Reteaua CAN - Controller Area Network

Universitatea Politehnica din Timisoara

Facutatea de Electrotehnica

Embedded Systems for Automotive

Referat

Reteaua CAN

Controller Area Network

1.Introducere

Reteaua CAN - Controller Area Netowrk, este un sistem serial de tip BUS in industria automobilului care prima data a inceput sa prinda contur la inceputul anilor '80.Protocolul CAN a fost standardizat in anul 1993 cu ISO 11898-1.Deasemenea reteaua CAN este folosita de peste 40 de firme care fabrica componente semiconductoare, aceasta oferind 2 service-uri de comunicare: transmisia unui mesaj (data frame tansmition ) si cererea unui mesaj (Remote Transmiti Request - RTR).Multe alte servicii oferite de aceasta retea cum ar fi: eroarea de semnalizare ( error signaling), retransmisia automata in cazul erorii sunt deasemenea folosite.Echivalenta protocolului CAN in limbajul uman sunt caracterele latine.Controllerul CAN este comparabil cu o imprimanta si un writer.

Reteaua CAN ofera:

o ierarhie multi-master care permite construirea unor sisteme redundante inteligente.In cazul in careun nod de retea este defect, reteaua foate lucra in continuare.

Comunicare de tip broadcast:cel care transmite informatia, o trimite tuturor dispozitivelor de pe busul respectiv.

Mecanisme sofisticate pentru detectia erorilor de transmisie

2.Domeniile de aplicare ale retelei CAN

Reteaua CAN este originara in industria automobilului.Aici este folosita pentru a monitoriza comportarea placilor electronice (ECU-s Electronc Control Units) si sisteme de comunicare pentru componentele electronice din subansamblul "Car Body".Deasemenea reteaua CAN nu este folosita doar in cadrul automobilului , ci si in alte domenii care vor fi enumerate in cele ce urmeaza.Dintre domeniile de utilizare ale retelei CAN amintim:

-industria automobilului

-camioane si autobuze

-industria electronica maritime

-industria electronica aeronautica

-componente pentru automatizare

-lifturi si elevatoare

-industria echipamentelor medicale

-echipament de control neindustrial

2.1.Reteaua CAN in interiorul masinilor mici -Passenger Cars

Industria automobilului foloseste reteaua CAN ca fiind o retea in interiorul vehiculului ( IVN - In vehicle network)pentru conducerea motorului, componentele din interiorul corpului propriuzis al masinii cum sunt controlul usilor si al a trapei de acoperis, climatizare.Majoritatea fabricantilor de masini din Europa folosesc reteaua CAN ca retea de tip IVN -In Vehicle Network.Acest tip de retea a inceput sa fie folosit si de fabricantii de masini din America si din Estul indepartat.

Majoritatea fabricantilor de masini din Europa au instalat pe acestea retele CAN de viteza foarte mare ,unde rata de transfer este de pana la 500kbit/s pentru sistemele folosite la motoarele de putere mai mare.Deasemenea multe dintre masinile mici sunt echipate cu retele CAN bazate pe sisteme multiplex are conecteaza componentele electronice din corpul masinii.Aceste relete leaga controlul usilor si al acoperisului cu controlul sistemului de iluminat cat si ce al scaunelor.Rata de transfer al acestor retele este mai scazuta, fiind la 125kbit/s.In America de Nord, reteaua CAN pe un singur fir ( Single Wire) este deasemenea folosita la controlul comoponentelor electronice din corpul masinii.

O alta aplicatie a retelei CAN din masina este de a coneta si monotoriza dispozitivele de informare ( Display si Cluster).Aici avem o retea de tip IDB-C.Reteaua de tip IDB-C este bazata pe o retea CAN cu 29 de biti de identificare de viteza mare cu o rata de transfer de 250 kbit/s.

2.2.Reteaua CAN bazata pe IVN -In Vehicle Network

Reteaua CAN a fost dezvoltata pentru aplicatii de tip POWER TRAIN.In zilele noastra sunt mult mai multe aplicatii in interiorul masinii care folosesc aceasta retea.Aproape in toate masinile fabricate in Europa retelele de control al sasiului si al corpului masinii sunt bazate pe reteaua CAN.

2.4.Parking assistance.Monitorizare la parcare

Noua generatie de sisteme pentru asiatenta la parcare sunt dezvoltate avand la baza senzori ultrasonici montati la periferia masinii, destinati pentru a calcula spatial necesar folosit la parcare.Aceste sisteme calculeaza in timp real parametric folositi pentru parcare ( distanta), si informeaza prin semnale sonore.De mentionat este faptul ca acest sistem de monitorizare al parcarii

comunica cu alte subsisteme inglobate in interiorul masinii.Comunicarea se face cu ajutorul retelei CAN.

Deasemenea reteaua CAN sta la baza si altor aplicatii din cadrul industriei fabricante de masini ( automotive) cum ar fi: sisteme de franare inteligente, sisteme electronice inteligente

Protocolul de comunicare pentru reteaua CAN

Protocolul de comunicare al retelei CAN este definit ca un standard est definit ca fiind ISO 11898.Pe langa protocolul de comunicare definit mai sus , mai exista si un test de conformitate definit ca fiind ISO 16845 ceea ce garanteaza interschimbabilitatea chip-urilor CAN

Principiul schimbului de date

Reteaua CAN este bazata pe un mecanism de transmitere de tip "broadcast".Fiecare mesaj are cate un identificator care este unic in toata reteaua.Acest lucru este foarte important atunci cand mai multe statii aflate in aeeasi retea concura la acces pe bus.

In figura de mai sus se poate vedea o structura a retelei CAN

Cu referire la schemele afisate mai sus , de mentionat sunt urmatoarele:

Este usor a adauga statii in plus la o retea CAN deja axistenta, fara a face modificari hard si soft la statiile deja existente a reletei in cazul in care statiile care vrem sa le introducem sunt statii tip "Receptor" - Receiver.

Transmisia datelor in timp real

Daca facem o monitorizare in timp real putem obsera ca rata de transmitere a mesajelor poate diferi de la mesaj la mesaj.Fiecare mesaj are propria sa prioritate in reteaua CAN.Fiecare mesaj are un identificator propriu.Identificatorul cu cel mai mic numar binar are cea mai mare prioritate.Posibilele conflicte la accesul pe bus se pot remedia la nivel de bit.Toate acele statii (noduri) din retea cu transmisie recesiva si observator dominant pierd competitia pentru accesul pe bus..Toate aceste statii devin automat statii de tip "Receiver" a mesajelor cu cea mai mare prioritate si nu pot avea facilitatea de transmisie a datelor pana cand bus-ul nu va fi disponibil din nou.

Detectarea si semnalarea erorilor

Diferit de alte sisteme pe bus, reteaua CAN nu foloseste mesaje de instiintare,dar foloseste semnale de eroare, imediat ce aa aparut vreo eroare in sistem.Pentru detectia erorilor, reteaua CAN implementeaza 3 mecanisme la nivel de mesaj:

-Cyclyc Redundancy Check

-Frame Check

-Ack Errors

Potocolul CAN deasemenea implementeaza mecanisme de detectie a erorilor la nivel de bit:

-Monitoring

-Bit stuffing

Daca una sau mai multe erori sunt descoperite la cel putin una din statii din retea, folosind un mecanism de detectie de mai sus,transmsia de date alfta in derulare ste anulata.Acest lucru previne alte statii de a accepta mesajul transmis, si asigura consistenta pachetelor de date din toata reteaua.

Dupa transmitere eronata a unui mesaj, transmisie care a fost oprita, trasnmitterul automat transmite un alt mesaj( retransmisie automata a datelor).

CAN Open Safety Chip(CSC01)

Acest Chip este bazat pe arhitectura unui microcontroller de tip M306NAFGTFP pe 16 bit produs de catre firma Renesas si are 2 chipuri independente .Acesta este dispus ca o capsula cu 100 de pini.Acest chip dispune de 2 unitati de transmisie a SRDO si 2 unitati de receptie SRDO.Acest chip suporta functia de tip GFC.Aceast functie implementeaza functionalitatea de tip CAN Open NMT incluzand server SDO pentru a transmite si a receptiona PDO.

PDO- Packet Data Objects.Modulele CAN de tip "on -chip" supora toate ratele de transfer de pana la 1Mbit/sec.Chipul CSC01 lucreaza la o frecventa de 16 MHz.Acesta deasemenea ofera o memorie de 10KB de SRAM cat si o memorie Flash de 256KB.Procesorul este amplasat intr-o carcasa care poate sa reziste la temperaturi extreme (intre -40 si +85 grade Celsius).Periferiile include atat convertoar Analog /Numerice (A/D Coverters) cat si convertoare Numeric/Analogice ( D/A Converters).

Principalele functii ale chipului CSC01 sunt:

-protocol de comunicare sigur

- aplicatii tip program sigure

Principala functie a procesorului CSC01 este de a controla tot procesul intern, toate dispozitivele periferice, registri si coduri de tip op.Functiile implementate pe platforma acestui procesor include verificari ciclice redundante pe 16 bit.La detectarea unei erori, procesul de transmitere a datelor este intrerupt,totodata fiind atentionat watch-dog-ul.

Procesorul CSC01 ofera timpul de procesare de 2 ms pentru alicatii de tip "safety applications".Pentru a putea apela principalele functii ale procesorului CSC01 avem nevoie de o memorie de 2Kbit RAM si 32Kbit de memorie Flash.Pe langa aceste 2 tipuri de memorie, sistemul mai are nevoie de 512 byte de memorie RAM.

