شبکه محلی کنترلر Controller Area Network (CAN)

فهرست مطالب تاریخچه نياز به ارتباط سريال در وسايل نقليه استفاده از شبکه CAN در وسايل نقليه کاربردهای صنعتی شبکه CAN نحوه عملکرد شبکه CAN پيغامهای CAN با فرمت توسعه يافته پياده سازی پروتکل CAN اتصال فيزيکی CAN

تاریخچه معرفی توسط Robert Bosch در مجمع مهندسین خودرو (SAE) در سال 1986 با نام “Automotive Serial Controller area Network” استفاده برای ماشینهای بافندگی از سال 1990 ساخت اولین چیپ CAN در سال 1987 توسط شرکت Intel ادامه ساخت چیپهای CAN توسط شرکتهای Phillips Semiconductors، Motorola، NEC و امروز 15 شرکت قطعات نیمه هادی چیپهای CAN را تولید می کنند. انتشار استاندارد 11898ISO در سال 1993 جهت تعریف CAN برای استفاده صنعتی تشکیل گروه CAN in Automation (CiA) در سال 1992 تعریف پروتکل برای ارسال برنامه ریزی شده پیغامهای CAN تحت عنوان Time Triggered CAN (TTCAN) در سال 2000.

نياز به ارتباط سريال در وسايل نقليه رشد سیستمهای کنترل الکترونیکی خودرو به دلیل نیاز به امنیت و راحتی بیشتر و کاهش مصرف انرژی کاربرد سیستمهای کنترل خودرو: تنظیم زمان موتور، جعبه دنده، کنترل سوپاپ کاربراتور، سیستم ضد قفل (ABS)، کنترل گیر شتاب (ASC) نیاز به تبادل اطلاعات با پیچیده شدن اعمال انجام شده در سیستمها اتصال ایستگاهها (کنترلرها، سنسورها و محرکها) با باس سریال پروتوکل CANمربوط به لایه دیتا لینک در مدل مرجع ISO/OSI مزایا: شناسایی و اصلاح خطاهای ارسال، ساختار ساده و عیب یابی مرکزی هدف: امکان ارتباط هر استگاه با دیگری بدون گذاشتن بار زیاد روی کامپیوتر کنترلر

استفاده از شبکه CAN در وسايل نقليه چهار کاربرد اصلی با نیازها و اهداف مختلف کنترلرهای شبکه ای برای تنظیم زمان موتور، انتقال، شاسی و ترمزها، (نرخ دیتا حدود 200kbit/s تا 1Mbit/s) اجزای شبکه دستگاههای الکترونیکی شاسی و دستگاههای الکترونیکی که راحتی خودرو را بیشتر می کند، مانند کنترل نور، تهویه هوا، قفل مرکزی، تنظیم صندلی وآینه استفاده از ارتباط سریال در ارتباط موبایل جهت اتصال اجزایی مانند رادیوها، تلفنها و سیستم ناوبری خودرو عیب یابی با استفاده از مدار واسطه بر طبق ISO9141

کاربردهای صنعتی شبکه CAN مقایسه نیازمندیهای مطلوب سیستمهای باس وسیله نقلیه و سیستمهای فیلدباس صنعتی: هزینه کم عملکرد در محیط الکتریکی سخت و خشن قابلیتهای بالای real-time سهولت استفاده استفاده استاندارد از CAN در کلاس s مرسدس بنز و تطبیق آن با کارخانجات صنعتی خودرو ایالات متحده برای ارسالات سریع تا 1Mbit/s ماشن آلات و تجهیزات کارخانجات موبایل، کشاورزی و کشتیرانی دستگاههای پزشکی، ماشینهای بافندگی و کنترل آسانسور گروههای سازندگان و استفاده کنندگان تکنولوژی CAN CAN Textile Users Group CAN in Automation

نحوه عملکرد شبکه CAN تبادل اطلاعات داوری غیر مخرب به طریق بیت (non destructive bitwise arbitration) کارایی تخصیص باس فرمتهای فریم پیغام خطاهای شناسایی و سیگنالینگ قابلیت اعتماد دیتای پروتکل CAN

اصول تبادل دیتا عدم مشخص کردن آدرس ایستگاه هنگام ارسال دیتا با CAN معرفی محتوا (مانند سرعت یا دمای موتور) و تعیین اولویت یک پیغام با یک شناسه منحصر به فرد در شبکه برای تعیین اختصاص باس در زمان رقابت ایستگاهها مراحل تبادل دیتا Make ready: رد کردن دیتای ارسالی و شناسه ها به چیپ CAN Send Message: بازسازی و ارسال پیغام توسط چیپ CAN به محض دریافت تخصیص باس Receive Message: تمام ایستگاههای دیگر به عنوان گیرنده پیغام خواهند بود. Select: هر ایستگاهی که به درستی پیغام را دریافت کرده است بررسی می کند که آیا دیتای دریافتی مربوط به ان ایستگاه است؟ Accept: در صورت دارای اهمیت بودن دیتا برای ایستگاه پردازش می شود.

ارسال Broadcast و فیلتر کردن پذیرش توسط گرههای CAN

مزایای اصول تبادل دیتا در CAN انعطاف پذیری زیاد سیستم و ساختار به دلیل آدرس دهی بر اساس محتوا امکان اضافه کردن راحت ایستگاهها به شبکه بدون اصلاحات سخت افزاری یا نرم افزاری پشتیبانی از اجزای الکترونیکی مدولار امکان داشتن چند گیرنده (broad cast, multi cast) امکان ارسال اندازه گیریها با شبکه و عدم نیاز به سنسور مجزا برای هر کنترلر

داوری غیر مخرب به طریق بیت (non destructive bitwise arbitration) ضرورت تبدل پیغامها در شبکه متفاوت است. کمیتها با تغییرات سریع (مانند بار موتور) نسبت به کمیتهای آهسته (مانند دمای موتور) دارای اولویت بیشتر ارسال می باشند. شناسه با عدد باینری کوچکتر دارای اولویت بیشتر است. مکانیزم wired and حالت غالب dominant: 0 منطقی حالت غیر غالب recessive: 1 منطقی در رقابت جهت تخصیص باس ایستگاهها با ارسال بیت غیر غالب و مشاهده بیت غالب حذف می شوند.

داوری غیر مخرب به طریق بیت (non destructive bitwise arbitration)

کارایی تخصیص باس روشهای تخصیص باس تخصیص با برنامه زمانی ثابت مانند token slot و token passing تخصیص بر حسب نیاز: بر اساس درخواستهای ارسال CSMA, CSMA/CD, flying master, round robin, bitwise arbitration روش دسترسی باس غیر مخرب مخرب

فرمتهای فریم پیغام پشتیبانی از دو فرمت فريم پيغام تفاوت اصلی در طول شناسه (ID) فرمت استاندارد طول شناسه: 11 بیت فرمت طولانی (Extended) طول شناسه: 29 بیت

فرمت استاندارد فریم پیغام شامل هفت فيلد اصلی داوری (Arbitration) کنترل (Control) دیتا (Data) کد چرخشی (CRC) تصدیق (Ack) پایان (End of Frame) وقفه (Intermission) فیلد کنترل Remote transmission request (RTR) مشخص کننده فریم درخواست بدون بايتهای ديتا Identifier extension (IDE) مشخص کننده فرمت استاندارد یا طولانی DLC تعداد بايتهای ديتا در فیلد ديتا

شناسايی خطا انجام سه مکانيزم در سطح پيغام Cyclic Redundancy Check (CRC): محاسبه دوباره بیتها در گیرنده و مقایسه با بیتهای دریافتی Frame check: مقايسه فیلدهای بیت با فرمت ثابت ACK errors: عدم دريافت تصديق توسط فرستنده انجام دو مکانیزم در سطح بیت Monitoring: مقایسه بیت ارسالی با بيت دريافتی Bit stuffing: قرار دادن بیت با مقدار مکمل بعد از پنج بیت مساوی

قابلیت اعتماد دیتا در پروتکل CAN هدف: جلوگیری از هر گونه موقعیت خطرناک برای راننده ناشی از تبادل ديتا در طول عمر خودرو دسترسی به هدف در صورت بالا بودن قابلیت اعتماد دیتا یا کم بودن احتمال خطای باقیمانده قابلیت اعتماد در مورد دیتای سیستمهای باس: توانایی برای شناسایی دیتای خراب شده با عوامل ارسال

پيغامهای CAN با فرمت طولانی معرفی شناساگر 29 بيتی، 11 بیت پایه و 18 بیت توسعه یافته دو فرمت پیغام: استاندارد (2.0A) و توسعه یافته (2.0B) پیغام استاندارد نسبت به توسعه یافته اولویت دارد. کنترلرهای CAN که از فرمت طولانی پشتیبانی می کنند می توانند در فرمت استاندار پیغامها را ارسال و دریافت کنند. بیت IDE به صورت غالب در فرمت استاندارد و غیر غالب در فرمت طولانی می باشد. مقدار بیت RTR برحسب دیتای ارسالی یا درخواست پیغام خاص تعیین می شود. در فرمت طولانی برای دادن اولویت به پیغامهای فرمت استاندارد SRS به صورت غیر غالب ارسال می شود.

پيغامهای CAN با فرمت طولانی

پياده سازی پروتکل CAN کنترلر CAN با بافر واسطه يک بافر فرستنده و دو بافر گيرنده هزينه ساخت کم فضای کوچک چيپ قبول تمام موارد در شبکه CAN کنترلر CAN با حافظه خارجی سه بخش: شناسايی کننده، کد طول ديتا، ديتای مفيد اصلی فضای چيپ بزرگتر هزينه بالا اداره تعداد محدودی چيپ کنترلرهای برده CAN برای عمليات ورودی و خروجی SLIO (serial Link I/O) اداره با CAN Master

اتصالات فيريکی شبکه CAN استفاده از مدارات و چیپهای درايور بر طبق ISO 11898 تعیین اتصالات مکانيکی (کابلها و کانکتورها) توسط International users and manufactures group (CiA)

اتصالات فيزيکی CAN طبق ISO11898

حالتهای dominant و recessive Recessive state: CAN_L = CAN_H = 2.5V Dominant state: CAN_L = 1.5V, CAN_H = 3.5V

بخش کنترل الکترونیکی Electron Control Unit (ECU)

اتصال اجزای کنترل الکترونیکی به شبکه CAN ECU 1 ECU 2 CAN_H CAN_H CAN_L TBC_PWR Terminator Terminator CAN_H CAN_L TBC_RTN

مقایسه سیم کشی معمولی و باس سريال

ماکزیمم نرخ بیت بر حسب طول باس