CAN sběrnice: co to je, proč je potřeba a jak funguje v moderním autě

Protokol CAN reguluje zprávy, jejichž prostřednictvím si zařízení v síti vyměňují data. Původně byl vyvinut pro použití v automobilovém průmyslu.

Vývoj sběrnice CAN začal na počátku 80. let. V roce 1986 byl na kongresu Asociace automobilových inženýrů (SAE) představen systém sériové sběrnice Controller Area Network (CAN), což znamenalo zrod jednoho z nejúspěšnějších síťových protokolů, které kdy byly vytvořeny.

Protokol CAN, který umožňuje integraci různých řídicích jednotek a řídicích systémů do jednoho celku, se dnes používá ve všech moderních automobilech a jiných vozidlech, od vlaků po lodě, stejně jako v průmyslových řídicích systémech (kde se nazývá DeviceNet ).

Pneumatika CAN, přizpůsobený pro použití na námořních plavidlech, známý jako síť NMEA 2000.

Protokol CAN je dnes celosvětově jedním z dominantních a snad i hlavních nástrojů systému sériové sběrnice, sloužící k propojení všech typů zařízení a zařízení v jedné síti.

Технология

CAN je standard vysílací sériové sběrnice pro připojení více hostitelských elektronických zařízení. Tento typ připojení je známý jako multi-master, což znamená, že neexistuje žádný centrální řídicí bod.

Každý uzel (elektronické zařízení) na sběrnici může odesílat a přijímat zprávy, ale ne současně. Zpráva se skládá především z identifikátoru (ID), který se obvykle volí k identifikaci typu zprávy nebo odesílatele a obsahuje až osm bajtů dat. Přenáší se na sběrnici sériově. Všechny uzly (zařízení) mají uzlový procesor a rozhraní CAN, přes které jsou připojeny ke sběrnici. Pokud je sběrnice volná, může začít vysílat jakýkoli uzel. Pokud dva nebo více uzlů začnou posílat zprávy současně, zpráva s dominantnějším ID (která má dominantnější bity, tj. nuly) přepíše méně dominantní ID ostatních uzlů. Nakonec tedy (po ID arbitráži) zůstane pouze dominantní zpráva, kterou přijmou všechny uzly. Přijímací uzly pak určují, zda je hodnota ID nějak zajímá nebo ne.

Jakmile je přenos dominantní zprávy dokončen, všechny „poražené strany“ v arbitrážním procesu se pokusí odeslat své zprávy znovu. Toto se nazývá nedestruktivní arbitráž, ve které není zničena zpráva s nejvyšší prioritou.

Protokol CAN je řízen událostmi na rozdíl od protokolu spouštěného časem. Architektura sběrnice neklade žádná omezení na to, kdy mohou uzly odesílat zprávy do sítě.

Imunita proti hluku

Informace jsou přenášeny na sběrnici jako rozdíl potenciálů mezi dvěma signálovými vedeními CAN_H a CAN_L. Pokud mají obě linky stejné napětí, signál je recesivní bit. Pokud je potenciál vedení CAN_H vyšší než potenciál vedení CAN_L o 0,9 V, je signál vedení dominantním bitem. Pro tyto dvě čáry neexistuje žádný nezávislý pozemní referenční bod. Pneumatika je tak imunní vůči jakémukoli hluku na pozadí.

Dvě CAN linky jsou vystaveny stejnému elektromagnetickému rušení, proto potenciální rozdíl mezi těmito dvěma linkami zůstane stejný. Sběrnice je tedy také imunní vůči elektromagnetickému rušení.

NMEA2000 Síť

Tato část se bude zabývat následujícími otázkami:

• Topologie sítě NMEA 2000
• NMEA 2000 síťové kabely a délky
• Síťové konektory a koncové spojky MNEA 2000
• Napájení a uzemnění sítě NMEA 2000

Topologie sítě

Kabeláž NMEA 2000 využívá topologii trunku s drop a drop line.

