AN228 - рассмотрение физического уровня CAN. Арбитраж шины CAN. Оконечная нагрузка шины
Впервые идея CAN была предложена в середине 80-х немецкой компанией Robert Bosch, которая задумывала ее в качестве экономичного средства для объединения контроллеров, расположенных внутри автомобиля. Традиционный способ связи распределенных по объекту контроллеров жгутами проводов по своей технической сложности, по ценовым и по весовым параметрам для столь массового изделия, коим является автомобиль, оказался непригоден. Требовалось альтернативное решение, сокращающее количество проводов, поэтому был предложен протокол CAN, для которого достаточно любой проводной пары.
Идея заключалась в том, чтобы создать сетевое решение для распределённых систем, работающих в реальном времени. Первоначально CAN применялся в автомобилях, но затем область его применения расширилась и на проблемы автоматизации технологических процессов.
CAN обеспечивает высокий уровень защиты данных от повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи), при этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1 Mbit/s). Важным достоинством CAN является также то, что разработчик системы может влиять на приоритет сообщений с тем чтобы самые важные из них не ожидали в очереди на отправку. Это свойство CAN позволяет строить сети, поддерживающие реальный масштаб времени.
Высокая степень и надежности сети благодаря развитым механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех обеспечивает сети широчайшую сферу применения.
Среди многочисленных факторов, обеспечивших взлет популярности CAN в последние годы, следует отметить разнообразие элементной базы CAN и ее дешевизну.
Немалую роль играет и возможность поддержки разнотипных физических сред передачи данных - от дешевой витой пары до оптоволокна и радиоканала. А ряд оригинальных механизмов сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с) способствуют эффективной реализации режима реального времени в системах распределенного управления.
Топология сети CAN.
В любой реализации CAN - носитель (физическая среда передачи данных) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.
CAN сеть предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).
CAN контроллеры соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L , по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции:
- Регулировка скорости нарастания входного сигнала путем изменением тока на входе.
- Встроенная схема ограничения тока защищает выходы передатчиков от повреждения при возможных замыканиях линий CAN_H и CAN_L с цепями питания, а также от кратковременного повышения напряжения на этих линиях.
- Внутренняя тепловая защита.
- Режим пониженного энергопотребления, в котором приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении на шине информационных сигналов он мог вывести приемопередатчики в нормальный режим работы.
Наиболее широкое распространение получили два типа приемоперадатчиков (трансиверов):
- "High Speed" приемопередатчики (ISO 11898-2),
- "Fault Tolerant" приемопередатчики
Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом "High-Speed" (ISO11898-2), наиболее просты, дешевы и дают возможность передавать данные со скоростью до 1 Мбит/c. "Fault-Tolerant" приемопередатчики (не чувствительные к повреждениям на шине) позволяют построить высоконадежную малопотребляющую сеть со скоростями передачи данных не выше 125 кбит/c.
Физический уровень канала CAN.
Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411). В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898.
ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом.
Максимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/s. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети.
Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице: скорость передачи максимальная длина сети 1000 Кбит/сек 40 метров 500 Кбит/сек 100 метров 250 Кбит/сек 200 метров 125 Кбит/сек 500 метров 10 Кбит/сек 6 километров.
Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.
Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем
на линии CAN_L.
Логическая единица - в случае когда сигналы CAN_HI и CAN_LO одинаковы
(отличаются менее чем на 0.5 В).
Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу
CAN сети в очень сложных внешних условиях.
Логический ноль - называется доминантным битом, а логическая единица -
рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля
на шине CAN.
При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).
Арбитраж шины CAN.
Быстродействие CAN сети (до 1 Mbit/s) достигается благодаря механизму недеструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой(другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится. Конечно,если шина в данный момент занята,то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.
Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все CAN контроллеры принимают сигналы с шины одновременно. Т.е. в одно и то же время один и тот же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны такое положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, а с другой стороны ограничивает длину CAN bus. Сигнал распространяется по CAN bus с огромной, но конечной, скоростью и для правильной работы CAN нужно, чтобы все контроллеры "услышали" его почти одновременно. Почти, потому что каждый контроллер принимает бит в течении определённого промежутка времени, отсчитываемого системным часам. Таким образом, чем выше скорость передачи данных, тем меньшая длинна CAN bus возможна.
Структура формата передачи данных.
Данные по CAN сети пересылаются в виде отдельных кадров стандартного формата. Наиболее важными полями являются поле идентификатора (identifier) и собственно данные (data).
Идентификатор служит уникальным именем для типа сообщения и определяет то, кем будет принято и как будет интерпретировано следующее за ним поле данных. Чему именно (арифметически) равно это число, в общем случае не имеет значения. Такая контекстная адресация отличается рядом достоинств для сетей небольшого масштаба. Она обеспечивает максимально возможную простоту модернизации. Поскольку децентрализованные контроллеры никак не связаны между собой логически, добавление нового элемента в систему никак не повлияет на поведение всех остальных.
Более интересным представляется использование идентификаторов в качестве основного инструмента, используемого в процедуре разрешения коллизий. В CAN в качестве основного критерия для разбора коллизий, для принятия решения, кому отдать эфир, используется приоритет сообщений. Если одновременно несколько станций начали передачу, и при этом произошла коллизия, происходит суперпозиция передаваемых идентификаторов. Идентификаторы последовательно, побитно (bitwise), начиная со старшего, налагаются друг на друга и в их "противоборстве" выигрывает тот, у кого меньше арифметическое значение идентификатора, а значит, выше приоритет. Доминантный "нуль" подавит единицы и в любом случае к концу передачи поля идентификатора оно станет равно более приоритетному значению. Таким образом, система позволяет на уровне проектирования (и определения идентификатра) для любого сообщения в системе заранее предопределить его приоритетность в обслуживании.
Приоритетность сообщения, таким образом определяется значением идентификатора. Приоритет тем больше, чем идентификатор меньше. Как правило контроллер позволяет задавать лишь эти два поля. Остальные поля используются для передачи специфических данных, необходимых для функционирования CAN.
Форматы кадра.
Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:
- Data Frame
- Remote Frame
- Error Frame
- Overload Frame
Data Frame - это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей: поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть.
Поле арбитража состоит в свою очередь из:
- для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
- для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
Следует еще раз отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных.
Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал). Поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.
Remote Frame - это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 - рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).
Error Frame - это сообщение которое явно нарушает формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.
Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.
Мехнизм обработки ошибок.
Надежность CAN сети определяется также механизмами обнаружения ошибок. Стандарт CAN определяет следующие методы обнаружения ошибок в сети CAN:
- Check Bit monitoring
- Bit stuffing
- Frame check
- ACKnowledgement Check
- Check CRC
Check Bit monitoring - каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.
Bit stuffing - когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.
Frame Check - некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.
ACKnowledgement Check - каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.
CRC Check - каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.
Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение).
Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок:
- Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и
- Receive Error Counter (счетчик ошибок приема).
Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.
Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.
Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют.
Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла.
Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).
Адресация и протоколы высокого уровня
Однако сетевых сервисов спецификации Robert Bosch CAN Specification 2.0A/B
и международного стандарта ISO 11898 зачастую явно недостаточно для эффективной
разработки CAN-сетей. Дело в том, что упомянутые документы описывают лишь
два самых нижних уровня эталонной (семиуровневой) модели взаимосвязи открытых
систем OSI/ISO физический и канальный. Определены форматы сообщений, процессы
передачи данных длиной до 8 байт, механизмы обнаружения ошибок, некоторые
физические параметры среды передачи данных (только в ISO 11898) и др.
Но "за кадром" остаются такие важные на этапе разработки моменты, как
адресация узлов, распределение между ними CAN-идентификаторов, интерпретация
содержимого фрейма данных, передача данных длиной более 8 байт и др.
В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов, сообщения не имеют
явной адресации приемника. Источник выставляет на шину свой идентификатор
и данные, а приемник самостоятельно, исходя из решаемых задач, обрабатывет
принятые данные от данного источника, либо игнорирует их.
Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field
+ RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким
образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом
поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать
и там, и там).
С другой стороны, стандарт протокола предусматривает возможность удаленного запроса данных (RTR). В отличие от предыдущего описания, приемник не ожидает появления необходимых данных, а запрашивает данные у необходимого узла.
Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.
Стандарт CAN не регламентирует каким образом конкретные приложения будут передавать специфичные для себя данные по сети CAN. Т.о. возникает потребность в использовании какого-нибудь протокола верхнего уровня. Можно придумать свой протокол, который позволял бы приложениям работать с CAN сетью просто и удобно, но едва ли стоит тратить на это силы, если уже существует множество высокоуровневых протоколов на основе CAN технологии. Причём это открытые протоколы, т.е. можно получить уже готовые спецификации и даже участвовать в дальнейшем развитии данных систем.
Поэтому с началом массового выпуска CAN- компонентов и широкого распространения CAN-приложений рядом независимых компаний и некоммерческих ассоциаций в области систем промышленной автоматизации, транспорта и т. д. проводилась (и продолжается по сей день) работа по созданию и стандартизации спецификаций протоколов верхнего уровня HLP (Higher Level Protocol) для CAN-сетей.
Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP - Higher Layer Protocols).
Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.
К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди
подобного многообразия CAN HLP наибольшее распространение, в особенности
в системах промышленной автоматизации, получили четыре, поддерживаемых
ассоциацией CiA, а именно:
- CAL/ CANopen,
- CAN Kingdom,
- DeviceNet и
CAL/CANopen
Разработка и поддержка открытого протокола прикладного уровня для сетей
промышленной автоматизации были одними из приоритетных целей создания
организации CiA в 1992 году. Основой такого протокола послужил HLP, разработанный
фирмой Philips, после доработки и усовершенствования которого рабочей
группой CiA, в 1993 году была опубликована спецификация CAL CAN Application
Level (CiA DS 20x).
Сетевые CAN приложения, основанные на прикладном уровне CAL, в настоящее
время успешно работают в медицинской электронике, системах контроля дорожного
движения, на транспорте, в промышленном оборудовании. Результатом дополнения
CAL (точнее, некоторого его подмножества) системой профилей (устройств,
интерфейсов, приложений и т. д.) и спецификациями физического уровня (типы
соединителей, правила битового квантования и т. д.) явилось появление
более "конкретного" стандарта протокола CANopen. По существу CANopen является
приложением прикладного уровня CAL. Первоначально CANopen предназначался
для сетей управления движущимися механизмами в системах промышленной автоматики.
Однако впоследствии протокол нашел применение в медицине, морской электронике,
на транспорте и в системах автоматизации зданий. CANopen базируется на
двух уровнях стандарта CAN (ISO 11898, Bosch CAN Specification 2.0 A/B).
В дополнение к спецификациям физического уровня ISO 11898 (среда передачи
данных двухпроводная дифференциальная линия), CANopen содержит собственные
правила битового квантования, а также определяет три рекомендуемых типа
соединителей. Разводкой контактов для всех типов соединителей предусмотрена
возможность подачи питания на трансиверы узлов, имеющих гальваническую
развязку. В сети CANopen определены восемь градаций скоростей передачи
данных: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500, 250, 125, 50, 20 и 10 кбит/с. Поддержка
скорости 20 кбит/с является обязательной для всех модулей.
CAN Kingdom
Протокол шведской компании KVASER-AB (www.kvaser.se) занимает особое место среди CAN HLP благодаря оригинальной концепции сетевого взаимодействия и эффективности CAN-приложений на его основе.
Началу работ над первой версией (текущая третья) протокола CAN Kingdom в 1990 году предшествовал многолетний опыт компании в области создания систем распределенного управления. Протокол был специально разработан для управления движущимися машинами и механизмами промышленными роботами, текстильными станками, мобильными гидравлическими устройствами, и позволяет достичь высокой производительности в режиме реального времени при удовлетворении жестких требований безопасности.
CAN Kingdom является также основой американского военного стандарта CDA 101 и широко используется в военной технике от надувных лодок и систем наведения на цели до сверхзвуковых истребителей и ракет. Основной целью создания протокола было предоставление системному разработчику максимальной свободы в реализации своих идей при построении сети, сохранив при этом возможность использования стандартных модулей от независимых производителей. CAN Kingdom не является "готовым" протоколом в том смысле, в каком это справедливо, например, по отношению к стандартам типа CANopen или DeviceNet. Это скорее набор примитивов метапротокол, с помощью которых можно "собрать" протокол под конкретную сеть модулей. Этим достигается уникальное сочетание простоты интеграции готовых модулей с высокой степенью "закрытости" оригинального протокола. Краеугольным камнем концепции сетевого взаимодействия CAN Kingdom является принцип: "Модули обслуживают сеть" (MSN Modules Serves the Network) в отличие от принципа "Сеть обслуживает пользователей" (NSM Network Serves the Modules), свойственного компьютерным сетям.
В сеть CAN Kingdom не существует каких-либо рекомендуемых скоростей передачи данных. Но за первые 200 мс после подачи питания узел обязан настроиться на прослушивание шины на скорости 125 кбит/ с. Допустимы отличающиеся от ISO 11898 спецификации физического уровня.
DeviceNet
DeviceNet протокол, разработанный и опубликованный в 1994 году компанией Allen-Bradley (www.ab.com) корпорации Rockwell и впоследствии переданный в ведение специально организованной для его поддержки ассоциации ODVA (Open DeviceNet Vendor Association Inc., www.odva.org).
DeviceNet недорогое, простое и эффективное решение для объединения разнообразных устройств промышленной автоматизации независимых производителей в единую систему: фото-, термодатчики, стартеры, считыватели штриховых кодов, элементы человеко- машинного интерфейса клавиатуры, дисплейные панели, наряду с управляющими устройствами PLC, компьютерами и т. д. При разработке протокола помимо снижения стоимости также стояла задача упрощения и унификации диагностики подобных устройств. Первые устройства, удовлетворяющие спецификации DeviceNet, появились на рынке в начале 1995 года. DeviceNet также построен на двух нижних уровнях стандарта CAN, дополненных более детальными, чем в других HLP, спецификациями физической среды.
Сеть DeviceNet имеет шинную топологию с отводами. Физической средой передачи является 4- проводной кабель (CAN_H, CAN_L, Vcc, Ground), причем возможны две его разновидности: толстый (внешний диаметр 12,2 мм) и тонкий (6,9 мм). Определены лишь три значения скорости передачи данных 125, 250 и 500 кбит/с.
Важной особенностью сети DeviceNet является возможность питания модулей непосредственно от сетевого кабеля (24 В, до 8 А на толстом кабеле), а также допускается применение нескольких источников питания в любой точке шины. Все это дает возможность построения автономной сети, не зависящей от наличия или качества внешнего питания, а при необходимости позволит легко демонтировать и снова развернуть систему на новом месте.
Сеть DeviceNet допускает "горячее" (без обесточивания сети) подключение и отключение модулей. Стандарт DeviceNet содержит также подробное описание многочисленных типов переходников, разветвителей (одиночных и многопортовых), соединителей (Mini, Micro), сетевых отводов и т. п. При описании организации типов данных, сетевого поведения модулей в DeviceNet используется объектно-ориентированная модель.
Максимальное число узлов в сети DeviceNet 64.
SDS (Smart Distributed System)
SDS разработка компании Honeywell Inc. (Micro Switch Division, www.honeywell.sensing.com). Наряду со стандартом DeviceNet, SDS представляет собой еще одно недорогое и законченное решение для сетевого управления интеллектуальными датчиками и актуаторами от центрального контроллера (PLC, компьютера) в системах промышленной автоматизации. По степени завершенности от спецификаций физической среды до прикладного уровня, ориентировке на снижение стоимости, SDS-стандарт напоминает DeviceNet. Шинная топология представляет собой линейную шину (магистраль или транк) с короткими отводами.
Определены два базовых типа кабельной разводки:
- Mini (применяемый при сборке транка сети) 4-проводной кабель с максимальной токовой нагрузкой 8 А, 5-контактный разъем и
- Micro (для подключения физических устройств к сети) 4-проводной кабель, 3 А, 4-контактный разъем без отдельного контакта для экрана кабеля.
В сети SDS допускается и обычная проводная разводка с использованием открытых клеммных соединителей. Всеми типами кабельной разводки и соединителей, также как и в сети DeviceNet, предусмотрено подведение питающего напряжения к узлам.
Сеть SDS всегда требует наличия единственного мастера-менеджера сети как минимум на этапе включения для выполнения автонастройки скорости передачи модулей. В процессе работы сети допускается наличие нескольких мастеров на шине, но они должны функционировать в пределах своих адресных доменов, а при включении сети только один из них может брать на себя функцию сетевого менеджера для автонастройки скорости устройств.
Многие сетевые протоколы описываются с помощью семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection ), как показано на Рис. 1 . Протокол CAN (Controller Area Network - контроллерная локальная сеть ) определяет канальный уровень (Data Link Layer ) и часть физического уровня (Physical Layer ). Оставшаяся часть физического уровня и все остальные вышележащие уровни не входят в спецификацию CAN и могут либо определяться разработчиком системы, либо реализовываться с помощью существующих высокоуровневых протоколов (Higher Layer Protocols - HLPs ) и физических уровней.
Как сказано выше, канальный уровень определяется спецификацией CAN. Подуровень управления логической связью (Logical Link Control - LLC ) обеспечивает управление перегрузкой и уведомление о ней, фильтрацию сообщений и функции управления восстановлением. Подуровень управления доступом к среде (Medium Access Control - MAC ) выполняет инкапсуляцию/декапсуляцию (расформирование) данных, обнаружение ошибок и защиту от них, битстаффинг/дестаффинг (битовое наполнение/удаление наполняющего бита), функции преобразования в последовательную форму и обратно.
Подуровни соединения с физической средой (Physical Medium Attachment - PMA ) и среда-зависимого интерфейса (Medium Dependent Interface - MDI ) - две части физического уровня, не определённые в CAN. Подуровень физической сигнализации (Physical Signaling - PS ), наоборот, определён в спецификации CAN. Разработчик может выбрать любой драйвер/приёмник и среду передачи, если они соответствуют требованиям PS-подуровня.
Международная организация по стандартизации (International Standards Organization - ISO ) определила стандарт, который включает спецификацию CAN в качестве физического уровня. Стандарт ISO-11898 изначально был создан для высокоскоростной связи в транспортных средствах, использующей CAN. ISO-11898 определяет физический уровень для обеспечения совместимости между приёмопередатчиками CAN.
Контроллер CAN обычно реализует всю спецификацию CAN аппаратно, как показано на Рис. 1 . PMA-подуровень не определяется CAN, однако, он определён в ISO-11898. Данный пример применения рассматривает приёмопередатчик CAN MCP2551 и то, насколько он удовлетворяет требованиям спецификации ISO-11898.
Рис. 1. CAN и модель OSI
Краткий обзор ISO11898-2
ISO11898 - международный стандарт для высокоскоростной связи CAN, применяемой в транспортных средствах. ISO-11898-2 определяет PMA и MDI подуровни физического уровня. Общее представления узлов и шины CAN, описанное в ISO-11898 приведено на Рис. 3 .
Уровни шины
CAN определяет два логических состояния: рецессивное (recessive ) и доминантное (dominant ). ISO-11898 определяет дифференциальное напряжение для представления рецессивного и доминантного состояний (или битов), как показано на Рис. 2 .
В рецессивном состоянии (то есть логическая "1" на входе TXD MCP2551) дифференциальное напряжение на CANH и CANL меньше минимального порог (Рис. 4).
В доминантном состоянии (то есть логический "0" на входе TXD MCP2551) дифференциальное напряжение на CANH и CANL больше минимального порога. Доминантный бит перекрывает рецессивный бит на шине для достижения неразрушающего поразрядного арбитража.
Рис. 2. Дифференциальная шина
Разъёмы и провода
В ISO-11898-2 не определены механические провода и разъёмы. Однако спецификация требует, чтобы провода и разъёмы соответствовали электротехническим требованиям.
Спецификация также требует наличие резисторов-терминаторов номиналом 120 Ом на каждом конце шины. На Рис. 3 показан пример шины CAN, основанной на ISO-11898.
Рис. 3. Шина CAN
Рис. 4. Номинальные уровни шины по ISO-11898
Помехоустойчивость
Спецификация ISO11898-2 требует, чтобы приёмопередатчик, соответствующий спецификации или совместимый с ней, соответствовал ряду электротехнических требований. Некоторые из этих требований предусмотрены, чтобы гарантировать, что приёмопередатчик сможет выдержать жёсткие электрические условия, таким образом защищая узел CAN. Входы приёмопередатчика должны выдерживать напряжение от -3 В до +32 В и кратковременное воздействие напряжения от -150 В до +100 В. Таблица 1 показывает главные электрические требования ISO11898-2 в сравнении со спецификацией MCP2551.
Таблица 1. Сравнение спецификаций MCP2551 и ISO11898-2.
| Параметр | ISO-11898-4 | MCP2551 | Единица измерения | Комментарии | ||
| минимум | максимум | минимум | максимум | |||
| Постоянное напряжение на CANH и CANL | -3 | +32 | -40 | +40 | В | Превышает ISO-11898 |
| Кратковременное воздействие напряжений на CANH и CANL | -150 | +100 | -250 | +250 | В | Превышает ISO-11898 |
| Напряжение синфазного сигнала шины | -2.0 | +7.0 | -12 | +12 | В | Превышает ISO-11898 |
| Выходное напряжение шины в рецессивном состоянии | +2.0 | +3.0 | +2.0 | +3.0 | В | Соответствует ISO-11898 |
| Дифференциальное выходное напряжение рецессивного состояния | -500 | +50 | -500 | +50 | мВ | Соответствует ISO-11898 |
| Внутреннее сопротивление | 10 | 100 | 20 | 100 | кОм | Соответствует ISO-11898 |
| Входное сопротивление | 5.0 | 50 | 5.0 | 50 | кОм | Соответствует ISO-11898 |
| Дифференциальное выходное напряжение доминантного состояния | +1.5 | +3.0 | +1.5 | +3.0 | В | Соответствует ISO-11898 |
| Выходное напряжение доминантного состояния на CANH | +2.75 | +4.50 | +2.75 | +4.50 | В | Соответствует ISO-11898 |
| Выходное напряжение доминантного состояния на CANL | +0.50 | +2.25 | +0.50 | +2.25 | В | Соответствует ISO-11898 |
| Обнаружение постоянного доминанта (драйвер) | Не требуется | 1.25 | - | мс | ||
| Сброс при включении питания (POR) и обнаружение кратковременного падения напряжения (BOD) | Не требуется | Да | - | |||
Длина шины
ISO11898 определяет, что приёмопередатчик должен быть способен управлять шиной длиной 40 м на скорости 1 Мбит/с. Большая длина шины достигается при уменьшении скорости передачи данных. Самое большое ограничение на длину шины накладывает задержка распространения приёмопередатчика.
Задержка распространения
Протокол CAN определяет рецессивное (логическая "1") и доминантное (логический "0") состояния для реализации схемы поразрядного неразрушающего арбитража. Именно на эту методологию арбитража больше всего воздействуют задержки распространения. Каждый узел, вовлечённый в арбитраж, должен быть способен осуществлять выборку уровня каждого бита в пределах одного и того же времени передачи бита. Например, если два узла на противоположных концах шины начали передавать сообщения в одно и то же время, они должны выполнить арбитраж для захвата управления шиной. Арбитраж будет эффективен, только если оба узла способны сделать выборку в течение одного и того же времени передачи бита. На Рис. 5 показана односторонняя задержка распространения между двумя узлами. Чрезмерные задержки распространения (вне точки выборки) приведут к ошибочному арбитражу. Это означает, что длина шины ограничена для заданной скорости передачи данных.
Задержка распространения в системе CAN вычисляется как удвоенная сумма времени прохождения сигнала по физической шине туда и обратно (t BUS ), выходной задержки драйвера (t DRV ) и входной задержки компаратора (t CMP ). Приняв, что все узлы в системе имеют одинаковые задержки компонентов, получим задержку распространения:
t PROP = 2·(t BUS + t CMP + t DRV ).
Рис. 5. Односторонняя задержка распространения
MCP2551 - приёмопередатчик CAN
Микросхема MCP2551 - приёмопередатчик CAN, который реализует физический уровень, описанный в спецификации ISO-11898-2. Он поддерживает скорость передачи данных до 1 Мбит/с и подходит для систем с напряжениями питания 12 В и 24 В. MCP2551 обеспечивает защиту от короткого замыкания до ±40 В и защиту от кратковременных напряжений до ±250 В.
Дополнительно, будучи совместим с ISO-11898-2, MCP2551 обеспечивает сброс при включении питания (power-on reset - POR ) и защиту от кратковременного падения напряжения (brown-out protection ), а также обнаружение постоянного доминанта (permanent dominant detection ), чтобы гарантировать, что обесточенный или неисправный узел не будет мешать работе шины. Устройство реализует настраиваемую наклонную регулировку усиления (slope control ) на выводах шины для уменьшения излучения радиопомех (RFI ). На Рис. 6 представлена блок-схема MCP2551.
Рис. 6. Блок-схема MCP2551
Основная работа MCP2551
Передача
Контроллер протокола CAN выдаёт поток последовательных данных на логический вход TXD MCP2551. Соответствующее рецессивное или доминантное состояние выдаётся на выводы CANH и CANL.
Приём
MCP2551 принимает доминантное или рецессивное состояния на те же выводы CANH и CANL, с которых осуществляется передача. Эти состояния выдаются в виде соответствующих логических уровней на вывод RXD, чтобы контроллер протокола CAN принял кадр CAN.
Рецессивное состояние
Логическая "1" на входе TXD отключает драйверы от вводов CANH и CANL, и выводы "подтягиваются" к номиналу 2.5 В через резисторы смещения.
Доминантное состояние
Логический "0" на входе TXD включает драйверы выводов CANH и CANL. На CANH подаётся на ~1 В больше, чем номинал рецессивного состояния 2.5 В, таким образом увеличивая напряжение до ~3.5 В. На CANL подаётся на ~1 В меньше, чем номинал рецессивного состояния, таким образом уменьшая напряжение до ~1.5 В.
Режимы работы
Существует три режима работы, которые управляются извне через вывод RS:
1. Высокоскоростной режим.
2. Режим наклонной регулировки усиления.
3. Режим ожидания (Standby
)
Высокоскоростной режим
Высокоскоростной режим выбирается подключением вывода RS к V SS . В этом режиме выходные драйверы имеют быстрое время нарастания и спада, что обеспечивает наивысшие скорости передачи до 1 Мбита/с и/или максимальную длину шины, а также обеспечивая минимальные циклические задержки приёмопередатчика.
Режим наклонной регулировки усиления
Если требуется уменьшить излучаемые драйвером электромагнитные помехи, MCP2551 можно установить в режим наклонной регулировки усиления подключением резистора (R EXT) от вывода RS на общий минус. В режиме наклонной регулировки усиления скорость нарастания выходного напряжения на одном проводе (на CANH или CANL) в основном пропорциональна выходному току на выводе RS. Ток должен быть в диапазоне от 10 мкА Уменьшение скорости нарастания выходного напряжения приводит к уменьшению скорости передачи данных CAN при заданной длине шины, либо к сокращению длины шины при заданной скорости передачи данных.
Режим ожидания
Режим ожидания (или спящий режим (sleep )) устанавливается подключением вывода RS к V DD . В спящем режиме передатчик отключен, а приёмник работает в режиме пониженного энергопотребления. Принимающий вывод (RXD) по-прежнему функционирует, но на более низкой скорости.
Режим ожидания можно использовать для установки устройства в режим низкого энергопотребления и выключения передатчика в случае, если контроллер CAN неисправен и выдаёт на шину непредсказуемые данные.
Обнаружение постоянного доминанта на передатчике
Если на передатчике обнаруживается состояние постоянного доминанта, MCP2551 отключает передатчик от CANH и CANL. Эта возможность предотвращает постоянное разрушение шины CAN неисправным узлом (контроллером CAN или самим MCP2551).
Драйверы отключаются, если низкий уровень присутствует на TXD в течение более чем ~1.25 мс (минимум) (см. Рис. 7).
Драйверы остаются отключенными всё время, пока на TXD остаётся низкий уровень. Появление нарастающего фронта на TXD сбросит логику таймера и включит драйвер.
Рис. 7. Обнаружение постоянного доминанта на TXD
Сброс при включении питания и защита от кратковременного снижения питания
MCP2551 имеет способность сброса при включении питания (Power-On Reset - POR ) и обнаружения кратковременного снижения напряжения питания (Brown-Out Detection - BOD ) (см. Рис. 8 ).
Сброс при включении питания (POR)
Когда на MCP2551 подаётся питание, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока VDD не достигнет высокого напряжения POR (POR high voltage - VPORH ). Кроме того, если при включении питания на выводе TXD низкий уровень, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока на TXD не установится высокий уровень. После чего драйвер будет функционировать нормально.
Обнаружение кратковременного снижения напряжения питания (BOD)
BOD происходит, когда VDD опускается ниже низкого напряжения сброса при включении питания (power-on reset low voltage - VPORL ). В этой точке выводы CANH и CANL входят в высокоимпедансное состояние и остаются в нем, пока не будет достигнуто напряжение VPORH.
Рис. 8. Сброс при включении питания и обнаружение кратковременного снижения напряжения питания
Смещения земли
Поскольку не требуется обеспечивать общую землю между узлами, то возможно возникновение смещений земли между ними. То есть каждый узел может наблюдать разные однопроводные напряжения шины (напряжения синфазного сигнала шины), в то же время поддерживая одинаковое дифференциальное напряжение. В то время как MCP2551 предусмотрен для управления смещениями земли от -12 В до +12 В, спецификация ISO-11898 требует только от -2 В до +7 В. На Рис. 9 и 10 показано, как между узлами возникают смещения земли.
Рис. 9 показывает передающий узел с положительным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANH = +12 В. Максимальное выходное напряжение доминанта CAN (V O(CANH)) от передающего узла составляет 4.5 В. Вычитание этого максимума даёт смещение земли (относительно принимающего узла) в 7.5 В для передающего узла. В рецессивном состоянии каждый узел пытается притянуть выводы CANH и CANL к их основным уровням (обычно 2.5 В). Однако результирующее напряжение синфазного сигнала в рецессивном состоянии принимает значение 6.25 В для принимающего узла и -1.25 В для передающего.
Рис. 10 показывает передающий узел с отрицательным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANL = -12 В. Минимальное выходное напряжение доминанта CAN (V O(CANL)) из передающего узла составляет 0.5 В. Вычитание этого минимума даёт фактическое смещение земли относительно принимающего узла в -12.5 В. Напряжение синфазного сигнала для рецессивного состояния составляет -6.25 В для принимающего узла и 6.25 В для передающего.
Поскольку все узлы работают как передатчики для части каждого сообщения (то есть каждый приёмник должен подтверждать (ACK) правильные сообщения в течение временного интервала ACK), наибольшее смещение земли, допускаемое между узлами составляет 7.5 В, как показано на Рис. 9 .
Работа системы CAN с большим смещением земли может привести к увеличению электромагнитных излучений. Если система чувствительна к излучениям, нужно предпринять меры для устранения смещений земли.
Рис. 9. Земля принимающего узла ниже земли передающего
Рис. 10. Земля принимающего узла выше земли передающего
Оконечная нагрузка шины
) используется для минимизации отражения сигнала в шине. ISO-11898 требует, чтобы шина CAN имела номинальную характеристику входного полного сопротивления линии передачи в 120 Ом. Поэтому обычное значение согласующего резистора для каждого конца шины составляет 120 Ом. Есть несколько различных способов реализации оконечной нагрузки, используемых для увеличения электромагнитной совместимости (EMC ) (см. Рис. 11 ):1. Стандартная оконечная нагрузка.
2. Разделённая оконечная нагрузка.
3. Смещённая разделённая оконечная нагрузка.
Примечание : электромагнитная совместимость определяется не только передатчиком и методом оконечной нагрузки, но также и тщательным анализом всех компонентов и топологии системы.
Стандартная оконечная нагрузка
Как подразумевает название, эта оконечная нагрузка состоит из одинарных резисторов номиналом в 120 Ом на каждом конце шины. Этот метод приемлем во многих системах CAN.
Разделённая оконечная нагрузка
Разделённая оконечная нагрузка приобретает всё большую популярность, так как позволяет легко добиваться снижения излучения. Разделённая оконечная нагрузка - модификация стандартной оконечной нагрузки, в которой один резистор номиналом 120 Ом на каждом конце шины разделяется на два резистора по 60 Ом с развязывающим конденсатором, присоединенным между резисторами и подключенным к земле. Номиналы этих резисторов должны как можно меньше отличаться друг от друга.
Смещённая разделённая оконечная нагрузка
Этот метод оконечной нагрузки используется для поддержания синфазного напряжения рецессивного сигнала на постоянном значении, таким образом увеличивая EMC. Эта схема аналогична схеме разделённой оконечной нагрузки, но добавлена дополнительная схема делителя напряжения для достижения напряжения V DD /2 между двумя резисторами по 60 Ом (см. Рис. 11 ).
Примечание : Номиналы резисторов смещения на Рис. 11 , также как и резисторов разделённой оконечной нагрузки, должны как можно меньше отличаться друг от друга.
Рис. 11. Схемы оконечной нагрузки
CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Цеколёвка разема приведена на рисунке.
- Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Интерфейс широко применяется в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.
- Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
| Расстояние, м | 25 | 50 | 100 | 250 | 500 | 1000 | 2500 | 5000 |
| Скорость, Кбит/с | 1000 | 800 | 500 | 250 | 125 | 50 | 20 | 10 |
- Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков. Например, при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.
- Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
- Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10 -11 .
- Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.
- Интерфейс с применением протокола CAN легко адаптируется к физической среде передачи информации. Это может быть дифференциальный сигнал, оптоволокно, просто открытый коллектор и т.п. Несложно делается гальваническая развязка.
- Элементная база, поддерживающая CAN, широко выпускается в индустриальном исполнении.
Протокол CAN является стандартом ISO (ISO 11898) в области последовательной передачи данных. Протокол был разработан с прицелом на использование в транспортных приложениях. Сегодня CAN получил широкое распространение и используется в системах автоматизации промышленного производства, а также на транспорте.
Стандарт CAN состоит из физического уровня и уровня передачи данных, определяющего несколько различных типов сообщений, правила разрешения конфликтов при доступе к шине и защиту от сбоев.
Протокол CAN
Протокол CAN описан в стандарте ISO 11898–1 и может быть кратко охарактеризован следующим образом:
Физический уровень использует дифференциальную передачу данных по витой паре;
Для управления доступом к шине используется неразрушающее bit–wise разрешение конфликтов;
Сообщения имеют малые размеры (по большей части 8 байт данных) и защищены контрольной суммой;
В сообщениях отсутствуют явные адреса, вместо этого каждое сообщение содержит числовое значение, которое управляет его очередностью на шине, а также может служить идентификатором содержимого сообщения;
Продуманная схема обработки ошибок, обеспечивающая повторную передачу сообщений, если они не были получены должным образом;
имеются эффективные средства для изоляции сбоев и удаления сбойных узлов с шины.
Протоколы более высоких уровней
Сам по себе протокол CAN определяет всего лишь, как малые пакеты данных можно безопасно переместить из точки A в точку B посредством коммуникационной среды. Он, как и следовало ожидать, ничего не говорит о том, как управлять потоком; передавать большое количество данных, нежели помещается в 8–байтное сообщение; ни об адресах узлов; установлении соединения и т.п. Эти пункты определяются протоколом более высокого уровня (Higher Layer Protocol, HLP). Термин HLP происходит из модели OSI и её семи уровней.
Протоколы более высокого уровня используются для:
Стандартизации процедуры запуска, включая выбор скорости передачи данных;
Распределения адресов среди взаимодействующих узлов или типов сообщений;
Определения разметки сообщений;
обеспечения порядка обработки ошибок на уровне системы.
Пользовательские группы и т.п.
Одним из наиболее эффективных способов повышения вашей компетентности в области CAN является участие в работе, осуществляемой в рамках существующих пользовательских групп. Даже если вы не планируете активно участвовать в работе, пользовательские группы могут являться хорошим источником информации. Посещение конференций является ещё одним хорошим способом получения исчерпывающей и точной информации.
Продукты CAN
На низком уровне принципиально различают два типа продуктов CAN, доступных на открытом рынке – микросхемы CAN и инструменты разработки CAN. На более высоком уровне – другие два типа продуктов: модули CAN и инструменты проектирования CAN. Широкий спектр данных продуктов доступен на открытом рынке в настоящее время.
Патенты в области CAN
Патенты, относящиеся к приложениям CAN, могут быть различных типов: реализация синхронизации и частот, передача больших наборов данных (в протоколе CAN используются кадры данных длиной всего лишь 8 байт) и т.п.
Системы распределённого управления
Протокол CAN является хорошей основой для разработки систем распределённого управления. Метод разрешения конфликтов, используемый CAN, обеспечивает то, что каждый узел CAN будет взаимодействовать с теми сообщениями, которые относятся к данному узлу.
Систему распределённого управления можно описать как систему, вычислительная мощность которой распределена между всеми узлами системы. Противоположный вариант – система с центральным процессором и локальными точками ввода–вывода.
Сообщения CAN
Шина CAN относится к широковещательным шинам. Это означает, что все узлы могут «слушать» все передачи. Не существует возможности послать сообщение конкретному узлу, все без исключения узлы будут принимать все сообщения. Оборудование CAN, однако, обеспечивает возможность локальной фильтрации, так что каждый модуль может реагировать только на интересующее его сообщение.
Адресация сообщений CAN
CAN использует относительно короткие сообщения – максимальная длина информационного поля составляет 94 бита. В сообщениях отсутствует явный адрес, их можно назвать контентно–адрессованными: содержимое сообщения имплицитно (неявным образом) определяет адресата.
Типы сообщений
Существует 4 типа сообщений (или кадров), передающихся по шине CAN:
Кадр данных (Data Frame);
Удаленный кадр (Remote Frame);
Кадр ошибки (Error Frame);
Кадр перегрузки (Overload Frame).
Кадр данных
Кратко: «Всем привет, есть данные с маркировкой X, надеюсь вам понравятся!»
Кадр данных – самый распространенный тип сообщения. Он содержит в себе следующие основные части (некоторые детали не рассматриваются для краткости):
Поле арбитража (Arbitration Field), которое определяет очередность сообщения в том случае, когда за шину борятся два или более узла. Поле арбитража содержит:
В случае CAN 2.0A, 11–битный идентификатор и один бит, бит RTR который является определяющим для кадров данных.
В случае CAN 2.0B, 29–битный идентификатор (который также содержит два рецессивных бита: SRR и IDE) и бит RTR.
Поле данных (Data Field), которое содержит от 0 до 8 байт данных.
Поле CRC (CRC Field), содержащее 15–битную контрольную сумму, посчитанную для большинства частей сообщения. Эта контрольная сумма используется для обнаружения ошибок.
Слот распознавания (Acknowledgement Slot). Каждый контроллер CAN, способный корректно получить сообщение, посылает бит распознавания (Acknowledgement bit) в конце каждого сообщения. Приемопередатчик проверяет наличие бита распознавания и, если таковой не обнаруживается, высылает сообщение повторно.
Примечание 1: Присутствие на шине бита распознавания не значит ничего, кроме того, что каждый запланированный адресат получил сообщение. Единственное, что становится известно, это факт корректного получения сообщения одним или несколькими узлами шины.
Примечание 2: Идентификатор в поле арбитража, несмотря на свое название, необязательно идентифицирует содержимое сообщения.
Кадр данных CAN 2.0B («cтандартный CAN»).
Кадр данных CAN 2.0B («расширенный CAN»).
Удаленный кадр
Кратко: «Всем привет, кто–нибудь может произвести данные с маркировкой X?»
Удаленный кадр очень похож на кадр данных, но с двумя важными отличиями:
Он явно помечен как удаленный кадр (бит RTR в поле арбитража является рецессивным), и
Отсутствует поле данных.
Основной задачей удаленного кадра является запрос на передачу надлежащего кадра данных. Если, скажем, узел A пересылает удаленный кадр с параметром поля арбитража равным 234, то узел B, если он должным образом инициализирован, должен выслать в ответ кадр данных с параметром поля арбитража также равным 234.
Удаленные кадры можно использовать для реализации управления трафиком шины типа «запрос–ответ». На практике, однако, удаленный кадр используется мало. Это не так важно, поскольку стандарт CAN не предписывает действовать именно так, как здесь обозначено. Большинство контроллеров CAN можно запрограммировать так, что они будут автоматически отвечать на удаленный кадр, или же вместо этого извещать локальный процессор.
Есть одна уловка, связанная с удаленным кадром: код длины данных (Data Length Code) должен быть установлен длине ожидаемого ответного сообщения. В противном случае разрешение конфликтов работать не будет.
Иногда требуется чтобы узел, отвечающий на удаленный кадр, начинал свою передачу как только распознавал идентификатор, таким образом «заполняя» пустой удаленный кадр. Это другой случай.
Кадр ошибки (Error Frame)
Кратко (все вместе, громко): «О, ДОРОГОЙ, ДАВАЙ ПОПРОБУЕМ ЕЩЁ РАЗОК»
Кадр ошибки (Error Frame) – это специальное сообщение, нарушающее правила формирования кадров сообщения CAN. Он посылается, когда узел обнаруживает сбой и помогает остальным узлам обнаружить сбой – и они тоже будут отправлять кадры ошибок. Передатчик автоматически попробует послать сообщение повторно. Наличествует продуманная схема счетчиков ошибок, гарантирующая, что узел не сможет нарушить передачу данных по шине путём повторяющейся отсылки кадров ошибки.
Кадр ошибки содержит флаг ошибки (Error Flag), который состоит из 6 бит одинакового значения (таким образом нарушая правило вставки битов) и разграничителя ошибки (Error Delimiter), состоящего из 8 рецессивных бит. Разраничитель ошибки предоставляет некоторое пространство, в котором другие узлы шины могут отправлять свои флаги ошибки после того, как сами обнаружат первый флаг ошибки.
Кадр перегрузки (Overload Frame)
Кратко: «Я очень занятой 82526 маленький, не могли бы вы подождать минуточку?»
Кадр перегрузки упоминается здесь лишь для полноты картины. По формату он очень похож на кадр ошибки и передается занятым узлом. Кадр перегрузки используется нечасто, т.к. современные контроллеры CAN достаточно производительны, чтобы его не использовать. Фактически, единственный контроллер, который будет генерировать кадры перегрузки – это ныне устаревший 82526.
Стандартный и расширенный CAN
Изначально стандарт CAN установил длину идентификатора в поле арбитража равной 11 битам. Позже, по требованию покупателей стандарт был расширен. Новый формат часто называют расширенным CAN (Extended CAN), он позволяет использовать не менее 29 бит в идентификаторе. Для различения двух типов кадров используется зарезервированный бит в поле управления Control Field.
Формально стандарты именуются следующим образом –
2.0A – только с 11–битными идентификаторами;
2.0B – расширенная версия с 29–битными или 11–битными идентификаторами (их можно смешивать). Узел 2.0B может быть
2.0B active (активным), т.е. способным передавать и получать расширенные кадры, или
2.0B passive (пассивным), т.е. он будет молча сбрасывать полученные расширенные кадры (но, смотрите ниже).
1.x – относится к оргинальной спецификации и её ревизиям.
В настоящее время новые контроллеры CAN обычно относятся к типу 2.0B. Контроллер типа 1.x или 2.0A прибудет в замешательство, получив сообщения с 29 битами арбитража. Контроллер 2.0B пассивного типа примет их, опознает, если они верны и, затем – сбросит; a контроллер 2.0B активного типа сможет и передавать, и получать такие сообщения.
Контроллеры 2.0B и 2.0A (равно, как и 1.x) совместимы. Можно использовать их все на одной шине до тех пор, пока контроллеры 2.0B будут воздерживаться от рассылки расширенных кадров.
Иногда люди заявляют, что стандартный CAN «лучше» расширенного CAN, потому что в сообщениях расширенного CAN больше служебных данных. Это необязательно так. Если вы используете поле арбитража для передачи данных, то кадр расширенного CAN может содержать меньше служебных данных, чем кадр стандартного CAN.
Основной CAN (Basic CAN) и полный CAN (Full CAN)
Термины Basic CAN и Full CAN берут начало в «детстве» CAN. Когда–то существовал CAN–контроллер Intel 82526, предоставлявший программисту интерфейс в стиле DPRAM. Потом появился Philips с моделью 82C200, в котором применялась FIFO–ориентированная модель программирования и ограниченные возможности фильтрации. Для обозначения различия между двумя моделями программирования, люди стали называть способ Intel – Full CAN, а способ Philips – Basic CAN. Сегодня большинство контроллеров CAN поддерживают обе модели программирования, поэтому нет смысла в использовании терминов Full CAN и Basic CAN – фактически, эти термины могут вызвать неразбериху и стоит воздержаться от их употребления.
В действительности, контроллер Full CAN может взаимодействовать с контроллером Basic CAN и наоборот. Проблемы с совместимостью отсутствуют.
Разрешение конфликтов на шине и приоритет сообщения
Разрешение конфликтов сообщений (процесс, в результате которого два или более контроллера CAN решают, кто будет пользоваться шиной) очень важно для определения реальной доступности полосы пропускания для передачи данных.
Любой контроллер CAN может начать передачу, когда обнаружит, что шина простаивает. Это может привести к тому, что два или более контроллеров начнут передачу сообщения (почти) одновременно. Конфликт решается следующим образом. Передающие узлы осуществляют мониторинг шины в процессе отправки сообщения. Если узел обнаруживает доминантный уровень в то время, как сам он отправляет рецессивный уровень, он незамедлительно устранится от процесса разрешения конфликта и станет приемником. Разрешение конфликтов осуществляется по всему полю арбитража, и после того, как это поле отсылается, на шине остается только один передатчик. Данный узел продолжит передачу, если ничего не случится. Остальные потенциальные передатчики попытаются передать свои сообщения позже, когда шина освободится. В процессе разрешения конфликта время не теряется.
Важным условием для благополучного разрешения конфликта является невозможность ситуации, при которой два узла могут передать одинаковое поле арбитража. Из этого правила есть одно исключение: если сообщение не содержит данных, то любой узел может передавать это сообщение.
Поскольку, CAN–шина является шиной с подсоединением устройств по типу «монтажное И» (wired–AND) и доминантный бит (Dominant bit) является логическим 0, следовательно сообщение с самым низким в численном выражении полем арбитража выиграет в разрешении конфликта.
Вопрос: Что произойдет в случае, если единственный узел шины попытается отослать сообщение?
Ответ: Узел, разумеется, выиграет в разрешении конфликта и успешно проведет передачу сообщения. Но когда наступит время распознавания… ни один узел не отправит доминантный бит области распознавания, поэтому передатчик определит ошибку распознавания, пошлет флаг ошибки, повысит значение своего счетчика ошибок передачи на 8 и начнет повторную передачу. Этот цикл повторится 16 раз, затем передатчик перейдет в статус пассивной ошибки. В соответствии со специальным правилом в алгоритме ограничения ошибок, значение счетчика ошибок передачи не будет более повышаться, если узел имеет статус пассивной ошибки и ошибка является ошибкой распознавания. Поэтому узел будет осуществлять передачу вечно, до тех пор, пока кто–нибудь не распознает сообщение.
Адресация и идентификация сообщения
Повторимся, нет ничего страшного в том, что в сообщениях CAN нет точных адресов. Каждый контроллер CAN будет получать весь траффик шины, и при помощи комбинации аппаратных фильтров и ПО, определять – «интересует» его это сообщение, или нет.
Фактически, в протоколе CAN отсутствует понятие адреса сообщения. Вместо этого содержимое сообщения определяется идентификатором, который находится где–то в сообщении. Сообщения CAN можно назвать «контентно–адрессовнными».
Определённый адрес работает так: «Это сообщение для узла X». Контентно–адресованное сообщение можно описать так: «Это сообщение содержит данные с маркировкой X». Разница между этими двумя концепциями мала, но существенна.
Содержимое поле арбитража используется, в соответствии со стандартом, для определения очередности сообщения на шине. Все контроллеры CAN будут также использовать всё (некоторые – только часть) поле арбитража в качестве ключа в процессе аппаратной фильтрации.
Стандарт не говорит, что поле арбитража непременно должно использоваться в качестве идентификатора сообщения. Тем не менее, это очень распространенный вариант использования.
Примечание о значениях идентификатора
Мы говорили, что идентификатору доступны 11 (CAN 2.0A) или 29 (CAN 2.0B) бит. Это не совсем верно. Для совместимости с определенным старым контроллером CAN (угадайте каким?), идентификаторы не должны иметь 7 старших бит установленных в логическую единицу, поэтому 11–битным идентификаторам доступны значения 0..2031, а пользователи 29–битных идентификаторов могут использовать 532676608 различных значений.
Заметьте, что все остальные контроллеры CAN принимают «неправильные» идентификаторы, поэтому в современных системах CAN идентификаторы 2032..2047 могут использоваться без ограничений.
Физические уровни CAN
Шина CAN
Шина CAN использует код без возвращения к нулю (NRZ) с вставкой битов. Существуют два разных состояния сигнала: доминантное (логический 0) и рецессивное (логическая 1). Они соответствуют определенным электрическим уровням, зависящим от используемого физического уровня (их несколько). Модули подключены к шине по схеме «монтажное И» (wired–AND): если хотя бы один узел переводит шину в доминантное состояние, то вся шина находится в этом состоянии, вне зависмости от того, сколько узлов передают рецессивное состояние.
Различные физические уровни
Физический уровень определяет электрические уровни и схему передачи сигналов по шине, полное сопротивление кабеля и т.п.
Существует несколько различных версий физических уровней: Наиболее распространенным является вариант, определенный стандартом CAN, часть ISO 11898–2, и представляющий собой двухпроводную сбалансированную сигнальную схему. Он также иногда называется high–speed CAN.
Другая часть того же стандарта ISO 11898–3 описывает другую двухпроводную сбалансированную сигнальную схему – для менее скоростной шины. Она устойчива к сбоям, поэтому передача сигналов может продолжаться даже в том случае, когда один из проводов будет перерезан, замкнут на «землю» или в состоянии Vbat. Иногда такая схема называется low–speed CAN.
SAE J2411 описывает однопроводной (плюс «земля», разумеется) физический уровень. Он используется в основном в автомобилях – например GM–LAN.
Существуют несколько проприетарных физических уровней.
В былые времена, когда драйверов CAN не существовало, использовались модификации RS485.
Различные физические уровни как правило не могут взаимодействовать между собой. Некоторые комбинации могут работать (или будет казаться, что они работают) в хороших условиях. Например, приемопередатчики high–speed и low–speed могут работать на одной шине лишь иногда.
Абсолютное большинство микросхем приемопередатчиков CAN произведено компанией Philips; в число других производителей входят Bosch, Infineon, Siliconix и Unitrode.
Наиболее распространен приемопередатчик 82C250, в котором реализован физический уровень, описываемый стандартом ISO 11898. Усовершенствованная версия – 82C251.
Распространенный приемопередатчик для «low–speed CAN» – Philips TJA1054.
Максимальная скорость передачи данных по шине
Максимальная скорость передачи данных по шине CAN, в соответствии со стандартом , равна 1 Мбит/с. Однако некоторые контроллеры CAN поддерживают скорости выше 1 Мбит/с и могут быть использованы в специализированных приложениях.
Low–speed CAN (ISO 11898–3, см. выше) работает на скоростях до 125 кбит/с.
Однопроводная шина CAN в стандартном режиме может передавать данные со скоростью порядка 50 кбит/с, а в специальном высокоскоростном режиме, например для программирования ЭБУ (ECU), около 100 кбит/с.
Минимальная скорость передачи данных по шине
Имейте в виду, что некоторые приемопередатчики не позволят вам выбрать скорость ниже определенного значения. Например, при использовании 82C250 или 82C251 вы можете без проблем установить скорость 10 кбит/с, но если вы используете TJA1050, то не сможете установить скорость ниже 50 кбит/с. Сверяйтесь со спецификацией.
Максимальная длина кабеля
При скорости передачи данных 1 Мбит/с, максимальная длина используемого кабеля может составлять порядка 40 метров. Это связано с требованием схемы разрешения конфликтов, согласно которому фронт волны сигнала должен иметь возможность дойти до самого дальнего узла и вернуться назад прежде чем бит будет считан. Иными словами, длина кабеля ограничена скоростью света. Предложения по увеличению скорости света рассматривались, но были отвергнуты в связи с межгалактическими проблемами.
Другие максимальные длины кабеля (значения приблизительные):
100 метров при 500 кбит/с;
200 метров при 250 кбит/с;
500 метров при 125 кбит/с;
6 километров при 10 кбит/с.
Если для обеспечения гальванической изоляции используются оптопары, максимальная длина шины соответственно сокращается. Совет: используйте быстрые оптопары, и смотрите на задержку сигнала в устройстве, а не на максимальную скорость передачи данных в спецификации.
Оконечное прерывание шины
Шина CAN стандарта ISO 11898 должна заканчиваться терминатором. Это достигается путем установки резистора сопротивлением 120 Ом на каждом конце шины. Терминирование служит двум целям:
1. Убрать отражения сигнала на конце шины.
2. Убедиться, что получает корректные уровни постоянного тока (DC).
Шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Я повторю: шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Для лабораторной работы может хватить и одного терминатора. Если ваша шина CAN работает даже при отсутствии терминаторов – вы просто счастливчик.
Заметьте, что другие физические уровни , такие как low–speed CAN, однопроводная шина CAN и другие, могут требовать, а могут и не требовать наличия оконечного терминатора шины. Но ваша высокоскоростная шина CAN стандарта ISO 11898 всегда будет требовать наличия хотя бы одного терминатора.
Кабель
Стандарт ISO 11898 предписывает, что волновое сопротивление кабеля номинально должно равнятся 120 Ом, однако допускается интервал значений сопротивления Ом.
Немногие, из присутствующих сегодня на рынке, кабели удовлетворяют этим требованиям. Есть большая вероятность, что интервал значений сопротивления будет расширен в будущем.
ISO 11898 описывает витую пару, экранированную или неэкранированную. Идёт работа над стандартом однопроводного кабеля SAE J2411.
последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в промышленности и жилом секторе в составе автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АИС КУЭ)Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах . Интерфейс широко применяется в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети. Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
| Расстояние, м | 25 | 50 | 100 | 250 | 500 | 1000 | 2500 | 5000 |
| Скорость, Кбит/с | 1000 | 800 | 500 | 250 | 125 | 50 | 20 | 10 |
- Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков.
- Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
- Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10-11
- Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.
- Интерфейс с применением протокола CAN легко адаптируется к физической среде передачи информации. Это может быть дифференциальный сигнал, оптоволокно, просто открытый коллектор и т.п. Несложно делается гальваническая развязка.
- , поддерживающие CAN, широко выпускается в индустриальном исполнении. И встречаются повсеместно, как на промышленных предприятиях, так и в структурах ЖКХ, жилом секторе, в частных домах, садоводческих товариществах (СНТ) и тд.
Примерный перечень счетчиков электроэнергии поддерживающих интерфейс CAN
