CAN шина. Часть 1

1. Локальная сеть контроллеров (CAN)

Области применения.

Электронные распределители,  Автомобили, Морские суда, Гидравлическое оборудование, Текстильная

 Промышленность, Перерабатывающая промышленность, Медицинское оборудование, Железная дорога,

 Строительная  автоматизация, Авиационная радиоэлектроника, Бытовые приборы, Вооруженные силы,

 Обработка материалов, Сельское хозяйство, Телекоммуникация, Грузовики, Строительные Машины и 

Транспортные средства, Индустриальная автоматизация.

Общие сведения

Локальная сеть контроллеров CAN это стандарт серийной шины, разработанный в 80-х годах  Robert
 Bosch

 GmbH, для соединения электронных блоков управления. CAN был специально разработан для
 устойчивой работы в насыщенной помехами окружающей среде с применением разносторонне
 сбалансированной линии
, такой как RS-485. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары.
 Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в
 разнообразных
 системах управления,  в т.ч. индустриальных, работающих в  насыщенной помехами окружающей среде.
Скорость обмена данными до 1Mbit/s возможна в сетях протяженностью не более 40м. Снижение скорости
 обмена позволяет увеличить протяженность сети, например - 250 Kbit/s при 250м.
CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11898-1 (2003). Этот стандарт главным образом
 описывает
 слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля
 доступа
 (MAC),
 и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на
усмотрение
 разработчика сети.

CAN сети и их разновидности

Существуют различные CAN сети. Например, в автомобилях CAN сети разделены на две категории, 

основанные

 на принципе передачи данных по сети.
Сети контроля систем комфорта и удобств, с большим количеством идентификаторов информации,

 которые

 передаются без соблюдения определенного порядка или частоты.
И сети контроля силовой установки, управляют информацией относящейся к двигателю и трансмиссии

. Содержат

 меньшее количество информации, но информация передается организованно и быстро.

Общая характеристика

•    Интегрированная серийная коммуникационная шина для приложений работающих в режиме

 реального

 времени.
•    Сеть работоспособна при скорости обмена данными до 1Mbit/s.
•    Обладает превосходными возможностями обнаружения и проверки ошибок и неисправностей.
•    Изначально CAN шина разработана для применения в автомобилях
•    Используется в различных автоматических системах и системах управления.
•    Международный стандарт: ISO 11898

Определение CAN

CAN - система на серийной шине приспособленная для организации сети интеллектуальных устройств,

 так же

 как датчиков и исполнительных устройств в системе или подсистеме.

Свойства CAN

CAN система на серийной шине с мультифункциональными возможностями, все CAN узлы способны 

передавать данные и некоторые CAN узлы могут запрашивать шину одновременно. Передатчик передает

 сообщение

 всем

 CAN узлам. Каждый узел, на основании полученного идентификатора, определяет, следует ли ему 

обрабатывать

 сообщение или нет. Идентификатор так же определяет приоритет, который имеет сообщение при доступе к

 шине. Простота определяет стоимость оборудования и затраты на обучение персонала. CAN микросхемы

 могут

 быть относительно просто запрограммированы. Вводные курсы, функциональные библиотеки, наборы для 

начинающих, различные интерфейсы, I/O модули и инструменты в широком разнообразии представлены в 

открытой продаже по доступным ценам. С 1989 года CAN микросхемы могут быть свободно и просто соединены

 с микроконтроллерами. В настоящее время в наличии около 50 CAN микросхем для микроконтроллеров более

 чем 15 производителей.
CAN применяется в большинстве Европейских легковых автомобилях, а так же решение производителей

 грузовиков и внедорожников в дальнейшем применять CAN, определили развитие более чем на 10 лет. В 

других областях применения, таких как, бытовая сфера и индустриальный сектор наблюдается рост продаж

 CAN оборудования, и будет продолжаться в будущем. К

 весне 1997 года уже насчитывалось более чем 50 миллионов  установленных CAN узлов. Одна из выдающихся

 особенностей CAN протокола высокая надежность обмена данными. CAN контроллер регистрирует ошибки и

 обрабатывает их статистически для проведения соответствующих измерений, CAN узел, являющийся источником

 неисправности, в результате будет отстранен от соединения.
Каждое CAN сообщение может содержать от 0 до 8 бит пользовательской информации. Конечно, возможна 

передача более продолжительных данных с применением фрагментации. Максимальная специфицированная

 скорость обмена 1 Mbit/s. Это возможно при протяженности сети не более 40м. Для более длинной 

коммуникации скорость обмена должна быть снижена. Для дистанции до 500 м скорость 125Kbit/s, и для

 передачи более чем на 1 км допускается скорость 50 Kbit/s.

