Общее описание стандарта CAN

Лекция 10. Сетевые стандарты нижнего уровня

Нижний уровень судовых систем управления – это уровень управления оборудованием и процессами. Оборудование: главный двигатель, дизель-генератор, компрессор, сепаратор, котел и т.п. Процессы – регулирование скорости, частоты, напряжения, давления, температуры и т.п. Т.е. с точки зрения системы управления это уровень датчиков, исполнительных устройств и регуляторов. В данном случае пока речь идет о традиционных датчиках и исполнительных устройствах, не интеллектуальных.

Эти традиционные датчики и исполнительные устройства подключаются к контроллерам по радиальной схеме, т.е. каждый – по своей паре проводов (или по трем проводам). Обычно этот уровень систем обозначается номером 1.

Важное требование к стандартам этого уровня – возможность работы в режиме жесткого реального времени, когда можно заранее просчитать время реакции на любое событие в системе управления, что особенно важно в аварийных ситуациях. Это сразу накладывает ограничения на используемые методы доступа к каналу связи, которые не могут быть случайными (как, например, CSMA/CD), а должны относиться к группе детерминированных методов (например, CSMA/BA  или  Master-Slave).

Кроме того, желательно, чтобы протоколы стандартов нижнего уровня были экономичными, т.е. количество служебной информации было относительно небольшим, т.к. чаще всего в таких сетях передаются довольно короткие сообщения (значения сигналов и команды), а не громоздкие файлы.

В приложенной презентации к сетям нижнего уровня относится стандарт CAN (слайды с 6 по 11).

На слайде 2 показана таблица уровней системы управления. Мы сейчас говорим про уровень 1, уровень машин. Уровень 0 будем обсуждать позже, это интеллектуальные датчики и исполнительные устройства.

На слайде 3 приведена классификация сетевых промышленных сетей по 3 уровням применения. Стандарт CAN, как видим, находится в группе сетей нижнего уровня.

На 8 слайде показана топология CAN-сети. Это шина, т.е. магистральная топология. Все устройства на шине имеют равные права, используется принцип производителя-потребителя информации. В каждом цикле сети одно устройство является производителем информации, остальные – потребители, они информацию могут использовать. Информация доступна все потребителям одновременно. Нет арбитра шины, все устройства равноправны.

На слайде 9 показан механизм побитного арбитража шины. Контроллеры имеют выходные драйверы с открытым коллектором и соединяются по схеме «монтажное И». В этом случае нулевой уровень сигнала является доминантным, единичный – рецессивным. Устройства могут одновременно передавать и слушать линию. При возникновении конфликта на линии действует правило побитного арбитража: если все устройства передают логические 1, на шине будет уровень 1, если все устройства передают 0, на шине будет 0. Но на шине будет 0 и в том случае, если хотя бы одно устройство в данном такте передает логический 0. Все устройства, которые в этом такте пытались передать 1, а на шине обнаружили 0, должны отключиться. Поскольку все идентификаторы отличаются друг от друга, через определенное количество тактов на шине останется одно передающее устройство. При известной длительности такта (например, 1 мкс при скорости передачи 1 мб/сек) время арбитража можно точно определить заранее. В стандарте CAN 2.0 А используется 11-битный идентификатор, значит, максимальное время арбитража 11 мкс. Поскольку количество устройств в такой сети всегда заранее известно, время арбитража можно точно рассчитать, что важно для режима жесткого реального времени.

Ниже приведена информация из описания стандарта CAN

Стандарт CAN

Общее описание стандарта CAN

Общая тенденция в области автоматизации состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностики ошибок и проблемами с надежностью. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для многоконтроллерных систем. Рассмотрим более подробно преимущества CAN и причины, по которым CAN приобретает все большее распространение.

CAN - последовательный протокол связи, который эффективно поддерживает распределенное управление в реальном масштабе времени с высоким уровнем безопасности. Область применения - от высокоскоростных сетей до дешевых мультиплексных шин. В автоматике, устройствах управления, датчиках используется CAN со скоростью до 1 Mbit/s.

Протокол CAN активно используется уже более 30 лет, что очень важно для таких консервативных областей как железнодорожный транспорт или судостроение. CAN был разработан. фирмой Robert Bosch для автомобильной промышленности. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений. Низкая стоимость определяется хорошим соотношением цена/производительность, также широкой доступностью CAN-контроллеров на рынке. Надежность определяется линейной структурой шины и равноправностью ее узлов, так называемой «мультимастерностью» (Multi Master Bus), при которой каждый узел CAN может получить доступ к шине. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Одновременный прием очень важен для синхронизации в системах управления. Отказавшие узлы отключаются от обмена по шине.

Высокая помехоустойчивость достигается благодаря подавлению синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком, работе встроенных механизмов обнаружения ошибок (одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), повтору ошибочных сообщений, отключению неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.

Гибкость достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов не лимитировано протоколом нижнего уровня. Адресная информация содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом, по которому осуществляется арбитраж. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует также отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала и арбитраж, не разрушающий структуру сообщений при конфликтах. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от дешевой витой пары до оптоволоконной линии связи.

Работа в реальном времени становится возможной благодаря механизмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с), быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной сообщения от 0 до 8 байт.

Задача данной спецификации состоит в том, чтобы достигнуть совместимости между любыми двумя реализациями CAN - систем. Однако, совместимость имеет различные аспекты относительно, например электрических элементов и интерпретации данных, которые будут передаваться.