Controller Area Network


Controller Area Network

CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «умного дома», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

Содержание

Описание стандарта

Непосредственно стандарт CAN от Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня — он может быть каким угодно, например, радиоканалом или оптоволокном. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы — драйверы CAN шины.

Общие сведения

Синхронная шина, с типом доступа Collision Resolution (CR), который в отличие от Collision Detect (CD) сетей (Ethernet — это CD) детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения, что особо ценно для промышленных сетей управления (fieldbus). Передача ведётся кадрами. Полезная информация в кадре состоит из идентификатора длиной 11 бит (стандартный формат) или 29 бит (расширенный формат, надмножество предыдущего) и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификатор говорит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами.

Рецессивные и доминантные биты

Для абстрагирования от среды передачи спецификация CAN избегает описывать двоичные значения как «0» и «1». Вместо этого применяются термины «рецессивный» и «доминантный», при этом подразумевается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим доминантного, принят будет доминантный бит. Например, при реализации физического уровня на радиоканале отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а наличие — доминантный; тогда как в типичной реализации проводной сети рецессив бывает при наличии сигнала, а доминант, соответственно, при отсутствии. Стандарт сети требует от «физического уровня», фактически, единственного условия: чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать «свет», а рецессивному — «темнота». В электрическом проводе может быть так: рецессивное состояние — высокое напряжение на линии (от источника с большим внутренним сопротивлением), доминантное — низкое напряжение (все узлы сети «подтягивают» линию на землю). Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести её в доминантное может любой узел сети (включив свет в оптоволокне или закоротив высокое напряжение). Наоборот — нельзя (включить темноту нельзя).

Виды кадров

  • Кадр данных (data frame) — передаёт данные;
  • Кадр удаленного запроса (remote frame) — служит для запроса на передачу кадра данных с тем же идентификатором;
  • Кадр перегрузки (overload frame) — обеспечивает промежуток между кадрами данных или запроса;
  • Кадр ошибки (error frame) — передаётся узлом, обнаружившим в сети ошибку.

Кадры данных и запроса отделяются от предыдущих кадров межкадровым промежутком.

Формат кадра

Базовый формат кадра данных

Поле Длина (в битах) Описание
Начало кадра 1 Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор 11 Уникальный идентификатор
Запрос на передачу (RTR) 1 Должен быть доминантным
Бит расширения идентификатора (IDE) 1 Должен быть доминантным
Зарезервированный бит (r0) 1 Резерв
Длина данных (DLC) 4 Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных 0-8 байт Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC) 15 Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы 1 Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK) 1 Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения 1 Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF) 7 Должен быть рецессивным

Первые 7 бит идентификатора не должны быть все рецессивными.

Расширенный формат кадра данных

Поле Длина (в битах) Описание
Начало кадра 1 Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор A 11 Первая часть идентификатора
Подмена запроса на передачу (SRR) 1 Должен быть рецессивным
Бит расширения идентификатора (IDE) 1 Должен быть рецессивным
Идентификатор B 18 Вторая часть идентификатора
Запрос на передачу (RTR) 1 Должен быть доминантным
Зарезервированные биты (r1 и r0) 2 Резерв
Длина данных (DLC) 4 Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных 0-8 байт Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC) 15 Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы 1 Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK) 1 Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения 1 Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF) 7 Должен быть рецессивным

Идентификатор получается объединением частей A и B.

Формат кадра удаленного запроса

Совпадает с кадрами данных стандартного или расширенного формата за двумя исключениями:

  • В поле RTR рецессив вместо доминанты.
  • Отсутствует поле данных.

Арбитраж доступа

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа: передавая адрес источника, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный — считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от Ethernet в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения — вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

Контроль ошибок

CAN имеет несколько механизмов контроля и предотвращения ошибок:

  • Контроль передачи: при передаче битовые уровни в сети сравниваются с передаваемыми битами.
  • Дополняющие биты (bit stuffing): после передачи пяти одинаковых битов подряд автоматически передаётся бит противоположного значения. Таким образом кодируются все поля кадров данных или запроса, кроме разграничителя контрольной суммы, промежутка подтверждения и EOF.
  • Контрольная сумма: передатчик вычисляет её и добавляет в передаваемый кадр, приёмник считает контрольную сумму принимаемого кадра в реальном времени (одновременно с передатчиком), сравнивает с суммой в самом кадре и в случае совпадения передаёт доминантный бит в промежутке подтверждения.
  • Контроль значений полей при приёме.

Разработчики оценивают вероятность невыявления ошибки передачи как 4,7×10-11.

Скорость передачи и длина сети

Диапазон скоростей

Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяют плавно менять скорость в диапазоне по крайней мере от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду. Существуют решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона.

Предельная длина сети

Приведённые выше методы контроля ошибок требуют, чтобы изменение бита при передаче успело распространиться по всей сети к моменту замера значения. Это ставит максимальную длину сети в обратную зависимость от скорости передачи: чем больше скорость, тем меньше длина. Например, для сети стандарта ISO 11898 предельные длины составляют приблизительно:

1 Мбит/с 40 м
500 Кбит/с 100 м
125 Кбит/с 500 м
10 Кбит/с 5000 м

Использование оптопар для защиты устройств от высоковольтных помех в сети ещё больше сокращает предельную длину. Сильно разветвлённые сети (паутина) также снижают скорость из-за множества отражений сигнала и большей электрической ёмкости шины.

Протоколы высокого уровня

Базовой спецификации CAN недостаёт многих возможностей, требуемых в реальных системах: передачи данных длиннее 8 байт, автоматического распределения идентификаторов между узлами, единообразного управления устройствами различных типов и производителей. Поэтому вскоре после появления CAN на рынке начали разрабатываться протоколы высокого уровня для него. В число распространённых на данный момент протоколов входят:

Применение CAN в машиностроении

Во всех высокотехнологических системах современного автомобиля применяется CAN-протокол для связи ЭБУ с дополнительными устройствам и контроллерами исполнительных механизмов и различных систем безопасности. В некоторых автомобилях CAN связывает IMMO, приборные панели, SRS блоки и т.д.

Также протокол CAN ISO 15765-4 вошел в состав стандарта OBDII.

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.
  • Простота реализации и минимальные затраты на использование.
  • Высокая устойчивость к помехам.
  • Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.
  • Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
  • Широкий диапазон скоростей работы.
  • Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Недостатки

  • Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
  • Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).
  • Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот). Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.


См. также

Ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Controller Area Network" в других словарях:

  • Controller area network — Controller–area network (CAN or CAN bus) is a vehicle bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate with each other within a vehicle without a host computer. CAN is a message based protocol, designed specifically for… …   Wikipedia

  • Controller-area network — (CAN or CAN bus) is a computer network protocol and bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate with each other without a host computer.It was designed specifically for automotive applications but is now also used… …   Wikipedia

  • Controller Area Network — Pile de protocoles 7 • Application 6 • Présentation 5 • Session 4 • T …   Wikipédia en Français

  • Controller Area Network — Der CAN Bus (Controller Area Network) ist ein asynchrones, serielles Bussystem und gehört zu den Feldbussen. Um die Kabelbäume (bis zu 2 km pro Fahrzeug) zu reduzieren und dadurch Gewicht zu sparen, wurde der CAN Bus 1983 von Bosch für die… …   Deutsch Wikipedia

  • Controller area network — Pile de protocoles 7.  Application 6.  Présentation 5.  Session 4.  T …   Wikipédia en Français

  • Bus Controller Area Network — Controller area network Pile de protocoles 7 • Application 6 • Présentation 5 • Session 4 • T …   Wikipédia en Français

  • Network performance — refers to the service quality of a telecommunications product as seen by the customer. It should not be seen merely as an attempt to get more through the network. The following list gives examples of Network Performance measures for a circuit… …   Wikipedia

  • Network address translation — NAT redirects here. For other uses, see Nat (disambiguation). In computer networking, network address translation (NAT) is the process of modifying IP address information in IP packet headers while in transit across a traffic routing device. The… …   Wikipedia

  • Network switching subsystem — (NSS) (or GSM core network) is the component of a GSM system that carries out call switching and mobility management functions for mobile phones roaming on the network of base stations. It is owned and deployed by mobile phone operators and… …   Wikipedia

  • network — {{Roman}}I.{{/Roman}} noun 1 connections ADJECTIVE ▪ extensive, large, vast, wide, widespread ▪ an extensive network of underground tunnels ▪ complex …   Collocations dictionary


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.