CAN приложения

CAN сети могут быть использованы как внедренные коммуникационные системы для микроконтроллеров так же

 как и открытые коммуникационные системы для интеллектуальных устройств. CAN система серийной шины,

 разработанная для применения в автомобилях, будет широко применяться в промышленных коммуникационных

 системах и во многом они будут сходны. В обоих случаях основными требованиями являются: низкая стоимость

, способность функционировать в сложных условиях, продолжительная работоспособность и простота

 применения.
Некоторые пользователи, например, в области медицинской инженерии, предпочитают CAN потому, что

 необходимо соблюдать жесткие требования по безопасности. Подобные условия с повышенными требованиями

 по надежности и безопасности предъявляются и некоторым другим устройствам и оборудованию (т.е. роботы,

 подъемные и транспортные системы).

Лицензия  CAN

CAN протокол разработан Robert Bosch GmbH и защищен патентами.

Основные стандарты CAN

Далее перечислены некоторые международные CAN стандарты
•    CAN стандарты:
o    ISO 11898-1 - CAN протокол
o    ISO 11898-2 - CAN высокоскоростная физическая структура
o    ISO 11898-3 - CAN низкоскоростная физическая структура совместимая с ошибками
o    ISO 11898-4 - CAN запуск
o    ISO 11898-5 - Высокоскоростное низковольтное устройство (в разработке).
o    ISO 11519-2 – заменен на 11898-3.
•    ISO 14230 - "Keyword Protocol 2000" – диагностический протокол использующий серийную линию, не CAN
•    ISO 15765 – Диагностический протокол по CAN bus - Keyword 2000 на CAN bus.
•    J1939 - Основной CAN протокол для грузовиков и автобусов  определенный SAE
•    ISO 11783 - J1939 и дополнение для сельхоз машин
•    ISO 11992 – определяет интерфейс тягачей и прицепов
•    NMEA 2000 - Протокол основанный на J1939 для судов, определен NMEA.

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол

 разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко

 распространены, и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных

 машинах и автомобилях

Преимущества CAN:

- Доступность для потребителя.
CAN протокол успешно применяется на протяжении более 15 лет, с 1986 года. Существует богатый выбор CAN

 продуктов и устройств в открытой продаже.

- Реализация протокола на аппаратном уровне
Протокол базируется на аппаратном уровне. Это дает возможность комбинировать способность распознавать и

 контролировать ошибки со способностью высокоскоростной передачи данных.

- Примитивная линия передачи 
Линия передачи данных, в большинстве случаев, витая пара. Но связь по CAN протоколу так же может 

осуществляться по одному проводу. В различных случаях возможно применение наиболее подходящих каналов 

 связи,  оптического или  радио канала.

- Превосходная способность обнаружения ошибок и сбоев и локализация неисправностей.
Способность обнаруживать ошибки и сбои является существенным преимуществом CAN протокола. Механизм

 определения ошибок построен на экстенсивном принципе,  так же надежна и хорошо разработана система

 проверки и подтверждения ошибок и сбоев.
Система определения неисправностей и повторная передача данных выполняется автоматически на аппаратном

 уровне.

- Система обнаружения и проверки неисправностей
Неисправный источник в системе способен дезорганизовать всю систему, т.е. занять все каналы связи. CAN

 протокол имеет встроенную возможность которая предохраняет систему от источника неисправности.

 Источник ошибки отстраняется от приема и передачи данных по CAN шине.

2. CAN шина

Введение

CAN протокол является стандартом ISO (ISO 11898) для последовательной передачи данных. Протокол

 разработан для приложений автомобильного применения. В настоящее время CAN системы широко

 распространены и применяются в индустриальной автоматике, различных транспортных, специальных

 машинах и автомобилях.
CAN стандарт описывает параметры сигнала на физическом уровне и порядок передачи данных который 

определен двумя различными типами сообщений, правила арбитража доступа шины и метод определения и

 проверки неисправности.

CAN протокол

CAN определен стандартом ISO 11898-1 и включает следующие основные сведения.
•    На физическом уровне, сигнал передается, используя витую пару.
•    Для контроля к доступу шины применяются правила арбитража.
•    Блоки данных небольшие по размеру (в большинстве случаев 8 байт) и защищены чексуммой.
•    Блоки данных не имеют адресации, вместо того каждый блок содержит числовое значение, которое

 определяет приоритет передачи по шине, так же может нести идентификатор содержания блока данных.
•    сложная схема  обработки ошибок, которая приводит к повторной передаче данных, которые  должным

 образом не получены.
•    Эффективные действия по изоляции неисправностей и отключение источника неисправности от шины.

Протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя 

общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет

 передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства

 определяются HLP(Higher layer protocol) или Протокол Высшего Порядка. Условия HLP  получены и состоят  из

 семи порядков OSI модели.

Назначение HLP
•    Стандартизация процедур запуска и установка скорости передачи
•    Распределение адресации устройств и разновидности сообщений.
•    Определение  порядка сообщений
•    обеспечивает механизм определения неисправностей системного уровня

CAN продукты

Существуют два вида продуктов CAN , CAN микросхемы и средства обеспечения и развития CAN.
На высшем уровне две другие разновидности продуктов, CAN модули и CAN средства разработки. Широкое

 разнообразие подобных продуктов доступно в открытой продаже.

Патенты в области CAN

Патенты в отношении CAN приложений могут быть различных видов и направлений. Далее несколько видов:
•    Синхронизация и реализация  частоты передачи
•    Передача больших блоков данных ( CAN протокол использует фреймы длинной не более 8 бит)
Системы контроля распределения
CAN протокол продуктивная база для создания систем контроля распределения. Метод арбитража обеспечивает

 возможность каждого CAN устройства взаимодействовать с сообщениями относительно этого устройства.
Система контроля распределения может быть заявлена как система, в которой возможности процессора

 распределены среди устройств системы, или же наоборот, как система с центральным процессором и

 локальными I/O устройствами.
При разработке CAN сети могут быть применены различные совместимые аппаратные устройства, обладающие 

необходимыми свойствами и удовлетворяющие заданным или расчетным параметрам сети такие как, частота

 процессора, скорость передачи данных и т.д.

Действующие протоколы высшего порядка (HLP)

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта А в пункт Б используя

 общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет

 передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т.д. Перечисленные свойства

 определяются HLP, higher layer protocol (Протоколами Высшего Порядка). Условия HLP  получены и состоят  из

 семи порядков

OSI модели (Open Systems Interconnect  Model)
CanKingdom
CANopen/CAL 
DeviceNet 
J1939 
OSEK 
SDS 
HLP обычно определяет
•    Параметры запуска
•    Распределение идентификатора сообщения среди различных устройств в системе
•    Интерпретация содержимого блоков данных
•    Статус взаимодействия в системе

Характеристика SDS, DeviceNet and CAN Kingdom.

И различия между  CAN Kingdom and CANopen. В настоящее время насчитывается более 50 HLP. Применение HLP

 обязательно,  в противном случае придется изобрести свой, собственный HLP.

