Przemysłowe Sieci Informatyczne
Sieć CAN (Controller Area Network)
Powstanie sieci CAN
}ð W poczÄ…tku lat dziewięćdziesiÄ…tych, miÄ™dzynarodowy
przemysł samochodowy stanął przed dwoma problemami
dotyczącymi rozwoju samochodów prywatnych i
pojazdów dostawczych:
}ð poprawienia komfortu pojazdów: elektrycznie
podnoszonych, szyb, regulacji siedzeń i lusterek,
podgrzewanych siedzeń, elektronicznego sterowania
klimatyzacją, jak również wyposażenia audiowizualnego i
satelitarnie sterowanych, systemów nawigacyjnych (GPS -
Global Positioning System).
}ð Drugim i ważniejszym byÅ‚ problem bezpieczeÅ„stwa
pojazdów, nie tylko z indywidualnego punktu
}ð widzenia, ale również dla speÅ‚nienia coraz surowszych
międzynarodowych przepisów odnośnie
}ð bezpieczeÅ„stwa: centralnego zamka drzwi, systemów
antykradzieżowych, ABS (systemów przeciwdziałających
poślizgowi kół), jak również ekonomicznego i przyjaznego
}ð Dla Å›rodowiska sterowania pracÄ… silnika.
}ð Obu problemom stawiono czoÅ‚a poprzez intensywnÄ…
elektronizacjÄ™ komunikacji wewnÄ…trz pojazdu
zawierającego wiele urządzeń. Oszacowano, że pojazdy
wyprodukowane około roku 2005 będą zawiera do 100
mikrokontrolerów i wszystkie powinny mieć możliwość
komunikowania się ze sobą. Jest oczywiste, że rezultatem
wszystkich tych połączeń będzie jeszcze większa i bardziej
rozgałęziona plątanina kabli. Na przykład, w nowoczesnym,
dobrej jakości samochodzie jest do 2000 metrów kabli.
Oczywiście, system magistrali stosowanych w tym przemyśle,
wymagał adaptacji dla zastosowania w pojazdach,
przedewszystkim z następujących powodów:
}ð - przenoszenia danych z maÅ‚Ä… i dużą szybkoÅ›ciÄ… w zakresie od
5kb/s do 1Mb/s,
}ð - bezbÅ‚Ä™dnego przenoszenia danych,
}ð - optymalnego przenoszenia mikrostrumieni danych, takich jak
uzyskiwane z czujników lub urządzeń wykonawczych, to jest
złożonych z 0..8 bajtów na komunikat,
}ð - Å‚atwoÅ›ci utrzymania,
}ð - niskich kosztów w masowej produkcji,
}ð - prostoty konstrukcji magistrali (media magistrali, topologia
magistrali) dla Å‚atwej integracji w pojez
dzie.
Niestety, wielcy producenci samochodów opracowali już swoje
własne magistrale, które nie są kompatybilne z
odpowiednikami u innych producentów. Wszyscy prp
bowali
doprowadzić do przyjęcia swoich systemów jako systemu
międzynarodowego, to jest do zaakceptowania ich jako
międzynarodowego standardu i uzyskania dla siebie wszystkich
oczywistych korzyści ekonomicznych i komercyjnych. Nie
wszystkie systemy mogły być łatwo zestandaryzowane.
Zasadniczo, przyjęły się cztery z nich:
}ð CAN (w wersjach o maÅ‚ej i dużej szybkoÅ›ci),
}ð VAN,
}ð J1850CP
}ð J1850DLC.
Dziś system CAN jest światowym liderem na polu magistrali
dla pojazdów.
Jako taki jest obecnie stosowany nie tylko w samochodach
takich marek jak Mercedes, Lexus, Jaguar i Chrysler, Opel,
Fiat i Volkswagen.
}ð Nie tylko przemysÅ‚ samochodowy odkryÅ‚ zalety magistral,
ale również przemysły automatyzacji i przetwórczy.
Przemysły te wykorzystują pomysł CAN dla pomiarów,
kontroli i sterowania, w robotach i silnikach. Pomysł ten
jest również stosowany w budownictwie, w sterowaniu
windami, systemami automatyzacji laboratoriów,
systemami czujnikowo-wykonawczymi i innymi.
Jeśli struktura systemu komunikacyjnego ma być powszechnie akceptowana,
należy znalez
ć odpowiedzieć na kilka pytań dotyczących standardu:
}ð - Jak fizycznie (elektrycznie, logicznie) bÄ™dÄ… zorganizowane różne części
sieci?
}ð - Jak bÄ™dzie wyglÄ…dać wynikowa topologia sieci?
}ð - Jak dane bÄ™dÄ… porzÄ…dkowane i przesyÅ‚ane poprzez odpowiednie medium
(kabel czy światłowód lub powietrze za pomocą podczerwieni)?
