Сеть can краткое сообщение

Обновлено: 28.06.2024

Беспилотный автомобиль StarLine на платформе Lexus RX 450h — научно-исследовательский проект, стартовавший в 2018 году. Проект открыт для амбициозных специалистов из Open Source Community. Мы предлагаем всем желающим поучаствовать в процессе разработки на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием. Для управления автомобилем было решено использовать Apollo, открытый фреймворк. Для работы Apollo нам необходимо было подключить набор модулей. Эти модули помогают программе получать информацию об автомобиле и управлять им по заданным алгоритмам.

К таким модулям относятся:

модуль позиционирования автомобиля в пространстве с помощью GPS-координат;
модуль управления рулем, ускорением и торможением авто;
модуль состояния систем автомобиля: скорость, ускорение, положение руля, нажатие на педали и т.д.;
модуль получения информации об окружении автомобиля. С этим справятся ультразвуковые датчики, камеры, радары и лидары.

Теоретическая часть

Что такое CAN-шина

В современных автомобилях управление всеми системами взяли на себя электронные блоки (Рис. 1.). Электронные блоки — это специализированные компьютеры, каждый из которых имеет все необходимые интерфейсы для интеграции с автомобилем. С помощью цифровых интерфейсов связи, блоки объединяются в сеть для обмена информацией друг с другом. Самые распространенные цифровые интерфейсы в автомобилях — CAN, LIN, FLEXRay. Из них наибольшее распространение получил именно CAN.

Рис. 1. Шина CAN автомобиля.

На физическом уровне шина представляет собой витую пару из медных проводников. Сигнал передается дифференциально, за счет чего достигается высокая помехоустойчивость.

Рис. 2. Физическое представление сигнала в CAN шине

Посредством CAN шины можно получать информацию о состоянии различных датчиков и системах автомобиля. Также по CAN можно управлять узлами автомобиля. Именно эти возможности мы и используем для своего проекта.

Мы выбрали Lexus RX, потому что знали, что сможем управлять всеми необходимыми узлами по CAN. Так как самое сложное при исследовании автомобиля — это закрытые протоколы. Поэтому одной из причин выбора именно этой модели авто стало наличие описания части протокола CAN-шины в opensource-проекте Openpilot.

Правильно управлять автомобилем — означает понимать, как работают механические части систем автомобиля. Нам было необходимо хорошо понимать, как правильно работать с электроусилителем или управлять замедлением автомобиля. Ведь, например, при повороте колеса создают сопротивление на рулевое управление, что вносит свои ограничения на управление при повороте. Некоторые системы невозможно использовать без ввода авто в специальные рабочие режимы. Эти и другие детали нам пришлось изучать в процессе работы.

Электроусилитель руля

Электроусилитель устанавливается на рулевой вал автомобиля, части которого соединены между собой торсионным валом. На торсионный вал устанавливается датчик величины крутящего момента (Torque Sensor). При вращении руля происходит скручивание торсионного вала, которое регистрируется датчиком момента. Данные, полученные от датчика момента, датчиков скорости и оборотов коленвала, поступают в электронный блок управления ECU. А ECU, в свою очередь, уже вычисляет необходимое компенсационное усилие и подает команду на электродвигатель усилителя.

Рис. 3. Схематичное изображение системы электроусилителя руля

Видео: cистема LKA рулит автомобилем с помощью системы EPS.

Электронная педаль газа

Дроссельная заслонка — это механизм регулировки количества топливной смеси, которая попадет в двигатель. Чем больше смеси попадет, тем быстрее едет автомобиль.
Электронная педаль газа — это система, которая задействует работу нескольких электронных узлов. Сигнал о положении педали, при ее нажатии, поступает в блок управления двигателем ECM (Engine Control Module). ECM, на основе этого сигнала, рассчитывает необходимое количество топлива, которое нужно подать в двигатель. В зависимости от необходимого количества топлива, ECM регулирует угол открытия дроссельной заслонки.

Рис. 4. Система электронной педали газа.

Видео: Для работы круиз-контроля используется управление электронной педалью газа.

