На современных автомобилях применяются несколько сетевых шин обмена данными CAN (Controller Area Network) между модулями/блоками управления различных систем и контроллерами исполнительных устройств автомобиля.
Обмен данными по шине CAN
B — Датчик 1 CAN — Шина данных
Шина является полнодуплексной (или просто дуплексной), т.е. любое подключенное к ней устройство может одновременно принимать и передавать сообщения.
Сигнал с чувствительного элемента соответствующего информационного (датчика) поступает в ближайший блок управления, который обрабатывает его и передает на шину обмена данными CAN.
Любой блок управления, подключенный к шине данных CAN, может считывать этот сигнал, вычислять на его основе параметры управляющего воздействия и управлять исполнительным сервомеханизмом.
При обычном кабельном соединении электрических и электронных устройств осуществляется прямое соединение каждого блока управления со всеми датчиками и исполнительными элементами, от которых он получает результаты измерений или которыми управляет.
Усложнение системы управления приводит к чрезмерной длине или многочисленности кабельных линий.
Шина данных CAN состоит из двужильного провода, выполненного в виде витой пары. К этой линии подключены все устройства (блоки управления устройствами).
Двухпроводная схема передачи используется по двум причинам: для контроля ошибок и как основа надежности.
В случае же короткого замыкания или обрыва одного из двух проводов шины CAN, благодаря интегрированной программно-аппаратной системе надежности осуществляется переключение в режим работы по однопроводной схеме. Поврежденная передающая линия перестает использоваться.
Порядок и формат передаваемых и принимаемых пользователями (абонентами) сообщений определен в протоколе обмена данными.
Существенным отличительным признаком шины данных CAN по сравнению с другими шинными системами, базирующимися на принципе абонентской адресации, является соотнесенная с сообщением адресация.
Сказанное означает, что каждому передаваемому по шине сообщению присваивается его постоянный адрес (идентификатор), маркирующий содержание этого сообщения (например: температура охлаждающей жидкости). Протокол шины данных CAN допускает передачу до 2048 различных сообщений, причем адреса с 2033 по 2048 являются постоянно закрепленными.
Объем данных в одном сообщении по шине CAN составляет 8 байт.
Блок-приемник обрабатывает только те сообщения, которые сохранены в его собственном идентификационном списке (контроль приемлемости).
Пакеты данных могут передаваться только в том случае, если шина обмена CAN свободна (т.е., если после передачи последнего пакета последовал интервал в 3 бита, и никакой из блоков управления не начинает передавать очередное сообщение). При этом логический уровень шины данных должен быть рецессивным (логическая «1»).
Если несколько блоков управления одновременно начинают передавать сообщения, то вступает в силу принцип приоритетности, согласно которому сообщение, обладающее наивысшим приоритетом, будет передаваться первым без потери времени или битов (арбитраж запросов доступа к общей шине данных).
Каждый блок управления, утрачивающий право арбитража, автоматически переключается на прием и повторяет попытку отправить свое сообщение, как только шина данных вновь освободится.
Формат передачи данных
В настоящее время в системах обмена данными систем управления автомобилей компании Daimler Chrysler используется только стандартный формат.
Каждый кадр передаваемых по шине CAN сообщений состоит из семи последовательных полей:
Формат кадра
Для обработки данных в режиме реального времени должна быть обеспечена возможность их быстрой передачи.
Это предполагает не только наличие линии с высокой физической скоростью передачи данных, но и требует также оперативного предоставления доступа к общей шине CAN, если нескольким блокам управления необходимо одновременно передать сообщения.
С целью разграничения передаваемых по шине данных CAN сообщений по степени срочности, для отдельных сообщений предусмотрены различные приоритеты.
Приоритет, с которым сообщение передается по шине CAN, определяется идентификатором (адресом) соответствующего сообщения.
Идентификатор, соответствующий меньшему двоичному числу, имеет более высокий приоритет, и наоборот.
Протокол шины данных CAN основывается на двух логических состояниях: Биты являются или «рецессивными» (логическая «1»), или «доминантными» (логический «0»). Если доминантный бит передается как минимум одним модулем, то рецессивные биты, передаваемые другими модулями, перезаписываются.
Если несколько блоков управления одновременно начинают передачу данных, то конфликт доступа к общей шине данных разрешается посредством «побитового арбитража запросов общего ресурса» с помощью соответствующих идентификаторов.
При передаче поля идентификатора блок-передатчик после каждого бита проверяет, обладает ли он еще правом передачи, или уже другой блок управления передает по шине сообщение с более высоким приоритетом.
Если передаваемый первым блоком-передатчиком рецессивный бит перезаписывается доминантным битом другого блока-передатчика, то первый блок-передатчик теряет свое право передачи (арбитраж) и становится блоком-приемником.