}ð - Jakie sÄ… reguÅ‚y wymiany danych pomiÄ™dzy różnymi częściami?
}ð - Jak zapobiegać, rozpoznawać, korygować bÅ‚Ä™dy przesyÅ‚ania danych?
}ð - Jak jest sformowany protokół przesyÅ‚ania danych?
}ð - Jak jest zorganizowany dostÄ™p do medium przesyÅ‚ania danych dla
wszystkich elementów (stacji) związanych z ich przesyłaniem?
}ð - Jak sÄ… rozstrzygane konflikty, gdy kilka elementów zechce przesyÅ‚ać dane
w tym samym czasie? (dotyczy to dostępu do medium, czyli tak zwanego
arbitrażu).
Model OSI - CAN
}ð W poczÄ…tkach lat dziewięćdziesiÄ…tych
International Standard Organisation (ISO)
zaczęła układać międzynarodową normę dla
magistral pojazdów, kiedy to magistrala CAN
znacząco ugruntowała swoją mocną pozycję.
}ð PodstawÄ… procesu standaryzacji komunikacji
danych, jest Siedmiowarstwowy model
odniesienia ISO/OSI. W przypadku
niektórych systemów komunikacyjnych,
włącznie z systemem magistrali dla pojazdów,
warstwy ISO 3..6 są puste, tak że dla
magistrali CAN tylko warstwy 1, 2 i 7 sÄ…
wyspecyfikowane szczegółowo.
Warstwa 1 (Fizyczna) CAN
W tej warstwie znajdujÄ… siÄ™ specyfikacje medium transmisji
danych, złączy, poziomów przesyłania oraz elementów
nadawczych i odbiorczych. Dwoma standardami zwiÄ…zanymi z
CAN sÄ…:
}ð ISO11529-2: CAN o maÅ‚ej szybkoÅ›ci.
Jej podstawÄ… jest opracowanie zapoczÄ…tkowane przez firmÄ™
Bosch we wczesnych latach osiemdziesiÄ…tych i kontynuowane,
przy silnym wsparciu Intela, aż do zintegrowania protokołu w
układzie scalonym. Mała szybkość odnosi się do szybkości
przesyłania od 5kb/s do 125kb/s.
}ð ISO11898: CAN o dużej szybkoÅ›ci.
}ð Ten standard dotyczy szybkoÅ›ci przesyÅ‚ania danych do 1Mb/s.
Warstwa 2 (A
Ä…cza danych)
}ð Warstwa ta okreÅ›la jak staje siÄ™ dostÄ™pne medium
przesyłania danych, gdy jakaś część systemu chce wysłać
dane, jak jest tworzony komunikat (adres, sterowanie,
dane i zabezpieczenie przed błędami) i jaki jest protokół
przesyłania danych. Normy te można również znalez
ć w
ISO11898.
}ð Ponadto, specyfikacja CAN 1991w Warstwie 2 byÅ‚a
modyfikowana, tak że występują jej dwie wersje:
CAN2.0A i CAN2.0B.
Zależność  długości magistrali od prędkość
transmisji
Magistrala
}ð Stan recesywny może
być nadpisywany przez
stan dominujÄ…cy!
}ð Wartość logiczna 0 
stan dominujÄ…cy
}ð Wartość logiczna 1 
stan recesywny
Pakiety danych
}ð Ramka danych
}ð Ramka zdalnego wywoÅ‚ania
}ð Ramka sygnalizacji bÅ‚Ä™du
}ð Ramka przpeÅ‚nienia
CAN 20A  11bitowe pole
2032 możliwych ramek
Ramka CAN 20A (telegram) CAN 20B  29 bitowe pole
adresowe w arbitrażu
EFF  Extended Frame Format
536870912 ramek
Start Of Frame (SOF)
Remote Transmission Request (RTR)  do konketnej stacji
Identifier Extension (IDE)  określa wersję 11 czy 29 bitów
Data Length Code (DLC)  ile bajtów danych w polu danych
Cyclic Redundant Check (CRC)  kod sumy kontrolnej
ACKnowledge (ACK) field  pole potwierdzenia nadpisywane przez
End Of Frame (EOF)  koniec ramki  czas na przetworzenie lub zapamiętanie danych
Intermission Frame Space (IFS)  pole przerwy
Arbitraż w CAN
Wywołanie zdalne
}ð Identyfikator stacji, do której jest wysyÅ‚ane żądanie jest podawany w
polu identyfikatora.
}ð Liczba użytecznych bajtów zawartych w wywoÅ‚ywanej wiadomoÅ›ci
jest podawana w polu DLC.
}ð - Bit zdalnego żądania transmisji RTR (Remote Transmission
Request), który jest bitem dominującym (0) w ramce danych jest
}ð tworzony i transmitowany recesywnie (1). Jest to typowy sposób
}ð identyfikacji stacji, która żąda danych bezpoÅ›rednio z innej
}ð okreÅ›lonej identyfikatorem stacji.