Kabely

Aby bylo možné síťové kabely použít jako datové spojení a pro stejnosměrné napájení, musí splňovat určité požadavky týkající se charakteristické impedance, zpoždění šíření a průřezu vodiče.

Sítě NMEA 2000 musí používat samostatný vodotěsný kabel obsahující jeden kroucený pár signálních vodičů, jeden kroucený pár napájecích vodičů a zemnící vodič. Zemnící vodič stíní signálové a napájecí vodiče před externím RF rušením a také snižuje vlastní RF emise kabelu.

Jsou povoleny tři typy kabelů: Mini kabel, který se obvykle používá pro páteř sítě díky své schopnosti odolávat proudům až 8 A, střední kabel, obvykle používaný jako páteř v malých sítích, a mikro kabel ( mikro kabel), obvykle používaný jako kabelové vývody pro připojení zařízení k páteři (oba posledně jmenované kabely snesou proudy až 4 A). Čím tenčí je kabel, tím větší flexibilitu má při instalaci.

Délka síťového kabelu

Protože všechna zařízení v síti musí přijímat stejné bity dat ve stejných časových intervalech, neměla by maximální délka sítě NMEA 2000 mezi dvěma koncovými body přesáhnout 200 m, což teoreticky odpovídá maximální datové rychlosti 250 kbps.

Proudová omezení silových vodičů však mohou dále snížit maximální délku kabelu.

Vzhledem k tomu, že není nutné instalovat koncové odpory na zařízení připojená k síti, neměla by délka přípojného vedení přesáhnout 6 m, aby nedocházelo k odrazu signálů do sítě. K síti lze připojit až 50 zařízení, ale celková délka přípojných vedení v síti nesmí přesáhnout 78 m.
Pro připojení zařízení k hlavní lince se používají T konektory.
Daisy Chaining of Devices není dovoleno!

Konektory

2000kolíkové konektory průmyslové třídy se používají k připojení kabelů k zařízením nebo jiným síťovým komponentům NMEA5, čímž se síť stává systémem plug.and-play.

Kolík konektoru a barevné kódování vodičů jsou uvedeny níže.

Barva	Jméno	Jmenování
model	FCV-295	CVS-1410
Bílý	CAN_H	Signál
Tmavě modrá	MŮŽU	Signál
Bared	SHIELD	Štít/země
černá	Power-C	Společný napájecí kabel
Červený	Power-S	Jídlo

Síť terminál zařízení

Pro snížení odrazů signálu v síti je nutné nainstalovat přizpůsobenou zátěž
na každém konci spojovacího vedení. Pokud síť není vybavena koncovými odpory, nebude správně fungovat.

Zakončovací rezistor je obvykle připojen k poslednímu T konektoru vedení jako interní linkový rezistor, to znamená, že rezistor je zabudován do konektoru a připojen přímo k T-kusu.
Zakončovací rezistor lze také nainstalovat do zařízení připojeného k poslednímu T-kusu vedení.

Elektrické připojení

Rozsah provozního napájecího napětí pro kompatibilní uzly v síti NMEA 2000 je 9-16 V DC.

Připojení napájení k síti se obvykle provádí přes napájecí odbočku. Pokud je síť pod napětím uprostřed (nebo v jakémkoli jiném bodě než na konci), kabelový systém může přenášet zatížení přesahující maximální přípustnou hodnotu pro kabel za předpokladu, že maximální proud nebude překročen v žádném segmentu kabelu. hlavní linie.

Sítě s koncovým napájením se obvykle používají v případě malého počtu zařízení.
Připojení středního napájení se používá, když počet připojených zařízení vyžaduje vyšší proud než v konfiguraci koncového napájení.