Пример организации арбитража
Первый блок управления (N I) утрачивает арбитраж с 3-го бита. Третий блок управления (N III) утрачивает арбитраж с 7-го бита.
Второй блок управления (N II) сохраняет право доступа к шине данных CAN и может передавать свое сообщение
Другие блоки управления попытаются передать свои сообщения по шине данных CAN только после того, как она снова освободится. При этом право передачи опять будет предоставляться в соответствии с приоритетностью сообщения по шине данных CAN.
Механизмы на уровне Data Frame
На основе передаваемого по шине данных CAN сообщения блок-передатчик рассчитывает контрольные биты, которые передаются вместе с пакетом данных в поле «CRC Field» (контрольные суммы). Блок-приемник заново вычисляет эти контрольные биты на основе принятого по шине данных CAN сообщения и сравнивает их с контрольными битами, полученными вместе с этим сообщением.
Этот механизм проверяет структуру передаваемого блока (кадра), то есть перепроверяются битовые поля с заданным фиксированным форматом и длина кадра.
Распознанные функцией Frame Check ошибки маркируются как ошибки формата.
Механизмы на уровне битов
Каждый модуль при передаче сообщения отслеживает логический уровень шины данных CAN и определяет при этом различия между переданным и принятым битом. Благодаря этому обеспечивается надежное распознавание глобальных и возникающих в блоке-передатчике локальных ошибок по битам.
В каждом кадре данных между полем «Start of Frame» и концом поля «CRC Field» должно быть не более 5 следующих друг за другом битов с одинаковой полярностью.
После каждой последовательности из 5 одинаковых битов блок-передатчик добавляет в поток битов один бит с противоположной полярностью.
Блоки-приемники удаляют эти биты после приема сообщения по шине данных CAN.
Если какой-либо модуль шины данных CAN распознает ошибку, то он прерывает текущий процесс передачи данных, отправляя сообщение об ошибке. Сообщение об ошибке состоит из 6 доминантных битов.
Благодаря сообщению об ошибке все подключенные к шине данных CAN блоки управления оповещаются о возникшей локальной ошибке и, соответственно, игнорируют переданное до этого сообщение.
После короткой паузы все блоки управления снова смогут передавать сообщения по шине данных CAN, причем первым опять будет отправлено сообщение с наивысшим приоритетом.
Блок управления, чье сообщение по шине данных CAN обусловило возникновение ошибки, также начинает повторную передачу своего сообщения (функция Automatic Repeat Request).
Для разных областей управления применяются различные шины CAN. Они отличаются друг от друга скоростью передачи данных.
Скорость передачи по шине данных CAN области «двигатель и ходовая часть» (CAN-C) составляет 125 Кбит/с, а шина данных CAN «Салон»(CAN-B) вследствие меньшего количества особо срочных сообщений рассчитана на скорость передачи данных только 83 Кбит/с.
Обмен данными между двумя шинными системами осуществляется через так называемые «межсетевые шлюзы», т.е. блоки управления, подключенные к обеим шинам данных.
Оптоволоконная шина D2B (Digital Daten-Bus) данных применена для области «Аудио/коммуникации/навигация». Оптоволоконный кабель может передавать существенно больший объем информации, чем шина с медным кабелем.
В оконечном блоке управления с каждой стороны установлен так называемый согласующий резистор шины данных с сопротивлением 120 Ом, подключенный между обоими проводами шины данных.
Шина данных CAN двигательного отсека активирована только при включенном зажигании.
К шине CAN-С может быть подключено более 7 блоков управления.
Некоторые блоки управления, подключенные к шине данных CAN салона, активируются независимо от включения зажигания (например: система единого замка).
Поэтому шина данных CAN салона должна находиться в режиме функциональной готовности даже при выключенном зажигании, это значит, что возможность передачи пакетов данных должна быть обеспечена даже при выключенном зажигании.
С целью максимально возможного снижения потребляемого тока покоя, шина данных CAN, при отсутствии необходимых к передаче данных, переходит в режим пассивного ожидания, и активируется снова только при следующем обращении к ней.
Если в режиме пассивного ожидания шины данных CAN салона какой-либо блок управления (например, модуль управления единого замка) передает по ней сообщение, то его принимает только главный системный модуль (электронный замок зажигания, EZS/EIS). Модуль EZS сохраняет это сообщение в памяти и посылает сигнал активации (Wake-up) на все блоки управления, подключенные к шине CAN-В.
При активации, EZS проверяет наличие всех пользователей шины данных CAN, после чего передает сохраненное до этого в памяти сообщение.
К шине CAN-В может быть подключено более 20 блоков управления.