}ð - Nie ma pola danych w ramce zdalnego żądania transmisji
}ð (RRF): pole DLC jest bezpoÅ›rednio przed polem CRC. Inaczej
}ð mówiÄ…c, ramka zdalnego żądania transmisji (RRF) jest
skomponowana podobnie do ramki danych, ale z liczbą 0 bajtów
}ð danych.
Kontrola błędów w CAN
Podsumowanie
}ð Sieć przemysÅ‚owa zaprojektowana na potrzeby przemysÅ‚u motoryzacyjnego,
obecnie popularna również w zastosowaniach przemysłowych,
}ð Transmisja danych jest zgodna ze strukturÄ… modelu ISO/OSI na poziomie
warstwy fizycznej i Å‚Ä…cza danych,
}ð Popularne rozszerzenia sieci CAN to CANOpen iDeviceNet,
}ð Sieć o topologii szyny lub gwiazdy,
}ð Szybkość przesyÅ‚ania danych od 5kb/s do 1Mb/s,
}ð Maksymalna dÅ‚ugość magistrali  od 40 metrów do 5000 metrów (z
repeaterami),
}ð Maksymalna liczna wÄ™złów  64 (DeviceNet), 99 (CANOpen),
}ð Dwie podstawowe normy dotyczÄ…ce sieci CAN  ISO 11898 (prÄ™dkoÅ›ci
transmisji do 1Mb/s) oraz ISO 11519 (prędkości transmisji do 125kb/s),
}ð Brak adresowania wÄ™złów  komunikaty opatrzone identyfikatorami,
}ð Możliwe doÅ‚Ä…czanie urzÄ…dzeÅ„ do sieci bez wyÅ‚Ä…czania zasilania,
}ð Wykrywanie bÅ‚Ä™dów i automatyczna retransmisja bÅ‚Ä™dnych komunikatów.
Opel Vectra
Opla Vectra wyposażono w trzy sieci CAN łączące 25 urządzeń. Różne urządzenia
wymagają różnej prędkości przesyłania bitów, zatem sieć CAN podzielona jest na 3
sieci pracujące z różnymi prędkościami.
}ð Najszybszy transfer 500 kb/s osiÄ…ga sieć przeznaczona do sterowania
najważniejszymi elementami samochodu wymagającymi krótkiego czasu przesyłania
informacji takimi jak system ABS, ESP, sterowanie silnika.
}ð Druga sieć o transferze danych 95,2 kb/s obsÅ‚uguje takie urzÄ…dzenia jak radio,
system nawigacyjny, klimatyzacja. Sieć ta odpowiada za przesyłanie informacji z tych
urządzeń na wyświetlacze. Oddzielenie sieci CAN obsługującej część informacyjną
samochodu miałona celu skrócenie czasu przesyłania informacji na wyświetlacze
oraz łatwiejsze dołączanie nowych urządzeń.
}ð Szybkość przesyÅ‚ania informacji do takich urzÄ…dzeÅ„ jak centralny zamek, kontrola
oświetlenia, elektryczne sterowanie podnoszeniem szyb i regulacją lusterek nie musi
być duża.
Samochód ten posiada również specjalne elektroniczne panele kontrolne ECU
(Electronic Control Units), które łączą 3 sieci z 30 systemami czujników. W celu
zredukowania poboru mocy wszystkie ECU's wyposażone są w tryb pracy
oszczędnej. W tym trybie pracy samochód będzie sprawny stojąc przez 40 dni bez
Å‚adowania akumulatora.
Mecedes SL
}ð W produkcie Mercedesa zastosowano podobnie jak w Oplu
Vectra 3 sieci CAN ,które połączone są ze sobą za pomocą 2
bramek. Redukują one długość okablowania oraz liczbę łączy
elektrycznych o 20%. Mimo to długość przewodów wynosi
2110 m. Z wykorzystaniem CAN sterowany jest system EHB
(Electro-hydraulic Braking). Działanie systemu EHB polega na
tym, że ciśnienie płynu hamulcowego uzyskuje się poprzez
specjalną elektryczną pompę wysokiego ciśnienia. System
rozdziela również siłę hamowania na poszczególne koła.
Komunikację między kontrolerem a elementami EHB zapewnia
sieć CAN, która może łączyć również ten system z innymi
systemami np. ESP (Electronic Stability Program), ACC
(Adaptive Cruise Control), ABS. Samochód wyposażono w
ECU's, które są jednymi z najbardziej energooszczędnych.
Bibliografia
}ð Elektronika Praktyczna 1/2000 cz. I, II
}ð CAN in Automation http://www.can-cia.de/
}ð BOSCH http://www.can.bosch.com
}ð Automatyka B2B http://automatykab2b.pl/technika/138-
can-zdobywa-popularnosc-w-przemysle
}ð BOSCH CAN Specification Version 2.0
http://www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf