Controller Area Network (CAN)

Szeregowa sieć (magistrala) opracowana przez sieć BOSCH w 1986 roku (pierwszy samochód z CAN: Mercedes klasy S 1992).

Pierwotnie zaprojektowana dla przemysłu samochodego stała się również popularną magistralą w automatyce przemysłowej

CAN – zaprojektowana dla samochodów, zaimplementowana do dalszych rozwiązań przemysłowych.

Opel Kadett z 1975r. Miał 280m przewodów elektrycznych, 53 złącza i ani jednego sterownika elektronicznego

Opel Omega z 1998r. - 1523m przewodów, 270 złącz i 29 sterowników

Mercedes w starszych konstrukcjach okablowanie samochodu wymagało zastosowania 3,2 km kabli o łączenj wadze 56kg.

Obecnie potrzebne jest tylko 2,2km o masie 39kg.

System Can przekazuje około osiemset pięćdziesiąt różnych sygnałów sterujących. Obsługiwanych jest 40 urządzeń elektronicznych – wykonują one około 170 różnych funkcji (2000r.)

• zmniejszenie liczby przewodów elektrycznych (obniżanie masy pojazdu)

• zmniejszenie liczby złącz (zwiększenie niezawodności)

• lepsze dopasowanie układów

• szybszą komunikacje

• lepszą diagnostykę układów

• zwiększenie odporności na zakłócenia

• zwiększenie udziału sygnałów cyfrowych w wymianie danych

Elektronika jest zawodna przez dużą zmienność warunków – temperatura, wilgotność, warunki atmosferyczne. Same sterowniki są zabezpeiczone żelami/żywicami, ale najsłabszym ogniwem są złącza odpowiedzialne za komunikowanie różnych elementów. Występują duże, zmienne drgania które dodatkowo obniżają żywotność złącz.

Wiele operacji musi być wykonywanych w czasie rzeczywistym (np. tempomat, ABS).

Musi być samodiagnostyka w układzie, nie można dopuścić aby w wyniku awari odłączał dany układ (np. pedał gazu) SAFETY FIRST. System dodatkowo powinien rejestrować awarie. Nie wszystkie błędy są wyświetlane (np. zabraknie 2 impulsów ABS, po chwili wraca do normy), system nie informuje kierowcy, ale informacja jest zapisywana.

OBD2 – część informacji jest dostępna ogólnie, każdy może to sprawdzić (wzięło się z kontorli emisji spalin).

System działa nawet jeśli jest w połowie uszkodzony. Łatwiej systemy pracują na sygnałach cyfrowych.

CAN

Później dzoszły magistrale oparte na światłowodach:

BYTEFLIGHT – BMW

D2B – DAIMLERCHRYSLER

MOST – AUDI

a także sieci tradycyjne odporne na błędy:

FLEXRAY – BMW, DaimlerChrysler

oraz mniej skomplikowane

LIN (będące uzupełnieniem siecan CAN)

możemy znaleźć w pojazdach także magistrale oparte na transmicji radiowej (np. pomiar ciśnienia w kołach jest ciągle wykonywany):

BLUETOOTH

CAN

W sieci CAN wyróżnia się trzy "warstwy", które mają określone cechy (według "CAN specification – version 2.0" Robert Bosch GmbH 1991)

CAN – warstwy aplikacji
Warstwa obiektowa: filtrowanie wiadomości określenie statusu wiadomości	Warstwa obiektowa opiera się na filtrowaniu przesyłanych wiadomości i określeniu czy są to inforcmacje przesyłane do dobiorników zy żądania informacji
Warstwa transferowa: detekcja i blokada błędów potwierdzenie odbioru wiadmości arbitraż określony format wiadmości chonometraż wiadomości	Warstwa tranferowa reprezentuje protokół CAN, czyli wszystko jest związane z wysyłaniem i odbieraniem wiadomości przez węzły sieci
Warstwa fizyczna: poziomy napięc sygnałów i prędkości przesyłu medium transmisyjne	Warstwa fizyczna definiuje poziomy napięc transmitowanych sygnałów

CAN

Na potrzebny przemysłu motoryzacyjnego stosuje się podział na cztery klasy różniące się pod względem szybkości przesyłu informacji oraz urządzeń które są do magistrali podłączone:

Klasa A – komunikacja elektroniki "chassis" (światła, kierunkowskazy, siłowniki siedzeń i lusterek, centralny zamek) o szybkóść przesyłu poniżej 10kb/s

Klasa B – urządzenie wymagające szybszej transmisji, tzn. Ok 40kb/s (klimatyzacja)

