Характеристики CAN шины

Введение

План

Лекция 14. Тема 3.5 Технология CAN

· Введение

· Характеристики CAN шины

· Топология сети CAN.

· Типы сообщений сети CAN.

· CAL /CANopen

· CAN Kingdom

· DeviceNet

· SDS (Smart Distributed System)

· Принципы работы сети CAN

· Типы фреймов в CAN протоколе

· Средства управления доступом к шине в CAN протоколе

· Адресация в CAN протоколе

· Методы обнаружения ошибок.

CAN (Controller area network) – протокол получил всемирное признание как универсальная, эффективная, надежная и экономически приемлемая платформа для подвижных систем, машин, технического оборудования и индустриальной автоматизации.

Сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) был разработан в 80-х годах фирмами BOSCH и INTEL для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. Последняя спецификация интерфейса 2.0, разработанная фирмой BOSCH в 1992 г., является дополнением предыдущей версии.

Под терминами "CAN стандарт" или "CAN протокол" понимаются функциональные возможности, которые стандартизированы в ISO 11898.

Этот стандарт объединяет физический (Physical Layer) и канальный (Data Link Layer) уровни в соответствии с 7– уровневой OSI моделью.

Очень большой объем работы по стандартизации CAN-технологии проводит международная ассоциация потребителей и производителей CAN (CiA), основанная в марте 1992 года.

Более 320 фирм со всего мира, в том числе и из России, объединилось в эту некоммерческую ассоциацию, которая разрабатывает и поддерживает различные высокоуровневые протоколы, объединенные под аббревиатурой HLP (Higher Layer Protocol). В этот перечень входят:

· CAN Application Layer (CAL);

· CANopen;

· CAN Kingdom;

· DeviceNet;

· Smart Distributed Sysrem (SDS);

· NMEA 2000.

Однако практическая реализация даже очень простых промышленных систем на базе CAN показывает, что помимо предоставляемых сервисов канального уровня необходимо включить следующие функции:

· передача блоков данных длиной более 8 байт;

· подтверждение пересылки данных;

· распределение идентификаторов;

· запуск сети и функции супервизора узлов.

Так как эти функции непосредственно используются прикладным процессом, вводятся понятия уровня приложений (Application Layer) и протоколов высокого уровня. Обычно их и называют термином "CAN протоколы. CAN-интерфейс обеспечивает высокую надёжность, компактность и хорошие динамические характеристики, необходимые распределённым системам управления. В настоящее время наблюдается активное распространение интерфейса в различных системах. Ведущие изготовители INTEL, MOTOROLA, SIEMENS, PHILIPS и т.д. выпускают элементную базу для построения CAN систем (CAN release 2.0 ISO11898 1992 г.). Современные бортовые компьютеры и контроллеры, промышленные роботы и системы, датчики, исполнительные устройства обеспечиваются необходимыми интерфейсами для работы в CAN-сети. Активному распространению CAN-интерфейса способствуют следующие его особенности:

• Наличие готового аппаратно реализованного протокола нижнего уровня, позволяющего существенно упростить программирование, уменьшает затраты процессорного времени системы, а также обеспечивает полную совместимость с изделиями, производимыми другими изготовителями. Например, в простейшем случае для передачи байта по CAN-сети, состоящей из нескольких устройств, достаточно указать адрес и передаваемое сообщение (может содержать от 1 до 8 байт).
• Гибкая система задания приоритетов и аппаратный арбитраж устройств, работающих на CAN-шине, обеспечивают быстрое время реакции на возникающие в системе события. В этом его принципиальное отличие от других сетевых интерфейсов (например, Ethernet). Обычно в CAN-системе наивысший приоритет задается для каналов, обрабатывающих аварийные ситуации или генерирующих синхросигналы.
• Идентификатор сообщения позволяет задавать 211 (короткий) или 229 (длинный) адреса сообщений. CAN-контроллер каждого из сетевых устройств позволяет одновременно обрабатывать несколько идентификаторов, т.е., фактически, в каждом из устройств может быть организована группа независимых каналов обмена информацией. При этом программно можно изменять идентификаторы каждого канала, что обеспечивает CAN-сети большую гибкость. Например, один из каналов может быть использован для одновременного приёма сообщений всеми устройствами.
• Аппаратная коррекция ошибок при обмене и дифференциальный приёмопередатчик, подавляющий синфазные помехи, обеспечивают высокую помехозащищённость. Если во время работы на приемном конце было принято неверное сообщение, CAN-контроллер автоматически реинициализирует передачу того же сообщения. Этот процесс происходит без участия программиста и продолжается до тех пор, пока сообщение будет передано без ошибок или пока не переполнится счётчик ошибок.
• Система гибкой адаптации к используемой линии передачи (программирование задержек и скорости передачи в зависимости от качества и длины линии передачи). Максимальная длина CAN-шины до 1 км. Используя дополнительные контроллеры в качестве ретрансляторов, можно существенно увеличить расстояние обмена.
• Скорость обмена до 1 Мбит/с вполне достаточна для систем управления реального времени, учитывая, что обмен ведётся между интеллектуальными устройствами.
• Низкая стоимость. Цена микроконтроллера с интегрированным интерфейсом ниже стоимости отдельных устройств.

