CAN-контроллерная местная сеть (Controller Area Network)

 

Сеть CAN.

 

CAN - название последовательного интерфейса, который был разработан компанией BOSCH - ведущим поставщиком автоэлек­троники, в начале 90х годов, первоначально для использования в ав­томобильных приложениях. Сегодня на рынке можно найти более сотни реализаций протоколов CAN в виде отдельных микросхем или интерфейсов, интегрированных в оборудование, оснащенное мик­роконтроллерами.

Ныне CAN рассматривается как стандартный последовательный интерфейс - стандартная контроллерная сеть для распределенных систем управления в различных отраслях техники, в том числе в ав­томобильной, аэрокосмической, медицинской отраслях, а также в роботизированных промышленных установках.

Массовое производство компонентов CAN десятками известных производителей тиражами в десятки миллионов штук сделала тех­нологию достаточно дешевой.

В качестве международного стандарта протокол CAN был при­знан в 1993г-ISO 11898.

Протокол отличается помехоустойчивостью и обладает следую­щими возможностями:

• Распределенный доступ абонентов в сеть с неразрушающим арбитражем,
• Обнаружение ошибок при передаче и информирование пере­датчика и получателей о них,
• Возможность подключения в сеть дополнительных абонентов без уточнения ПО существующих, из-за оригинальной системы адресации сообщений.

Протокол CAN обеспечивает пользователю два коммуникацион­ных сервиса: посылку сообщений (передача кадра данных) и за­прос на сообщение (удаленный запрос на передачу или remote transmission request, RTR). Другие сервисы: сообщения об ошибках, повтор передачи после обнаружения ошибки и т.п. является для поль­зователя прозрачным, т.е. микросхемы CAN выполняют эти действия автоматически. В отличие от MILSTD1553В, где эти функции выполня­ются ПО прикладного уровня. В CAN четко просматривается физиче­ский и канальный уровни семиуровневой OSI. Верхние уровни OSI объединены и программируются пользователем.

 

 

Физический уровень сети CAN

 

Топология сети CAN - шина. Подключение абонентов к линии передачи без шлейфов. Физический уровень реализуется в виде трех проводов. Два сигнальных - экранированная витая пара, и один общий. Возможно использование неэкранированных параллельных проводов, однако при этом вероятность искажения кадров повыша­ется в 50 раз. Скорость передачи информации до 1 Мбит/с, при дли­не линии 50 - 60 м. С увеличением длины линии допустимая скорость передачи падает. При длине линии 1000 метров скорость передачи 50 - 60 кбит/с поэтому CAN допускает программирование скорости обмена от 10 кбит/с до 1 Мбит/с. Наилучшая помехозащищенность достигается при волновом сопротивлении линии 120 ом.

Возможна реализация физического уровня на оптоволокне, в радиоканале, в ИК канале.

 

Формат кадров

 

Обмен информацией между узлами осуществляется кадрами переменного размера до 108 бит. При этом кадр начинается стар­товым битом и идентификатором в 11 бит, длина поля данных может варьироваться от 0 до 8 байт. Сегмент контрольной суммы CRS за­нимает 15 бит. Обращает на себя внимание само поле данных - не более 8 байт. Это обеспечивает малое время задержки при пере­даче с одной стороны, а с другой стороны является достаточным для тех задач управления, которые решает сеть CAN. При необходимо­сти длинное сообщение может быть фрагментировано на несколь­ко коротких.

Общее количество CAN узлов в сети логически не ограничивает­ся и имеются только ограничения, связанные с числом нагрузок на электронику передатчиков. Для передатчиков одного из типов число узлов в сети может достигать значения 110.

0-64 бит поля данных

Бит RTR 6 бит поля управления 3 бит поля подтверждения

 

.

.

.

.

…

...

.

Стартовый бит 15 бит поле CRS

11 бит идентификатора 7 бит поле конца кадра

 

Распределенный доступ абонентов в сети CAN

 

В отличии от сети MILSTD1553B, сеть CAN имеет не централизо­ванный, а распределенный доступ абонентов на шину, т.е. передача может быть инициирована любым узлом сети CAN при условии сво­бодной шины. Поэтому после мониторинга шины передача может быть начата одновременно несколькими узлами сети, т.е. возможно возникновение столкновении сообщений - коллизий (как в Ethernet). Каждый на­чавший передачу узел осуществляет мониторинг поля идентифика­тора и бита RTR, находящиеся в заголовках кадра.

 

Идентификатор передается в последовательности от старшего бита к младшему. Доминирующим уровнем принят логический 0. Одновременная пе­редача по сети (столкновение) бита с доминирующим уровнем (лог.0)и рецессивным уровнем (лог.1) даетв результате уровень логического нуля. Столкновение бит одинакового логического уровня дает в результате сигнал на шине того же логического уровня.

 

В процессе передачи «поля арбитража» - идентификатора + RTR, каждый передатчик проверяет текущий уровень на шине и сравнивает его с тем значением уровня, который он только что от­правил в шину. Как только одним из передающих узлов будет обна­ружено, что он передал лог.1,а на шине она превратилась в лог.0, он поймет, что его «перешибло» более приоритетное сообщение и ему надо уступать - прекращать свою передачу, так как его сооб­щение имеет меньший приоритет из сообщений начавших переда­чу узлов. Таким образом, арбитраж при выходе на шину осуществ­ляется не по приоритету передающего узла, а по приоритету пере­дающегося сообщения, который заключен в его идентификаторе.

 

Узел 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0

Узел 2 0 1 0 1 1 0 1 1 1

На линии 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0

 

Таким образом, приоритетным в сети при столкновениях сообщений является сообщение с наименьшим номером. Чем больше нулей в старших разрядах иден­тификатора, тем выше приоритет сообщения.

 

После освобождения шины попытка передачи менее приори­тетного сообщения может быть повторена.

 

Обеспечение надежности передачи

 

В отличие от многих других коммуникационных технологий, ис­пользующих принцип подтверждения (квитирования) факта получе­ния узлом адресованного ему сообщения за требуемый интервал времени, в стандарте CAN подтверждения получения индивидуально узлом отсутствуют, и сообщается лишь о появлении кадров с ошиб­кой передачи, а также факт, что хотя бы один узел сообщение при­нял. Для этого используется кадр сообщения об ошибке, а также бит подтверждения (ASK поле) принятия сообщения. Получив кадр сооб­щения об ошибке, передающий узел повторяет передачу исходного сообщения. Таким образом, имеет место решающая обратная связь при передаче данных.

При появлении сообщения об ошибках переданные ошибочные сообщения уничтожаются во всех узлах сети. Имеется счетчик пере­данных ошибочных сообщений. Переполнение счетчика является ос­нованием для запрета узлу передавать сообщения.

Поле подтверждения передачи работает следующим образом. Передающий узел посылает в этом поле рецессивный бит. Ес­ли приемник принял сообщение правильное (подтверждается кон­трольной суммой), то он устанавливает в это поле бит доминирующего уровня, который по определению «перешибает» рецессивный уровень, передатчик читает значение этого бита прямо в процессе передачи и понимает, что в случае наличия доминирующего бита в этом поле, хотя бы один узел принял сообщение правильно.

Необходимость резервирования элементов и ЛПИ определяется разработчиком сети и осуществляется, при необходимости, вне рамок протокола CAN.

 

Адресация сообщений в CAN

 

В протоколе CAN отсутствует прямая адресация сообщений по уникальному адресу абонента.

Имеется идентификатор сообщения, который определяет при­оритет и тип информации сообщения. При передаче сообщение получают все абоненты и проверяют тип сообщения. Абонент берет в обработку только тот тип сообщения, идентификатор которого «зашит» у него. Каждый абонент может обрабатывать до 15ти типов сообщений.

Таким образом, в CAN имеется возможность одновременной передачи сообщений нескольким абонентам, в том числе синхро­сигналов.

Кроме того новые узлы, добавленные в сеть, не меняют ПО существующих узлов, если они являются потребителями или производи­телями имеющихся в сети типов сообщений.

 

8-1