شبکه محلی کنترلر Controller Area Network (CAN)

1. شبکه محلی کنترلر Controller Area Network (CAN)

2. فهرست مطالب • تاریخچه • نياز به ارتباط سريال در وسايل نقليه • استفاده از شبکه CAN در وسايل نقليه • کاربردهای صنعتی شبکه CAN • نحوه عملکرد شبکه CAN • پيغامهای CAN با فرمت توسعه يافته • پياده سازی پروتکل CAN • اتصال فيزيکی CAN

3. تاریخچه • معرفی توسط Robert Bosch در مجمع مهندسین خودرو (SAE) در سال 1986 با نام “Automotive Serial Controller area Network” • استفاده برای ماشینهای بافندگی از سال 1990 • ساخت اولین چیپ CAN در سال 1987 توسط شرکت Intel • ادامه ساخت چیپهای CAN توسط شرکتهای Phillips Semiconductors، Motorola، NEC و امروز 15 شرکت قطعات نیمه هادی چیپهای CAN را تولید می کنند. • انتشار استاندارد 11898ISO در سال 1993 جهت تعریف CAN برای استفاده صنعتی • تشکیل گروه CAN in Automation (CiA) در سال 1992 • تعریف پروتکل برای ارسال برنامه ریزی شده پیغامهای CAN تحت عنوان Time Triggered CAN (TTCAN) در سال 2000.

4. نياز به ارتباط سريال در وسايل نقليه • رشد سیستمهای کنترل الکترونیکی خودرو به دلیل نیاز به امنیت و راحتی بیشتر و کاهش مصرف انرژی • کاربرد سیستمهای کنترل خودرو: تنظیم زمان موتور، جعبه دنده، کنترل سوپاپ کاربراتور، سیستم ضد قفل (ABS)، کنترل گیر شتاب (ASC) • نیاز به تبادل اطلاعات با پیچیده شدن اعمال انجام شده در سیستمها • اتصال ایستگاهها (کنترلرها، سنسورها و محرکها) با باس سریال • پروتوکل CANمربوط به لایه دیتا لینک در مدل مرجع ISO/OSI • مزایا: شناسایی و اصلاح خطاهای ارسال، ساختار ساده و عیب یابی مرکزی • هدف: امکان ارتباط هر استگاه با دیگری بدون گذاشتن بار زیاد روی کامپیوتر کنترلر

5. استفاده از شبکه CAN در وسايل نقليه • چهار کاربرد اصلی با نیازها و اهداف مختلف • کنترلرهای شبکه ای برای تنظیم زمان موتور، انتقال، شاسی و ترمزها، (نرخ دیتا حدود 200kbit/s تا 1Mbit/s) • اجزای شبکه دستگاههای الکترونیکی شاسی و دستگاههای الکترونیکی که راحتی خودرو را بیشتر می کند، مانند کنترل نور، تهویه هوا، قفل مرکزی، تنظیم صندلی وآینه • استفاده از ارتباط سریال در ارتباط موبایل جهت اتصال اجزایی مانند رادیوها، تلفنها و سیستم ناوبری خودرو • عیب یابی با استفاده از مدار واسطه بر طبق ISO9141

6. کاربردهای صنعتی شبکه CAN • مقایسه نیازمندیهای مطلوب سیستمهای باس وسیله نقلیه و سیستمهای فیلدباس صنعتی: • هزینه کم • عملکرد در محیط الکتریکی سخت و خشن • قابلیتهای بالای real-time • سهولت استفاده • استفاده استاندارد از CAN در کلاس s مرسدس بنز و تطبیق آن با کارخانجات صنعتی خودرو ایالات متحده برای ارسالات سریع تا 1Mbit/s • ماشن آلات و تجهیزات کارخانجات موبایل، کشاورزی و کشتیرانی • دستگاههای پزشکی، ماشینهای بافندگی و کنترل آسانسور • گروههای سازندگان و استفاده کنندگان تکنولوژی CAN • CAN Textile Users Group • CAN in Automation

7. نحوه عملکرد شبکه CAN • تبادل اطلاعات • داوری غیر مخرب به طریق بیت (non destructive bitwise arbitration) • کارایی تخصیص باس • فرمتهای فریم پیغام • خطاهای شناسایی و سیگنالینگ • قابلیت اعتماد دیتای پروتکل CAN

8. اصول تبادل دیتا • عدم مشخص کردن آدرس ایستگاه هنگام ارسال دیتا با CAN • معرفی محتوا (مانند سرعت یا دمای موتور) و تعیین اولویت یک پیغام با یک شناسه منحصر به فرد در شبکه برای تعیین اختصاص باس در زمان رقابت ایستگاهها • مراحل تبادل دیتا • Make ready: رد کردن دیتای ارسالی و شناسه ها به چیپ CAN • Send Message: بازسازی و ارسال پیغام توسط چیپ CAN به محض دریافت تخصیص باس • Receive Message: تمام ایستگاههای دیگر به عنوان گیرنده پیغام خواهند بود. • Select: هر ایستگاهی که به درستی پیغام را دریافت کرده است بررسی می کند که آیا دیتای دریافتی مربوط به ان ایستگاه است؟ • Accept: در صورت دارای اهمیت بودن دیتا برای ایستگاه پردازش می شود.

