Дигитална магистрала података CAN (Audi A4 B6)

Возило користи неколико мрежних магистрала за размену података CAN (Controller Area Network) између управљачких јединица (модула) различитих система и контролера извршних уређаја возила.

Појединачне контролне јединице су међусобно повезане у заједничку мрежу и могу да размењују податке.

Аутобус је двосмерни, тј. Сваки уређај повезан са њим може да прима и преноси поруке.

Сигнал са осетљивог елемента (сензора) шаље се најближој контролној јединици, која га обрађује и преноси на магистралу података CAN.

Било која контролна јединица повезана на магистралу података CAN, може прочитати овај сигнал, израчунати вредност контролног дејства на основу њега и контролисати сервомеханизам актуатора.

Размена података преко магистрале CAN

• Б — Сензор 1
• CAN — Сабирница података
• М - Извршни елементи I-III (серво механизми)
• Н — Контролне јединице (контролори) I-V

Предности

Конвенционалним кабловским повезивањем електричних и електронских уређаја остварује се директна веза између сваке управљачке јединице и свих сензора и актуатора од којих прима резултате мерења или којима управља.



Компликација система управљања доводи до превелике дужине или броја кабловских водова.

У поређењу са стандардним кабловима, магистрала података пружа:

• Смањење броја каблова. Жице од сензора се протежу само до најближе контролне јединице, која измерене вредности претвара у пакет података и преноси га на магистралу CAN.
• Актуатором може управљати било која контролна јединица која комуницира преко магистрале CAN прима одговарајући пакет података и на основу њега израчунава вредност контролног дејства на сервомеханизам.
• Побољшање електромагнетне компатибилности.
• Смањење броја утичних прикључака и смањење броја контактних терминала на управљачким јединицама.
• Губитак тежине.
• Смањење броја сензора, јер сигнале са једног сензора (на пример, са сензора температуре расхладне течности) могу користити различити системи.
• Побољшање дијагностичких могућности. Јер сигнале са једног сензора (на пример, сигнал брзине) користе различити системи, онда ако се порука о грешци генерише од стране свих система који користе овај сигнал, неисправан је обично сензор или контролна јединица која обрађује његове сигнале. Ако порука о грешци долази само из једног система, иако овај сигнал користе и други системи, онда је узрок квара најчешће у управљачкој јединици обраде или серво механизму.
• Висока брзина преноса података – до 1 Мбит/с је могућа уз максималну дужину линије од 40 м. Тренутно је брзина преноса података на аутомобилу од 83 Кбит/с до 500 Кбит/с.
• Неколико порука се може пренети сукцесивно преко исте линије.

Сабирница података CAN састоји се од двожилног кабла направљеног у облику упреденог пара. Сви уређаји (контролне јединице уређаја) су повезани на ову линију.



Пренос података се врши дуплирањем на обе жице, а логички нивои магистрале података се пресликавају (тј. ако се на једној жици преноси логички нулти ниво, на другој жици се преноси логички један ниво, и обрнуто).

Двожична шема преноса се користи из два разлога: за откривање грешака и као основа за поузданост.

Ако дође до скока напона само на једној жици (на пример, због проблема са ЕМЦ (електромагнетном компатибилношћу)), пријемне јединице могу то да идентификују као грешку и игноришу скок напона.

Ако дође до кратког споја или прекида у једној од две жице сабирнице података CAN, тада ће, захваљујући интегрисаном софтверском и хардверском систему поузданости, доћи до преласка на једножични режим рада кола. Оштећени далековод се неће користити.

Редослед и формат порука које преносе и примају корисници (претплатници) дефинисан је протоколом размене података.

Основна карактеристика магистрале података CAN у поређењу са другим системима магистрале заснованим на принципу претплатничког адресирања, адресирање је везано за поруке.

То значи да свака порука на магистрали података CAN додељује му се стална адреса (идентификатор) која означава садржај ове поруке (на пример: температура расхладне течности). Протокол магистрале података CAN омогућава пренос до 2048 различитих порука, са адресама од 3 до 2048 које су трајно додељене.

Количина података у једној поруци на магистрали података CAN је 8 бајтова.

Пријемна јединица обрађује само оне поруке (пакете података) које су ускладиштене у његовој листи примљених података на магистрали CAN поруке (контрола прихватљивости).