Klasa C – wymagany tranfer danych w czasie rzeczywistym (sterowanie silnika, sterowanie skrzynią biegów, układy ABS, ESP, itp.) - szybkość przesyłu 250kb/s – 1Mb/s

Klasa D przesył dużej ilości danych (komunikacja multimedialna) – szybkośc przesyłu 100kb/s-10Mb/s

CAN

Przykładem współdziałania różnych klas sieci CAN w jednym pojeździe jest Audi A4 rocznik 2001, w którym zainstalowano trzy magistrale:

Inotaiment CAN – multimedia

CAN

Magistarle CAN mogą być konfigurowane w różny sposób w motoryzacji korzysta się jdenak tylko ze struktury gwiaździstej i linearnej

Pierścieniowa tworzona przez sterowniki połączone szeregowo w okgrąg, przynajmniej na razie, w samochodach nie jest stosowana

CAN

Struktura gwiaździsta:

jednostka centralna połączona z kilkoma sterownikami i zarządza przesyłem inforamcji płynących od nich i do nich

• jednostka jta jest bardzo bociążona – najczęściej to ona ulega awariom (najsłabsze ogniwo, kiedy padnie samochód staje)

• następuje wtedy całkowite zablokowanie tranfmisji danych

  Struktruę tę wykorzystuję sie więc w sieciach CAN związanych z elektroniką nadwozia i komfortu (możliwość pojawienia się awari nie wpływa bezpośrednio na bezpieczeństwo jazdy)

CAN

Struktura linearna:

sterowniki podłączone do tej samej lini sygnałowej

• sterowniki podłączone do tej samej lini sygnałowej

• kordynacją wysyłanych i odbieranych komunikatów zajmuje się oprgorwamowanie i układy wejścia/wyjścia znajdujące w sterownikach

• liczba węzłów w sieci lnearnej jest zazwyczaj ograniczona do 32 (standard) lub 128 (zastosowania specjalne). Wynika to z możliwości sterowników CAN, które dla tej liczby sterowników są w stanie zapewnić niezawodną pracę i przsył informacji w czasie rzeczywistaym

• zapewnia dużą pewność działania, gdyż awaria jednego sterownika nie blokuje przepływu komunikatów pomiedzy pozostałymi urządzeniami.

Wykorzystywana jest w siechach CAN obsługujących sterowniki jednostki napędowej, skrzyniu biegów, układów bezpieczeństwa jazdy.

Awaria jednego elementu nie wyłącza całego układu, np. czujnik prędkości koła – ABS dalej działa, sypie błędami itp., ale wystarczy wymienić czujnik i wszystko dalej działa. Jest stosowana kiedy mamy do czynienia z układami "życia samochodu"

CAN

System informowania poprzez zestaw wskaźników generalnie wymaga wymiany komunikatów pomiędzy wszystkimi magistralami sitniejącymi w samochodze. A ponieważ magistarle te zazwyczaj pracują z różnymi szybkościami transmisji, potrzebne jest urządzenie, które pozwoli na bezproblemowy przesył danych.

Służy do tego sterownik nazywany "Getway". Oprócz dopasowywania prędkości transmisji umożliwia on przeprowadzenie diagnozy sprawności wszystkich urządzeń i systemów zamontowanych w samochodzie łącząc się z nimi poprzez magistarle CAN.

Nie jest jednostką centralną, zazwyczja zainstalowany z panelem informacyjnym. Umożliwia współpracę z kierowcą i serwisem/diagnostą.

CAN

Budowa magistrali

Każdy sterownik zawiera:

• Blok przetwarzający treść przesyłanej informacji

• kontroler CAN

• układ nadawczo-odbiorczy ("transceiver")

Kontroler i "transceiver" są odpowiedzialne za dnadawanie danym odpowiedniej postaci oraz komunikację z magistralą.

Wsystkie bloki zawierają w sobie układy mikoprocesorowe

Informacja krąży w kółko i jest zadresowana

CAN

Budowa magistarli:

Magistarla to dwa predowy tworzące tzw. "skrętke" ( sketka zastępuja kilkunasoprzewodową wiązkę)

Komunikacja pomiędzy sterownikami odbywa sie w obu kierunkach (tzn. Wysyłanie i odbieranie)

Można to realizować nawet jednym przewodem, ale może wówczas dochodzić do przenikania zakłóceń z zewnątrz (rozwiązanie rzadko stosowane i wyłącznie w sieciach o młaej szybkości przesyłu i niskich wymagniach co do błędów odczytu – np. układu komfortu jazdy)

W większości przypadkóść sieci CAN zbudowane są z dwóch przewodów określonych jako "high" i "low". Sygnały, czyli bity o wartości logicznej 1 (high) i bity o wartości logiczne 0 (low), przysłane są nimi metodą "różnicową", czyli tak aby ybły "symetryczne" względem siebie.

System odporny na zakłócenie wewnętrzne, nieodporny na zew, w razie awari możemy posłużyć się jednym przewodem.

CAN

Tabela przedstawia wartości napięc odpowiadających poziomom wysokim i niskim w przewodzie "high" i "low" określonym przez standard ISO 11898

TABELA PITA + SCHEMAT

Przyjmuje się, że niska różnica napięć pomiędzy przewodami (<0,5V) oznacza stan recesywny, natomiast różnica wysoka (>0,9V) – stan dominujący

Najważniejszą cechą takiego rozwiązania jest to, że dsuma napięc na przewodach (lub różnica zmian napięć) zawsze pozostaje stała. Dzięki temu następuje wzajemne znoszenie się pól elektromagnetycznych, mogących powodować zakłócenia (niekiedy stosowany bywa trzeci przedów w postaci ekranu w celu dodatkowej ochrnoy przez zakłóceniami zewnętrznymi).

CAN

Przyjęty system gwarantuje odpowiedni poziom niezadowności.

Sterowniki podłączone do sieci zapeniają nieprzerwaną komunikację (choć możliwa jest znaczna redukcja poziomu sygnałow, nawet do poziomu szumów) rakże wówczas, gdy:

• jeden z dwóch przewodów w "skrętce" jest przerwany

• jeden z dwóch przewodów w "skrętce"

• jeden z dwóch przewodów w "skrętce"

CAN
Koszulki przewodów skrętki sa dwukolorowe, ale jedna z barw jest dominująca (najczęściej pomarańczowa). Druga (pasek na szoulce) odróżnia od siebie magistarle różnych klas znajdujące się w danym pojeździe.

Jedna wiązka jest zawsze pomarańcozwa, druga ma inni kolor, aby móc zawsze rozróżnic przewody CAN w samochodzie i łatwo określić za co odpowiedziałna jest magistrala.

CAN

Sieci CAN, dzięki temu, że wykorzystują układy mikroprocesorowe i cyforwy przysł informacji, umożliwiają szybką i niezawodną komunikacje pomiędzy podzespołami. W dodatku na bardzo duze odległości.

CAN

Protokół transmisji danych

Określa on jakie dane, w jakiej kolejności i w którym moemncie mogą byc przysyłane. Dzęki temu na magistrali zawsze znajduję sie tylko jeden komunikat odbierany przez pozostałe sterowniki.

Aby wymiana inforamcji była szybko i sprawna proces komunikowania się sterowników musi uwzględniać:

• czas wysyłania dancyh

• czas ich przesyłu

• przerwę umożliwiającą wysłanie inforamcji prez inne urządzenia

Jest to szczególnie istotne w przypadku magistarli klasy C, czyli obsługującej jednostkę napędową i układy bezpieczeństwa czynnego (komunikaty zawierające niewielkią ilośc canych, które musza byc bardzo często wymiane pomiędzy urządzeniami)

Praktycznie komunikacja powinna odbywać się w czasie rzeczywistaym stąd bardzo krótka przerwa pomiędzy kolejnymi wiadomościami wysyłanymi prez sterowniki. Transfer wiadomości trwa mniej niż 1ms i powtarza się co 1-10ms.

Maksymalnie 1 informacja na raz może być wysyłana, nie ma sytuacji, że wiele urządzeń naraz wysyła informacje do sieci. Wszystko jest uporządkowane i zorganiozwane.

CAN PITA SCHEMAT

Steornwik nr.2 wysyła komunikat na magistralę. Dane z mikroprocesora są przygotowane przez kontroler Can, a następnie, po przektształceniu, wysłane na magistralę za pomocą "transcelvera" (mikroprocesor kotroler i transclever są elementami sterownika). Komunikat pobiera z magistarli wszystkie pozostałe sterowniki podbięte do niej (sterowniki 1,2,3,4), po czym ich transcelvery sprawdzają czy inforamcje zawarte w komunikacie są potrzebne do pracy danego sterownika, czy nie Sterowni. Potrzebuje odebranych danych więc cały komunikat jest ignorowany. Transcelvery sterowników 1i 4 po pozytywanej weryfikacji wiadomości przysłają dane poprzez kontroler CAN do mikoprocesora. Od tego momentu wszystkie urządzenia są gotowe do dalszej rpacy, czyli dobioru lub wysyłania następnych komiunkiacji.