Электронные системы помощи водителю

Мы купили автомобиль, который оборудован множеством цифровых блоков и систем помощи водителю (ADAS). В нашем проекте мы используем LKA, ACC и PCS.

LKA (Lane Keep Assist) — это система удержания в полосе, которая состоит из фронтальной камеры и вычислительного блока. LKA удерживает автомобиль в полосе движения, когда водитель, например, отвлекся. Алгоритмы в вычислительном блоке получают данные от камеры и на их основе принимают решение о состоянии автомобиля на дороге. Система способна понимать, что автомобиль неконтролируемо движется к правой или левой полосе. В таких случаях подается звуковой сигнал для привлечения внимания водителя. При пересечении полосы система сама скорректирует угол поворота колес так, чтобы автомобиль остался в полосе движения. Система должна вмешиваться только в том случае, если осознает, что маневр между полосами движения не был вызван действием водителя.

ACC (Adaptive Cruise Control) — система адаптивного круиз-контроля, который позволяет выставить заданную скорость следования. Автомобиль сам ускоряется и притормаживает для поддержания нужной скорости, при этом водитель может убрать ногу с педалей газа и тормоза. Этот режим удобно использовать при езде по скоростным магистралям и автострадам. Адаптивный круиз контроль способен видеть препятствия впереди автомобиля и притормаживать для избежания столкновения с ними. Если впереди автомобиля едет другое транспортное средство с меньшей скоростью, ACC сбавит скорость и будет следовать за ним. При обнаружении статичного объекта, ACC сбавит скорость до полной остановки. Для обнаружения объектов перед автомобилем такая система использует радар с миллиметровым диапазоном длин волн. Обычно такие радары работают на частоте 24-72 ГГц и способны уверенно видеть объекты на расстоянии до 300 метров. Радар обычно установлен за передним значком на решетке радиатора.

PCS (Pre-Collision System) — система предотвращения столкновения. Система призвана предотвратить столкновение с автомобилем, который движется впереди. При неизбежности столкновения, система минимизирует урон от столкновения. Здесь так же используются радар для оценки расстояния до объекта и фронтальная камера для его распознавания. Фронт PCS прогнозирует вероятность столкновения на основе скорости автомобиля, расстояния до объекта и его скорости. Обычно у системы есть два этапа срабатывания. Первый этап — система звуком и индикацией на приборной панели оповещает об опасности водителя. Второй этап — активируется экстренное торможение с помощью системы ABS, и включаются преднатяжители ремней безопасности.

Практическая часть

Управление рулем

Первое, что захотелось сделать нашей команде, — это научиться рулить. Рулем в автомобиле могут управлять две системы: парковочный ассистент IPAS (Intelligent Park Assist) и LKA.

IPAS позволяет задавать напрямую угол поворота рулевого колеса в градусах. Так как в нашем автомобиле нет данной системы, проверить и освоить рулевое управление таким способом нельзя.

Поворот руля влево на 360 градусов

Поворот руля вправо на 270 градусов

Рис. 5. Команда управления рулем с помощью системы LKA

На графике (Рис. 6.) представлена диаграмма работы LKA. Torque Sensor — значение с датчика момента на торсионном валу. Torque Cmd — команда от LKA для управления рулем. Из картинки видно, как происходит подруливание LKA для удержания автомобиля в полосе. При переходе через ноль меняется направление поворота руля. Т.е. отрицательное значение сигнала говорит о повороте вправо, положительное — влево. Удержание команды в нуле говорит об отсутствии управления со стороны LKA. При вмешательстве водителя, система перестает выдавать управление. О вмешательстве водителя LKA узнает с помощью второго датчика момента на валу со стороны рулевого колеса.

Рис. 6. График работы системы LKA

Нам предстояло проверить работу команды управления рулем. С помощью модуля StarLine Сигма 10 мы подготовили прошивку для проверки управления. StarLine Сигма 10 должен выдавать в CAN-шину команды на поворот руля влево или вправо. На тот момент у нас не было графического интерфейса для управления модулем, поэтому пришлось использовать штатные средства автомобиля. Мы нашли в CAN-шине статус положения рычага круиз-контроля и запрограммировали модуль таким образом, что верхнее положение рычага приводило к повороту руля вправо, нижнее положение — к повороту влево (Рис. 7).