Пакети података се могу преносити само ако је дата магистрала CAN бесплатно (тј. ако је после последњег пакета података уследио интервал од 3 бита и ниједна контролна јединица не почне да емитује поруку).

У овом случају, логички ниво магистрале података мора бити рецесиван (логички "1").

Ако више управљачких јединица почне истовремено да емитује поруке, ступа на снагу принцип приоритета према којем се порука на магистрали података CAN са највећим приоритетом ће се прво пренети без губљења времена или битова (арбитража захтева за приступ заједничкој магистрали података).

Свака контролна јединица која изгуби своје право арбитраже аутоматски прелази на пријем и поново покушава да пошаље своју поруку чим се сабирница података CAN биће поново слободан.

Поред пакета података, постоји и пакет који захтева одређену поруку на магистрали података CAN.

У овом случају, контролна јединица која може да обезбеди тражени пакет података одговара на овај захтев.

Формат пакета података

У нормалном режиму преноса, пакети података имају следеће блок конфигурације (оквире):

• Data Frame (оквир поруке) за пренос порука преко магистрале података CAN (нпр. температура расхладне течности).
• Remote Frame (оквир захтева) за тражење порука на магистрали података CAN из друге контролне јединице.
• Error Frame (оквир грешке) све повезане контролне јединице су обавештене да је дошло до грешке и последња порука на магистрали података CAN је неважећи.

Протокол магистрале података CAN подржава два различита формата оквира порука преко магистрале података CAN, који се разликују само по дужини идентификатора:

• стандардни формат;
• проширени формат.

Тренутно се користи стандардни формат.

Пакет података за пренос порука преко магистрале података CAN састоји се од седам узастопних поља:

• Start of Frame (почетни бит): Означава почетак поруке и синхронизује све модуле.
• Arbitration Field (идентификатор и упит): Ово поље се састоји од 11-битног идентификатора (адреса) и 1 контролног бита (Remote Transmission Request-Bit). Овај контролни бит означава пакет као Data Frame (оквир поруке) или како Remote Frame (оквир захтева) без бајтова података.
• Control Field (контролни битови): Контролно поље (6 битова) садржи IDE-бит (Identifier Extension Bit) да препозна стандардни и проширени формат, резервни бит за накнадна проширења и - у последња 4 бита - број бајтова података садржаних у Data Field (поље са подацима).
• Data Field (подаци): Поље података може да садржи од 0 до 8 бајтова података. Порука сабирнице података CAN 0 бајтова, који се користи за синхронизацију дистрибуираних процеса.
• CRC Field (контролно поље): Поље CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) садржи 16 бита и служи за контролно препознавање грешака при преносу.
• ACK Field (потврда прихватања): Поље ACK (Acknowledgement Field) садржи сигнал који потврђује пријем свих пријемних јединица које су примиле поруку преко магистрале CAN без грешака.
• End of Frame (крај оквира): Означава крај пакета података.
• Intermission (интервал): Интервал између два пакета података. Интервал мора бити најмање 3 бита. Након тога, било која контролна јединица може пренети следећи пакет података.
• IDLE (режим мировања): Ако ниједна контролна јединица не емитује поруке, сабирница CAN остаје у режиму мировања док се не пренесе следећи пакет података.

Приоритети

Да би се подаци обрађивали у реалном времену, мора бити омогућено њихово брзо преношење.

Ово не само да захтева доступност линије са високом физичком брзином преноса података, већ захтева и брзо обезбеђивање приступа заједничкој магистрали CAN, ако више управљачких јединица треба истовремено да преноси поруке.

Да би се разликовали подаци који се преносе преко магистрале CAN поруке по степену хитности, са различитим приоритетима за појединачне поруке.

Време паљења, на пример, има највећи приоритет, вредности клизања имају просечан приоритет, а температура спољашњег ваздуха има најмањи приоритет.

Приоритет са којим се порука преноси на магистралу CAN, одређује се идентификатором (адресом) одговарајуће поруке.

Идентификатор који одговара мањем бинарном броју има већи приоритет, и обрнуто.

Протокол магистрале података CAN заснива се на два логичка стања: Битови су или "рецесивни" (логички "1") или "доминантни" (логички "0"). Ако доминантни бит преноси најмање један модул, онда се рецесивни битови које преносе други модули преписују.

Пример

Ако више контролних јединица истовремено почне да емитује податке, конфликт приступа заједничкој магистрали података се решава "битном арбитражом заједничких захтева за ресурсе" коришћењем одговарајућих идентификатора.



Приликом преноса идентификационог поља, јединица предајника након сваког бита проверава да ли још увек има право на пренос, или да ли друга контролна јединица већ емитује преко магистрале података CAN порука са вишим приоритетом.

Ако је рецесивни бит који је пренео први блок предајника замењен доминантним битом другог блока предајника, тада први блок предајника губи право на пренос (арбитража) и постаје блок пријема.

Први контролни блок (НИ) губи арбитражу од бита 3.

Трећа контролна јединица (Н III) губи арбитражу од 7. бит.

Друга контролна јединица (Н II) задржава права приступа магистрали података CAN и може да пренесе своју поруку.

Друге контролне јединице ће покушати да пренесу своје поруке преко магистрале података CAN тек пошто је поново слободна. У овом случају, право преноса ће поново бити додељено у складу са приоритетом поруке на магистрали података CAN.

Препознавање грешке

Сметње могу изазвати грешке у преносу података. Такве грешке које се јављају током преноса морају бити препознате и исправљене. Протокол магистрале података CAN разликује два нивоа препознавања грешке:

• механизама на нивоу Data Frame (оквир поруке);
• механизми на нивоу бита.

Механизми на нивоу Data Frame

Cyclic-Redundancy-Check:

На основу података пренетих преко магистрале CAN блок порука предајник израчунава контролне битове, који се преносе заједно са пакетом података у пољу "CRC Field" (контролне суме). Пријемни блок поново израчунава ове бите провере на основу података примљених на магистрали CAN поруке и упоређује их са контролним битовима примљеним заједно са том поруком.

Frame Check:

Овај механизам проверава структуру пренетог блока (фрама), односно поново се проверава битова поља са датим фиксним форматом и дужином оквира.

Препознат по функцији Frame Check грешке су означене као грешке формата.

Механизми на нивоу бита

Надгледање:

Сваки модул прати логички ниво магистрале података приликом преноса поруке CAN и одређује разлике између пренетих и примљених битова. Ово осигурава поуздано препознавање глобалних и локалних грешака бита које се јављају у јединици предајника.

Bit Stuffing:

У сваком пакету података између "Start of Frame" и крај поља "CRC Field" не сме бити више од 5 узастопних битова са истим поларитетом.

После сваке секвенце од 5 идентичних битова, блок предајник додаје један бит са супротним поларитетом у ток битова.

Блокови пријемника уклањају ове битове након пријема поруке на магистрали података CAN.

Решавање проблема

Ако било који модул сабирнице података CAN препозна грешку, прекида тренутни процес преноса података слањем поруке о грешци. Порука о грешци се састоји од 6 доминантних битова.

Захваљујући поруци о грешци, сви они повезани на магистралу података CAN контролне јединице се обавештавају о локалној грешци која се догодила и, сходно томе, игноришу претходно пренету поруку.

Након кратке паузе, све контролне јединице ће поново моћи да преносе поруке преко магистрале података CAN, а порука са највишим приоритетом ће поново бити послата прва.

Управљачка јединица чија се порука шаље преко магистрале података CAN изазвао је грешку, такође почиње да поново емитује своју поруку (функција Automatic Repeat Request).

Врсте гума CAN

За различите области управљања користе се различити аутобуси CAN. Они се међусобно разликују по брзини преноса података.

Брзина преноса магистрале података CAN области "мотор и шасија" (CAN-C) је 125 кбпс, а магистрала података CAN "Салон" (CAN-B) због мањег броја посебно хитних порука, пројектован је за брзину преноса података од само 83 кбпс.

Размена података између два система магистрала врши се преко такозваних "интернетворк гатеваи-а", тј. контролне јединице повезане на обе магистрале података.

Оптичка магистрала D2B (Digital Daten-Bus) подаци се примењују на област "Аудио/Цоммуницатионс/Навигатион". Оптички кабл може пренети знатно више информација од бакарне кабловске магистрале.