Aplicatiile la care se foloseste reteaua CAN sunt:

-module Intrare-Iesire CiA 401

-Actionari electrice

-Traductoare si controllere cu bucla inchisa

-PLC-uri

-Encodere rotative si liniare

-sisteme de propulsie si valve hidraulice CIA 408

-Incinte speciale pentru raze X

-Masini ce folosesc la industria textile

-Masini folosite la constructia drumurilor

-Controlul usilor

-Sisteme de control pentru lifturi

-Module pentru baterii

-Incarcatoare pentru baterii

-Vehicole de oras

In cadrul acestor aplicatii la care se foloseste reteaua CAN, trebuie avut in vedere carui tip de aplicatie se poate adapta in protocolul de comunicare al retelei CAN.

CAN Phisical Layer.Elementele fizice predefinte ale retelei CAN

Pentru a putea defini Layerele principale are retelei CAN, putem pleca de la figua de mai jos.

Principalele functii ale aplicatiilor de tip Layer sunt:Layerul fizic, Layerul catre un data link, layerul reletei, transportarea layerului, sesiunea layerului, prezentarea layerului, si ca din urma fiind apllicarea layerului.Se poate deasemenea observa faptul ca pentru a putea aplica(implementa) un layer este nevoie de toate etapele premergatoare aplicarii acstuia.Dintre elementele principale care definesc un layer putem enumera:

-codarea la nivel de bit

-timingul pentru fiecare bit si sincronizarea acestuia

-interdependenta dintre rata daelor si lungimea busului

-topologia retelei

-accesul pe bus

-layerele standard are fiecarui bus

Pentru aceste puncte avem definite niste standarde (ISO):

1. ISO 11898-2 (high-speed)
2. ISO 11898-3 (fault-tolerant)
3. SAE J2411 (single-wire)
4. ISO 11992 (point-to-point)
5. Others

Protocolul retelei CAN defineste layerul de tip data link si o parte din layerele fizice,al modelului OSI care este constituit din 7 layere.Organizatia de standarde

internationale (OSI) a definit un standard care inglobeaza toate specificatiile retelei CAN definind un layer fizic: semnalizarea fizia ( physical signaling) care ofera codarea si decodarea la nivel de bit deasemenea si timingul si sincronizarea.Mai jos sunt prezentate 2 dintre principalele elemente care definesc un layer

Codarea bitilor.Bit Encoding

Daca daca se apica metoda de codare Non Return Zero(NRZ) nivelul semnalului ramane constant de-a lungul timpului bitului si este nevoie de un singur slot pentru reprezentarea bitului.Alte metode pentru codarea bitilor sunt metoda Manchester si medota Pulse Width Modulation- Modularea in latime de puls.Comparerea intre metodele NRZ si Manchester este descrisa in figura de mai jos:

Nivelul semnalului poate ramanea constant o perioada mai lunga de timp.

Timingul la nivel de bit si sincronizarea.Bit timing and sincronization

La nivel de bit, reteaua CAN foloseste transmisii sincrone.Acest lucru influenteaza capacitatea de transmisie dar deasemenea avem nevoie de o metod sofisticata de sincronizare.In timp ce este realizata o sincronizare, un protocol e transmisie sincrona poate sa incepa la nivel de bit la inceputul fiecarui ciclu.Pentru ca receptorul sa primeasca correct mesajele avem nevoie de o resincronizare continua.

Protocolul retelei CAN regularizeaza accesul pe bus printr-un "algoritm" numit "bit wise arbitration".Propagarea semnalului de la transmitter la receiver si invers,trebuie sa se faca intr-un timp de bit.In scopuri de sincronizare ,este nevoie de un segment de timp de intarziere.Se pot deosebi 2 tipuri de sincronizare : sincronizarea de tip "hard" care este la inceput de ciclu, si resincronizarea in timpul unui ciclu.

Dupa o sincronizare de tip "hard" timpul unui bit este restartat.

Transmisia datelor

Mesajele transmise in reteaua CAN au o lungime de maxim 8 data bytes dar sunt protejate de un CRC-15 .Ratele de transfer de pana la 1Mbit/s sunt posibile daca lungmiea retelei este mai mica de 40m.Descresterea ratei de transfer duce la marirea lungimii retelei pana la 500m.La aceasta distanta rata de transfer este de 125Kbit/s.Protocolul de layer de tip Data link al retelei CAN este standardizat in anul 2003 ca fiind ISO 11898-1.

Mai sus au fost evidentiate cateva facilitati ale retelei CAN: Domenii de utilizare, principalele caracteristici, protocolul retelei CAN, transmiterea datelor.

Cea mai frecvanta utilizare cat si prezenta a retelei CAN este industria automobilului( Automotive).