na poziomie bitów

Monitorowanie:

Każdy moduł monitoruje poziom logiczny magistrali danych CAN podczas przesyłania wiadomości i określa różnice pomiędzy bitami przesłanymi i odebranymi. Zapewnia to niezawodne rozpoznawanie globalnych i lokalnych błędów bitowych, które występują w jednostce nadawczej.

Bit Stuffing:

W każdym pakiecie danych pomiędzy polami "Start of Frame" a koniec pola "Pole CRC" nie może zawierać więcej niż 5 kolejnych bitów o tej samej polaryzacji.

Po każdej sekwencji 5 identycznych bitów nadajnik blokowy dodaje do strumienia bitów jeden bit o przeciwnej polaryzacji.

Jednostki odbiorcze czyszczą te bity po otrzymaniu wiadomości na magistrali danych CAN.

Rozwiązywanie problemów

Jeżeli którykolwiek moduł magistrali danych CAN wykryje błąd, przerywa bieżący proces przesyłu danych, wysyłając komunikat o błędzie. Komunikat o błędzie składa się z 6 dominujących bitów.

Dzięki komunikatowi o błędzie wszystkie jednostki sterujące podłączone do magistrali danych CAN zostają powiadomione o wystąpieniu błędu lokalnego i ignorują uprzednio przesłany komunikat.

Po krótkiej przerwie wszystkie jednostki sterujące będą mogły ponownie przesyłać komunikaty poprzez magistralę danych CAN, przy czym komunikat o najwyższym priorytecie będzie ponownie wysyłany jako pierwszy.

Jednostka sterująca, której komunikat magistrali danych CAN spowodował błąd, również zaczyna retransmitować swój komunikat (funkcja automatycznego żądania powtórzenia).

Typy magistrali CAN

W różnych obszarach sterowania stosuje się różne magistrale CAN. Różnią się one od siebie szybkością przesyłu danych.

Prędkość transmisji magistrali danych CAN w obszarze "silnik i podwozie" (CAN-C) wynosi 125 kbit/s, natomiast magistrala danych CAN "wnętrze" (CAN-B) ze względu na mniejszą liczbę szczególnie pilnych wiadomości zaprojektowana jest do transmisji danych z prędkością zaledwie 83 kbit/s.

Wymiana danych pomiędzy dwoma systemami magistrali odbywa się poprzez tzw. "bramy sieciowe", tj. Jednostki sterujące podłączone do obu magistral danych.

Magistrala światłowodowa D2B (Digital Daten-Bus) dane odnoszące się do obszaru "Audio/Komunikacja/Nawigacja". Kabel światłowodowy może przesyłać znacznie więcej informacji niż magistrala miedziana.

(Oryginalny artykuł jest dostępny w zasobie online: AUDImanual)