Co je sběrnice CAN a jak funguje?

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.

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.

В předchozí článek hovořili jsme o problémech v datové sběrnici CAN, které vznikly v důsledku opotřebení baterie a poklesu napájecího napětí při spouštění pod provozní práh sběrnice. Dnes budeme pokračovat v rozhovoru o sběrnici CAN, ale v trochu jiném duchu: nejprve si připomeňme princip její činnosti a poté zvažte jeden z případů topologie sběrnice a analyzujte oscilogram závady.

Tato sběrnice se nejčastěji používá jako prostředek výměny dat v systémech, pro které je kritická rychlost a doba rozhodování. Jedná se například o systém řízení pohybu, který integruje řídicí jednotky pro motor, automatickou převodovku, protiblokovací brzdový systém, posilovač řízení atd.

Konstrukčně je autobus nestíněný kroucený pár. Vodiče sběrnice se nazývají CAN High a CAN Low.

Autobus může být ve dvou stavech:

1. Recesivní stav nebo logická jednotka. Oba vodiče v této situaci mají téměř stejný potenciál: jak vodič CAN High, tak vodič CAN Low mají asi 2,5 V. Sběrnice může zůstat v recesivním stavu tak dlouho, jak je požadováno, i když ve skutečnosti se to nestane, protože recesivní stav je pouze pauza mezi relacemi přenosu informací.
2. Dominantní stav, nebo logická nula. Sběrnice se do ní dostane, když jedna z řídicích jednotek zahrnutých v síti začne vysílat data. Potenciály na vodičích sběrnice se mění následovně: na vodiči CAN High se potenciál zvýší o jeden volt, na vodiči CAN Low se naopak sníží o jeden volt.

Podívejme se na tvar signálu sběrnice, abychom odůvodnili jeho odolnost proti šumu:

Obrázek ukazuje dominantní a recesivní úrovně sběrnice a také vliv elektromagnetického rušení na sběrnici. Charakteristickým rysem zpracování signálu sběrnice je, že se nebere v úvahu samotná úroveň signálu, ale rozdíl úrovní mezi vodiči CAN High a CAN Low. Na recesivní úrovni se tento rozdíl blíží nule, na dominantní úrovni je maximální.

V krouceném páru jsou vodiče umístěny velmi blízko sebe. Pokud se objeví vnější elektromagnetické rušení X, pak je ve fázi a indukuje stejný napěťový ráz v obou vodičích sběrnice. V důsledku toho se na obou vodičích objeví šumem indukovaný impuls, ale rozdíl potenciálů mezi vodiči se nezmění. To umožňuje efektivně potlačit vnější rušení, což je velká výhoda sběrnice CAN.

Kroucená dvoulinka je ve skutečnosti dlouho známá metoda řešení rušení. V lékařství, například v kardiostimulátorech, kde je vyžadována nejvyšší odolnost proti hluku, je velmi široce používán.

Signál sběrnice vstupuje do řídicí jednotky do diferenciálního zesilovače a je zpracován. Obrázek vysvětluje proces zpracování:

Většina automobilek dodržuje přenosovou rychlost 500 kBd, což znamená, že doba trvání jednoho bitu bude 2 μs.

Pojďme se bavit o topologii sběrnice CAN. Fyzicky sběrnice nemá začátek ani konec; Nejčastěji existují dva typy topologie: lineární topologie a pasivní hvězdicová topologie, stejně jako jejich kombinace.

U moderních automobilů je sběrnice CAN velmi rozsáhlá. Aby nedošlo k přetížení linky velkým množstvím přenášených dat, může se sběrnice skládat z několika větví spojených mezisíťovou bránou, jinak nazývanou Gateway. V důsledku toho se síť skládá z několika větví, včetně diagnostického konektoru, využívajících různé rychlosti a výměnné protokoly.

Proto je sběrnicová topologie pro diagnostika velmi aktuální a bohužel i poměrně složitá záležitost. Z elektrických schémat, která má diagnostik k dispozici, není vždy možné porozumět topologii. Dokumentace některých výrobců automobilů však poskytuje úplné a podrobné informace, v takovém případě je úkol značně zjednodušen.

Bez znalosti spletitosti organizace pneumatik může být docela obtížné v ní najít chybu. Pokud například dojde k oxidaci kontaktů v konektoru, dojde ke ztrátě komunikace s řadou řídicích jednotek. Mít po ruce topologii sběrnice usnadňuje nalezení takových problémů, ale nemít ji vede ke spoustě času.

No, trochu jsme oprášili teorii pneumatik, teď je čas přejít k praxi.

Před námi je Infinitit Q50, vybavený velmi vzácným přeplňovaným motorem VR30DDT o objemu 3.0 litru a výkonu 400 koní. Ale problém není v této úžasné jednotce, ale právě v CAN sběrnici: po připojení diagnostického skeneru není možné navázat komunikaci s dobrou polovinou řídicích jednotek.