CAnKingdom

CanKingdom  поддерживается организацией CanKingdom International полная спецификация доступна на сайте

 организации.
CanKingdom  обычно упоминается  как CAN (Controller Area Network) протокол высшего порядка. В реальности

 наиболее упорядоченный протокол. Модули в системе соединены сетью, в которой один из модулей является

 главным (King). Например: для организации  plug & play системы, главный модуль определяет какое устройство

 и при каких обстоятельствах может быть добавлено, разрешено добавление только специфицированных

 устройств. CanKingdom обеспечивает простую уникальную идентификацию устройств в системе, для этого

 используется стандарт идентификации EAN/UPC, индивидуальный идентификатор устройства определяется 

серийным номером устройства.
CanKingdom предоставляет разработчику все потенциальные возможности CAN.
Дизайнер не ограничен мультимастер протоколом  CSMA/AMP и может создавать виртуальные системы

 управления шинами всевозможных разновидностей и топологии. Предоставляет возможность создания 

общих модулей без учета обстоятельств таких как, зависимость от HLP и свойств системы. Дизайнер может

 определить использование только специфических  модулей, совмещая тем самым ценности открытой системы

 с преимуществами системы с ограниченным и безопасным доступом.

Потому как идентификатор в CAN сообщениях не только идентифицирует сообщение, но так же управляет

 доступом к шине, ключевое  значение имеет нумерация сообщений.  Другой важный фактор - это идентичность

 структуры данных в поле данных, как в передающем, так и принимающем модулях. Введением небольших, 

простых правил, указанные факторы полностью контролируемы и коммуникации оптимизированы для любой

 системы. Это выполняется во время короткой фазы установки при инициализации системы. Так же возможно

 включение устройств, не следующих  CanKingdom правилам, в CanKingdom систему.
CanKingdom сопровождается соответствующей документацией по модулям и системам.

CAL and CANopen

CAL сокращенно от "CAN Application Layer"  Порядок или слой  CAN приложений, протокол поддерживается CiA.

 CAL разделен на несколько составных частей:
•    CMS (CAN-based Message Specification) определяет протоколы передачи данных между CAN устройствами
•    NMT (Network Management Service) определяет протоколы запуска и выключения, определения неисправностей,

 и т.д.
•    DBT (Distributor Service) определяет протокол распределения идентификаторов различных устройств в системе
- CAL протокол отличный от OSI модели (Open Systems Interconnect (OSI) Model)
- CANopen является подразделом CAL, и скомпонован как набор профилей, которые не завершены окончательно.
- CAL/CANopen один из HLP действующих протоколов, поддерживаемых CiA.
- CAL и CANopen спецификации в полном объеме доступны и поддеживаются CiA

DeviceNet

Протокол развивается “Rockwell Automation nowadays”, определен организацией ODVA (Open DeviceNet Vendor

 Association). DeviceNet один из четырех протоколов, которые поддерживает CiA.

SAE J1939

J 1939 высокоскоростная сетевая коммуникация класса С разработанная для поддержки функций управления в 

режиме реальногго времени между контроллерами, которые физически расположены в различных местах

 автомобиля.
Jl708/Jl587 предыдущий, широко распространенный тип сети класса  B с возможность обмена простой 

информацией, включая диагностические данные, между контроллерами. J1939 обладает всеми свойствами

 J1708/J1587.
J1939 использует CAN протокол с позволяет любому устройству передавать сообщение по сети  в момент когда 

шина не загружена. Каждое сообщение включат в себя идентификатор, который определяет приоритет сообщения

, информацию об отправителе  данных, об информации, заключенной в сообщении. Конфликты избегаются

 благодаря механизму арбитража, который активизируется с передачей идентификатора (используется безопасная

 схема арбитража). Это позволяет сообщениям с наивысшим приоритетом передаваться с наименьшими 

задержками, по причине равного доступа к шине любым из устройств сети.
J1939 организован из нескольких частей основанных на (Open Systems Interconnect (OSI) Model). OSI модель

 определяет семь коммуникационных порядков (слоев),  каждый представляет различные функции. В то время

 как есть документ J1939, ассигнованный каждому слою, не все они явно определены в пределах J1939. Другие

 слои выполняют вторичные функции, описанные в другом месте. Физический Слой описывает электрический

 интерфейс коммуникаций (витая экранированная пара проводов, который может также быть упомянут как шина).