Рис. 7. Первые попытки рулить

На видео видно, что управление осуществляется короткими секциями. Это возникает по нескольким причинам.

Первая из причин — это отсутствие обратной связи. Если расхождение между сигналом Torque Cmd и Torque Sensor превышает определенное значение Δ, система автоматически перестает воспринимать команды (Рис. 8). Мы настроили алгоритм на корректировку выдаваемой команды (Torque CMD) в зависимости от значения момента на валу (Torque Sensor).

Рис. 8. Расхождение сигнала приводит к ошибке работы системы

Следующее ограничение связано с системой защиты встроенной в EPS. Система EPS не позволяет командами от LKA рулить в широком диапазоне. Что вполне логично, т.к. при езде по дороге резкое маневрирование не безопасно. Таким образом, при превышении порогового значения момента на валу, система LKA выдает ошибку и отключается (Рис. 9).

Рис. 9. Превышение порогового значения регулировки момента на валу

Рис. 11. Плавная регулировка поворота руля без ошибок

Управление газом

Система адаптивного круиз-контроля ACC управляет ускорением и торможением программно по CAN-шине. Блок управления двигателем ECU принимает команды DSU, если необходимо ускориться — активирует электронную педаль газа. Для торможения автомобиля используется рекуперативное торможение. При этом на торможение и ускорение используется одна команда, отличаются только значения.

Команда управления ускорением или замедлением представлена на рисунке 12. Она состоит из величины ускорения ACCEL_CMD, пары служебных бит и контрольной сумма Checksum. Для ускорения автомобилем значение ACCEL_CMD положительное, для замедления — отрицательное. Ускорение задается в диапазоне от 0 до 3 м/с^2, замедление аналогично, но со знаком минус. Для отправки данных в шину необходимо пересчитать желаемое ускорение или замедление с коэффициентом 0,001. Например, для ускорения 1 м/с^2, ACCEL_CMD = 1000 (0x03E8).

Рис. 12. Команда управления ускорения/замедления автомобиля

Мы сняли логи со штатной системы ACC и проанализировали команды. Сравнили с имеющимся у нас описанием команд и приступили к тестированию.

Рис. 13. Лог управления ускорением/замедлением системы адаптивного круиз-контроля ACC (выделено маркером)

Здесь не обошлось без трудностей. Мы выехали на дорогу с оживленным трафиком для тестирования команды ускорения. Команды управления ускорением или замедлением автомобиля работают только при активированном круиз контроле, не достаточно активировать его кнопкой. Необходимо найти движущийся впереди автомобиль и включить режим следования за ним.

Рис. 14. Активация круиз контроля происходит при наличии впереди другого траснпортного средства

С помощью модуля StarLine Сигма 10 посылаем команду ускорения, и автомобиль начинает набирать скорость. К этому моменту мы подключили графический интерфейс для управления модулем StarLine Сигма 10. Теперь мы управляем рулем, ускорением и торможением с помощью кнопок в приложении.

Команды работали до тех пор, пока не потеряли автомобиль впереди. Система круиз-контроля отключилась, а следовательно, и команды ускорения перестали работать.
Мы приступили к исследованию возможности использовать команды без активного круиз-контроля. Пришлось много времени потратить на анализ данных в шине CAN, чтобы понять как создать условия для работы команд. Нас интересовало, в первую очередь, какой блок блокирует выполнение команд ACC на ускорение или замедление. Пришлось изучить какие ID идут от DSU, LKA, радара и камеры, подсовывая липовые данные различных датчиков.

Наша идея заключалась в подмене данных радара. Мы сняли лог следования за автомобилем, вытащили из него данные радара в момент следования. Теперь, после включения круиз-контроля, мы посылаем фейковые данные о наличии впереди идущего авто. Получается обманывать наш автомобиль, говоря что впереди движется другое авто на конкретном расстоянии.

a) б)
Рис. 15. Активация круиза: a) попытка активировать без подмены данных радара; б) активация при подмене данных от радара.

Когда запускаем нашу обманку, на приборной панели загорается значок наличия впереди идущего автомобиля. Теперь мы можем тестировать наше управление. Запускаем команду на ускорение, и автомобиль начинает быстро ускоряться.

Как мы уже узнали, команда на ускорение и замедление одна. Поэтому тут же проверили и замедление. Поехали на на скорости с активным круиз-контролем, запустили команду на торможение, и авто сразу же замедлилось.

В итоге сейчас получается разгонять и замедлять автомобиль именно так, как нам было нужно.

Что еще мы используем

Для создания беспилотника необходимо управление вспомогательными системами: поворотниками, стоп-сигналами, аварийной сигнализацией, клаксоном и пр. Всем этим так же можно управлять по CAN шине.

Оборудование и ПО

Для работ с автомобилем сегодня мы используем набор различного оборудования:

Беспилотный автомобиль StarLine — это открытая площадка для объединения лучших инженерных умов России и мира с целью создания прогрессивных технологий беспилотного вождения, которые сделают наше будущее безопасным и комфортным.

Controller Area Network или, как более привычно звучит для автомобильной диагностики — CAN шина

* Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI))

* Controller Area Network (CAN)

* Основные принципы CAN

* Как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии

Парк автомобилей на наших улицах стремительно омолаживается и вместе с этим приходится осваивать и решать новые задачи связанные с диагностикой и ремонтом. Всё чаще и чаще сталкиваешься в своей повседневной работе с проблемами коммуникации между различными бортовыми системами автомобиля. Если ещё несколько лет назад приезжающие на диагностику автомобили с ошибками по CAN шине (первый символ в классификации диагностического кода неисправности — U) были редкими гостями, то сейчас это практически повседневная практика. Информация на эту тему в принципе доступна и её достаточно много, даже очень много - что с одной стороны хорошо, а с другой представляет собой определённую сложность в поиске необходимой информации. Этой статьёй хотелось бы в первую очередь дать общее представление о системе CAN (Controller Area Network) тем, кто только начинает с ней знакомство, и тем, кто желает в этом поглубже разобраться.

Что такое CAN?

Controller Area Network — это понятие вошло в обиход после того, как в начале 1980-х годов в Robert Bosch GmbH разработали стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Одно их первых внедрений в автомобильной промышленности было осуществлено на нескольких моделях автомобилей Mercedes-Benz в 1992 году. До этого момента электронное управление исполнительными функциями строилось по системе - один блок управления принимал электронные сигналы с различных датчиков и после их обработки посылал соответствующие команды на исполнительные устройства (такие как бензонасос, форсунки, катушки зажигания и прочие. ). Увеличение объёма функций управления автомобилем, передаваемое электронике, привело к появлению таких дополнительных систем как ABS, SRS, AT, Immobilaser и других. Совмещение этих функций в одном ЭБУ привело бы к его громоздкости и чрезмерной сложности, а так же к потере надёжности, когда выход из строя одной системы мог бы привести к потере управляемости всего автомобиля. Поэтому автопроизводители пошли по пути разделения функций управления и выделения всех систем в отдельные блоки. А для того, чтобы увязать все системы в единое целое для решения общих задач управления автомобилем, на помощь пришёл коммуникационный стандарт CAN от Robert Bosch GmbH и это всё шире и шире стало применяться в автомобилестроении. На сегодняшний день практически каждый новый автомобиль оснащён этой системой.

