Содержание
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Шина CAN в автомобиле
Шина CAN в автомобиле — это сеть контроллеров, предназначенных для обеспечения подключения электронных устройств, которые способны передавать и получать определенную информацию. Такая схема подключения позволила снизить негативное влияние внешних электромагнитных полей и существенно увеличить скорость передачи данных.
Классификация шинных систем автомобиля
![]() | ![]() |
Шина CAN была признана стандартом с момента своего появления в серийно выпускаемых автомобилях в 1991 году. Но она также часто используется и в автоматизации. Основные особенности:
- Передача сообщений с ранжированием приоритетов и неразрушающим арбитражем;
- Снижение затрат благодаря использованию недорогой витой пары и простого протокола с невысокими требованиями к вычислительной мощности;
- Скорость передачи данных до 1 Тбит/с у высокоскоростной шины CAN и до 125 Кбит/с у низкоскоростной шины CAN (более низкие расходы на аппаратную часть);
- Высокая надежность передачи данных за счет распознавания и сигнализации спорадических и постоянных неисправностей и благодаря унифицированию сетевых процессов через acknowledge;
- Принцип много абонентской шины;
- Высокая степень готовности за счет обнаружения неисправных станций;
- Стандартизация по ISO 11898.
Система передачи данных по шине CAN
Логические состояния шин и шифрование
Для обмена данными шина CAN использует два состояния «доминантное» и «рецессивное», с помощью которых передаются информационные биты. Доминантное состояние соответствует «0», а рецессивное — «1». Для шифрования передачи используется процесс NRZ (без возврата на ноль), в котором нулевое состояние не всегда возвращается в промежуток между двумя одинаковыми состояниями передачи и, соответственно, необходимый для синхронизации временной интервал между двумя фронтами может оказаться слишком большим.
В основном используется двухпроводной кабель, в зависимости от окружающих условий, с витой или не витой парой. Две шинные линии называются CAN-H и CAN-L (рис. «Уровень напряжения передачи по CAN» ).
Двухпроводный кабель обеспечивает симметричную передачу данных, при которой биты передаются через обе шинные линии с использованием разных напряжений. Это уменьшает чувствительность к синфазным помехам, поскольку помехи влияют на обе линии и могут быть отфильтрованы путем создания разности (рис. «Фильтрация помех по шине CAN» ).
Однопроводный кабель представляет собой способ сокращения производственных затрат за счет экономии на втором кабеле. Однако общее подключение к массе, выполняющей функцию второго кабеля, должно быть доступно для этой цели всем пользователям шины. Поэтому однопроводный вариант шины CAN возможен только для системы связи с ограниченным монтажным пространством. Передача данных по однопроводному кабелю более чувствительна к излучаемым помехам — он не позволяет фильтровать импульсы помех так, как в двухпроводном кабеле. В результате на шинной линии требуется сигнал более высокого уровня. Это, в свою очередь, отрицательно сказывается на излучении помех. Поэтому необходимо снизить крутизну фронта импульсов сигналов шины по сравнению с двухпроводным кабелем. Это связано с уменьшением скорости передачи данных. По этой причине однопроводной кабель используется только для низкоскоростной шины CAN в области кузова и электроники для функций комфорта. Например, низкоскоростная шина CAN с двухпроводным кабелем в случае обрыва кабеля должна продолжать работать как однопроводная система. Однопроводное решение не описывается в спецификации CAN.
Уровни напряжения шины CAN
Высокоскоростные и низкоскоростные шины CAN используют разные уровни напряжения для передачи доминантных и рецессивных состояний. Уровни напряжения низкоскоростной шины CAN показаны на рис. а, «Уровень напряжения передачи по CAN», а высокоскоростной — на рис. Ь, «Уровень напряжения передачи по CAN».
Высокоскоростная шина CAN в рецессивном состоянии на обеих линиях использует номинальное напряжение 2,5 В. В доминантном состоянии на CAN-H и CAN-L подается номинальное напряжение 3,5 В и 1,5 В, соответственно. В низкоскоростной шине CAN в рецессивном состоянии на CAN-H подается напряжение 0 В (максимум 0,3 В), на CAN-L — 5 В (минимум 4,7 В). В доминантном состоянии на CAN-H напряжение составляет не менее 3,6 В, а на CAN-L не более 1,4 В.
Предельные значения
Для арбитражного метода в случае CAN важно, чтобы все узлы в сети видели биты идентификатора фрейма одновременно, чтобы узел, передавая бит, видел, передают ли их другие узлы. Задержки возникают из-за распространения сигнала в шине данных и обработки в трансивере. Таким образом, максимально допустимая скорость передачи данных зависит от общей длины шины. Стандарт ISO предусматривает скорость 1 Мбит/с для 40 м. У более длинных проводов возможная скорость передачи данных примерно обратно пропорциональна длине провода. Сети с дальностью 1 км могут работать со скоростью 40 кбит/с.
