Digitális CAN adatbusz (Mercedes-Benz M-Class W163)

A modern autók több CAN adatcsere hálózati buszt használnak (Controller Area Network) különböző rendszerek moduljai/vezérlőegységei és a jármű működtetőinek vezérlői között.



A busz full duplex (vagy csak duplex), azaz bármely csatlakoztatott eszköz egyszerre képes üzeneteket fogadni és továbbítani.

A megfelelő információ (szenzor) érzékeny elemének jele a legközelebbi vezérlőegységbe kerül, amely feldolgozza és továbbítja a CAN adatcsere buszra.

Bármely, a CAN adatbuszra csatlakoztatott vezérlőegység képes ezt a jelet kiolvasni, ez alapján vezérlési paramétereket számítani, és vezérelni az aktuátor szervomechanizmusát.

Előnyök

Az elektromos és elektronikus eszközök hagyományos kábelezésénél minden vezérlőegység közvetlenül csatlakozik az összes érzékelőhöz és aktuátorhoz, amelyektől méréseket kap vagy vezérli azokat.



A vezérlőrendszer bonyolultabbá válása túlzott hosszúsághoz vagy több kábelvonalhoz vezet.

A szabványos kábelezéshez képest az adatbusz:

• A kábelek számának csökkentése. Az érzékelők vezetékei csak a legközelebbi vezérlőegységig terjednek, amely a mért értékeket adatcsomaggá alakítja és továbbítja a CAN buszra;
• A beavatkozó bármely vezérlőegységgel vezérelhető, amely a megfelelő adatcsomagot a CAN buszon keresztül kapja, és ez alapján kiszámítja a szervomechanika vezérlési műveletének értékét;
• Az elektromágneses kompatibilitás javítása;
• A dugaszolható csatlakozások számának csökkentése és a vezérlőegységeken lévő érintkezők számának csökkentése;
• Fogyás;
• Az érzékelők számának csökkentése, mert jeleket egy érzékelőtől (például a hűtőfolyadék hőmérséklet-érzékelőjétől) különféle rendszerek használhatók;
• Továbbfejlesztett diagnosztikai képességek. Mert jeleket egy érzékelőtől (például sebességjelző) különböző rendszerek használják, akkor ha egy adott jelet használó összes rendszer hibaüzenetet ad ki, akkor általában az érzékelő vagy vezérlőegység a hibás, amelyik feldolgozza a jeleit. Ha egy hibaüzenet csak egy rendszertől érkezik, bár ezt a jelet más rendszerek is használják, akkor a hiba oka leggyakrabban a feldolgozó vezérlőegységben vagy szervomechanikában van;
• Nagy adatátviteli sebesség - akár 1 Mbit/s, maximum 40 m-es vonalhosszal Jelenleg a Mercedes-Benz járműveken az adatátviteli sebesség 83 Kbit/s és 500 Kbit/s között mozog;
• Több üzenet is továbbítható felváltva ugyanazon a vonalon.

A CAN adatbusz egy csavart érpár formájában készült kéterű vezetékből áll. Minden eszköz ehhez a vonalhoz csatlakozik (készülékvezérlő egységek).



Az adatátvitel mindkét vezetéken duplikálással történik, és az adatbusz logikai szintjei tükörképesek (vagyis ha egy vezetéken logikai nulla szint (0) kerül átvitelre, akkor logikai egy szint (1) a másik vezetéken továbbítják, és fordítva).

A kétvezetékes átviteli áramkört két okból használják: hibaelhárításra és a megbízhatóság alapjaként.

Ha csak egy vezetéken lép fel feszültségcsúcs – például elektromágneses kompatibilitási (EMC) problémák miatt – a vevőegységek ezt hibaként azonosíthatják, és figyelmen kívül hagyhatják a tüskét.

Rövidzárlat vagy szakadás esetén a CAN busz két vezetéke közül az integrált szoftveres és hardveres megbízhatósági rendszernek köszönhetően egyvezetékes üzemmódba kapcsol át. A sérült távvezeték használhatatlanná válik.

A felhasználók által továbbított és fogadott tartalmak sorrendje és formátuma (előfizetők) üzeneteket a kommunikációs protokoll határozza meg.

A CAN adatbusz lényeges megkülönböztető jellemzője a többi előfizetői címzési elven alapuló buszrendszerhez képest az üzenethez kapcsolódó címzés.

Ez azt jelenti, hogy minden buszon továbbított üzenetnek állandó címe van (azonosító), megjelölve ennek az üzenetnek a tartalmát (például: hűtőfolyadék hőmérséklet). A CAN adatbusz protokoll akár 2048 különböző üzenet továbbítását teszi lehetővé, a 2033-tól 2048-ig terjedő címek állandó hozzárendelésével.

Az adatmennyiség egy üzenetben a CAN buszon keresztül 8 bájt.

A fogadó blokk csak azokat az üzeneteket dolgozza fel, amelyeket a saját azonosító listája tárol (elfogadás ellenőrzése).



Adatcsomagok csak akkor továbbíthatók, ha a CAN kommunikációs busz szabad (azaz ha az utolsó csomag továbbítása után 3 bites intervallum volt, és egyik vezérlőegység sem kezdi el továbbítani a következő üzenetet). Ebben az esetben az adatbusz logikai szintjének recesszívnek kell lennie (logikai "1").

Ha több vezérlőegység egyszerre kezd üzenetet küldeni, akkor életbe lép a prioritási elv, amely szerint a legmagasabb prioritású üzenet kerül először továbbításra idő- és bitpazarlás nélkül (a közös adatbuszhoz való hozzáférési kérelmek eldöntése).

Minden vezérlőegység, amely elveszíti a választottbírósági jogot, automatikusan vételre vált, és újra megpróbálja elküldeni üzenetét, amint az adatbusz újra felszabadul.

Az adatcsomagokon kívül a CAN adatbuszon egy adott üzenetre vonatkozó kérési csomagok is használatosak – az ilyen kérésre a kért információt szolgáltatni tudó vezérlőegység válaszol.

Adatátviteli formátum

Normál átviteli módban a következő konfigurációjú csomagok használatosak:

• Data Frame (üzenet keret) üzenetek továbbítására a CAN adatbuszon keresztül (például: hűtőfolyadék hőmérséklet);
• Remote Frame (kérés keret) üzeneteket kérni a CAN adatbuszon keresztül egy másik vezérlőegységtől;
• Error Frame (hiba keret), - minden csatlakoztatott vezérlőegység értesítést kap, ha hiba történt, és a CAN adatbusz utolsó üzenete érvénytelen.

A CAN adatbusz protokoll két különböző CAN adatbusz üzenet keretformátumot támogat, amelyek csak az azonosító hosszában térnek el egymástól:

• Szabványos formátum;
• Bővített formátum.

Jelenleg a Daimler Chrysler járművezérlő rendszer adatcsere-rendszerei csak szabványos formátumot használnak.



A CAN buszon keresztül továbbított üzenetek minden egyes kerete hét egymást követő mezőből áll:

• Start of Frame (start bit): Kijelöli az üzenet kezdetét, és szinkronizálja az összes modult;
• Arbitration Field (azonosító és kérés): Ez a mező egy 11 bites azonosítóból (címből) és 1 ellenőrző bitből áll (Remote Transmission Request-Bit). Ez a vezérlőbit adatkeretként jelöli meg a keretet (adatkeret) vagy távoli keretként (távoli kérés keret) nincs adatbájt;
• Control Field (vezérlő bitek): A vezérlőmező (6 bit) IDE bitet tartalmaz (Identifier Extension Bit) a szabványos és kiterjesztett formátum felismerésére, egy tartalék bit a későbbi kiterjesztések számára és - az utolsó 4 bitben - az adatmezőben tárolt adatok bájtjainak száma (adatmező);
• Data Field (adat): Az adatmező 0-8 bájtnyi adatot tartalmazhat; 0 bájt hosszúságú üzenet a CAN adatbuszon az elosztott folyamatok szinkronizálására szolgál;
• CRC Field (vezérlő mező): CRC mező (Cyclic-Redundancy-Check Field) 16 bitet tartalmaz, és az átvitel során a vezérlési hiba felismerésére szolgál;
• ACK Field (a fogadás megerősítése): ACK mező (Acknowledgement Field) megerősítő jelet tartalmaz az összes olyan vevőegység fogadására, amely hiba nélkül kapott üzenetet a CAN buszon keresztül;
• End of Frame (keret vége): A keret végét jelöli;
• Intermission (intervallum): Két adatkeret közötti intervallum. Az intervallumnak legalább 3 bitesnek kell lennie. Ezt követően bármelyik vezérlőegység megkezdheti a következő csomag továbbítását;
• IDLE (pihenő mód): Ha egyetlen vezérlőegység sem küld üzenetet, a CAN-busz készenléti üzemmódban marad a következő csomag továbbításáig.

Prioritások

Az adatok valós idejű feldolgozásához lehetővé kell tenni azok gyors továbbítását.

Ez nem csak egy nagy fizikai adatátviteli sebességű vonal meglétét igényli, hanem azonnali hozzáférést is igényel egy közös CAN-buszhoz, ha több vezérlőegységnek kell egyidejűleg üzeneteket továbbítania.

A CAN adatbuszon keresztül továbbított üzenetek sürgősségi fok szerinti megkülönböztetése érdekében az egyes üzeneteknek eltérő prioritásokat biztosítanak.

A gyújtás időzítése például a legmagasabb prioritású, a csúszási értékek a középső prioritásúak, és a külső levegő hőmérséklete a legalacsonyabb.

Az üzenet továbbításának prioritását a CAN buszon a megfelelő üzenet azonosítója (címe) határozza meg.

A kisebb bináris számnak megfelelő azonosító magasabb prioritású, és fordítva.

A CAN adatbusz protokoll két logikai állapoton alapul: A bitek vagy "recesszívek" (logikai "1") vagy "dominánsak" (logikai "0"). Ha egy domináns bitet legalább egy modul továbbít, akkor a többi modul által továbbított recesszív bitek felülíródnak.

Példa

Ha egyidejűleg több vezérlőegység kezdi meg az adatátvitelt, a közös adatbuszhoz való hozzáférés konfliktusát a "megosztott erőforrás-kérelmek bitalapú arbitrációja" oldja fel a megfelelő azonosítók használatával.

Azonosítómező továbbításakor az adóegység minden bit után ellenőrzi, hogy van-e még adási joga, vagy más vezérlőegység küld már magasabb prioritású üzenetet a buszon.

Ha az első adóblokk által továbbított recesszív bitet felülírja egy másik adóblokk domináns bitje, akkor az első adóblokk elveszti adási jogát (arbitráció), és vevőblokk lesz.





Az első vezérlőegység (NI) a 3. bittől kezdődően elveszti az arbitrációt.

A harmadik vezérlőegység (N III) a 7. bittől elveszti az arbitrációt.

A második vezérlőegység (N II) megtartja a hozzáférést a CAN adatbuszhoz, és továbbítani tudja az üzenetét.

Más vezérlőegységek csak akkor próbálják meg üzeneteiket továbbítani a CAN adatbuszon keresztül, ha az ismét szabaddá válik. Ebben az esetben az átviteli jog ismét a CAN adatbuszon lévő üzenet prioritása szerint kerül megadásra.

Hibafelismerés

Az interferencia adatátviteli hibákhoz vezethet. Az ilyen átviteli hibákat fel kell ismerni és ki kell javítani. A CAN adatbusz protokoll két hibaészlelési szintet különböztet meg:

• Mechanizmusok az adatkeret szintjén (adatkeret);
• Mechanizmusok bitszinten.

Mechanizmusok az adatkeret szintjén

Cyclic-Redundancy-Check

A CAN adatbuszon keresztül továbbított üzenet alapján az adóegység kiszámítja a vezérlőbiteket, amelyeket az adatcsomaggal együtt továbbít a "CRC Field" mezőben (ellenőrző összegeket). A vevő egység újraszámítja ezeket a vezérlőbiteket a CAN adatbuszon kapott üzenet alapján, és összehasonlítja őket az üzenettel együtt kapott vezérlőbitekkel.

Frame Check

Ez a mechanizmus ellenőrzi az átvitt blokk (frame) szerkezetét, vagyis az adott fix formátumú és kerethosszúságú bitmezőket újraellenőrzi.

A Frame Check által észlelt hibák formátumhibákként vannak megjelölve.

Bitszintű mechanizmusok

Monitoring

Mindegyik modul üzenet továbbításakor figyeli a CAN adatbusz logikai szintjét, és meghatározza az átvitt és vett bitek közötti különbségeket. Ez biztosítja az adóegységben előforduló globális és lokális bithibák megbízható felismerését.

Bit Stuffing

Minden adatkeretben a mező között "Start of Frame" és a "CRC mező" vége nem lehet több, mint 5 egymást követő azonos polaritású bit.

Minden 5 azonos bitből álló sorozat után az adóblokk hozzáad egy ellentétes polaritású bitet a bitfolyamhoz.

A vevőegységek törlik ezeket a biteket, miután üzenetet kaptak a CAN adatbuszon.

Hibaelhárítás

Ha bármelyik CAN adatbusz-modul hibát észlel, hibaüzenet küldésével megszakítja az aktuális adatátviteli folyamatot. A hibaüzenet 6 domináns bitből áll.

A hibaüzenetnek köszönhetően a CAN adatbuszra csatlakoztatott összes vezérlőegység helyi hibáról értesül, ezért figyelmen kívül hagyja a korábban továbbított üzenetet.

Rövid szünet után az összes vezérlőegység ismét képes üzeneteket küldeni a CAN adatbuszon keresztül, és először a legmagasabb prioritású üzenet kerül elküldésre.

Az a vezérlőegység, amelynek a CAN adatbuszon lévő üzenete a hibát okozta, szintén elkezdi újraküldeni üzenetét (automatikus ismétlési kérés funkció).

A CAN buszok típusai

A különböző vezérlési területekhez különböző CAN buszokat használnak. Adatátviteli sebességben különböznek egymástól.

A motor és a váz CAN adatbusz (CAN-C) átviteli sebessége 125 kbit/s, míg a belső CAN adatbusz (CAN-B) a kisebb szám miatt mindössze 83 kbit/s átviteli sebességre lett tervezve. különösen sürgős üzenetek /Wi.

Az adatcsere két buszrendszer között úgynevezett "átjárókon" keresztül történik, azaz az úgynevezett "átjárókon" keresztül. mindkét adatbuszra csatlakoztatott vezérlőegységek.

Száloptikai busz D2B (Digital Daten-Bus) az "Audio/Kommunikáció/Navigáció" területre alkalmazott adatok. Egy optikai kábel lényegesen több információt képes továbbítani, mint egy rézkábellel ellátott busz.

CAN C - busz "Motor és alváz"

A sorkapcsos vezérlőegységben mindkét oldalon egy 120 ohmos ellenállású, úgynevezett adatbusz-lezáró ellenállás található, amely az adatbusz mindkét vezetéke közé van kötve.

A motortér CAN adatbusz csak bekapcsolt gyújtásnál aktiválódik.

A CAN-C buszra több mint 7 vezérlőegység csatlakoztatható.

CAN-B - "Szalon" busz

Egyes, a belső CAN adatbuszra csatlakoztatott vezérlőegységek a gyújtás bekapcsolásától függetlenül aktiválódnak (például: egyzáras rendszer).

Ezért a belső CAN adatbusznak lekapcsolt gyújtásnál is működőképes készenléti üzemmódban kell lennie, ami azt jelenti, hogy a gyújtás kikapcsolt állapotában is biztosítani kell az adatcsomagok továbbításának lehetőségét.

A nyugalmi áramfelvétel lehető legnagyobb mértékű csökkentése érdekében a CAN adatbusz az átvitelhez szükséges adatok hiányában passzív készenléti üzemmódba lép, és csak a következő hozzáféréskor aktiválódik újra.

Ha a belső CAN adatbusz passzív készenléti üzemmódjában bármely vezérlőegység (pl. egyzáras vezérlőmodul) üzenetet továbbít rajta, azt csak a fő rendszermodul fogadja (elektronikus gyújtáskapcsoló, EZS/EIS). Az EZS modul tárolja az üzenetet a memóriában, majd küld egy aktiváló jelet (ébresztő), hogy az összes vezérlő egység csatlakozik a CAN-B buszra.

Aktiválásakor az EZS ellenőrzi az összes CAN adatbusz-felhasználó jelenlétét, majd továbbítja a korábban a memóriában tárolt üzenetet.

A CAN-B buszra több mint 20 vezérlőegység csatlakoztatható.