Cyfrowa magistrala danych CAN (Mercedes-Benz M-Class W163)

Nowoczesne samochody wykorzystują kilka magistral sieci wymiany danych CAN (Controller Area Network) pomiędzy modułami/jednostkami sterującymi różnych systemów i sterownikami elementów wykonawczych pojazdu.



Autobus jest w trybie pełnego dupleksu (lub po prostu dwupoziomowy), tj. każde podłączone do niego urządzenie może jednocześnie odbierać i przesyłać wiadomości.

Sygnał z wrażliwego elementu odpowiedniej informacji (czujnika) trafia do najbliższej jednostki sterującej, która go przetwarza i przesyła do magistrali wymiany danych CAN.

Dowolna jednostka sterująca podłączona do magistrali CAN może odczytać ten sygnał, obliczyć na jego podstawie parametry sterujące i sterować serwomechanizmem siłownika.

Zalety

Przy konwencjonalnym okablowaniu urządzeń elektrycznych i elektronicznych każda jednostka sterująca jest bezpośrednio podłączona do wszystkich czujników i elementów wykonawczych, z których otrzymuje pomiary lub nimi steruje.

Rosnąca złożoność systemu sterowania prowadzi do nadmiernej długości lub wielu linii kablowych.

W porównaniu do standardowego okablowania, magistrala danych zapewnia:

• Zmniejszenie liczby kabli. Przewody z czujników biegną tylko do najbliższej jednostki sterującej, która przetwarza zmierzone wartości na pakiet danych i przesyła je do magistrali CAN;
• Siłownikiem można sterować dowolną jednostkę sterującą, która odbiera odpowiedni pakiet danych poprzez magistralę CAN i na jego podstawie oblicza wartość działania sterującego na serwomechanizmie;
• Poprawa kompatybilności elektromagnetycznej;
• Zmniejszenie liczby złączy wtykowych i zmniejszenie liczby styków 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;
• Ulepszone możliwości diagnostyczne. Ponieważ sygnały z jednego czujnika (na przykład sygnał prędkości) są używane przez różne systemy, to jeśli wszystkie systemy korzystające z danego sygnału wysyłają komunikat o błędzie, zazwyczaj uszkodzony jest czujnik lub jednostka sterująca przetwarzająca jego sygnały. Jeżeli komunikat o usterce pochodzi tylko z jednego układu, chociaż sygnał ten jest wykorzystywany także przez inne układy, to przyczyną nieprawidłowego działania jest najczęściej jednostka sterująca przetwarzaniem lub serwomechanizm;
• Wysoka prędkość przesyłania danych - możliwa do 1 Mbit/s przy maksymalnej długości linii 40 m. Obecnie w pojazdach Mercedes-Benz szybkość przesyłania danych wynosi od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s;
• Kilka komunikatów może być przesyłanych naprzemiennie tą samą linią.

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



Transmisja danych odbywa się z powielaniem na obu przewodach, a poziomy logiczne magistrali danych mają lustrzane odbicie (to znaczy, jeśli logiczny poziom zerowy (0) jest przesyłany jednym przewodem, wówczas logiczny poziom jeden (1) jest przesyłany przesyłane drugim przewodem i odwrotnie).

Dwuprzewodowy obwód transmisyjny jest używany z dwóch powodów: do kontroli błędów i jako podstawa niezawodności.

Jeśli skok napięcia pojawi się tylko na jednym przewodzie – na przykład z powodu problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC) – odbiorniki mogą zidentyfikować to jako błąd i zignorować skok.

W przypadku zwarcia lub przerwy w jednym z dwóch przewodów magistrali CAN, dzięki zintegrowanemu systemowi niezawodności programowej i sprzętowej przełącza się w tryb pracy jednoprzewodowy. Uszkodzona linia przesyłowa staje się bezużyteczna.

Kolejność i format tego, co jest przesyłane i odbierane przez użytkowników (abonentów) komunikaty są zdefiniowane w protokole komunikacyjnym.

Istotną cechą wyróżniającą magistralę danych CAN w porównaniu z innymi systemami magistrali opartymi na zasadzie adresowania abonenta jest adresowanie komunikatowe.

Oznacza to, że każdemu komunikatowi przesyłanemu magistralą przypisany jest jego stały adres (identyfikator), zaznaczając treść tej wiadomości (na przykład: temperatura płynu chłodzącego). Protokół magistrali danych CAN umożliwia transmisję do 2048 różnych komunikatów, z przypisanymi na stałe adresami od 2033 do 2048.

Objętość danych w jednym komunikacie przesyłanym przez magistralę CAN wynosi 8 bajtów.



Blok odbiorcy przetwarza tylko te komunikaty, które są zapisane na jego własnej liście identyfikacyjnej (kontrola akceptacji).

Przesyłanie pakietów danych możliwe jest tylko wtedy, gdy magistrala komunikacyjna CAN jest wolna (tzn. jeżeli po przesłaniu ostatniego pakietu nastąpiła przerwa 3 bitowa i żadna z jednostek sterujących nie rozpoczyna nadawania kolejnego komunikatu). W tym przypadku poziom logiczny magistrali danych musi być recesywny (logiczne "1").

Jeżeli kilka jednostek sterujących rozpocznie nadawanie komunikatów w tym samym czasie, obowiązuje zasada pierwszeństwa, zgodnie z którą komunikat 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 uprawnienia do arbitrażu, automatycznie przełącza się na odbiór i ponownie podejmuje próbę wysłania komunikatu, gdy tylko magistrala danych będzie ponownie wolna.

Oprócz pakietów danych wykorzystywane są również pakiety żądań określonego komunikatu na magistrali danych CAN – na takie żądanie odpowiada jednostka sterująca, która może dostarczyć żądane informacje.

Format transmisji danych

W normalnym trybie transmisji wykorzystywane są pakiety o następujących konfiguracjach:

• Data Frame (ramka wiadomości) do przesyłania komunikatów poprzez magistralę danych CAN (na przykład: temperatura płynu chłodzącego);
• Remote Frame (ramka żądania) do żądania komunikatów poprzez magistralę danych CAN od innej jednostki sterującej;
• Error Frame (ramka błędu), - wszystkie podłączone centrale są powiadamiane o wystąpieniu błędu i ostatni komunikat na magistrali danych CAN jest nieważny.

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

• Standardowy format;
• Rozszerzony format.

Obecnie systemy wymiany danych systemów sterowania pojazdami Daimler Chrysler wykorzystują wyłącznie standardowy format.

Każda ramka komunikatów przesyłanych magistralą CAN składa się z siedmiu kolejnych pól:

• Start of Frame (zacznij trochę): Zaznacza początek wiadomości i synchronizuje wszystkie moduły;
• Arbitration Field (identyfikator i żądanie): To pole składa się z identyfikatora (adresu) składającego się z 11 bitów i 1 bitu kontrolnego (Remote Transmission Request-Bit). Ten bit kontrolny oznacza ramkę jako ramkę danych (ramka danych) lub jako zdalna ramka (zdalna ramka żądania) brak bajtów danych;
• Control Field (bity kontrolne): Pole kontrolne (6 bitów) zawiera bit IDE (Identifier Extension Bit) do rozpoznawania formatu standardowego i rozszerzonego, bit rezerwy na kolejne rozszerzenia oraz – w ostatnich 4 bitach – ilość bajtów danych przechowywanych w Polu Danych (pole danych);
• Data Field (dane): Pole danych może zawierać od 0 do 8 bajtów danych; komunikat na magistrali danych CAN o długości 0 bajtów służy do synchronizacji procesów rozproszonych;
• CRC Field (pole kontrolne): Pole CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) zawiera 16 bitów i służy do rozpoznawania błędów sterowania podczas transmisji;
• ACK Field (potwierdzenie odbioru): Pole ACK (Acknowledgement Field) zawiera sygnał potwierdzający odebranie wszystkich odbiorników, które odebrały komunikat poprzez magistralę CAN bez błędów;
• End of Frame (koniec ramki): Oznacza koniec ramki;
• Intermission (interwał): Odstęp pomiędzy dwiema ramkami danych. Odstęp musi wynosić co najmniej 3 bity. Następnie dowolna jednostka sterująca może rozpocząć transmisję kolejnego pakietu;
• IDLE (tryb odpoczynku): Jeśli żadna jednostka sterująca nie przesyła komunikatów, magistrala CAN pozostaje w stanie bezczynności do czasu przesłania następnego pakietu.

Priorytety

Aby przetwarzać dane w czasie rzeczywistym, musi istnieć możliwość ich szybkiej transmisji.

Wymaga to nie tylko obecności linii o dużej fizycznej szybkości przesyłania danych, ale także szybkiego dostępu do wspólnej magistrali CAN, jeśli kilka jednostek sterujących musi jednocześnie przesyłać komunikaty.

Aby rozróżnić komunikaty przesyłane magistralą CAN ze względu na stopień pilności, dla poszczególnych komunikatów przewidziano różne priorytety.

Na przykład czas zapłonu ma najwyższy priorytet, wartości poślizgu mają środkowy priorytet, a temperatura powietrza zewnętrznego ma najniższy priorytet.

Priorytet, z jakim komunikat jest przesyłany przez magistralę CAN, jest określony przez identyfikator (adres) odpowiedniego komunikatu.

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 jest transmitowany przez co najmniej jeden moduł, wówczas bity recesywne transmitowane przez inne moduły są nadpisywane.

Przykład

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

Podczas transmisji pola identyfikacyjnego jednostka nadawcza po każdym bicie sprawdza, czy ma jeszcze prawo do transmisji lub czy inna jednostka sterująca nie przesyła już przez magistralę komunikatu o wyższym priorytecie.



Jeżeli bit recesywny transmitowany przez pierwszy blok nadajnika zostanie nadpisany bitem dominującym innego bloku nadajnika, wówczas pierwszy blok nadajnika traci prawo do transmisji (arbitraż) i staje się blokiem odbiornika.



Pierwsza jednostka sterująca (NI) traci arbitraż od trzeciego bitu.

Trzecia jednostka sterująca (N III) traci arbitraż od 7. bitu.

Druga jednostka sterująca (N II) zachowuje dostęp do magistrali danych CAN i może przesyłać swój komunikat.

Inne jednostki sterujące będą próbowały przesyłać swoje komunikaty poprzez magistralę danych CAN dopiero, gdy będzie ona ponownie wolna. W takim przypadku ponownie zostanie przyznane prawo do transmisji zgodnie z priorytetem komunikatu na magistrali danych CAN.

Rozpoznawanie błędów

Zakłócenia mogą prowadzić do błędów w transmisji danych. Takie błędy w transmisji należy rozpoznać i skorygować. Protokół magistrali danych CAN rozróżnia dwa poziomy wykrywania błędów:

• Mechanizmy na poziomie ramki danych (ramka danych);
• Mechanizmy na poziomie bitowym.

Mechanizmy na poziomie ramki danych

Cyclic-Redundancy-Check

Na podstawie komunikatu przesyłanego magistralą danych CAN nadajnik wylicza bity kontrolne, które wraz z pakietem danych przesyłane są w polu "Pole CRC" (sumy kontrolne). Jednostka odbiorcza przelicza te bity kontrolne na podstawie komunikatu otrzymanego na magistrali danych CAN i porównuje je z bitami kontrolnymi otrzymanymi wraz z tym komunikatem.

Frame Check

Mechanizm ten sprawdza strukturę przesyłanego bloku (ramki), czyli ponownie sprawdzane są pola bitowe o zadanym stałym formacie i długości ramki.

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

Mechanizmy na poziomie bitowym

Monitorowanie

Każdy moduł podczas przesyłania komunikatu monitoruje poziom logiczny magistrali danych CAN i określa różnice pomiędzy bitami przesyłanymi i odbieranymi. Zapewnia to niezawodne rozpoznawanie globalnych i lokalnych błędów bitowych występujących w jednostce nadajnika.

Bit Stuffing

W każdej ramce danych pomiędzy polem "Start of Frame" a koniec "Pola CRC" nie może składać się z więcej niż 5 kolejnych bitów o tej samej polaryzacji.

Po każdej sekwencji 5 identycznych bitów blok nadajnika dodaje do strumienia bitów jeden bit o przeciwnej polaryzacji.

Jednostki odbiorcze kasują te bity po odebraniu komunikatu na magistrali danych CAN.

Rozwiązywanie problemów

Jeśli którykolwiek moduł magistrali danych CAN wykryje błąd, przerywa bieżący proces przesyłania 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 są powiadamiane o lokalnym błędzie i dlatego ignorują wcześniej przesłany komunikat.

Po krótkiej przerwie wszystkie centrale będą mogły ponownie wysyłać komunikaty poprzez magistralę danych CAN, przy czym w pierwszej kolejności ponownie wysyłany będzie komunikat o najwyższym priorytecie.

Jednostka sterująca, której komunikat na magistrali danych CAN spowodował błąd, również rozpoczyna retransmisję swojego komunikatu (funkcja automatycznego żądania powtórzenia).

Rodzaje magistrali CAN

Dla różnych obszarów sterowania wykorzystywane są różne magistrale CAN. Różnią się między sobą szybkością przesyłania danych.

Szybkość transmisji magistrali danych CAN silnika i podwozia (CAN-C) wynosi 125 kbit/s, podczas gdy wewnętrzna magistrala danych CAN (CAN-B) jest zaprojektowana dla szybkości transmisji jedynie 83 kbit/s ze względu na mniejszą liczbę szczególnie pilnych wiadomości.

Wymiana danych pomiędzy dwoma systemami magistrali odbywa się poprzez tzw. "bramki", czyli tzw. jednostki sterujące podłączone do obu magistral danych.

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

CAN C – autobus "Silnik i podwozie"

W jednostce sterującej terminalem po każdej stronie znajduje się tzw. rezystor zakończeniowy magistrali danych o rezystancji 120 omów, podłączony pomiędzy obydwoma przewodami szyny danych.

Magistrala danych CAN komory silnika jest aktywowana tylko przy włączonym zapłonie.

Do magistrali CAN-C można podłączyć więcej niż 7 jednostek sterujących.

CAN-B - autobus "Salon"

Niektóre jednostki sterujące podłączone do wewnętrznej magistrali danych CAN są aktywowane niezależnie od włączenia zapłonu (na przykład: system pojedynczego zamka).

Dlatego wewnętrzna magistrala danych CAN musi znajdować się w trybie gotowości funkcjonalnej nawet po wyłączeniu zapłonu, co oznacza, że możliwość przesyłania pakietów danych musi być zapewniona nawet po wyłączeniu zapłonu.

Aby maksymalnie ograniczyć pobór prądu spoczynkowego, magistrala danych CAN w przypadku braku danych niezbędnych do transmisji przechodzi w pasywny tryb czuwania i zostaje ponownie aktywowana dopiero przy następnym dostępie.

Jeśli dowolna jednostka sterująca znajduje się w pasywnym trybie gotowości wewnętrznej magistrali danych CAN (np. moduł sterujący pojedynczym zamkiem) przesyła za jego pośrednictwem wiadomość, odbiera ją jedynie główny moduł systemu (elektroniczny wyłącznik zapłonu, EZS/EIS). Moduł EZS zapisuje tę wiadomość w pamięci i wysyła sygnał wybudzenia do wszystkich jednostek sterujących podłączonych do magistrali CAN-B.

Po włączeniu EZS sprawdza obecność wszystkich użytkowników magistrali danych CAN, a następnie przesyła wiadomość zapisaną wcześniej w pamięci.

Do magistrali CAN-B można podłączyć ponad 20 jednostek sterujących.