Типы сообщений сети CAN

Топология сети CAN

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных (рисунок 3.29). Это означает, что все узлы сети одновременно принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Каждый узел состоит из двух составляющих:

· CAN контроллера, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол;

· микропроцессора (CPU).

CAN контроллеры соединяются дифференциальной шиной, имеющей две линии – CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы.

Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L.

Логическая единица – в случае, когда сигналы CAN_H и CAN_L одинаковы (отличаются менее чем на 0,5 В).

Использование такой дифференциальной схемы передачи данных позволяет использовать CAN сеть в очень сложных внешних условиях.

Доминантным битом является логический ноль, а рецессивным – логическая единица. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину логического нуля и единицы, на шине будет только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Рисунок 3.29 − Топология сети CAN.

Данные в CAN передаются короткими кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа кадров:

• Data Frame;

• Remote Frame;

• Error Frame;

• Overload Frame.

Data Frame – наиболее часто используемый тип сообщения (рисунок 3.30). Он состоит из следующих основных частей:

· поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть;

· поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных;

· слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит),.

Каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение, посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение, слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правильно принял его сообщение.

Remote Frame – это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 – рецессивный бит).

Основное предназначение Remote кадра – запрос передачи данных. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети.

Error Frame – это сообщение, явно нарушающее формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame.

Рисунок 3.30 − Data frame стандарта CAN 2.0A.

Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом.

Error Frame имеет всего два поля:

· Error Flag – 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing);

· Error Delimiter – 8 рецессивных битов. Error Delimiter вынуждает другие узлы сети обнаружившие Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame – повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload -кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload -кадр практически не используется.

К настоящему времени известно уже более четырех десятков разновидностей CAN протоколов.

Среди подобного многообразия наибольшее распространение, в особенности в системах промышленной автоматизации, получили четыре, поддерживаемых ассоциацией CiA и рассмотренных ниже. Это CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System).

CAL /CANopen

Фундаментом CAL служит канальный уровень CAN.

CAL является стандартом не ориентированным на конкретные приложения, не привязан к конкретным устройствам, и не определяет содержание передаваемых данных.

CAL предлагает стандартизованные элементы сетевого сервиса прикладного уровня и включает в себя четыре составные части:

· спецификация CAN сообщений (CMS CAN Message Specification);

· сетевое управление (NMT Network Management);

· распределение идентификаторов (DBT Identifier Distributor);

· управление уровнем (LMT Layer Management).

CMS определяет типы объектов, правила и механизмы передачи данных разных типов посредством CAN фреймов.

Сетевое управление взаимодействием типа мастер – слуга. Один модуль сети является NMT-мастером, все остальные NMT-ведомые.

NMT-мастер инициализирует, управляет NMT- слугами, которые желают принять участие во взаимодействии, и позволяет им общаться между собой посредством CMS-сервисов. В задачи сетевого управления входят контроль ошибок и конфигурирования устройств.

CANopen поддерживает синхронный и асинхронный, циклический и ациклический (событийный) режимы передачи данных.

К примеру, в асинхронном режиме узел должен просто послать PDO-сообщение о соответствующем событии (например, устройство с цифровым выходом изменило свое состояние, или устройство с аналоговым выходом может посылать значение только тогда, когда величина на входе превысила некоторый порог).

Такой режим позволяет сократить до минимума нагрузку на шину, повышая эффективность связи при меньших скоростях, а также добиться очень маленьких времен реакции на изменяемые данные, что является весьма критичным во многих приложениях.

Синхронный режим позволяет добиться жесткой синхронизации в работе различных устройств через задающий CAN-узел-генератор. Это очень существенно в приложениях, где удаленные входы и выходы должны читаться и записываться одновременно (в приложениях с замкнутым циклом управления). Например, CANopen позволяет легко добиться передачи одних значений переменных в каждый цикл, а других - один раз за n циклов.

В результате дополнения CAL системой профилей (устройств, интерфейсов, приложений и т. д.) и спецификациями физического уровня (типы соединителей, правилами битового квантования и т. д.) появился стандарт протокола CANopen.

CANopen содержит собственные правила битового квантования, а также определяет три рекомендуемых типа соединителей:

1. 9-контактный D-Sub (DIN 41652);

2. 5-контактный круглый Mini (ANSI/B93.55M-1981);

3. 5-контактное открытое клеммное соединение.

Разводкой контактов для всех типов соединителей предусмотрена возможность подачи питания на трансиверы узлов, имеющих гальваническую развязку.

В сети CANopen определены восемь градаций скоростей передачи данных: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500, 250, 125, 50, 20 и 10 кбит/с.

Поддержка скорости 20 кбит/с является обязательной для всех модулей.
В сети CANopen на прикладном уровне модули обмениваются между собой объектами – сообщениями COB (Communication Object), включающими в себя один или более CAN фреймов. Всего существует четыре типа таких объектов:

· данных процесса Process Data Objects (PDO);

· сервисных данных Service Data Object (SDO);

· специальных функций Special Function Objects;

· сетевого управления Network Management Objects.

SDO -объекты позволяют модулям обмениваться данными любого объема (при последовательностях более 8 байт благодаря использованию нескольких CAN фреймов) в ацикличном низкоприоритетном режиме.

Как правило, этот тип обмена (обязательный к поддержке всеми модулями) используется для конфигурирования устройств или настройки формата PDO объектов.

Обмен на основе PDO объектов, используется для синхронной (цикличной или ацикличной) или асинхронной (инициируемый внешними прерываниями) скоростной передачи.

Длина кадра не более 8 байт (длина поля данных фрейма CAN).

Имеет более высокий приоритет, чем SDO и применяется для пересылок данных в режиме реального времени.

NMT -мастер занимается администрированием сети. Он инициализирует устройства, обеспечивает контроль ошибок, а также производит их периодическую "перекличку" (Life Guarding) с помощью PDO сообщений (Node Guarding Object) для выявления нерабочих узлов.

Для максимального упрощения процесса интеграции модулей независимых производителей в единую сеть в CANopen используется концепция профилей. К настоящему времени завершено формирование следующих профилей устройств:

· модули ввода/вывода (аналоговые и цифровые) (DSP-401);

· приводы и модули управления перемещением (DSP-402);

· элементы человеко-машинного интерфейса (DSP-403);

· измерительные устройства и регуляторы (WD-404);

· кодеры (DSP-406).

Дата добавления: 2013-12-12