Протокол CAN
Конфигурация шины
CAN работает в соответствии с принципом многорежимного управления, при котором линейная структура шины подсоединяет несколько блоков управления равного приоритета ранжирования.
Адресация по содержанию CAN использует адресацию по содержанию сообщений. Каждому сообщению присваивается метка-идентификатор, который классифицирует содержание сообщения (например, о частоте вращения коленчатого вала двигателя). В каждой станции ведется обработка только тех сообщений, чьи идентификаторы накапливаются в приемочном списке сообщений. Это называется приемочной проверкой (рис. «Адресация и проверка приемки» ). Таким образом, CAN не требует адресов станции для передачи данных. Это облегчает адаптацию к различным уровням оборудования.
Логические состояния шины CAN
Протокол CAN основывается на двух логических состояниях: биты информации являются или «рецессивными» (логическое состояние 1), или «доминантными» (логическое состояние 0). Когда, по крайней мере, одной из станций передается доминантный бит, тогда перезаписываются рецессивные биты, одновременно посылаемые ото всех других станций.
Назначение приоритетов
Идентификатор присваивает адреса данным как содержания, так и приоритета посылаемых сообщений. Идентификаторы, соответствующие низким бинарным числам, используют высокий приоритет и наоборот.
Арбитраж шины CAN
Каждая станция может начать передачу сообщения только после освобождения шины. Когда несколько станций начинают передавать сообщения одновременно, для разрешения создаваемых конфликтов доступа к шине используется арбитраж «wired-and» (монтажное И). Сообщению с высшим приоритетом (наименьшим двоичным значением идентификатора) присваивается право первого доступа, без задержек и потерь битов (рис. «Побитовый арбитраж» ). Передатчики реагируют на невозможность получения доступа к шине путем автоматического переключения в режим приема; затем ими повторяется попытка передачи, как только шина снова освобождается.
Фрейм данных и формат сообщения Шина CAN поддерживает два разных формата сообщений, различающихся только длиной идентификаторов. Стандартный формат включает 11 битов, в то время как расширенная версия состоит из 29 битов. Таким образом, рамка передачи данных содержит максимум 130 битов стандартного или 150 битов расширенного формата. Это обеспечивает минимальное время ожидания до последующей передачи, которая может быть срочной. Фрейм данных состоит из семи последовательных полей (рис. «Фрейм данных» ). «Начало фрейма» показывает начало сообщения и синхронизирует все узлы.
Поле «арбитра» состоит из идентификатора сообщения и дополнительного контрольного бита. Во время передачи этого поля передающее устройство сопровождает передачу каждого бита проверкой о том, что сообщение более высокого приоритета, которое могло бы аннулировать санкционированный доступ, не передается. Контрольный бит определяет, будет ли сообщение классифицироваться как «фрейм данных» или «дистанционный фрейм».
Поле «контроля» содержит код, показывающий количество байтов данных в поле «данных».
Поле «данных» содержит от 0 до 8 байтов. Сообщение длиной 0 данных может быть использовано для синхронизации распределительных процессов.
Поле «CRC» (периодический резервный контроль) содержит контрольную сумму для обнаружения возможных помех при передаче.
Поле «АСК» (уведомление) содержит сигналы подтверждения, с помощью которых получатели подтверждают доставку сообщений.
«Конец фрейма» обозначает конец сообщения.
Затем идет «межфреймовый промежуток», отделяющий фрейм от следующего фрейма.
Инициация передатчика
Передатчик обычно инициирует передачу данных посредством отправки фрейма данных. Однако приемник также может запросить данные от передатчика, отправив дистанционный фрейм. Этот дистанционный фрейм имеет тот же идентификатор, что и соответствующий фрейм данных. Они различаются битом, стоящим после идентификатора.
Обнаружение ошибок
Контролирующими отличительными признаками ошибок являются:
- 15-битовый CRC: (каждый приемник сравнивает получаемую им последовательность CRC с вычисляемой последовательностью);
- Контроль: каждый передатчик считывает с шины собственное переданное сообщение и сравнивает каждый переданный и отсканированный бит;
- Заполнение битами: (между началом фрейма и концом поля CRC каждого фрейма данных или дистанционного фрейма могут находиться максимум пять последовательных битов одной полярности); передатчик реализует пять последовательных битов одной полярности путем вставки в поток битов бита противоположной полярности. После доставки сообщений получатели снова удаляют эти биты;
- Проверка фреймов: (протокол CAN содержит несколько битовых полей со смешанным форматом для проверки всех станций).