Всё в принципе просто и понятно, но как устроена CAN шина и на чём основывается принцип её работы? Вот один из примеров взаимосвязи электронных блоков управления и устройств завязанных в единую бортовую коммуникационную сеть автомобиля,- рис. 1

Здесь мы рассматриваем только блоки, связанные в проводную сеть, но в автомобилях 21 века находит всё большее применение и беспроводная передача информации. К примеру, система навигации, слежение за местонахождением автомобиля (защита от угона), контроль за давлением в шинах, удалённая диагностика и многие другие. В ближайшем будущем можно ожидать, что слияние воедино в бортовой сети автомобилей внутренних и внешних информационных потоков выведет управление транспортным средством на новый уровень безопасности и комфорта прежде всего в таких направлениях, как отображение информации предупреждения об опасных ситуациях на дорогах и даже активного смягчения последствий возможных столкновений автомобилей, а так же более рационального распределения транспортных потоков.

Немного предыстории — Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI)).

Вот эти семь уровней:

1) Уровень приложений (Application Layer) — этот уровень определяет какие приложения (программы) имеют доступ к сети. Например — электронная почта, передача файлов, терминалы удалённого доступа и веб-браузеры.

2) Уровень представления данных (Presentation Layer) — этот уровень определяет такие моменты, как стандарты сжатия данных и их шифрования.

3) Уровень передачи данных (Transport Layer) — этот уровень обеспечивает стандарты передачи данных между адресатами, осуществляет контроль ошибок и безопасности.

4) Сетевой уровень (Network Layer) — этот уровень отвечает за вопросы маршрутизации сетевого трафика данных.

5) Уровень каналов связи (Data Link Layer) — этот уровень обеспечивает синхронизацию передачи данных и контроль ошибок.

6) Уровень контроля за сеансами связи (Session Layer) — этот уровень обеспечивает стандартизацию начала и завершения сеансов связи между различными приложениями и сетевыми блоками.

7) Физический уровень (Physical Layer) — этот уровень определяет стандарты физических характеристик устройств в сети, в том числе типы соединений и разъёмов, электрические характеристики кабелей, уровня напряжения, силы тока и тд.

Но задачи, решаемые протоколом OSI не в полной мере отвечали нуждам автомобильной электроники, и как следствие этого, инженерами Robert Bosch GmbH был разработан, в развитие протокола OSI, специальный протокол CAN, который определял стандарты физического и канального уровней модели OSI в кремнии для осуществления последовательной передачи информации между двумя или более устройствами.

Controller Area Network (CAN)

Основные принципы CAN

Error Frame - может быть передан любым узлом, который обнаруживает ошибку в сети.

Overload Frame - используются как запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными (Data Frame) или запросами на получение данных (Remote Frame).

Ниже проиллюстрированы различия между Data Frames для стандартов CAN 2.0A и CAN 2.0B,- рис. 2

Различие между форматами CAN 2.0А и CAN 2.0B заключаются в том что фрейм данных для CAN 2.0B поддерживает как стандартный идентификатор фрейма данных — 11 бит, так и расширенный идентификатор фрейма данных — о 29 бит. Фреймы стандартного и расширенного формата могут без проблем передаваться по одной на той же шине, и даже иметь в цифровой форме эквивалентный идентификатор.

В этом случае у стандартного фрейма будет более высокий приоритет,- рис. 3

Идентификатор (Identiﬁer) — 11 бит, уникальный идентификатор, указывает приоритет.

Резерв (Reserved) — 2 бита, должны быть доминантными.

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)) — 4 бита, количество байтов данных (0-8).

Поле передаваемых данных (Data Field) — от 0 до 8 байт, размер определен в поле DLC.

Контрольный циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check (CRC)) — 15 бит.

Разделитель CRC — 1 бит, должен быть рецессивный.

Подтверждение (Acknowledge (ACK)) — 1 бит, передатчик отправляет рецессивный; получатель подтверждает доминантным.

Разделитель ACK — 1 бит, должен быть рецессивным.

Идентификатор стандартного и расширенного форматов (Identiﬁer) — 11 бит, уникальный идентификатор, соответствует базовому ID в расширенном формате.

Идентификатор расширенного формата (Identiﬁer – Extended Format) — 29 бит, состоит из 11 бит базового ID и 18 бит расширенного ID.

Поле IDE – для стандартного и расширенного форматов — 1 бит, должен быть рецессивным для расширенного формата и доминантным для стандартного.

