Дигитална магистрала података CAN (Mercedes-Benz G-Class W463)

Опште информације

Савремени аутомобили користе неколико мрежних аутобуса за размену података CAN (Controller Area Network) између модула/управљачких јединица различитих система и контролера актуатора возила.



Аутобус је пун дуплекс (или једноставно дуплекс), тј. било који уређај повезан на њега може истовремено да прима и преноси поруке.

Сигнал са осетљивог елемента одговарајуће информације (сензора) улази у најближу контролну јединицу, која га обрађује и преноси на магистралу за размену података CAN.

Било која контролна јединица повезана на магистралу података CAN, може очитати овај сигнал, на његовој основи израчунати параметре контролног дејства и контролисати функционисање одговарајућег сервомеханизма актуатора.

Предности

Уз конвенционално каблирање електричних и електронских уређаја, свака контролна јединица је директно повезана са свим сензорима и актуаторима од којих прима мерења или их контролише.

Све већа сложеност контролног система доводи до превелике дужине или више 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 их на магистралу CAN;
• Актуатором може управљати било која управљачка јединица која је повезана преко магистрале CAN прима одговарајући пакет података и на основу њега израчунава вредност контролне акције;
• Побољшање електромагнетне компатибилности;
• Смањење броја прикључака утикача и смањење броја контактних пинова на управљачким јединицама;
• Губитак тежине;
• Смањење броја сензора, јер сигнале са једног сензора (на пример, са сензора температуре расхладне течности) могу користити различити системи;
• Побољшане дијагностичке могућности. Јер сигнале једног сензора (на пример, сигнал брзине) користе различити системи, онда ако сви системи који користе овај сигнал издају поруку о грешци, обично је сензор или контролна јединица која обрађује своје сигнале неисправна. Ако порука о квару долази само из једног система, иако овај сигнал користе и други системи, онда узрок квара најчешће лежи у управљачкој јединици обраде или сервомеханизму;
• Велика брзина преноса података - до 1 Мбит/с могућа са максималном дужином линије од 40 м. Тренутно на возилима Mercedes-Benz брзине преноса података крећу се од 83 Кбпс до 500 Кбпс;
• Неколико порука се може наизменично преносити преко исте линије.

Сабирница података CAN састоји се од двожилне жице направљене 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 имају зрцалну слику (то јест, ако се логички нулти ниво (0) преноси дуж једне жице, онда је логички један ниво (1) преноси се дуж друге жице и обрнуто).

Двожични преносни круг се користи из два разлога: за контролу грешака и као основа за поузданост.

Ако се скок напона догоди само на једној жици - на пример због проблема са електромагнетном компатибилношћу (ЕМЦ) - пријемне јединице могу то да идентификују као грешку и игноришу скок.

У случају кратког споја или прекида једне од две жице сабирнице CAN, захваљујући интегрисаном софтверском и хардверском систему поузданости, врши се прелазак на једножични режим рада. Оштећени далековод постаје неупотребљив.

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 сабирница заснованим на принципу претплатничког адресирања, адресирање је повезано са поруком.

То значи да се свакој поруци која се преноси преко магистрале додељује стална адреса (идентификатор), означавајући садржај ове поруке (на пример: температура расхладне течности). Протокол магистрале података CAN омогућава пренос до 2048 различитих порука, при чему су адресе од 2033 до 2048 трајно додељене.

Обим података у једној поруци магистрале CAN је 8 бајтова.

Блок пријемника обрађује само оне поруке које су ускладиштене у његовој сопственој идентификационој листи (контрола прихватљивости).



Пакети података се могу преносити само ако је комуникациона магистрала CAN бесплатно (тј. ако је после последњег пакета постојао интервал од 3 бита, а ниједна контролна јединица не почне да преноси следећу 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 по коме ће се прва пренети порука са највећим приоритетом без губљења времена или битова (арбитража захтева за приступ заједничкој магистрали података).

Свака контролна јединица која изгуби права арбитраже аутоматски прелази на пријем и поново покушава да пошаље своју поруку чим се магистрала података поново ослободи.

Поред пакета података, приликом размене информација користе се и пакети захтева за одређене поруке преко магистрале података CAN, - на такав захтев одговара контролна јединица која је у могућности да пружи тражену информацију.

Формат преноса података

У нормалном режиму преноса користе се пакети следећих конфигурација:

• Data Frame (оквир поруке) за пренос порука преко магистрале података CAN (на пример: температура расхладне течности);
• Remote Frame (оквир захтева) за захтевање 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 поруке који се разликују само по дужини идентификатора: Стандардни и Проширени.



Тренутно у системима за размену података система управљања возилима компаније Daimler Chrysler користи се само стандардни формат.