Обработка ошибок
При обнаружении ошибки контроллер CAN прерывает текущую передачу отправкой сигнала ошибки, состоящего из шести доминантных битов; при этом происходит сознательное нарушение условия наполнения битами и форматов.
Локализация неисправностей
Так как неисправные станции могут значительно ухудшать нагрузочный режим шины, бортовые контроллеры связи могут включать механизмы, которые позволяют различать промежуточную и постоянную ошибки из-за неисправности местной станции. Этот процесс базируется на статистической оценке условий возникновения ошибок.
Варианты исполнения
Изготовители полупроводников предлагают различные варианты исполнения контроллеров CAN, различающиеся в основном возможностями хранения и обработки сообщений. Таким образом, главный компьютер может быть освобожден от операций, связанных с протоколом.
Стандартизация
Шина CAN стандартизирована для обмена данными в автомобилях; для низкоскоростной передачи (до 125 кбит/с) — ISO 11898-3, для высокоскоростной передачи (более 125 кбит/с) — ISO 11898-2 и SAE J 1939 (грузовики и автобусы).
CAN с таймерным управлением
Расширенный протокол CAN с возможностью работы в режиме таймерного управления называется «CAN с таймерным управлением» (TTCAN). В нем можно произвольно выбрать соотношение компонентов с таймерным управлением и компонентов с управлением событиями, поэтому он полностью совместим с сетями CAN. TTCAN стандартизируется в ISO 11898-4.
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
Добавить комментарий Отменить ответ
Главы
- Энциклопедия техники (19)
- История автомобиля (20)
- Полезные советы (3)
- Действующие единицы (1)
- Законы физики в автомобиле (15)
- Математическое моделирование в автомобилестроении (3)
- Материалы для автомобилестроения (10)
- Рабочие жидкости (5)
- Детали машин (6)
- Способы соединения деталей (8)
- Физика автомобиля (10)
- Двигатели внутреннего сгорания (24)
- Диагностика двигателя (8)
- Нормы контроля и диагностики токсичности отработавших газов (17)
- Системы управления бензиновыми двигателями (11)
- Работа двигателя на альтернативных видах топлива (2)
- Системы управления дизельными двигателями (9)
- Альтернативные виды приводов (3)
- Трансмиссия (47)
- Системы шасси (18)
- Управление шасси и активная безопасность (6)
- Кузова автомобилей (10)
- Пассивная безопасность (1)
- Системы охраны автомобилей (1)
- Охранные автомобильные системы (1)
- Электрооборудование автомобилей (11)
- Свечи зажигания автомобилей (6)
- Автомобильная электроника (21)
- Системы комфорта и удобства (2)
- Пользовательские интерфейсы (3)
- Системы повышения безопасности дорожного движения (7)
О справочнике
За последние время автомобилестроение превратилось в чрезвычайно сложную отрасль. Все труднее и труднее становится представить всю отрасль в целом, и еще сложнее постоянно следить за направлениями, которые важны для автомобилестроения. Многие из этих направлений подробно описаны в специальной литературе. Тем не менее, для тех, кто впервые сталкивается с данными темами, имеющаяся специальная литература не представляется легкой и тяжело усваивается в ограниченные сроки. В этой связи этот «Автомобильный справочник» будет очень кстати. Он структурирован таким образом, чтобы быть понятным даже для тех читателей, которые впервые встречаются с каким-либо разделом. Наиболее важные темы, относящиеся к автомобилестроению, собраны в компактном, простом для понимания и удобном с практической точки зрения виде.
CAN-шина – как работает электроника в современных автомобилях?
Бортовые системы электроники в современных легковых и грузовых автомобилях обладают огромным количеством дополнительных устройств и исполнительных механизмов. Для того, чтобы обмен информацией между всеми устройствами был максимально эффективен, в автомобиле должна быть надежная коммуникационная сеть. В начале 80-ых годов 20 века компания Bosch и разработчик Intel предложили новый сетевой интерфейс – Controller Area Network, который в народе называется Can-шина.
1 О принципе работы сетевого интерфейса CAN-шина
Кан-шина в автомобиле предназначена для обеспечения подключения любых электронных устройств, которые способны передавать и получать определенную информацию. Таким образом, данные о техническом состоянии систем и управляющие сигналы проходят по витой паре в цифровом формате. Такая схема позволила снизить негативное влияние внешних электромагнитных полей и существенно увеличить скорость передачи данных по протоколу (правила, по которым блоки управления различными системами способны обмениваться информацией).
