Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.
Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).
Рис. 1. Топология сети CAN.
CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет 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 делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях. Логический ноль — называется доминантным битом, а логическая единица — рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).
Типы сообщений сети CAN.
Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:
- Data Frame
- Remote Frame
- Error Frame
- Overload Frame
Data Frame — это наиболее часто используемый тип сообщения. 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 арбитража состоит в свою очередь из:
- для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
- для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал).
Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.
Remote Frame — это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 — рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра — это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).
Видео:CAN шина👏 Как это работаетСкачать
Error Frame — это сообщение которое явно нарушает формат солобщения 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. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив 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.
Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).
Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, каждый из них сравнивает, бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.
Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.
Методы обнаружения ошибок.
CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:
- Bit monitoring
- Bit stuffing
- Frame check
- ACKnowledgement Check
- CRC Check
Bit monitoring — каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.
Bit stuffing — когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.
Читайте также: Типоразмер шин поло лифтбек
Frame Check — некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.
ACKnowledgement Check — каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.
CRC Check — каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.
Механизм ограничения ошибок (Error confinement).
Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение). Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок: Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.
Видео:CAN Шина. Что такое протокол КАН. Часть 1Скачать
Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.
Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют. Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).
Адресация и протоколы высокого уровня
В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.
Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP — Higher Layer Protocols). Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.
Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.
Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:
Физичекий уровень протокола CAN
Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).
В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898. ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах — CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик — Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.
Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети. Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице:
скорость передачи максимальная длина сети 1000 Кбит/сек 40 метров 500 Кбит/сек 100 метров 250 Кбит/сек 200 метров 125 Кбит/сек 500 метров 10 Кбит/сек 6 километров Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.
CAN или не CAN? Или зачем мне сеть микроконтроллеров?
Этот вопрос мне пришлось задать себе лет десять назад или больше. Работа, которую надо было сделать, заключалась в дарении второй жизни диспетчерскому щиту. Это такая штука во всю стену, состоящая из лампочек и выключателей с переключателями. Думаю, не ошибусь, предположив, что щиты стали делать с тех пор, как появились лампочки, поскольку выключатели к тому времени, наверняка, уже были известны. А тяга к прекрасному, вообще, пришла к людям из далекой древности.
Читайте также: Что обозначают шины при постоянном токе
Сейчас многие предпочтут щитам дисплейные панели. Но будут ли любители дисплеев в большинстве, зависит от многого, нам неведомого. Но сейчас речь не об этом.
Каждый, кто может в течение пяти минут поддерживать разговор об электропроводке, сразу скажет мне, что щит состоит из плоских панелей, на которых размещены выключатели и лампочки, а также из ящика со множеством проводов. Ведь лампочка без проводов только для того и годится, чтобы ее или тупо разбить или, если подойти творчески и включить воображение, разместить у самого пытливого во рту и довольно быстро узнать, где находится травмпункт.
Видео:Подробно про CAN шинуСкачать
Все так и было, куча проводов, уходящих из ящика к выключателям и лампочкам, только лампочки — маленькие. Видимо, внучки знаменитой лампочки Ильича.
И вот, помнится, глянул за окно, а там 21-й век. Стало быть надо все делать заново и по-другому. Вместо лампочек — экономичные светодиоды. Вместо проводов — проводки. Вместо одного ящика — много-много маленьких ящичков, контроллеров, стало быть.
Оказалось, что если каждый контроллер сможет обслуживать четыре светодиода и два переключателя то это будет выглядеть оптимальненько. В смысле, не так ужасающе. А если через все контроллеры будет проходить шина питания и информационная шина, всего четыре провода, то появится некое изящество. Оказалось также, что контроллеров потребуется 104 штуки. По-хорошему, тут надо было бы поставить и решить задачу коммивояжера. И тогда, возможно, контроллеров потратили бы меньше. Но было не до хорошего.
К тому времени я уже знал, что такое CAN и уровень моего уважения к фирме Bosch был много выше, нежели у повара приличного ресторана или аккуратной домохозяйки. А производители автомобилей BMW, я уверен, даже ходили к инженерам Bosch в гости.
Controller Area Network, как сказали бы иностранцы, на мой взгляд, как техническое решение, возникло из желания сделать что-то, наконец, хорошо. Не скрою, все прелести результатов работы инженеров почувствуешь не сразу, как осилишь два тома стандарта, а значительно позже. Когда пообщаешься с очевидцами, опросишь свидетелей. Сейчас томов прибавилось, но, может быть, можно сразу начинать с третьего, поскольку, теперь оно называется CAN_FD. Однако, позвольте продолжить.
Еще до столкновения со щитом мне пришлось столкнуться с чужими инженерными решениями на тему использования CAN, а также наделать и своих ошибок. Ошибки обычно появляются в перерывах между чтением инструкций и изучением описаний. Хорошо, что только со второго раза они выглядят как грабли.
Теперь несколько тысяч слов для читателя, который терпимо относится к занудам и не считает их врагами.
CAN можно установить там, где раньше работал RS485 на витой паре. Витая пара — это не непременное условие, просто удобно сравнивать. Используя витую пару, по CAN, как и по RS485, можно передать сообщения от управляющего контроллера к подчиненному и получить ответ. Сходство бросается в глаза, но, давайте лучше остановимся на отличиях. Кое-какие из отличий могут нести знак минус для некоторых из читателей. Но им бы я посоветовал не огорчаться, а вспомнить закон Ломоносова.
Благодаря синхронной организации протокола разрешение коллизий на шине реализовано аппаратно, на лету, так сказать. Ниже отмечено, к чему это приводит и что это дает непоседливому инженеру.
Можно получить сообщение и без запроса.
Не надо ждать, когда ответ будет готов, можно спросить в это время еще кого-то.
Подчиненный контроллер тоже может спросить и получить ответ.
Из-за синхронной работы длина шины CAN обратно пропорциональна скорости передачи или типа того.
Максимальная скорость составляет 1 Мбод (10 — на подходе).
То, что сообщение не исказилось при передаче отправляющий знает сразу после последнего бита. Точнее, это знают все на шине.
Если сообщение исказилось для одного, попытка не засчитывается всеми.
Если сообщение удалось передать в шину, то абонент не получит его лишь при условии, что сломался.
Количество контроллеров на шине не должно превышать 127.Сообщения ограничены по длине. Они состоят из идентификатора, указателя длины в байтах и блока данных, именно с таким количеством байт, как указано. Есть еще несколько служебных битов, но о них пока помолчим, поскольку сервис должен быть ненавязчивым. Идентификатор может быть размером 11 или 29 бит. Блок данных может содержать от 0 до 8 байт (64 — на подходе).
Для конкретики приведу немного цифр. Если хочется работать на скорости 1Мбод, то длина шины не должна быть больше 35 метров (некоторые предпочитают 40, то есть, погорячее). Если необходимо передать что-то на расстояние до 8 км, то скорость не должна превышать 5 Кбод. Кстати, читатель вправе спросить, почему килобод, а не килобит? Потому, что не все боды становятся битами. Как-то так.
Как можно распорядиться всеми этими совсем не секретными ингредиентами? Те, кто во всем видят игру в кубики, сразу вспомнят, что есть такая замечательная вещь, как CANopen и еще много красивых сочетаний и аббревиатур и нечего изобретать велосипед. Таким мне часто хочется ответить: «Разве не похожа на велосипед та яичница из двух яиц, которую многие готовят себе на завтрак? Почему бы не сходить в общепит и не взять себе омлет?». Но я лучше промолчу и продолжу, не отвлекаясь на выкрики из зала.
Читайте также: Одна секционированная система сборных шин схема
Видео:Как управлять автомобилем через CAN-шину?Скачать
В те времена, когда 29 битовый идентификатора еще не успели придумать, существовал только 11 битовый. Одни его стали использовать, чтобы запихнуть туда название (номер) нужного вида данных. Другие использовали как адрес контроллера, к которому обращаются. И то и другое имело смысл. Например, можно спросить так:
- А подай-ка нам, милейший, шато тринадцатого года в литровой бумажной упаковке.
Заверните мне, пожалуйста, то, что спрятано у вас на самой нижней полке справа.
Кстати, в CAN может сработать и такая конструкция:Всем лежать! А ты быстро складывай все с полок мне в сумку.
Но этой конструкцией часто не попользуешься, поскольку после придется какое-то время ждать.
Ждать пока все ответы не выстроятся один за другим и не поступят в распоряжение запрашивающего контроллера. Мы уже ушли от кино, если что.
Меня в моем случае устроил бы вариант идентификатора в качестве адреса. Из 11 бит требовалось 7 и еще 4 оставалось на то, чтобы сделать одни сообщения более срочными по сравнению с другими, а также пометить часть контроллеров как главные.
Некоторое неудобство перекочевало сюда из RS485, а именно, адреса надо было устанавливать вручную на каждом контроллере. Затем проверять и переустанавливать. И, возможно, вернуться к предыдущему шагу и повторить.
К счастью, к тому времени уже существовали два обстоятельства.Первое — уже появился 29 битный идентификатор. А второе то, что многие производители микроконтроллеров стали считать хорошим тоном условие, чтобы каждый чип имел свой уникальный и довольно длинный номер.
Теперь в длинном идентификаторе можно было 24 бита смело отвести для уникального адреса. Еще 5 оставалось, для заботы о том, чтобы поезда различались срочностью, направлением (туда, обратно), наличием вагона-ресторана и вагонов с повышенным комфортом.
Если перестать дурачиться и сделаться серьезным, назвать подчиненных контроллеров агентами, а остальных боссами, то можно составить таблицу. Она будет показана немного позже.
Еще немного про адресацию. Уникальный номер чипа, как правило, занимает количество битов значительно превышающее 24, например, 96 у STM32FXXX. Поэтому необходимо как-то получить 24 из 96. Я выбрал операцию XOR. Вы можете выбрать что-то другое, но небольшая проблема останется. Это совпадения адресов после редуцирования.
Вероятность появления этой проблемы крайне мала, но она есть. Она решаема, но добавляет работы наладчикам. Здесь надо вспомнить, что сообщения CAN могут не содержать данных совсем. Это нам и пригодиться при решении. Оно состоит из следующих действий.
Управляющий контроллер (босс) отправляет широковещательный запрос, на который должны ответить все агенты (это запрос с нулевым адресом). Ответные сообщения с нулевой длиной данных и совпадающими адресами не испортят друг-друга, а достигнут босса в виде одного.
Теперь останется подсчитать сколько получено ответов и сколько их должно быть. Если эти два числа совпадают, значит все в порядке. Если ответов меньше чем контроллеров, то налицо совпадение адресов и наладчикам есть работа. А если ответов больше, нежели контроллеров, то надо подумать о диссертации, поскольку, вы — на пороге открытия.
Если изменение длины сообщения рассматривать как некоторые вариации его смысла, то можно получить дополнительные возможности, о которых позже расскажу, если мама не позовет кушать.
Еще из интересного, если использовать и короткие и длинные идентификаторы одновременно, то можно получить, например, адресацию групп или частично широковещательные запросы. Но не будем пока углубляться.
Вернемся к кодированию идентификатора.
Видео:Шина CAN. Часть 1. Разбираемся как работает CAN bus, разберем кадр данных до "костей".Скачать
Для целей адресации в расширенном идентификаторе отведено 24 бита, а в стандартном – шесть. Адрес со значением 0x000000 является широковещательным для расширенного идентификатора. Для стандартного идентификатора нулевой адрес (6 его бит) также считается широковещательным. Пять начальных (старших) битов в длинном и коротком идентификаторе, называются заголовком, влияют на смысл сообщения и обозначаются буквами NVADR:
Конечно, для диспетчерского щита потребовалось реализовать только часть этой схемы. В первом проекте со щитом (или на щите, как правильно?) использовались чипы Cortex от NXP, а в следующих проектах (были и такие) уже применялись M0 от STMicroelectronics.
Пару слов об использовании коротких идентификаторов. Те шесть бит, которые отводятся для адресации, адресуют не контроллер, а группу. Эта группа при старте сначала у всех нулевая. Далее производится конфигурирование агентов, после которого часть из них или все становятся принадлежащими своей группе. Теперь запросом к группе, мы получаем ответы тех агентов, которые мы собрали в эту группу.
Теперь, немного о том, что добавляется, если по-разному трактовать сообщения с различной длиной данных. Например, запрос с нулевой длиной хорошо помогает при отладке, как уже упоминалось выше. Запрос с длиной 3 обслуживает пространство байтовых переменных размером 16384. Запрос с длиной 4 делает то же самое, но предназначен для агента-шлюза, который обслуживает CAN шину второго уровня. Эта шина может состоять из одного-двух агентов, зато удаленных на пару километров.
Запрос с длиной 5 и 6, аналогично, предназначены для пространства двухбайтовых переменных размером 4194304. Два бита используются не для адресации. Один бит управляет записью-чтением. Другой сигнализирует об ошибке.
Далее 7 и 8 обслуживают четырех байтовые слова. Их тоже 4194304.
Эти пространства являются общими для всех агентов. Каждый из них, в зависимости от предназначения, использует только отрезок пространства переменных. Контроллер для измерения температуры в двух точках представлен на фото. Это для отладки и тестирования.
Соединяются контроллеры плоским шлейфом на 6 жил. На питание идут сдвоенные. Микросхема о двадцати ногах — это STM32F042.
С обратной стороны присутствует MAX3051, формирователь CAN в корпусе SOT23-8.
Ну вот, мама кушать зовет.- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
🎥 Видео
Экспресс диагностика CAN шины на автомобиле. №21Скачать
поиск нерабочей can шины, часть дваСкачать
#8. Как найти параметр пробега в CAN-шине?Скачать
Arduino CAN Monitor (простейший монитор шины CAN)Скачать
CAN Считывание и определение данных уровня топлива из CAN шиныСкачать
MCP2515, контроллер CAN шины с интерфейсом SPIСкачать
Как проверить CAN шину Используем симулятор ElectudeСкачать
Мерседес разьем CAN шины, как выглядит и где?Скачать
Вот вам и китайская резинаСкачать
Что такое CAN шинаСкачать
Как ставить асимметричные #шины? #автоСкачать
Отличие китайской шины от российскойСкачать
Сканер не подключается: поиск неисправности CAN шины (видео 57)Скачать
что обозначают точки на колёсах? красная и жёлтаяСкачать
Вебинар: Как найти любые данные из CAN-шины любого автомобиля?Скачать
