Цифрова шина даних CAN (Audi A4 B6)

В автомобілі використовується кілька шин мережі обміну даними CAN (Controller Area Network) між блоками (модулями) керування різними системами та контролерами виконавчих механізмів автомобіля.

Окремі блоки керування з'єднані один з одним у загальну мережу та можуть обмінюватися даними.

Шина двонаправлена, т.е. Будь-який пристрій, підключений до нього, може приймати і передавати повідомлення.

Сигнал від чутливого елемента (датчика) надходить на найближчий блок управління, який обробляє його і передає на шину даних CAN.

Будь-який блок управління, підключений до шини даних CAN, може зчитувати цей сигнал, розраховувати по ньому значення керуючої дії і керувати виконавчим сервомеханізмом.

Обмін даними по шині CAN

• B — Датчик 1
• CAN — шина даних
• М — Виконавчі елементи I-III (сервомеханізми)
• N — Блоки керування (контролери) I-V

Переваги

За допомогою звичайного кабельного з'єднання електричних і електронних пристроїв кожен блок керування безпосередньо під'єднується до всіх датчиків і виконавчих механізмів, від яких він отримує результати вимірювань або якими він керує.



Складність системи управління призводить до надмірної довжини або множинності кабельних ліній.

У порівнянні зі стандартним кабелем шина даних забезпечує:

• Зменшення кількості кабелів. Провід від датчиків протягуються тільки до найближчого блоку управління, який перетворює виміряні значення в пакет даних і передає його на шину CAN.
• Привод може управлятися будь-яким блоком управління, який отримує відповідний пакет даних по CAN-шині і на його основі розраховує величину керуючої дії на сервомеханізм.
• Покращення електромагнітної сумісності.
• Зменшення кількості штекерних з'єднань і зменшення кількості контактних штирів на блоках управління.
• Втрата ваги.
• Зменшення кількості датчиків, т.к сигналів від одного датчика (наприклад, від датчика температури охолоджуючої рідини) можуть використовуватися різними системами.
• Покращені можливості діагностики. Тому що сигналів від одного датчика (наприклад, сигнал швидкості) використовується різними системами, то якщо повідомлення про помилку видається всіма системами, які використовують цей сигнал, датчик або блок керування, який обробляє його сигнали, як правило, несправний. Якщо повідомлення про несправність надходить тільки від однієї системи, хоча цей сигнал також використовується іншими системами, то причина несправності найчастіше в блоці управління процесом або сервомеханізмі.
• Висока швидкість передачі даних - можлива швидкість до 1 Мбіт/с при максимальній довжині лінії 40 м. Зараз швидкість передачі даних на автомобілях коливається від 83 Кбіт/с до 500 Кбіт/с.
• Кілька повідомлень можна передавати по черзі на одній лінії.

Шина даних CAN складається з двожильного проводу, виконаного у вигляді крученої пари. До цієї лінії підключаються всі пристрої (блоки управління пристроєм).



Передача даних здійснюється з дублюванням по обох проводах, а логічні рівні шини даних дзеркальні (тобто якщо по одному дроту передається рівень логічного нуля, то по іншому дроту передається рівень логічної одиниці, і навпаки).

Двопровідна схема передачі використовується з двох причин: для виявлення помилок і як основа надійності.

Якщо пік напруження виникає тільки на одному дроті (наприклад, внаслідок проблем з ЕМС (електромагнітна сумісність)), то блоки-приймачі можуть ідентифікувати це як помилку і проігнорувати цей пік напруги.

Якщо в одному з двох проводів шини даних CAN трапиться коротке замикання або обрив, то завдяки інтегрованій апаратно-програмній системі надійності відбудеться перехід на однопровідну роботу. Пошкоджену лінію електропередачі використовувати не будуть.

Порядок і формат даних, що передаються та отримуються користувачами (підписників) повідомлення визначаються в протоколі обміну даними.

Важливою відмінною рисою шини даних CAN порівняно з іншими шинними системами, заснованими на принципі адресації абонента, є адресація, пов'язана з повідомленнями.

Це означає, що кожному повідомленню на шині даних CAN призначається постійна адреса (ідентифікатор), позначення змісту цього повідомлення (наприклад: температура теплоносія). Протокол шини даних CAN дозволяє передавати до 2048 різних повідомлень, при цьому адреси від 3 до 2048 є постійно фіксованими.

Обсяг даних в одному повідомленні по шині даних CAN становить 8 байт.

Блок-приймач обробляє лише ті повідомлення (пакети даних), які зберігаються в списку повідомлень, отриманих через шину даних CAN (контроль прийнятності).



Пакети даних можуть передаватися, лише якщо шина даних CAN вільна (тобто якщо після останнього пакету даних був інтервал у 3 біти, і жоден з блоків керування не почав передачу повідомлення).

При цьому логічний рівень шини даних повинен бути рецесивним (логічна "1").

Якщо кілька блоків управління починають передачу повідомлень одночасно, то вступає в силу принцип пріоритету, згідно з яким першим буде передано повідомлення по шині даних CAN з найвищим пріоритетом без втрати часу або бітів (арбітраж запитів на доступ до загальної шини даних).

Кожен блок керування, який втрачає право на арбітраж, автоматично перемикається на прийом і знову намагається надіслати своє повідомлення, як тільки шина даних CAN знову звільняється.

На додаток до пакетів даних, існує також пакет запиту на конкретне повідомлення на шині даних CAN.

У цьому випадку блок управління, який може надати запитуваний пакет даних, відповідає на цей запит.

Формат пакету даних

У звичайному режимі передачі пакети даних мають такі конфігурації блоків (кадрів):

• Data Frame (кадр повідомлення) для передачі повідомлень через шину даних CAN (наприклад: температура теплоносія).
• Remote Frame (кадр запиту) запитувати повідомлення через шину даних CAN від іншого блоку керування.
• Error Frame (кадр помилки) усі підключені блоки керування сповіщаються про помилку та останнє повідомлення на шині даних CAN недійсне.

Протокол шини даних CAN підтримує два різних формати кадрів повідомлень на шині даних CAN, які відрізняються лише довжиною ідентифікатора:

• стандартний формат;
• розширений формат.

Зараз використовується стандартний формат.

Пакет даних для передачі повідомлень по шині даних CAN складається з семи послідовних полів:

• Start of Frame (початковий біт): Позначає початок повідомлення та синхронізує всі модулі.
• Arbitration Field (ідентифікатор і запит): Це поле складається з 11-бітного ідентифікатора (адреси) та 1 контрольного біта (Remote Transmission Request-Bit). Цей контрольний біт позначає пакет як кадр даних (кадр повідомлення) або як Remote Frame (кадр запиту) без байтів даних.
• Control Field (контрольні біти): Поле управління (6 біт) містить IDE-біт (Identifier Extension Bit) для розпізнавання стандартних і розширених форматів, резервний біт для наступних розширень і - в останніх 4 бітах - кількість байтів даних, включених у поле даних (поле даних).
• Data Field (дані): поле даних може містити від 0 до 8 байт даних. Для синхронізації розподілених процесів використовується 0-байтове повідомлення шини даних CAN.
• CRC Field (контрольне поле): поле CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) містить 16 біт і служить для контролю виявлення помилок під час передачі.
• ACK Field (підтвердження отримання): поле ACK (Acknowledgement Field) містить сигнал підтвердження прийому всіх блоків-приймачів, які отримали повідомлення по шині CAN без помилок.
• End of Frame (кінець кадру): Позначає кінець пакета даних.
• Intermission (інтервал): Інтервал між двома пакетами даних. Інтервал повинен бути не менше 3 бітів. Після цього будь-який блок управління може передати наступний пакет даних.
• IDLE (режим відпочинку): Якщо жоден блок керування не передає повідомлення, шина CAN залишається в режимі очікування до передачі наступного пакету даних.

Пріоритети

Для обробки даних у режимі реального часу має бути забезпечена можливість їх швидкої передачі.

Для цього необхідна не тільки лінія з високою фізичною швидкістю передачі даних, але також потрібен оперативний доступ до загальної шини CAN, якщо кілька блоків управління повинні передавати повідомлення одночасно.

Щоб розрізняти повідомлення, що передаються по шині даних CAN, відповідно до їх терміновості, для окремих повідомлень передбачені різні пріоритети.

Кут випередження запалювання, наприклад, має найвищий пріоритет, значення ковзання - середні, а температура зовнішнього повітря - найнижчий.

Пріоритет, з яким повідомлення передається по CAN-шині, визначається ідентифікатором (адресою) відповідного повідомлення.

Ідентифікатор, що відповідає нижчому двійковому числу, має вищий пріоритет, і навпаки.

Протокол шини даних CAN базується на двох логічних станах: біти є або "рецесивними" (логічна "1"), або "домінантними" (логічний "0"). Якщо домінантний біт передається принаймні одним модулем, рецесивні біти, передані іншими модулями, перезаписуються.

Приклад

Якщо кілька блоків керування починають передачу даних одночасно, то конфлікт доступу до загальної шини даних вирішується шляхом "побітового арбітражу загальних запитів на ресурси" з використанням відповідних ідентифікаторів.



При передачі поля ідентифікатора блок-передавач після кожного біта перевіряє, чи володіє він ще правом передачі, або вже інший блок управління передає по шині даних CAN повідомлення з більш високим пріоритетом.

Якщо переданий першим блоком-передавачем рецесивний біт перезаписується домінантним бітом іншого блоку-передавача, то перший блок-передавач втрачає своє право передачі (арбітраж) і стає блоком-приймачем.

Перший блок керування (NI) втрачає арбітраж від 3-го біта.

Третій блок управління (N III) втрачає арбітраж від 7-го біта.

Другий блок керування (N II) зберігає доступ до шини даних CAN і може передавати своє повідомлення.

Інші блоки керування намагатимуться передати свої повідомлення по шині даних CAN лише тоді, коли вона знову буде вільна. При цьому право на передачу знову буде надано відповідно до пріоритету повідомлення на шині даних CAN.

Розпізнавання помилок

Перешкоди можуть призвести до помилок передачі даних. Такі помилки, які виникають під час передачі, слід розпізнавати та усувати. Протокол шини даних CAN розрізняє два рівні розпізнавання помилок:

• механізми рівня кадру даних (кадр повідомлення);
• механізми бітового рівня.

Механізми рівня кадру даних

Cyclic-Redundancy-Check:

На основі передається по шині даних CAN повідомлення блок-передавач розраховує контрольні біти, які передаються разом з пакетом даних у поле "CRC Field" (контрольні суми). Блок-приймач заново обчислює ці контрольні біти на основі прийнятого по шині даних CAN повідомлення і порівнює їх з контрольними бітами, отриманими разом з цим повідомленням.

Frame Check:

Цей механізм перевіряє структуру переданого блоку (кадру), тобто повторно перевіряються бітові поля із заданим фіксованим форматом і довжиною кадру.

Помилки, виявлені функцією Frame Check, позначаються як помилки формату.

Механізми бітового рівня

Моніторинг:

Кожен модуль при передачі повідомлення відстежує логічний рівень шини даних CAN і визначає при цьому відмінності між переданим і прийнятим бітом. Завдяки цьому забезпечується надійне розпізнавання глобальних і виникають у блоці-передавачі локальних помилок по бітам.

Bit Stuffing:

У кожному пакеті даних між полем "Start of Frame" а кінець поля "CRC Field" має бути не більше 5 послідовних бітів однакової полярності.

Після кожної послідовності з 5 однакових бітів блок-передавач додає в потік бітів один біт з протилежною полярністю.

Блоки-приймачі видаляють ці біти після прийому повідомлення по шині даних CAN.

Усунення несправностей

Якщо будь-який модуль шини даних CAN виявляє помилку, він перериває поточний процес передачі даних, надсилаючи повідомлення про помилку. Повідомлення про помилку складається з 6 домінантних бітів.

Завдяки повідомленню про помилку всі блоки керування, підключені до шини даних CAN, отримують сповіщення про локальну помилку, яка виникла, і відповідно ігнорують передане раніше повідомлення.

Після короткої паузи всі блоки керування знову зможуть передавати повідомлення через шину даних CAN, причому першим надсилається повідомлення з найвищим пріоритетом.

Блок керування, чиє повідомлення шини даних CAN викликало помилку, також починає повторну передачу свого повідомлення (функція автоматичного повторного запиту).

Типи шин CAN

Для різних областей управління використовуються різні шини CAN. Вони відрізняються один від одного швидкістю передачі даних.

Швидкість передачі даних по шині CAN в області "двигун і шасі" (CAN-C) становить 125 Кбіт/с, а шина даних CAN "Інтер'єр" (CAN-B) розрахована на швидкість передачі даних всього 83 Кбіт/с за рахунок меншої кількості особливо термінових повідомлень.

Обмін даними між двома шинними системами здійснюється через так звані "шлюзи", тобто. блоки управління, підключені до обох шин даних.

Оптоволоконна шина D2B (Digital Daten-Bus) дані застосовуються до області "Аудіо/Зв'язок/Навігація". Оптоволоконний кабель може передати значно більше інформації, ніж мідна шина.

(Повна версія розміщена на ресурсі «audimanual.ru»)