 Слой Канала связи описывает протокол или управляет структурой сообщения, получая доступ к шине, и

 обнаруживая ошибки передачи. Слой приложения определяет специфические данные, содержащиеся в каждом

 сообщении, посылаемом по сети.
Полный комплект спецификации можно приобрести в SAE, ниже приведен перечень документов
J1939 дополняется следующими документами:
J1939    Практические рекомендации по Контролю серийной передачи и коммуникационная сеть транспортного

 средства
J1939/11    Физический порядок (слой) – 250k bits/s, экранированная витая пара
J1939/13    Диагностические разъемы
J1939/21    Данные слоя связи
J1939/31    Слой сети
J1939/71    Слой приложений
J1939/73     Диагностика
J1939/81    Управление сетью

OSEK/VDX

OSEK/VDX является совместным проектом в автомобильной индустрии. Создан как промышленный стандарт

 открытой оконечной архитектуры для распределенных контроллеров транспортных средств. Операционная

 система в режиме реального времени, интерфейсы программных средств и задачи управления сетью

 специфицированы совместно. OSEK" (Open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics.)

 Открытые системы и информационные интерфейсы для автомобильной электроники. VDX “Whicule Distributed

 eXecutive" Распределенные исполнители транспортного средства.
Компании совместно участвующие в разработке: Opel, BMW, DaimlerChrysler, IIIT - University of Karlsruhe, PSA,

 Renault, Bosch, Siemens, Volkswagen.
Официальный сайт: www.osek-vdx.org

Smart Distributed System (SDS)

SDS система, на основе шины для интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, с упрощенным

 процессом установки, предоставляет широкие возможности управления вводом – выводом. Посредством одного

  четырехпроводного кабеля  SDS система может быть оборудована до 126 приборами с индивидуальным

 адресом. Дополнительная информация и спецификация по SDS доступна на сайте разработчика Honeywell. SDS

 один из действующих четырех протоколов поддерживаемых CiA.

Сравнительная характеристика основных HLP протоколов
Общие сведения

DeviceNet, SDS и CAN Kingdom основаны на ISO 11898 CAN коммуникационном протоколе и функционируют

 согласно требований CAN спецификации. Каждый CAN модуль, следующий определенному протоколу может

 быть подключен к CAN шине следующей тому же протоколу. В любом случае при подключении модулей,

 которые

 действуют по различными протоколам, в большинстве случаев проблемы возникают по причине конфликта

 интерпретации сообщений на уровне приложений. CAN Kingdom отличается  от SDS и DeviceNet основным

 принципом: CAN Kingdom организуется  главным узлом коммуникации (“King”) при запуске, в отличии от SDS и 

 DeviceNet. Такая организация позволяет упростить разработку комплекса систем реального времени и

 сокращает

 необходимое количество модулей координирующих спецификации, часто обозначаемые как профили.
SDS эффективен при подключении I/O устройств, различных выключателей и датчиков к PLC , фактически

 представляет собой соединение между основным модулем и удаленными I/O устройствами.
DeviceNet открытая система, в которой все модули имеют равные права по пользованию шиной, и порядок

 пользования шиной определяется небольшим набором инструкций. Разработчик модулей системы может 

передать полномочия по управлению коммуникацией другим модулям, например основному модулю в 

предопределенном режиме Главный/подчиненный, но DeviceNet  не имеет возможности передать полномочия 

другим модулям. Характеристики SDS с использованием I/O устройств и DeviceNet в режиме Главный

/подчиненный

 сходны.
Can Kingdom протокол ориентированный на системы продуцирования, соединения и контроля и не 

поддерживает

 профили для цифровых и аналоговых устройств. Основная особенность протокола заключается в том что

 модуль, подключенный к системе только ожидает инструкции от главного устройства. Все CAN приоритеты и

 идентификаторы принадлежат и предоставляются главным устройством. Во время запуска каждый модуль

 конфигурируется основным устройством, определяются приоритеты и идентификаторы объектов

 продуцирующих

 и потребляющих. Основное устройство является главным, но только в период конфигурирования системы.

 Главное устройство не может быть внедрено в период коммуникационной сессии между работающими

 приложениями различных модулей. Основное устройство может быть удалено после конфигурирования и

 проверки комплектности, при том каждый модуль запоминает полученные инструкции в памяти.