Резерв (Reserved r0) для стандартного формата — 1 бит, должен быть доминантным.

Резерв (Reserved r1, r0) для расширенного формата — 2 бита, должны быть рецессивными.

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)) — 4 бита, количество байтов данных (0-8).

Поле передаваемых данных (Data Field) — от 0 до 8 байт, размер определен в поле DLC.

Контрольный циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check (CRC)) — 15 бит.

Разделитель CRC — 1 бит, должен быть рецессивный.

Подтверждение (Acknowledge (ACK)) — 1 бит, передатчик отправляет рецессивный; получатель подтверждает доминантным.

Разделитель ACK — 1 бит, должен быть рецессивным.

Фрейм данных CAN

Арбитраж (Arbitration)

Ниже проиллюстрирован приоритет сетевого арбитража где третий узел имеет высший приоритет и первый низший,- рис. 5

Обработка ошибок (Error Handling)

Запрос данных от конкретного узла сети (The CAN Remote Frame)

Загрузка шины (Bus Loading)

Interframe Space = 1 + 11 + 1 + 6 + 16 + 2 + 7 + 3 = 47 bits).

Шаг 6 — В завершении, поделите общее количество использованных для передачи битов на общее максимально доступное количество для передачи битов (например, 125 Кбит/с или 500 Кбит/с умножаются на единицу времени) для получения предполагаемого процента загрузки шины,- рис. 6

Протоколы синхронизированные по времени (Time-triggered Protocols)

Ну вот, в принципе, вся основная информация о протоколе CAN, а теперь немного о том, как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии. Сразу хочу отметить, что без надлежащего диагностического оборудования проводить диагностику и ремонт неисправностей CAN шины можно в очень ограниченном диапазоне. Всё сведётся к проверке физической целостности проводов, проверки состояния соединительных разъёмов, проверки сопротивления проводки и Terminal resistor, проверки соответствующего уровня напряжения на CANlow и CANhigh линиях. Применение в диагностике дилерского оборудования тоже лишь облегчит проверку и сузит круг поиска неисправности, с очень большой неохотой автопроизводители допускают контакт с программным обеспечением, своей интеллектуальной собственностью. В случае проблем на программном уровне возможно только перепрограммирование или замена соответствующего ЭБУ.

Пример CAN шины автомобиля Nissan 2007г.в. - Рис. 7

Интерфейс программы Consult III (Nissan), окно диагностики CAN шины,- рис. 8

Пример CAN шины автомобиля Mitsubishi 2004г.в. – рис. 9

Пример CAN шины автомобиля Mazda 2004г.в. – рис. 10

Пример CAN шины автомобиля Toyota 2007г.в. – рис. 11

За дополнительной и полной информацией по системе каждого диагностируемого автомобиля следует обращаться к соответствующим документам автопроизводителей (WSM и TSB).

Удачных всем ремонтов и беспроблемного обслуживания своих автомобилей.

Задать вопрос или обсудить статью вы можете на форуме Легион-Автодата (нажать)

Боровиков Игорь Александрович
© Легион-Автодата
(ник на форуме Легион-Автодата – semirek)
СОЮЗ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИАГНОСТОВ

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).

Data Frame
Remote Frame
Error Frame
Overload Frame

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).

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.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

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

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

DeviceNet
CAL/CANopen
SDS
CanKingdom

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:

Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

Всех приветствую, сегодняшняя статья будет целиком и полностью посвящена обзору протокола CAN. А в одной из следующих статей мы реализуем обмен данными по CAN на практике. Но не буду забегать вперед.

Основные характеристики протокола CAN:

Первоначально стандарт был разработан для автомобильной промышленности. И занималась этим компания Bosch в 1980-х годах. Основная идея заключалась в том, чтобы уйти от использования огромного количества проводов, соединяющих многочисленные узлы автомобиля. И протокол CAN позволил этого достичь. С тех пор CAN является основным механизмом соединения устройств, узлов и датчиков автомобиля между собой. Помимо этого, интерфейс CAN активно используется в промышленной автоматизации, а также в системах "умного дома".