Сваки оквир се преноси на магистралу CAN поруке се састоје од седам узастопних поља:

• Start of Frame (почетни бит): Означава почетак поруке и синхронизује све модуле;
• Arbitration Field (поље за арбитражу): Ово поље се састоји од 11-битног идентификатора (адресе) и једног контролног бита (Remote Transmission Request-Bit), означавајући оквир као Data Frame (оквир података) или слично Remote Frame (оквир удаљеног захтева);
• Control Field (контролни битови): 6-битно контролно поље садржи дефиницију IDE-бит(Identifier Extension Bit), користи се за препознавање типа формата који се користи (стандардни или проширени), резервни бит за наредне екстензије и, у последња 4 бита, информације о броју бајтова података садржаних у Data Field (види доле);
• Data Field (подаци): Поље података може садржати од 0 до 8 бајтова података, - пренос магистралом CAN поруке од 0 бајтова се користе за синхронизацију дистрибуираних процеса;
• CRC Field (контролно поље): Поље CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) садржи 16 бита и користи се за препознавање контролне грешке током преноса;
• ACK Field (признање): Поље ACK (Acknowledgement Field) садржи сигнал потврде за све пријемне јединице које су примиле поруку преко магистрале CAN нема грешака;
• End of Frame (крај оквира): Означава крај кадра;
• Intermission (интервал): интервал између два суседна оквира података. Дужина интервала мора бити најмање 3 бита, након идентификације која контролна јединица може да почне да емитује следећи пакет;
• IDLE (режим мировања): Ако ниједна контролна јединица не шаље поруке, бус CAN остаје у режиму мировања (чекања) до почетка преноса следећег пакета.

Приоритети

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

Ово претпоставља не само присуство 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 средњи приоритет, а спољна температура ваздуха има најнижи приоритет.

Приоритет са којим се порука преноси на магистралу CAN, одређује се идентификатором (адресним пољем) 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" (логичка "0"). Ако доминантни бит преноси најмање један модул, онда се рецесивни битови које преносе други модули преписују.

Пример

Ако више контролних јединица истовремено започне пренос података, конфликт приступа заједничкој магистрали података се решава "арбитражом захтева за дељеним ресурсима заснованом на битовима" коришћењем одговарајућих идентификатора.

Приликом преноса идентификационог поља, јединица предајника проверава после сваког бита да ли још увек има право на пренос, или да ли друга контролна јединица већ емитује поруку са већим приоритетом у односу на магистралу.

Ако се рецесивни бит који преноси први блок предајника замени доминантним битом другог блока предајника, тада први блок предајника губи право на пренос (арбитража) и постаје блок пријемника.

Друге контролне јединице ће покушати да пошаљу своје поруке преко сабирнице 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 довести до грешака у преносу података. Такве грешке у преносу треба препознати и исправити. Протокол магистрале података CAN разликује два нивоа препознавања грешке:

• Механизми нивоа Data Frame (оквир података);
• Механизми на нивоу бита.

Механизми нивоа Data Frame

Cyclic-Redundancy-Check

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

Frame Check

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

(Прочитајте више на веб-сајту: «MercedesMan.ru»)

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

Механизми на нивоу бита

Мониторинг

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 оквиру података између поља "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 предајника 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, све је повезано на магистралу података CAN управљачке јединице се обавештавају о локалној грешци која се догодила и, сходно томе, игноришу претходно послату 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 порука на магистрали података CAN изазвао грешку, такође почиње да поново емитује своју поруку (функција Automatic Repeat Request).

Типови гума CAN

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

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

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

Оптичка магистрала D2B (Digital Daten-Bus) подаци примењени на област "Аудио/Комуникације/Навигација". Оптички кабл може пренети знатно више информација од магистрале са бакарним каблом.

CAN-C - аутобус "Мотор и шасија"

У терминалној контролној јединици са сваке стране налази се такозвани завршни отпорник магистрале података отпора од 120 ома, повезан између обе жице магистрале података.

Сабирница података CAN моторни простор се активира само када је контакт укључен.

До аутобуса CAN-Може се повезати више од 7 контролних јединица.

CAN-B - гума "Салон"

Неке контролне јединице повезане на магистралу података CAN унутрашњост, активирају се без обзира на укључено паљење (на пример: систем са једним закључавањем).

Стога магистрала података CAN унутрашњост мора бити у режиму функционалне спремности чак и када је контакт искључен, што значи да могућност преноса пакета података мора бити обезбеђена и када је паљење искључено.

Да би се што више смањила потрошња струје мировања, магистрала података CAN, у недостатку података неопходних за пренос, прелази у пасивни пасивни режим и поново се активира тек следећи пут када му се приступи.

Ако је у пасивном режиму приправности сабирница података CAN унутрашњост, било која контролна јединица (на пример, један управљачки модул браве) преноси поруку преко ње, затим само главни системски модул (електронски прекидач за паљење, EZS/EIS). Модул EZS чува ову поруку у меморији и шаље сигнал за активирање (Wake-up) на све управљачке јединице повезане на магистралу CAN-ИН.

Када се активира, EZS проверава присуство свих корисника магистрале података CAN, након чега преноси поруку претходно сачувану у меморији.

До аутобуса CAN-Може се повезати више од 20 контролних јединица.