Обладая свойствами сетевого интерфейса и микропроцессорной шины, CAN позволяет строить сложные адаптивные системы управления реального времени. В то же время простота его использования и низкая стоимость делают его весьма привлекательным для применения в различных электронных устройствах и системах (более подробное описание смотри в статье "CAN-интерфейс").

Из семиуровневой модели OSI CAN протокол использует физический уровень, уровень канала данных и уровень приложений (таблица 3.9). Транспортный уровень представляет собой ядро CAN протокола.

Таблица 3.9 − Функции уровней протокола CAN

Объектный уровень	· Фильтрация сообщений Обработка сообщений и состояний
Транспортный уровень	Синхронизация Доступ к шине Разделение на фреймы Определение и передача ошибок · Минимизация неисправностей · Арбитраж
Физический уровень	· Представление сигналов и битов Среда передачи

Он отвечает за синхронизацию, арбитраж, доступ к шине, разделение посылок на фреймы, определение и передачу ошибок и минимизацию неисправностей.

Дифференциальное включение приемопередатчиков обеспечивает подавление синфазной помехи, при этом уровень сигналов составляет одну треть от значения напряжения питания, причем само напряжение питания жестко не определено (рисунок 3.28).

Скорость обмена до 1 Мбит/с при длине линии 60 м.

Возможно применения гальванической развязки, причем гальваническая развязка может устанавливаться приемо – передающим буфером и микросхемой, обеспечивающей функции CAN, либо между микросхемой и остальной системой.

CAN протокол отличается повышенной помехоустойчивостью, надежностью и следующие достоинства:

· конфигурационная гибкость;

· получение сообщений всеми узлами с синхронизацией по времени;

· неразрушающий арбитраж доступа к шине;

· поддержка мультимастерного режима;

· обнаружение ошибок и передача сигналов об ошибках;

· автоматическая передача сбойных сообщений при повторном доступе к шине;

Рисунок 3.28 − Уровни сигналов CAN - протокола

Краткие технические характеристики протокола:

· топология-шина – (моноканал) или звезда-моноканал с терминаторами на концах;

· длина сегмента – 100 метров при скорости передачи 0,5 Мбит/с;

· физическая среда – стандартно витая пара, но САN спецификация не определяет тип физической среды CAN сети. Протокол CAN работает и на витой паре, и на оптоволокне, и на высоковольтной линии 220 В, и радиоканале, и на ИК–канале;

· производительность– максимальная 1,6 Мбит/с на длине шины 10 метров, стандартная 250 Кбит/с на длине шины до 500 метров;

· метод передачи данных – последовательная асинхронная передача данных, возможность групповой передачи, NRZ кодирование с битстаффингом;

· способ доступа к среде – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Arbitration), захват шины через приоритет фрейма, встроенный арбитраж на битовом уровне;

· количество устройства на шине – неограниченно (теоретически), до 256 (практически), просто подключаются и отключаются (plug & play);

· максимальное расстояние между узлами – до 1 км;

· цикл шины – зависит от максимально допустимой задержки на сообщение с высоким приоритетом, реально менее 20 mс для 1Мбит/с;

· контроль ошибок – каждый CAN контроллер выполняет мониторинг своего передатчика и всех приемников, 15 битовая CRC, все участвуют в проверке битстаффинга и целостности фрейма

Зависимость длины шины от скорости передачи представлена в таблице 3.10.

Таблица 3.10 – Соотношение скорости и длины кабеля в CAN.

Скорость передачи, кбит/с	Максимальная длина для кабеля (витая пара), м

Дата добавления: 2013-12-12