Давайте перейдем к физическому уровню протокола. В интернете можно найти много противоречивой информации на этот счет, но истина тут одна ) Стандарт CAN компании Bosch не регламентирует физический уровень передачи данных, поэтому могут использоваться абсолютно разные варианты, например, оптоволокно. На практике же чаще всего используется соединение посредством двухпроводной дифференциальной линии (витой пары). Ориентировочная максимальная длина линии для разных скоростей передачи данных составляет:

Скорость	Длина линии
1 Мбит/с	50 м
500 кбит/с	100 м
125 кбит/с	500 м
10 кбит/с	5 км

Важным условием работоспособности шины является наличие на концах витой пары согласующих резисторов, которые также называют терминаторами, с сопротивлением 120 Ом:

В отличие от многих других протоколов в CAN не рекомендуется описание битов данных как "логического нуля" и "логической единицы". Здесь используются понятия доминантный и рецессивный бит.

Важнейшим свойством является то, что если один из узлов сети хочет выставить на линии рецессивный бит, а другой доминантный, то в итоге на линии окажется доминантный бит. В общем-то отсюда и следует его название, от слова "доминировать" ) Очень хорошо этот процесс иллюстрирует пример с оптоволоконной линией. Как вы помните, в оптоволокне для передачи данных используется "свет", либо он есть (единица), либо его нет (ноль). При использовании в CAN-сети "свет" - доминантный бит, соответственно, отсутствие света или "темнота" - рецессивный.

Вспоминаем про важнейшее свойство передачи данных в сети. Пусть один узел выставляет на линии рецессивный бит, то есть "темноту". Второй узел, напротив, выставляет доминантный бит - "свет". В итоге на линии будет "свет", то есть доминантный бит, что в точности соответствует требованиям сети:

При использовании электрического сигнала устройство, желающее передать в линию доминантный бит, может подтянуть линию к земле. Это и приведет к тому, что на линии будет доминантный бит независимо от того, что выдают на линию другие участники коммуникации.

Это свойство используется для арбитража в сети CAN. Пусть несколько устройств хотят передать данные. Каждый из этих передатчиков сравнивает значение, которое он передает, со значением, фактически присутствующим на линии. В том случае, если передаваемое значение совпадает со считанным, устройство продолжает высылать свои данные. Если значения совпали у нескольких устройств, то все они продолжают передачу как ни в чем не бывало.

Продолжается это до того момента, когда значения станут различными. Если несколько устройств хотят передать рецессивный бит, а одно - доминантный, то в соответствии с правилом, которое мы обсудили выше, на линии окажется доминантный бит. В таком случае отправленные и считанные значения для устройств, пытающихся выдать на линию рецессивное состояние, не совпадут. В этом случае они должны прекратить передачу. А тот узел, который в этот момент передавал доминантный бит, продолжит свою работу. Доминирование в чистом виде )

Сигналы, которые передаются по витой паре, получили название CAN_H и CAN_L (High и Low). Доминантное состояние соответствует случаю, когда потенциал сигнала CAN_H выше потенциала CAN_L. Рецессивное - когда потенциалы равны (разница потенциалов не превышает допустимого отклонения, 0.5 В).

С этим вроде бы разобрались, давайте двигаться дальше! Пришло время определить, как биты объединяются в кадры. Протокол CAN определяет 4 вида кадров:

Кадр данных (data frame)
Кадр удаленного запроса (remote frame)
Кадр перегрузки (overload frame)
Кадр ошибки (error frame)

Для кадра данных возможны два варианта - базовый формат и расширенный. Вот так выглядит структура базового формата:

А это структура расширенного:

Поле	Длина	Описание
Начало кадра (SOF)	1 бит	Начало передачи кадра
Идентификатор A (ID A)	11 бит	Первая часть идентификатора
Подмена запроса на передачу (SRR)	1 бит	Рецессивный бит
Бит расширения идентификатора (IDE)	1 бит	Бит определяет длину идентификатора, для расширенного формата - рецессивный бит
Идентификатор B (ID B)	18 бит	Вторая часть идентификатора
Запрос на передачу (RTR)	1 бит	Доминантный бит
Зарезервированные биты	2 бита	Зарезервировано
Длина данных (DLC)	4 бита	Количество байт данных
Данные	0 - 8 байт	Данные
Контрольная сумма (CRC)	15 бит	Контрольная сумма
Разграничитель контрольной суммы	1 бит	Рецессивный бит
Промежуток подтверждения (ACK)	1 бит	Для приемника - доминантный бит, для передатчика - рецессивный
Разграничитель подтверждения	1 бит	Рецессивный бит
Конец кадра (EOF)	7 бит	Все биты рецессивные

Результирующий идентификатор получается в результате объединения полей "Идентификатор A" и "Идентификатор B".

Кадр удаленного запроса (remote frame) представляет из себя кадр данных, описанный выше, но без поля данных и с рецессивным битом RTR. Он используется в случае, когда один узел хочет запросить данные у другого узла.

Кадр ошибки (error frame) передает устройство, обнаружившее ошибку в сети. Фрейм ошибки имеет наивысший приоритет и принимается всеми устройствами сети в обязательном порядке.

Кадр перегрузки (overload frame) используется очень редко. Его идея и назначение заключаются в том, что с его помощью устройство, которое в данный момент не может принять данные, запрашивает повторную передачу этих же данных.

Первые два типа кадров - кадр данных и кадр удаленного запроса - отделяются от других кадров специальным межкадровым промежутком (паузой). А для фреймов ошибки и перегрузки предусмотрена передача без пауз, чтобы обеспечить их скорейшую обработку узлами сети.

Итак, что у нас на очереди теперь? Конечно же контроль ошибок - важнейший аспект работы протокола CAN. Стандарт предусматривает несколько механизмов:

Во-первых, это контроль передачи битов - уровень сигнала в сети сравнивается с передаваемым для каждого бита.
Второй механизм заключается в использовании дополнительных битов (stuffing bit). После передачи любых пяти одинаковых битов автоматически добавляется передача бита противоположного значения. Таким образом, при передаче шести одинаковых битов диагностируется ошибка stuffing'а. Этот механизм используется для кодирования всех полей фреймов данных и запроса. Исключением являются только поля промежутка подтверждения, разграничителя контрольной суммы и EOF.
Стандартная процедура проверки контрольной суммы. Передатчик вычисляет контрольную сумму для текущего кадра и передает ее в линию. В свою очередь, приемник также вычисляет контрольную сумму для принимаемых данных и сравнивает ее с тем значением, которое было отправлено передатчиком. В случае не совпадения значений диагностируется ошибка CRC.
Также выполняется контроль битов фрейма, которые должны иметь заранее определенное значение. В случае, если реальное значение не совпадает с тем, которое ожидается, возникает ошибка.

Благодаря всем этим механизмам, вероятность необнаружения ошибки является очень низкой, что, конечно же, не может не радовать 👍

И на этом еще не все! Каждый узел может находиться в одном из трех состояний:

Error Active
Error Passive
Bus Off

Протокол CAN предусматривает, что изначально, после старта, узел находится в первом из этих состояний - Error Active. Каждое устройство имеет два счетчика ошибок:

Счетчик ошибок передачи
Счетчик ошибок приема

Если значение любого из этих двух счетчиков узла превысит значение 127, то узел переходит в состояние Error Passive. А если величина одного из счетчиков превысит 255, то узел перейдет в состояние Bus Off.

Разница между этими состояниями заключается в действиях узла при диагностировании ошибки:

Как видите, протокол CAN крайне интересен для изучения, надежен, безопасен, и удобен в использовании. И на этой позитивной ноте на сегодня заканчиваем, скоро займемся практической реализацией протокола, также поговорим о микросхемах и устройствах, обеспечивающих работу с CAN. Так что подписывайтесь на обновления, буду рад снова видеть вас на нашем сайте 🤝

Читайте также: