magistrala C A N.odt

Controller Area Network

Skocz do: nawigacji, szukaj

Controller Area Network (CAN) jest szeregową magistralą komunikacyjną powstałą w latach 80. w firmie Robert Bosch GmbH z myślą o zastosowaniach w przemyśle samochodowym (ABS, sterowanie silnika). Obecnie znajduje zastosowanie również w przemysłowych magistralach polowych (najpopularniejsze standardy: CANopen, DeviceNet, SDS, ProfiBus).

Magistrala CAN wykorzystuje dwuprzewodową skrętkę i pracuje z maksymalną prędkością transmisji 1Mbit/s na dystansie do 40m. Wraz ze zwiększaniem dystansu spada maksymalna prędkość transmisji (np. 250kbit/s na 250m).

W magistrali CAN nie ma wyodrębnionej jednostki nadrzędnej dlatego należy do grupy magistral typu multi-master. Komunikacja ma charakter rozgłoszeniowy ponieważ komunikaty nadawane na magistralę obierane są przez wszystkie urządzenia. Najważniejsze cechy CAN-a to: 1) do 8 bajtów danych w komunikacie, 2) komunikaty rozpoznawane przez identyfikatory, 3) automatyczna obsługa dostępu do magistrali, 4) sprzętowa obsługa błędów.

Ramki komunikatów CAN w standardzie 2.0A

Ramki komunikatów CAN w standardzie 2.0B

Obecnie w praktyce funkcjonują dwie wersje protokołu: 2.0A (11-bitowy identyfikator) i 2.0B (29-bitowy identyfikator). Wersja 2.0B jest wersją rozszerzoną formatu 2.0A. Ramka danych CAN składa się z 7 pól – początku, arbitracji, sterującego, danych, sumy kontrolnej, potwierdzenia i końca.

W standardzie 2.0B pole arbitracji ma 32 bity (12 w 2.0A). Identyfikator komunikatu zajmujący niemal całe pole arbitracji, określa priorytet dostępu do magistrali – im mniejsza wartość liczbowa, tym priorytet większy. Charakterystyczne dla magistrali CAN jest to, że identyfikator nie jest przypisany do urządzenia, lecz do komunikatu. Dostęp do magistrali jest przyznawany metodą dominacji bitowej (bit dominance). Polega ona na tym, że wszystkie stacje badają stan magistrali czekając na możliwość wysłania własnego komunikatu. Konflikty wynikające z ewentualnego podjęcia równoczesnego nadawania przez kilka stacji są rozwiązywane w początkowej fazie transmisji w trakcie wysyłania pola arbitracji zawierającego identyfikator komunikatu. Jeżeli fizyczne medium transmisyjne posiada własność dominacji zera (jak w przypadku tzw. iloczynu na drucie), wysłanie przez jedną stację wartości logicznej 0 (poziom dominujący), a przez drugą 1 (poziom recesywny) powoduje, że na magistrali ustala się 0. Dostęp do łącza otrzyma więc stacja o niższym numerze identyfikacyjnym. Stąd też wynika warunek poprawnej arbitracji wymagający aby w sieci dwa urządzenia nie mogły nadawać komunikatów o tym samym identyfikatorze.

CAN charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia i niezawodnością. Uzyskano to poprzez nadawanie danych w postaci napięciowego sygnału różnicowego oraz sprzętowej obsłudze protokołu i kontroli błędów. Specjalizowane kontrolery formują komunikaty, sterują bezkolizyjnym dostępem do magistrali, filtrują komunikaty. Obecnie większość czołowych   firm elektronicznych produkuje kontrolery CAN jako układy peryferyjne lub wbudowane w np. w mikrokontrolery.

Elektronika na szosie

Jadąc samochodem, rzadko zdajemy sobie sprawę z obecności mnóstwa elektronicznych podzespołów kontrolujących pracę silnika, czystość spalin, bezpieczeństwo, właściwości układu jezdnego, hamulców i wielu innych elementów składających się na coś, czym możemy się rozkoszować trzymając w dłoniach kierownicę i naciskając pedały. Elektronika w nowoczesnych samochodach znajduje się - w większym lub mniejszym stopniu - praktycznie w każdym wypuszczanym na rynek modelu. Międzynarodowe przepisy oraz normy dotyczące bezpieczeństwa i emisji szkodliwych spalin do atmosfery wymusiły zastosowanie w produkowanych pojazdach całego zespołu czujników i innych elementów elektronicznych, dokładnie czuwających nad utrzymaniem stałych wartości, np. spalania paliwa czy optymalnego jego zużycia.
Jednak nie tylko międzynarodowe przepisy ochrony środowiska spowodowały rozwój elektronicznych technologii stosowanych w samochodach. Układy elektroniczne są dużo sprawniejsze w nadzorowaniu pracy elementów mechanicznych niż najdoskonalszy nawet mechanik. Ponadto mogą pracować bez przerwy.

Cyfrowe sterowniki

Komputer pokładowy, spotykany zazwyczaj w najbardziej luksusowych modelach pojazdów, zajmujący się łącznością satelitarną, obsługą GPS (Global Positioning System) związaną na bieżąco z podawaną pozycją samochodu na mapie i innymi "bajerami" to - jak na razie - najwyższy etap wprowadzania elektroniki do samochodów. Oszołomieni technologicznymi nowinkami wprowadzanymi do najdroższych modeli zwykle zapominamy, że i te znacznie tańsze pojazdy wyposażone są w układy kontrolujące właściwości poszczególnych elementów, z jakich składa się każdy samochód.

Najprostszymi podzespołami elektronicznymi w samochodach są sterowniki, z których każdy odpowiada za pracę konkretnego elementu składowego, np. silnika, skrzyni biegów, hamulców (ABS) itp. Przedstawienie elektronicznego wspomagania zaczniemy od bodaj najważniejszego w każdym samochodzie układu, czyli silnika.

Elektronika w silniku

Najnowsze Volvo S80 wyposażone jest w 17 komputerów, których czujniki i układy zostały połączone ok. 1200 metrami kabli

Elektroniczne układy sterujące pracą silnika, a właściwie poszczególnych jego elementów, pojawiły się w samochodach wraz z silnikami, w których zastosowano bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania. Dotyczy to zarówno silników wysokoprężnych (dieslowskich),   jak i benzynowych. Rozwiązaniem spotykanym w nowoczesnych silnikach jest zastosowanie tzw. elektronicznego sterownika silnika. Dawka paliwa i moment wtrysku regulowane są elektronicznie, co znacznie ułatwia uwzględnienie norm odnośnie zużycia paliwa i emisji spalin. Wymienienie i szczegółowe przedstawienie poszczególnych funkcji sterowników silnika to zadanie, któremu nie sprosta ani autor tego tekstu, ani też objętość ENTERA. Warto jednak zapoznać się choćby z najważniejszymi cechami pracy tego elektronicznego elementu.

Samodiagnoza

W czasie pracy sterownik silnika samochodu dokonuje porównania wiarygodności sygnałów pochodzących z zamontowanych w silniku czujników.
Skąd pojęcie wiarygodność? Otóż każdy sterownik jest programowany na pewien zadany zakres wartości, jakie ma akceptować i uznawać za symptom poprawnie funkcjonującego silnika. Porównanie rzeczywistych wartości uzyskiwanych z czujników z uprzednio zaprogramowanymi umożliwia także kontrolę nad sprawnością funkcjonowania mechanicznych i elektrycznych podzespołów silnika. Wyobraźmy sobie, że gdzieś w gąszczu kabli, jakimi "oplecione" jest wnętrze samochodu, nastąpiło lekkie przebicie elektryczne. Zaznaczmy przy tym, że nie chodzi tu o jakąś radykalną sytuację grożącą niemalże pożarem, ale o zdarzenie, które pozostałoby nie wykryte przez zwykły czujnik mechaniczny (elektryczny). Tymczasem dzięki sterownikowi nawet najmniejsze odchylenie poza zakres odpowiadający normie pracy jest natychmiast odnotowywane, wywołuje konkretną reakcję i, co najważniejsze, może być zapamiętywane w pamięci sterownika - ułatwia to znacznie późniejszą analizę sytuacji w serwisie.

Jeszcze większą zaletą wbudowania elektroniki do silnika jest możliwość ustawienia stopni reakcji na dane zdarzenie w zależności od jego wpływu na poprawną pracę silnika. Zdefiniowanie poszczególnych stopni reakcji jest możliwe dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu czujników zbierających informacje o pracy silnika. Otóż informacje z różnych czujników zawierają dane częściowo się pokrywające. Dzięki temu elektroniczny układ sterujący jest w stanie rozpoznać zdarzenie typu "awaria jednego z czujników" od zdarzenia "zwarcie" lub "awaria kluczowego elementu gwarantującego bezpieczną pracę silnika" i w zależności od rozpoznania zastosować odpowiednie metody zaradcze, począwszy od automatycznego nastawienia parametrów na podstawie zaprogramowanych danych zastępczych, aż po odcięcie dopływu paliwa i wyłączenie silnika.

Szybszy serwis

Schemat obiegu informacji

Prosta operacja, jaką było umieszczenie w elektronicznych elementach sterujących pamięci, pozwoliła na wyeliminowanie długotrwałych zazwyczaj pobytów w diagnostycznych stacjach serwisowych. Dziś mechanik wyposażony w specjalny tester, odczytujący pamięć danego sterownika, jest w stanie szybko zlokalizować ewentualne uszkodzenie. Główną funkcją pamięci sterownika jest przechowywanie fabrycznie zaprogramowanego zestawu danych, na bazie których elektroniczny układ steruje pracą podzespołów.

Oprócz tego pamięć układów stosowanych w samochodach pozwala na notowanie błędów, czyli inaczej mówiąc sytuacji, kiedy dany element zaczął pracować niezgodnie z fabrycznie zaprogramowaną specyfikacją. Stwarza to dla serwisu wręcz komfortową sytuację, dzięki   której możliwe jest nie tylko usunięcie skutków, ale także znalezienie przyczyn ewentualnych problemów powstałych podczas eksploatacji samochodu.

Inne układy sterujące

Sposoby lączenia sterowników

Oprócz przedstawionego układu elektronicznego sterowania funkcjami charakterystycznymi dla silnika we współczesnych samochodach, w zależności od ich ceny, prestiżu marki czy wreszcie klasy, jaką dany pojazd ma reprezentować na rynku, montowane są także układy elektroniczne sterujące pozostałymi podzespołami samochodu. Są to np. sterownik skrzyni biegów w modelach wyposażonych w automatyczną lub półautomatyczną skrzynię biegów, sterownik ABS-u (Anti-lock Braking System) - systemu zapobiegającego poślizgowi (a właściwie blokowaniu kół) podczas hamowania, czy sterownik zarządzający użytkowymi cechami danego samochodu (centralny zamek, elektryczne opuszczanie szyb itp.). Mimo różnic konstrukcyjnych generalny mechanizm działania zespołu sterownik-czujniki-elementy wykonawcze (patrz schemat), jest podobny bez względu na przedmiot obsługiwany przez dany układ. Logicznym następstwem konstrukcyjnym jest łączenie kilku elektronicznych sterowników. Przy czym nie chodzi o scalanie ze sobą dwóch układów w jeden (byłoby to wysoce niewskazane, gdyż w przypadku awarii trzeba byłoby wymieniać element odpowiedzialny praktycznie za wszystko, czyli b. drogi), lecz umożliwienie przesyłania informacji pomiędzy nimi.

Najprostszą metodą transmisji danych między poszczególnymi sterownikami odpowiedzialnymi za odrębne podzespoły samochodu (np. między sterownikiem silnika a sterownikiem automatycznej skrzyni biegów) jest odpowiednie połączenie kablami złącz obu sterowników. Rozwiązanie to, choć konstrukcyjnie proste, ma jednak pewne wady (por. schemat), które powodują, że wraz ze wzrostem liczby łączonych sterowników wzrasta liczba okablowania, a to zwiększa prawdopodobieństwo uszkodzenia któregoś z nich oraz wprowadza pewien nieład konstrukcyjny.

Procesy nadzorowane przez poszczególne sterowniki muszą być ze sobą ściśle zsynchronizowane i wzajemnie dopasowane. Dość wyrazistym przykładem jest system ASR (regulacja przeciwpoślizgowa), który wykorzystuje do pracy zespół sterowników. Konkretnie ASR powoduje zmniejszenie momentu obrotowego (wywołuje funkcje sterownika silnika), jeśli podczas przyspieszenia następuje poślizg kół napędowych (czujniki sterownika układu jezdnego).

Oczywiste zatem jest, że efektywne i optymalne konstrukcyjnie staje się wykorzystanie czujników i funkcji wszystkich elektronicznych sterowników. Jednak, aby uniknąć zbędnej komplikacji zespołu czujników i układów elektronicznych, trzeba było wymyślić sposób komunikacji między poszczególnymi elementami.

Tym sposobem dotarliśmy do najbardziej zaawansowanego technologicznie rozwiązania elektronicznego stosowanego w samochodach, jakim są magistrale. Termin "magistrala" określa rozwiązanie pozwalające na komunikowanie się ze sobą różnego typu urządzeń.

Ta dość prosta definicja oddaje istotę rzeczy. Wszak nawet w biurkowych pecetach znajdziemy różnego typu magistrale (PCI, ISA), które umożliwiają używanie najróżniejszego typu kart rozszerzeń bez potrzeby zmiany samego medium komunikacyjnego, czyli właśnie magistrali. W ramce "Magistrala   CAN - wewnętrzna infostrada samochodu" opisujemy rozwiązanie zaproponowane przez firmę Bosch, z powodzeniem stosowane w wielu markach samochodów na świecie.

Elektroniczny komfort

Mobilne systemy łączności w samochodzie, zestaw nawigacji satelitarnej i wszelkie inne systemy wczesnego ostrzegania, czuwające nad bezpieczeństwem kierowcy i pasażerów pojazdu, to elementy wzbudzające najwięcej emocji. Dzięki wspomnianemu już rozwiązaniu polegającemu na zastosowaniu do przesyłania danych uniwersalnej magistrali, zestaw elektronicznych gadżetów w samochodzie może być odpowiednio przystosowany bądź to do zamysłów projektantów i konstruktorów, bądź do wymagań indywidualnego klienta.

Jednym z najbardziej bogato wyposażonych pod względem elektronicznym samochodów jest niewątpliwie Mercedes klasy S. Samochód ten jest praktyczną realizacją idei trzystopniowego wprowadzania w elektronikę samochodu magistrali danych. Załączony schemat ujawnia gęstość upakowania elementów elektronicznych, mających na celu zapewnienie bezpieczeństwa oraz (a może przede wszystkim?) wysokiego komfortu podróżowania.

Samochód jutra

Być może już niedługo po włożeniu kluczyka do stacyjki ujrzymy na ekranie pokładowego komputera napis "Intel Inside". Giganci rynku komputerowego w coraz większym stopniu starają się wpływać na rozwój przemysłu motoryzacyjnego. Intel we współpracy z innymi firmami rynku IT oraz motoryzacyjnymi pracuje nad zaawansowanymi technologiami komunikacyjnymi. Stanie się możliwe nie tylko telefonowanie z samochodu, wysyłanie faksów, wiadomości e-mail itp. Znacznie ważniejsze jest to, że wszystkie te czynności będziemy mogli wykonywać wydając polecenia głosem.

Integracja elektroniki z mechaniką stanie się na tyle silna, że nawet w razie awarii samochód sam będzie powiadamiał wszystkie odpowiednie służby (karetkę, policję, pomoc drogową itp.), zaś zbieg z miejsca wypadku będzie łatwo ujęty dzięki wbudowanemu w każdy pojazd cyfrowemu identyfikatorowi. Namiar satelitarny z łatwością wykaże, gdzie w danym miejscu znajduje się skradziony samochód. Choć wszystkie te rewelacje brzmią dość fantastycznie, może się okazać, że na praktyczne realizacje wspomnianych tu idei wcale nie będziemy długo czekać. Świadczą o tym choćby słowa Rona J. Smitha - wiceprezesa Intel's Semiconductor Product Group - twierdzącego, że technologie umożliwiające wdrożenie tak zaawansowanych aplikacji w konstrukcję samochodu istnieją już dziś.

Jak więc widać termin "komputer" w ujęciu motoryzacyjnym rozumiany jest nieco inaczej niż jego domowe odpowiedniki. Wpływ na to miały niewątpliwie dużo cięższe warunki pracy elektronicznych układów samochodowych, ale także zupełnie inny obszar zastosowań. Widać jednak wyraźnie, że potrzeba ciągłej wymiany i przetwarzania informacji znacznie zbliża do siebie oba - dotychczas różne - typy komputerów. Tym niemniej bez względu na rodzaj i miejsce przesyłania informacji cyfrowej, bit zawsze pozostanie bitem.

Tuning elektroniczny

Istniejące w samochodach elektroniczne elementy sterujące mają zaprogramowane fabrycznie pewne dane, na podstawie których sterownik kontroluje pracę nadzorowanego przezeń układu. Nasuwa się pytanie, czy ustawień "roboczych" nie można zmodyfikować? Owszem, jest to możliwe, ale tylko w wykwalifikowanej stacji obsługi, specjalizującej się w elektronicznych układach, jakie znajdują się w naszym samochodzie.

Należy jednak pamiętać, że jakakolwiek zmiana fabrycznych ustawień być może spowoduje oczekiwany wzrost mocy silnika, ale też przyczyni się do zwiększonego zużycia paliwa. Szczególną uwagę należy też zwrócić na to, by skład spalin, które będą się wydobywały z silnika po takiej operacji mieścił się jeszcze w ramach powszechnie obowiązujących norm ochrony środowiska.

Drugie pytanie: "Czy taka modyfikacja nie jest szkodliwa dla silnika?". Jeżeli całą operację wykonano profesjonalnie, można liczyć na to, że nie zaszkodzi to całemu układowi napędowemu silnika. Zwykle jednak "wyżyłowanie" parametrów pociąga za sobą wzrost   wymagań eksploatacyjnych, czyli np. wymóg używania lepszego paliwa, lepszej jakości olejów i częstszych przeglądów.

Elektronika a złodzieje

Sterowniki sterownikami, ale w jaki sposób zabezpieczyć samochód przed kradzieżą? Producenci samochodów myślą także o tym - niewątpliwie przykrym - aspekcie użytkowania samochodu. Wykorzystanie cyfrowych technologii do transmisji danych między elektronicznymi podzespołami samochodu musiało zaowocować powstaniem zabezpieczenia nie chroniącego co prawda całkowicie przed kradzieżą (takiego niestety nie ma), ale znacznie ten proceder utrudniającego.

Najbardziej popularnym rozwiązaniem elektronicznego zabezpieczenia samochodu przed kradzieżą jest immobiliser. Dzięki wykorzystaniu istniejących elektronicznych sterowników, których funkcje umożliwiają np. zablokowanie dopływu paliwa oraz zastosowanie kodowania danych umożliwiło użycie funkcji wbudowanych w poszczególne sterowniki w celu zabezpieczenia przed kradzieżą, a ściślej - nieuprawnionym uruchomieniem samochodu.

Niestety jak zwykle w przypadku wszelkich cyfrowych zabezpieczeń ich najsłabszym elementem jest sam użytkownik - właściciel samochodu.

Magistrala CAN - wewnętrzna infostrada samochodu

Jedną z magistral opracowanych specjalnie dla techniki samochodowej jest rozwiązanie zaproponowane przez firmę Bosch, z powodzeniem stosowane w wielu markach pojazdów na świecie. Mowa o systemie CAN (Controller Area Network). System ten umożliwia wymianę informacji między poszczególnymi sterownikami, przy czym niekoniecznie muszą to być sterowniki konkretnego producenta. Dzięki stworzeniu dla celów systemu CAN odpowiedniego protokołu komunikacyjnego stało się możliwe "dogadywanie się" różnego typu sterowników. W zależności od klasy danego samochodu można wyróżnić trzy główne obszary zastosowania magistrali CAN.

Pierwszy obejmuje komunikację między sterownikami grupy napędu, czyli silnika, ABS-u oraz automatycznej (bądź półautomatycznej) skrzyni biegów.

Drugi to zastosowanie magistrali CAN do połączenia funkcji sterowników określanych mianem "komfortowe" (mają związek z użytkowymi walorami obsługi danego pojazdu, tj. centralny zamek, elektryczna regulacja szyb, lusterek, elektronicznie sterowana klimatyzacja itp.).

Wreszcie trzeci obszar zastosowania magistrali CAN to mobilny system komunikacyjny, integrujący funkcje radia, telefonu, urządzenia nawigacyjnego i bieżącego wyświetlania różnego typu informacji.

Znamienną cechą systemu CAN jest to, że magistrala nie wymaga od sterowników zmian w ich działaniu. Do każdego sterownika dodano jedynie elementy spełniające funkcje interfejsu między sterownikiem a magistralą. Tak jak odpowiedni układ na płycie głównej biurkowego komputera zarządza jego wewnętrzną magistralą, tak i w tym przypadku dodano odpowiedni kontroler CAN. Kontroler ten otrzymuje dane z mikroprocesora danego sterownika, przetwarza je, a następnie wysyła do kolejnego elementu, jakim jest transceiver.

Transceiver jest zarówno nadajnikiem informacji, jak i jej odbiornikiem (stąd nazwa: nadajnik - transmitter, odbiornik - receiver). Zajmuje się on wprowadzeniem obrobionej przez poprzedzający go kontroler informacji do magistrali, a także odbiera dane z magistrali i przesyła je do "rozpatrzenia" kontrolerowi.

Transmisja danych odbywa się za pomocą specjalnego protokołu uwzględniającego wszystkie aspekty cyfrowego przesyłania informacji, m.in. kontrolę błędów, przydział priorytetów (przykładowo komunikaty sterownika ABS są ze względów bezpieczeństwa dużo istotniejsze niż komunikaty sterownika skrzyni biegów czy dane systemu nawigacyjnego). Każdy komunikat umieszczany jest w tzw. ramce danych, określającej wspólny standard dla wszystkich komunikatów przesyłanych po magistrali.

CEM - (Central Electronic Module) Jednostka centralna: