Digitalna CAN sabirnica podataka (Mercedes-Benz G-Class W463)

Opće informacije

Moderni automobili koriste nekoliko CAN mrežnih sabirnica za razmjenu podataka (Controller Area Network) između modula/kontrolnih jedinica raznih sustava i kontrolera aktuatora vozila.



Autobus je full duplex (ili samo duplex), tj. bilo koji uređaj spojen na njega može istovremeno primati i slati poruke.

Signal iz osjetljivog elementa odgovarajuće informacije (senzora) ulazi u najbližu upravljačku jedinicu, koja ga obrađuje i prenosi na sabirnicu za razmjenu podataka CAN.

Bilo koja upravljačka jedinica spojena na CAN podatkovnu sabirnicu može očitati ovaj signal, na temelju njega izračunati upravljačke parametre i upravljati radom odgovarajućeg aktuatora.

Prednosti

Konvencionalnim kabliranjem električnih i elektroničkih uređaja svaka je upravljačka jedinica izravno povezana sa svim senzorima i aktuatorima od kojih prima mjerenja ili njima upravlja.

Sve veća složenost sustava upravljanja dovodi do prekomjerne duljine ili više kabelskih linija.

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 preko CAN sabirnice prima odgovarajući paket podataka i na temelju njega izračunava vrijednost upravljačkog djelovanja;
• Poboljšanje elektromagnetske kompatibilnosti;
• Smanjenje broja utičnih spojeva i smanjenje broja kontaktnih pinova na upravljačkim jedinicama;
• Gubitak težine;
• Smanjenje broja senzora, jer signale jednog senzora (na primjer, od senzora temperature rashladnog sredstva) mogu koristiti različiti sustavi;
• Poboljšane dijagnostičke mogućnosti. Jer signale jednog senzora (na primjer, signal brzine) koriste različiti sustavi, onda ako poruku o pogrešci izdaju svi sustavi koji koriste određeni signal, obično je neispravan senzor ili upravljačka jedinica koja obrađuje njihove signale. Ako poruka o kvaru dolazi samo iz jednog sustava, iako taj signal koriste i drugi sustavi, tada je uzrok kvara najčešće u upravljačkoj jedinici procesiranja ili servomehanizmu;
• Visoka brzina prijenosa podataka - moguća je do 1 Mbit/s uz maksimalnu duljinu linije od 40 m. Trenutno se na vozilima Mercedes-Benz brzina prijenosa podataka kreće od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s;
• Preko iste linije može se naizmjenično prenijeti nekoliko poruka.

CAN sabirnica podataka sastoji se od dvožilne žice izrađene u obliku upletene 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 (0) prenosi duž jedne žice, tada je razina logičke jedinice (1) prenosi duž druge žice, i obrnuto).

Dvožilni prijenosni krug koristi se iz dva razloga: za kontrolu grešaka i kao osnova za pouzdanost.

Ako se skok napona dogodi samo na jednoj žici - na primjer zbog problema s elektromagnetskom kompatibilnošću (EMC) - prijamne jedinice to mogu prepoznati kao pogrešku i zanemariti skok.

U slučaju kratkog spoja ili prekida jedne od dvije žice CAN sabirnice, zahvaljujući integriranom softverskom i hardverskom sustavu pouzdanosti, prelazi u jednožilni način rada. Oštećeni dalekovod postaje neupotrebljiv.

Redoslijed i format onoga što korisnici prenose i primaju (pretplatnika) poruke definiran je u komunikacijskom protokolu.

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

To znači da se svakoj poruci koja se prenosi sabirnicom dodjeljuje njena stalna adresa (identifikator), označavajući sadržaj ove poruke (na primjer: temperatura rashladne tekućine). Protokol sabirnice podataka CAN omogućuje prijenos do 2048 različitih poruka, s adresama 2033 do 2048 koje su trajno dodijeljene.

Količina podataka u jednoj poruci preko CAN sabirnice je 8 bajtova.

Blok primatelja obrađuje samo one poruke koje su pohranjene u vlastitoj identifikacijskoj listi (prijemna kontrola).



Paketi podataka mogu se prenositi samo ako je CAN komunikacijska sabirnica slobodna (tj. ako je nakon zadnjeg paketa bio interval od 3 bita, a niti jedna kontrolna jedinica ne počne slati sljedeću poruku). U tom slučaju logička razina sabirnice podataka mora biti recesivna (logička "1").

Ako više upravljačkih jedinica započne slanje poruka u isto vrijeme, na snagu stupa načelo prioriteta prema kojem će poruka s najvećim prioritetom biti poslana prva bez gubljenja vremena i 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 podatkovna sabirnica ponovno oslobodi.

Osim podatkovnih paketa, prilikom razmjene informacija koriste se i paketi zahtjeva za određene poruke na CAN podatkovnoj sabirnici – na takav zahtjev odgovara upravljačka jedinica koja je u mogućnosti dati traženu informaciju.

Format prijenosa podataka

U normalnom načinu prijenosa koriste se paketi sljedećih konfiguracija:

• Data Frame (okvir poruke) za prijenos poruka putem CAN sabirnice podataka (na primjer: 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 da je posljednja poruka na CAN sabirnici podataka nevažeća.

Protokol CAN sabirnice podataka podržava dva različita formata okvira poruke koji se razlikuju samo po duljini identifikatora: Standardni i Prošireni.



Trenutno sustavi za razmjenu podataka sustava kontrole vozila Daimler Chrysler koriste samo standardni format.



Svaki okvir poruke koji se prenosi putem CAN sabirnice sastoji se od sedam uzastopnih polja:

• Start of Frame (početak malo): Označava početak poruke i sinkronizira sve module;
• Arbitration Field (arbitražno polje): Ovo polje se sastoji od 11-bitnog identifikatora (adrese) i jednog kontrolnog bita (Remote Transmission Request-Bit), označavajući okvir kao podatkovni okvir (podatkovni okvir) ili kao daljinski okvir (udaljeni okvir zahtjeva);
• Control Field (kontrolni bitovi): 6-bitno kontrolno polje sadrži definirajući IDE bit (Identifier Extension Bit), koristi se za prepoznavanje vrste formata koji se koristi (standardni ili prošireni), rezervni bit za sljedeća proširenja i, - u zadnja 4 bita, - informacije o broju bajtova podataka pohranjenih u podatkovnom polju (vidi dolje);
• Data Field (podaci): Podatkovno polje može sadržavati od 0 do 8 bajtova podataka, - prijenos poruka od 0 bajta putem CAN sabirnice koristi se za sinkronizaciju distribuiranih procesa;
• CRC Field (kontrolno polje): CRC polje (Cyclic-Redundancy-Check Field) sadrži 16 bitova i koristi se za prepoznavanje pogreške kontrole tijekom prijenosa;
• ACK Field (potvrda prijema): polje ACK (Acknowledgement Field) sadrži signal potvrde za prijem svih prijamnih jedinica koje su bez greške primile poruku putem CAN sabirnice;
• End of Frame (kraj okvira): Označava kraj okvira;
• Intermission (interval): Interval između dva susjedna podatkovna okvira. Duljina intervala mora biti najmanje 3 bita, nakon identificiranja koja od kontrolnih jedinica može započeti slanje sljedećeg paketa;
• IDLE (način odmora): Ako nijedna upravljačka jedinica ne odašilje poruke, CAN sabirnica ostaje u stanju mirovanja (pripravnosti) dok se ne odašilje sljedeći paket.

Prioriteti

Za obradu podataka u stvarnom vremenu mora postojati mogućnost njihovog brzog prijenosa.

To zahtijeva ne samo prisutnost linije s visokom fizičkom brzinom prijenosa podataka, već također zahtijeva brzi pristup zajedničkoj CAN sabirnici ako nekoliko kontrolnih jedinica treba istovremeno slati poruke.

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

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

Prioritet s kojim se poruka prenosi preko CAN sabirnice određen je identifikatorom (adresno polje) odgovarajuću poruku.

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 podatkovnoj sabirnici rješava se putem "bitske arbitraže zahtjeva za zajedničkim resursima" korištenjem odgovarajućih identifikatora.

Prilikom odašiljanja polja identifikatora, odašiljačka jedinica nakon svakog bita provjerava ima li još pravo odašiljanja ili neka druga kontrolna jedinica već odašilje poruku s višim prioritetom u odnosu na sabirnicu.

Ako je recesivni bit koji prenosi prvi blok odašiljača prebrisan dominantnim bitom drugog bloka odašiljača, tada prvi blok odašiljača gubi svoje pravo prijenosa (arbitraža) i postaje blok prijamnika.

Ostale upravljačke jedinice pokušat će poslati svoje poruke preko CAN podatkovne sabirnice tek nakon što se ponovno oslobodi. U tom će slučaju pravo prijenosa ponovno biti dodijeljeno u skladu s prioritetom poruke na CAN sabirnici podataka.

Prepoznavanje grešaka

Smetnje mogu dovesti do pogrešaka u prijenosu podataka. Takve pogreške u prijenosu treba prepoznati i ispraviti. Protokol CAN sabirnice podataka razlikuje dvije razine detekcije pogreške:

• Mehanizmi na razini podatkovnog okvira (podatkovni okvir);
• Mehanizmi na bitnoj razini.

Mehanizmi na razini podatkovnog okvira

Cyclic-Redundancy-Check

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

Frame Check

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

Pogreške otkrivene provjerom okvira označavaju se kao pogreške formata.

Mehanizmi na razini bita

Praćenje

Svaki modul prilikom odašiljanja poruke prati logičku razinu CAN sabirnice podataka 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 okviru između polja "Start of Frame" a kraj "CRC polja" ne smije biti više od 5 uzastopnih bitova istog polariteta.

Nakon svakog niza od 5 identičnih bitova, blok odašiljača 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 sabirnicu podataka dobivaju obavijest o lokalnoj pogrešci i stoga ignoriraju prethodno poslanu poruku.

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

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

Vrste CAN sabirnica

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

Brzina prijenosa CAN podatkovne sabirnice motora i šasije (CAN-C) je 125 kbit/s, dok je unutarnja CAN podatkovna sabirnica (CAN-B) dizajnirana za brzinu prijenosa od samo 83 kbit/s zbog manjeg broja posebno hitnih poruka /With.

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

Svjetlovodna sabirnica D2B (Digital Daten-Bus) podaci primijenjeni na područje "Audio/Komunikacije/Navigacija". Svjetlovodni kabel može prenijeti znatno više informacija nego sabirnica s bakrenim kabelom.

CAN-C - autobus "Motor i šasija"

U upravljačkoj jedinici terminala sa svake strane nalazi se tzv. završni otpornik sabirnice podataka s otporom od 120 Ohma, spojen između obje žice sabirnice podataka.

CAN sabirnica podataka u prostoru motora aktivira se samo kada je paljenje uključeno.

Više od 7 upravljačkih jedinica može se spojiti na CAN-C sabirnicu.

CAN-B - autobus "Salon"

Neke upravljačke jedinice spojene na unutarnju CAN podatkovnu sabirnicu aktiviraju se bez obzira na uključeno paljenje (na primjer: sustav s jednom bravom).

Dakle, unutarnja CAN podatkovna sabirnica mora biti u stanju funkcionalne pripravnosti čak i kada je kontakt isključen, što znači da mogućnost prijenosa paketa podataka mora biti osigurana i kada je kontakt isključen.

Kako bi se što više smanjila potrošnja struje mirovanja, CAN podatkovna sabirnica, u nedostatku podataka potrebnih za prijenos, prelazi u pasivno stanje mirovanja i ponovno se aktivira tek pri sljedećem pristupu.

Ako je u pasivnom stanju pripravnosti unutarnje CAN podatkovne sabirnice bilo koja upravljačka jedinica (npr. modul za upravljanje jednom bravom) prenosi poruku preko njega, prima je samo glavni modul sustava (elektronički prekidač paljenja, EZS/EIS). EZS modul pohranjuje ovu poruku u memoriju i šalje signal buđenja svim upravljačkim jedinicama spojenim na CAN-B sabirnicu.

Kada je aktiviran, EZS provjerava prisutnost svih korisnika CAN podatkovne sabirnice i zatim šalje poruku prethodno pohranjenu u memoriji.

Više od 20 upravljačkih jedinica može se spojiti na CAN-B sabirnicu.