Máme štěstí – Nissan patří do toho úzkého okruhu výrobců, kteří poskytují diagnostikům kvalitní a komplexní informace. Dokumentace také obsahuje podrobnou topologii palubní sběrnice pro výměnu dat. Otevřeme to a podívejme se:

Je třeba říci, že dané blokové schéma je poměrně obecné. Dokumentace obsahuje mnohem podrobnější elektrické schéma se všemi vodiči a čísly kontaktů v blocích, ale nyní je ještě nepotřebujeme, je pro nás důležité porozumět obecné topologii.

Takže první věc, kterou musíte vidět, je, že celá síť je rozdělena do tří velkých větví, vyznačených tečkovanými čarami:

• komunikační obvod CAN 1;
• komunikační obvod CAN 2;
• Komunikační obvod podvozku.

První dva okruhy jsou propojeny přes CAN bránu (najdete ji na obrázku). Okruh podvozku je připojen k obvodu CAN 2 prostřednictvím řídicí jednotky podvozku, která zároveň plní roli jakési brány.

Nyní se znovu vraťme ke skeneru a podívejme se, které z řídicích jednotek nekomunikují. Dealerský skener nám poskytuje velmi pohodlnou funkci: bloky každého z okruhů se zobrazují na obrazovce samostatně a barva označuje možnost (zelená) nebo nemožnost (červená) s nimi navázat spojení. Zde jsou bloky obvodu CAN 1:

A to jsou bloky obvodu CAN 2 Jak vidíte, není s nimi prostě žádné spojení:

Chybí také spojení s bloky obvodů podvozku, ale to je pochopitelné: tento obvod je podle blokového schématu zapojen do obvodu CAN 2.

No a problém je téměř vyřešen, zbývá jen lokalizovat závadu. A k tomu použijeme motor tester a pořídíme oscilogram na vodičích sběrnice, nejprve v CAN 1 a poté v CAN 2 a porovnáme je.

To je velmi snadné, protože obě sběrnice jsou vedeny přímo do diagnostického konektoru. Podle podrobnějšího schématu uvedeného výše jsou vodiče CAN 6 připojeny ke kontaktům diagnostického bloku 14 a 1 a vodiče CAN 12 jsou připojeny ke kontaktům 13 a 2.

Vezmeme oscilogram v obvodu CAN 1. Má přímo akademický vzhled:

Změřme to pomocí pravítek.

• Na vodiči CAN High v recesivním stavu byl potenciál 2,26 V, na vodiči CAN Low – 2,25 V.
• Na vodiči CAN High v dominantním stavu byl potenciál 3,58 V, na vodiči CAN Low – 1,41 V.
• Šířka impulsu odpovídající jedné jednotce přenášené informace je 2 μs (zakroužkováno červeně).

Prostě dokonalý soulad mezi teorií a praxí. Samozřejmě, že šířka pásma našeho zařízení zjevně nestačí ke správnému zobrazení signálu, jeho spektrum je příliš široké. Pokud však nad tím zavřete oči, je docela možné vyhodnotit kvalitu signálu a vyvodit potřebné závěry.

Nyní provedeme stejnou operaci na diagnostických blokových kontaktech 12 a 13, abychom získali oscilogram signálu CAN 2. Zde je:

Pro názornost je měřítko oscilogramů na obou obrázcích stejné.

To, co vidíte na této vlně, se nazývá „odpad“. Diagnostici často říkají toto: blok zasypává pneumatiku. Ale jak najdete blok, který to dělá? Technika je zde velmi jednoduchá a scvrkává se na vypínání bloků jeden po druhém a opětovné pozorování signálu sběrnice.

Kde přesně se ta či ona jednotka na voze nachází, je obvykle uvedeno v dokumentaci. Například v tomto „datu“ jsou bloky uspořádány takto:

Ale v našem případě je vše jednodušší. Mimochodem, malý životní hack, vezměte na vědomí. U vozů Nissan a Infiniti je nejčastější příčinou úlomků v sběrnici CAN jednotka ABS. Po odstranění konektoru z bloku okamžitě získáme normální výměnu a komunikaci skeneru se všemi bloky větve CAN 2:

Vezměte prosím na vědomí, že v obvodu CAN 2 probíhá komunikace se všemi jednotkami kromě jednotky ABS, protože je deaktivována.

Na závěr rozhovoru bych vás rád upozornil na jednu důležitou nuanci. Frekvence opakování pulzů na sběrnici CAN je 500 kHz. Při pořizování oscilogramu je proto nutné použít nejvyšší možnou vzorkovací frekvenci motortesteru, které je schopen.

Pokud nastavíte nízkou vzorkovací frekvenci, budou pulzy na oscilogramu značně zkreslené. Jako příklad se podívejte, jak vypadá oscilogram signálu sběrnice CAN při speciálně snížené vzorkovací frekvenci zařízení:

Červený obdélník ukazuje čas, do kterého se vejde jedno dělení mřížky. Je to 0,2 ms. A na oscilogramu, na který jsme se dívali dříve, byl tento čas rovný 5 μs, takže zobrazení pulsů bylo správnější. Mějte to na paměti a nedělejte chyby!