Základy

Síť NMEA 2000 by měla být uzemněna pouze na jednom místě, aby se předešlo vzniku zemních smyček, které mohou způsobit problémy s komunikací v síti. Zemnící vodič/stínění musí být připojeno pouze k uzemnění napájecího zdroje.

Vznik digitálních sběrnic v automobilech nastal později než rozsáhlé zavedení elektronických jednotek. V té době potřebovaly digitální „výstup“ pouze pro „komunikaci“ s diagnostickým zařízením – k tomu stačila nízkorychlostní sériová rozhraní jako ISO 9141-2 (K-Line). Zdánlivá komplikace palubní elektroniky s přechodem na architekturu CAN se však stala jejím zjednodušením.

Proč vlastně mít samostatný snímač rychlosti, když jednotka ABS již má informace o rychlosti otáčení každého kola? Stačí tyto informace přenést na přístrojovou desku a řídicí jednotku motoru. Pro bezpečnostní systémy je to ještě důležitější: například řídicí jednotka airbagu je již schopna v případě kolize samostatně vypnout motor odesláním odpovídajícího příkazu do řídicí jednotky motoru a odpojit maximální počet palubních obvodů odesláním příkazu do řídicí jednotky výkonu. Dříve bylo z bezpečnostních důvodů nutné používat nespolehlivá opatření, jako jsou inerciální spínače a pyropatrony na svorkách baterie (majitelé BMW jsou s jejími „závadami“ již dobře obeznámeni).

Implementace plnohodnotné „komunikace“ mezi řídicími jednotkami však nebyla možná za použití starých principů. Objem dat a jejich důležitost se řádově zvýšily, což znamenalo, že byla potřeba sběrnice, která by nejen byla schopna pracovat vysokou rychlostí a byla chráněna před rušením, ale také poskytovala minimální zpoždění během přenosu. Pro stroj pohybující se vysokou rychlostí mohou i milisekundy hrát kritickou roli. Řešení, které splňovalo takové požadavky, již v průmyslu existovalo – mluvíme o CAN BUS (Controller Area Network).

Podstata CAN-busu

Digitální sběrnice CAN není specifický fyzický protokol. Princip fungování sběrnice CAN, vyvinutý společností Bosch v osmdesátých letech, umožňuje její implementaci s jakýmkoli typem přenosu – ať už po drátu, optickými vlákny nebo rádiem. Sběrnice CAN pracuje s hardwarovou podporou priorit bloků a možností, aby „důležitější“ bloky přerušily přenos „méně důležitých“.

Za tímto účelem byl zaveden koncept dominantních a recesivních bitů: zjednodušeně řečeno, protokol CAN umožní jakékoli jednotce připojit se ve správný okamžik a zastaví přenos dat z méně důležitých systémů pouhým vysláním dominantního bitu, zatímco je na sběrnici přítomen recesivní bit. To se děje čistě fyzicky – například pokud „plus“ na vodiči znamená „jedničku“ (dominantní bit) a absence signálu znamená „nulu“ (recesivní bit), pak přenos „jedničky“ rozhodně potlačí „nulu“.

Představte si třídu na začátku hodiny. Studenti (řídicí jednotky s nízkou prioritou) si tiše povídají. Jakmile ale učitel (řídicí jednotka s vysokou prioritou) hlasitě vydá povel „Ticho ve třídě!“, čímž přehluší hluk ve třídě (dominantní bit potlačí recesivní), přenos dat mezi studenty-řídicími jednotkami se zastaví. Na rozdíl od školní třídy funguje v CAN sběrnici toto pravidlo trvale.

K čemu to je? Aby důležitá data byla přenášena s minimálním zpožděním, a to i za cenu toho, že nedůležitá data nebudou přenášena na sběrnici (tím se sběrnice CAN liší od Ethernetu, který je každému známý z počítačů). V případě nehody je schopnost řídicí jednotky vstřikování přijímat informace o této nehodě od řídicí jednotky SRS nesrovnatelně důležitější než to, aby přístrojová deska přijímala další paket dat o rychlosti pohybu.