Кроме того, диагностика ЭБУ различных систем автомобиля своими руками стала проще. За счет применения подобной системы в составе бортовой сети автомобиля высвободилось определенное количество проводников, которые способны обеспечивать связь по различным протоколам, например, между блоком управления двигателем и диагностическим оборудованием, системой сигнализации. Именно наличие Кан-шины в автомобиле позволяет владельцу своими руками выявлять неисправности контроллеров и ошибки с помощью специального диагностического оборудования.
Похожие статьи
CAN-шина – это специальная сеть, с помощью которой осуществляется передача и обмен данными между различными узлами управления. Каждый из узлов состоит из микропроцессора (CPU) и CAN-контроллера, с помощью которого реализуется исполняемый протокол и обеспечивается взаимодействие с сетью автомобиля. Шина Кан имеет минимум две пары проводов – CAN_L и CAN_H, по которым и передаются сигналы посредством трансиверов – приемо-передатчиков, способных усиливать сигнал от управляющих устройств сети. Кроме того, трансиверы выполняют и такие функции как:
- регулировка скорости передачи данных посредством усиления или уменьшения подачи тока;
- ограничение тока для предотвращения повреждения датчика или замыкания линий передачи;
- тепловая защита.
На сегодняшний день признаны два вида трансиверов – High Speed и Fault Tolerant. Первый тип наиболее распространен и соответствует стандарту (ISO 11898-2), он позволяет передавать данные со скоростью до 1МБ в секунду. Второй тип приемопередатчиков позволяет создать энергосберегающую сеть, со скоростью передачи до 120 Кб/сек, при этом подобные передатчики не имеют чувствительности к каким-либо повреждениям на самой шине.
2 Особенности работы сети
Следует понимать, что данные по CAN-сети передаются в виде кадров. Наиболее важные из них – это поле идентификатора (Identifire) и система данных (Data). Наиболее часто используемый тип сообщения по Кан-шине – Data Frame. Данный тип передачи данных состоит из так называемого арбитражного поля и определяет приоритетную передачу данных в том случае, если сразу несколько узлов системы передают данные на CAN-шину.
Каждое из подключенных к шине устройств управления имеет свое входное сопротивление, а общая нагрузка рассчитывается из суммы всех подключенных к шине исполняемых блоков. В среднем, входное сопротивление систем управления двигателем, которые подключаются на CAN-шину, составляет 68-70 Ом, а сопротивление информационно-командной системы может составлять до 3-4 ОМ.
3 Кан-интерфейс и диагностика системы
Системы управления CAN имеют не только различное нагрузочное сопротивление, но и разную скорость передачи сообщений. Этот факт усложняет обработку однотипных сообщений внутри бортовой сети. Для упрощения диагностики на современных автомобилях используется межсетевой интерфейс (преобразователь сопротивления), который либо выполнен в качестве отдельного управляющего блока, либо встроен в ЭБУ двигателя автомобиля.
Подобный преобразователь также предназначен для ввода или вывода определенной диагностической информации по проводу «К»-линия, который подключается во время диагностики или изменения параметров работы сети либо в диагностический разъем либо непосредственно к преобразователю.
Важно отметить, что определенных стандартов для разъемов сети Can на сегодняшний день не существует. Поэтому каждый из протоколов определяет свой тип разъемов на CAN-шине, в зависимости от нагрузки и других параметров.
Таким образом, при проведении диагностических работ своими руками используется унифицированный разъем типа OBD1 или OBD2, который можно встретить на большинстве современных иномарок и отечественных автомобилей. Однако, некоторые модели автомобилей, например Volkswagen Golf 5V, Audi S4, не имеют межсетевого интерфейса. Кроме того, схема блоков управления и CAN-шины индивидуальна для каждой марки и модели авто. Для того, чтобы провести диагностику CAN-системы своими руками, используется специальная аппаратура, которая состоит из осциллографа, анализатора CAN и цифрового мультиметра.
Работы по выявлению неисправностей начинаются со снятия напряжения сети (снятие минусовой клеммы АКБ). Далее определяется изменение сопротивления между проводами шины. Самыми распространенными видами неисправности Кан-шины в автомобиле является замыкание или обрыв линии, выход из строя резисторов нагрузки и снижение уровня передачи сообщений между элементами сети. В некоторых случаях без применения анализатора Can выявить неисправность не получается.
Источник Источник https://press.ocenin.ru/shiny-can-v-avtomobilyah/
Источник https://tuningkod.ru/chip-tuning/blok-upravleniya-dvigatelem/can-shina-avtomobilja-svoimi-rukami.html