9. ارسال Broadcast و فیلتر کردن پذیرش توسط گرههای CAN

10. مزایای اصول تبادل دیتا در CAN • انعطاف پذیری زیاد سیستم و ساختار به دلیل آدرس دهی بر اساس محتوا • امکان اضافه کردن راحت ایستگاهها به شبکه بدون اصلاحات سخت افزاری یا نرم افزاری • پشتیبانی از اجزای الکترونیکی مدولار • امکان داشتن چند گیرنده (broad cast, multi cast) • امکان ارسال اندازه گیریها با شبکه و عدم نیاز به سنسور مجزا برای هر کنترلر

11. داوری غیر مخرب به طریق بیت(non destructive bitwise arbitration) • ضرورت تبدل پیغامها در شبکه متفاوت است. • کمیتها با تغییرات سریع (مانند بار موتور) نسبت به کمیتهای آهسته (مانند دمای موتور) دارای اولویت بیشتر ارسال می باشند. • شناسه با عدد باینری کوچکتر دارای اولویت بیشتر است. • مکانیزم wired and • حالت غالب dominant: 0 منطقی • حالت غیر غالب recessive: 1 منطقی • در رقابت جهت تخصیص باس ایستگاهها با ارسال بیت غیر غالب و مشاهده بیت غالب حذف می شوند.

12. داوری غیر مخرب به طریق بیت(non destructive bitwise arbitration)

13. کارایی تخصیص باس • روشهای تخصیص باس • تخصیص با برنامه زمانی ثابت مانند token slot و token passing • تخصیص بر حسب نیاز: بر اساس درخواستهای ارسال • CSMA, CSMA/CD, flying master, round robin, bitwise arbitration • روش دسترسی باس • غیر مخرب • مخرب

14. فرمتهای فریم پیغام • پشتیبانی از دو فرمت فريم پيغام • تفاوت اصلی در طول شناسه (ID) • فرمت استاندارد • طول شناسه: 11 بیت • فرمت طولانی (Extended) • طول شناسه: 29 بیت

15. فرمت استاندارد فریم پیغام • فیلد کنترل • Remote transmission request (RTR) • مشخص کننده فریم درخواست بدون بايتهای ديتا • Identifier extension (IDE) • مشخص کننده فرمت استاندارد یا طولانی • DLC • تعداد بايتهای ديتا در فیلد ديتا • شامل هفت فيلد اصلی • داوری(Arbitration) • کنترل (Control) • دیتا (Data) • کد چرخشی (CRC) • تصدیق (Ack) • پایان (End of Frame) • وقفه (Intermission)

16. شناسايی خطا • انجام سه مکانيزم در سطح پيغام • Cyclic Redundancy Check (CRC): محاسبه دوباره بیتها در گیرنده و مقایسه با بیتهای دریافتی • Frame check: مقايسه فیلدهای بیت با فرمت ثابت • ACK errors: عدم دريافت تصديق توسط فرستنده • انجام دو مکانیزم در سطح بیت • Monitoring: مقایسه بیت ارسالی با بيت دريافتی • Bit stuffing: قرار دادن بیت با مقدار مکمل بعد از پنج بیت مساوی

17. قابلیت اعتماد دیتا در پروتکل CAN • هدف: جلوگیری از هر گونه موقعیت خطرناک برای راننده ناشی از تبادل ديتا در طول عمر خودرو • دسترسی به هدف در صورت بالا بودن قابلیت اعتماد دیتا یا کم بودن احتمال خطای باقیمانده • قابلیت اعتماد در مورد دیتای سیستمهای باس: توانایی برای شناسایی دیتای خراب شده با عوامل ارسال

18. پيغامهای CAN با فرمت طولانی • معرفی شناساگر 29 بيتی، 11 بیت پایه و 18 بیت توسعه یافته • دو فرمت پیغام: استاندارد (2.0A) و توسعه یافته (2.0B) • پیغام استاندارد نسبت به توسعه یافته اولویت دارد. • کنترلرهای CAN که از فرمت طولانی پشتیبانی می کنند می توانند در فرمت استاندار پیغامها را ارسال و دریافت کنند. • بیت IDE به صورت غالب در فرمت استاندارد و غیر غالب در فرمت طولانی می باشد. • مقدار بیت RTR برحسب دیتای ارسالی یا درخواست پیغام خاص تعیین می شود. • در فرمت طولانی برای دادن اولویت به پیغامهای فرمت استاندارد SRS به صورت غیر غالب ارسال می شود.

19. پيغامهای CAN با فرمت طولانی

20. پياده سازی پروتکل CAN • کنترلر CAN با بافر واسطه • يک بافر فرستنده و دو بافر گيرنده • هزينه ساخت کم • فضای کوچک چيپ • قبول تمام موارد در شبکه CAN • کنترلر CAN با حافظه خارجی • سه بخش: شناسايی کننده، کد طول ديتا، ديتای مفيد اصلی • فضای چيپ بزرگتر • هزينه بالا • اداره تعداد محدودی چيپ • کنترلرهای برده CAN برای عمليات ورودی و خروجی • SLIO (serial Link I/O) • اداره با CAN Master

21. اتصالات فيريکی شبکه CAN • استفاده از مدارات و چیپهای درايور بر طبق ISO 11898 • تعیین اتصالات مکانيکی (کابلها و کانکتورها) توسط International users and manufactures group (CiA)

22. اتصالات فيزيکی CAN طبق ISO11898

23. حالتهای dominant و recessive Recessive state: CAN_L = CAN_H = 2.5V Dominant state: CAN_L = 1.5V, CAN_H = 3.5V

24. بخش کنترل الکترونیکیElectron Control Unit (ECU)

25. اتصال اجزای کنترل الکترونیکی به شبکه CAN ECU 1 ECU 2 CAN_H CAN_H CAN_L TBC_PWR Terminator Terminator CAN_H CAN_L TBC_RTN

26. مقایسه سیم کشی معمولی و باس سريال

27. ماکزیمم نرخ بیت بر حسب طول باس