V moderních automobilech se fyzické oddělení nízkých a vysokých priorit stalo normou. Používají se dvě nebo i více fyzických nízkorychlostních a vysokorychlostních sběrnic – obvykle „motorová“ CAN sběrnice a „karoserie“, datové toky mezi nimi se neprotínají. Ke všem je připojen pouze řadič CAN sběrnice najednou, což umožňuje diagnostickému skeneru „komunikovat“ se všemi jednotkami prostřednictvím jednoho konektoru.

Například technická dokumentace společnosti Volkswagen definuje tři typy používaných sběrnic CAN:

• „Rychlá“ sběrnice, pracující s rychlostí 500 kilobitů za sekundu, propojuje řídicí jednotky motoru, ABS, SRS a převodovky.
• „Slow“ pracuje s rychlostí 100 kbps a kombinuje bloky systému „Comfort“ (centrální zamykání, elektrické stahování oken atd.).
• Třetí sběrnice funguje stejnou rychlostí, ale přenáší informace pouze mezi navigací, vestavěným telefonem atd. U starších aut (např. Golf IV) byla informační sběrnice a komfortní sběrnice fyzicky sloučené.

Zajímavým faktemU druhé generace Renaultu Logan a jeho „platformových souputníků“ jsou fyzicky také dvě sběrnice, ale ta druhá propojuje výhradně multimediální systém s řídicí jednotkou CAN, zatímco druhá současně obsahuje řídicí jednotku motoru, řídicí jednotku ABS, airbagy a UECBS.

Fyzicky ji auta s CAN sběrnicí používají ve formě krouceného diferenciálního páru: oba vodiče v něm slouží k přenosu jednoho signálu, který je definován jako rozdíl napětí na obou vodičích. To je nezbytné pro jednoduchou a spolehlivou ochranu před rušením. Nestíněný vodič funguje jako anténa, to znamená, že zdroj rádiového rušení je schopen v něm indukovat elektromotorickou sílu, dostatečnou k tomu, aby rušení bylo řídicími jednotkami vnímáno jako skutečně přenášený bit informace.

Ale v kroucené dvojlince bude hodnota EMF rušení na obou vodičích stejná, takže rozdíl napětí zůstane nezměněn. Proto pro nalezení sběrnice CAN v autě hledejte kroucenou dvojlinku – hlavní je nezaměňovat ji s kabeláží senzorů ABS, které jsou také uvnitř auta položeny jako kroucená dvojlinka, aby byly chráněny před rušením.

Diagnostický konektor sběrnice CAN nebyl znovuobjeven: vodiče byly vedeny k volným pinům již standardizovaného konektoru OBD-II, ve kterém se sběrnice CAN nachází na kontaktech 6 (CAN-H) a 14 (CAN-L).

Protože v autě může být několik sběrnic CAN, je běžnou praxí používat na každé z nich různé fyzické úrovně signálu. Podívejme se znovu na dokumentaci Volkswagenu jako příklad. Takto vypadá přenos dat ve sběrnici motoru:

Pokud se na sběrnici nepřenášejí žádná data nebo se přenáší recesivní bit, voltmetr ukáže 2,5 V vzhledem k „hmotnosti“ na obou vodičích kroucené dvojlinky (rozdíl signálu je nulový). V okamžiku přenosu dominantního bitu na vodiči CAN-High napětí stoupne na 3,5 V, zatímco na CAN-Low klesne na jeden a půl. Rozdíl 2 voltů znamená „jeden“.

Na pneumatice Comfort vypadá všechno jinak:

Zde je „nula“ naopak rozdíl 5 voltů a napětí na vodiči Low je vyšší než na vodiči High. „Jedna“ je změna rozdílu napětí až o 2,2 V.

Kontrola sběrnice CAN na fyzické úrovni se provádí pomocí osciloskopu, který umožňuje vidět skutečný průchod signálů po krouceném páru: u konvenčního testeru je přirozeně nemožné „vidět“ střídání impulsů takové délky.

„Dekódování“ sběrnice CAN automobilu provádí také specializované zařízení – analyzátor. Umožňuje vám vydávat datové pakety ze sběrnice ve formě, v jaké jsou přenášeny.

Chápete, že diagnostika sběrnice CAN na „amatérské“ úrovni bez odpovídajícího vybavení a znalostí nedává smysl a je prostě nemožná. Maximum, co lze „improvizovanými“ prostředky pro kontrolu sběrnice CAN udělat, je změřit napětí a odpor na vodičích a porovnat je s referenčními hodnotami pro konkrétní auto a konkrétní sběrnici. To je důležité – výše jsme konkrétně uvedli příklad toho, jak i na jednom autě může být mezi pneumatikami značný rozdíl.

Poruchy

Přestože je rozhraní CAN dobře chráněno před rušením, elektrické závady se pro něj staly vážným problémem. Sloučení jednotek do jedné sítě ho učinilo zranitelným. Rozhraní CAN v automobilech se stalo skutečnou noční můrou pro méně kvalifikované autoelektrikáře kvůli jedné ze svých vlastností: silné přepětí (například zimní startování na hluboce vybité baterii) může nejen „zaseknout“ chybu sběrnice CAN zjištěnou během diagnostiky, ale také zaplnit paměť řídicí jednotky sporadickými, náhodnými chybami.

V důsledku toho se na palubní desce rozsvítí celá „girlanda“ kontrolek. A zatímco se nováček v šoku škrábe na hlavě: „Co to je?“, kompetentní diagnostik nejprve nainstaluje normální baterii.

Čistě elektrické problémy představují přerušení vodičů sběrnice, jejich zkraty k „zemi“ nebo „plus“. Princip diferenciálního přenosu se stává nereálným, když se některý z vodičů přeruší nebo je na něm „nesprávný“ signál. Nejhorší je zkrat ve vodiči, protože „paralyzuje“ celou sběrnici.

Představte si jednoduchou sběrnici motoru ve formě drátu, na kterém „sedí v řadě“ několik jednotek – řídicí jednotka motoru, řídicí jednotka ABS, přístrojová deska a diagnostický konektor. Přerušení konektoru není pro auto nebezpečné – všechny jednotky si budou v normálním režimu nadále přenášet informace, pouze diagnostika bude nemožná. Pokud je drát mezi řídicí jednotkou ABS a panelem přerušený, budeme na sběrnici se skenerem vidět pouze jej, neukáže ani otáčky, ani rychlost motoru.

Pokud však dojde k přerušení mezi řídicí jednotkou motoru a systémem ABS, auto s největší pravděpodobností nenastartuje: jednotka, která „nevidí“ potřebný regulátor (informace o rychlosti se berou v úvahu při výpočtu doby vstřikování a časování zapalování), přejde do nouzového režimu.

Pokud dráty nepřeříznete, ale jednoduše na jeden z nich neustále připojíte „plus“ nebo „uzemnění“, auto „vypadne“, protože ani jedna jednotka nebude schopna přenášet data do druhé. Zlaté pravidlo autoelektrikáře, přeložené do cenzurované ruštiny, proto zní jako „nenastupujte do autobusu s nešikovnýma rukama“ a řada výrobců automobilů zakazuje připojovat k sběrnici CAN necertifikovaná další zařízení třetích stran (například alarmy).

Naštěstí připojení sběrnice CAN alarmu není konektor-konektor, ale přímo do sběrnice automobilu, což dává „nešikovnému“ instalačnímu technikovi možnost zaměnit si vodiče. Poté auto nejenže odmítne nastartovat – s přítomností palubního regulátoru distribuujícího napájení není ani zapalování jisté, že se zapne.