CAN-шина и альтернативы

CAN (Controller Area Network) в настоящее время является наиболее широко используемой автомобильной бортовой сетью. Однако в связи с постоянным развитием автономных транспортных средств и связанных с ними технологий существует высокий спрос на большую пропускную способность и возможности подключения. Здесь мы кратко опишем CAN и некоторые другие варианты подключения транспортных средств, включая беспроводную CAN, MOST, FlexRay и Automotive Ethernet.

CAN-шина: основные принципы

В широком смысле CAN-шина (Controller Area Network) на самом деле представляет собой набор стандартов, которые позволяют различным устройствам обмениваться данными друг с другом. Это асинхронная (со сдвигом по времени) система последовательной шины, разработанная в 1983 году компанией Robert Bosch GmbH с целью объединения электронных блоков управления (ECU) в транспортных средствах.

CAN был разделен на несколько уровней в соответствии с моделью ISO/OSI для достижения гибкости и прозрачности дизайна. Для практической связи CAN-шина использует два выделенных провода: CAN low и CAN high, с помощью которых контроллер CAN подключается ко всем компонентам сети. CAN позволяет заменить довольно сложную разводку на двухпроводную шину. CAN использует дифференциальный сигнал, что делает его более устойчивым к помехам, с двумя логическими состояниями: рецессивным и доминантным. В настоящее время шина CAN используется практически везде, от кофемашин до управления автопарком и космических приложений. Далее мы кратко опишем принципы работы CAN-шины.

Протокол связи CAN ISO-11898: 2003 объясняет, как информация передается между устройствами в сети, на основе модели взаимодействия открытых систем (OSI), представленной в виде набора уровней на рисунке ниже. Два нижних уровня семиуровневой модели OSI/ISO — это физический уровень и уровень канала передачи данных. Физический уровень определяет связь между устройствами, соединенными физической средой.

Канальный уровень, помимо прочего, также занимается организацией битов в фреймы и включает два протокола: классический CAN (первое использование датировано 1988 годом) и CAN FD (запущено в 2012 году).

Прикладной уровень — это, по сути, уровень конечного пользователя, обеспечивающий доступ к сетевым ресурсам. Существует два типа форматов сообщений/фреймов: стандартные и расширенные. Они отличаются друг от друга только длиной идентификатора — стандартный — 11 бит, расширенный — 29 бит.

Стандартная структура сообщения может быть разделена на 8 частей, как показано на рисунке ниже. Этими частями являются: Start of Frame (SOF — начало передачи фрейма), CAN-ID (идентификатор фрейма, идентификация приоритета сообщения), Remote Transmission Request (RTR, указывает, запрашивает ли узел данные у другого узла или отправляет данные), Control (отображает длину данных в байтах), Data (фактические значения данных, которые необходимо для масштабировать/преобразовывать), Cyclic Redundancy Check (CRC, обеспечение целостности данных), ACK (подтверждение, указывает, правильно ли получены данные) и EOF (конец фрейма), который обозначает конец сообщения/фрейма CAN.

В шине CAN используется инвертированная логика с двумя состояниями: доминантным и рецессивным. На рисунке выше показана упрощенная схема ввода-вывода трансивера CAN: битовый поток, идущий к/от CAN-контроллера и/или микроконтроллера. Когда контроллер отправляет поток битов, они дополняются и помещаются в линию CANH.

Линия CANL всегда является дополнением CANH. CAN должен контролировать как то, что в данный момент находится на шине, так и то, что она отправляет. Для приложений оба конца CAN-шины должны быть ограничены, поскольку любой узел на шине может передавать данные.

На каждом конце линии есть согласующий резистор, равный характеристическому сопротивлению кабеля. Обычно рекомендуемое значение оконечных резисторов составляет 120 Ом (в диапазоне от 100 Ом до 130 Ом). В сети должно быть не более двух согласующих резисторов, поскольку дополнительные ограничительные устройства создают дополнительную нагрузку на драйверы.

На рисунке ниже показана тестовая шина CAN. Узлы на рисунке в принципе могут отправлять сообщения от интеллектуальной сенсорной технологии и контроллера двигателя. Типичным применением может быть, например, датчик температуры.

Если другому узлу необходимо одновременно отправить сообщение, арбитраж гарантирует, что сообщение отправлено. Например, узел A завершает отправку своего сообщения, поскольку узлы B и C подтверждают получение правильного сообщения. Узлы B и C в свою очередь начинают арбитраж, и если узел C выигрывает арбитраж, он отправляет сообщение. Узлы A и B подтверждают сообщение от узла C, и узел B затем продолжает свое сообщение.

Следует помнить о противоположной полярности входа и выхода драйвера на шине. CAN-шина в наши дни широко распространена в автомобилях. Он присутствует практически во всех производимых автомобилях. Автомобили в современном мире по сути являются продуктом глобального рынка, поэтому все автомобили, как правило, имеют шину CAN. Доступ к шине CAN осуществляется через порт OBD, который показан на рисунке ниже вместе с примером оконечного резистора 120 Ом, припаянного к разъему DB9 с проводкой CAN, расположенной в корпусе DB9.

Для подключения порта OBD к устройству CAN DB9 необходим кабель, который можно купить или изготовить. Чтобы получить самодельный, необходимы 9-контактное гнездо D-sub (розетка) и штекер OBD (вилка). Разъем DB9 должен соответствовать вилке устройства CAN.

Пример подключения OBD к DB9 CAN, включая дополнительный оконечный резистор, также показан на схемах ниже.

Существует множество вариантов построения сенсорной сети, интерфейса с шиной CAN и просмотра сигналов CAN от транспортных средств. Различные микроконтроллеры в настоящее время поддерживают протокол CAN и могут быть подключены к CAN через чип приемопередатчика CAN.

Также существуют такие решения, как Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad и Arduino, которые могут взаимодействовать с CAN с помощью некоторых надстроек. Сеть связи CAN в современных транспортных средствах может предоставлять огромный объем данных, которые можно использовать в управлении автопарком для повышения безопасности водителя, сокращения общих расходов, улучшения процессов обслуживания и поддержки экологической ответственности.

Включение данных шины CAN предоставляет владельцам автопарков широкие возможности для доступа к различной информации, включая расход топлива, показания одометра, обороты в минуту, положение дроссельной заслонки, нагрузку/крутящий момент двигателя, температуру двигателя и уровень топлива.

CAN в настоящее время является наиболее широко используемой автомобильной сетью. Однако в связи с постоянным развитием автономных транспортных средств и связанных с ними технологий существует высокий спрос на большую пропускную способность и возможности подключения. Далее мы кратко опишем некоторые другие варианты подключения к автомобилю, включая беспроводную CAN, MOST, FlexRay и Automotive Ethernet.

Wireless CAN

CAN на витой паре медных проводов стал стандартом ISO в 1994 году. Растущий спрос на расширенные возможности подключения приводит к развитию альтернативных и дополнительных технологий. Например, некоторые варианты беспроводной передачи CAN полагаются на стандарты радиосвязи на основе протокола, такие как WLAN или Bluetooth.

В таком случае данные CAN в передатчике должны быть преобразованы в беспроводной протокол и сброшены в приемнике. Таким образом, прозрачная передача в реальном времени по сети CAN невозможна. Таким образом, радиосвязь функционирует как шлюз между двумя сетями CAN.

Беспроводная CAN, основанная на двухрежимном радио, позволяет участникам CAN без проводов интегрироваться в сеть CAN, повышая безопасность и удобство использования. Однако для такой системы требуются специальные антенны, которые требуют места и определенного расположения, ограничивающего всенаправленное излучение.

Кратко о MOST, FlexRay и Automotive Ethernet

Многообещающей альтернативой CAN являетсяAutomotive Ethernet. По некоторым оценкам, рынок автомобильных сетей Ethernet вырастет более чем на 21,6% в прогнозный период 2019-2026 годов.

Ключевые преимущества Ethernet для подключения транспортных средств — высокая пропускная способность и экономическая эффективность. Ethernet использует Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection (CSMA/CD). Collision можно игнорировать посредством разделения в автомобильных сетях. Некоторые проблемы автомобильной сети Ethernet — это значительный уровень радиочастотного шума, неспособность обеспечить задержку вплоть до диапазона малых микросекунд и отсутствие способа синхронизации времени между устройствами.

MOST (Media Oriented System Transport) — это система последовательной связи для передачи управляющих данных, видео и аудио по оптоволоконным кабелям. Она обеспечивает двухточечный обмен звуковой и видео информацией со скоростью 24,8 Мбит/с. MOST создается ассоциацией MOST и определяет уровни протокола, программного и аппаратного обеспечения, необходимые для обеспечения эффективной и недорогой транспортировки управляющих данных в реальном времени и пакетных данных с использованием единого промежуточного/физического уровня. Сеть MOST может быть схематично представлена ​​в виде кольца, которое может включать до 64 устройств MOST. Благодаря функции plug & play добавление или удаление устройства MOST должно быть довольно простым.

FlexRay, в свою очередь, является стандартом автомобильной сети, основанным на гибкой, детерминированной, отказоустойчивой и высокоскоростной шине с высокой скоростью передачи данных. Он используется как часть звездообразной или линейной топологии с медным или оптическим волокном. FlexRay с двухканальной конфигурацией обеспечивает повышенную отказоустойчивость и/или увеличенную пропускную способность. Сетевые особенности FlexRay делают его удобным для автомобильной промышленности следующего поколения.

Большинство сетей FlexRay первого поколения обычно используют один канал для сокращения затрат на проводку, но дальнейшее развитие приложений и связанные с этим требования безопасности приведут к увеличению использования двух каналов. Ограничивающими факторами для широкого использования FlexRay являются цена, более низкие уровни рабочего напряжения и асимметрия фронтов, что приводит к проблемам при увеличении длины сети. Некоторые ключевые особенности перечисленных протоколов по сравнению с характеристиками CAN представлены в таблице ниже.

Прямое сравнение перечисленных протоколов связи показывает, что пропускная способность и отказоустойчивость явно уступают средним затратам и сложности системы. В то время как CAN и MOST остаются своего рода фундаментальными протоколами, FlexRay и Ethernet являются более многообещающим решением для удовлетворения растущего рынка и требований приложений с высокой нагрузкой. В современных автомобилях эти протоколы часто используются в качестве дополнительных решений.

Сеть в автомобиле

CAN-шина действительно является хорошо известным и признанным стандартом подключения транспортных средств. Он соединен с силовым агрегатом, шасси, магистральной сетью и системами кузова. Для практической связи CAN-шина использует два выделенных провода: CAN low и CAN high, с помощью которых контроллер CAN подключается к различным компонентам сети. Ethernet, в свою очередь, обычно используется в качестве диагностического протокола для блоков управления электронными соединениями двигателя, шасси и кузова, используемых для сетевых соединений.

FlexRay в настоящее время составляет основу для активной разработки технологий во всем мире, и его многочисленные приложения включают системы X-by-Wire нового поколения и магистральные системы. MOST — это стандарт шины для автомобильных мультимедийных сетей, предназначенный для передачи высококачественного звука, видео и данных. Он позволяет легко соединять различные мультимедийные компоненты автомобиля.

Все вышеупомянутые протоколы и технологии удовлетворяют большинству требований диагностики и мультимедийной связи для современных транспортных средств и связи между транспортными средствами и могут использоваться для продвинутых автономных систем вождения, однако точная интеграция всех этих технологий, при соблюдении все ограничений, по-прежнему остается сложной задачей.

Ссылки

1)      www.instructables.com/id/How-to-Hack-and-Upgrade-Your-Car-Using-CAN-Bus

2)      Introduction to the Controller Area Network (CAN), Texas Instruments, 2016.

3)      www.kmpdrivetrain.com/paddleshift/practical-tips-can-bus

4)      news.voyage.auto/an-introduction-to-the-can-bus-how-to-programmatically-control-a-car-f1b18be4f377

5)      www.inventure-automotive.com/glossary/can-bus-communication

6)      www.csselectronics.com/screen/page/simple-intro-to-can-bus/language/en

7)      www.csselectronics.com/screen/product/can-bus-logger-canlogger3000

8)      www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-can-controller-area-network

9)      www.axiomatic.com/canbus

10)    https://canbuskits.com/what.php

11)    https://tekeye.uk/automotive/can-bus-cable-wiring

12)    http://autoditex.com/page/can-bus—controller-area-network-34-1.html

13)    https://artes.esa.int/news/after-decade-development-can-bus-space-flight-ready

14)    https://medium.com/learn-with-the-lean-programmer/osi-model-layers-explained-ee1d43058c1f

15)    Controller Area Network (CAN) Bus J1939  Data Acquisition Methods  and   Parameter Accuracy Assessment Using  Nebraska Tractor Test  Laboratory Data by Samuel E. Marx. 2015.

16)    https://coar.risc.anl.gov/can-move-beyond-can-bus-vehicle-networks

17)    Ankita Sawant et al., CAN, FlexRay, MOST versus Ethernet for Vehicular Networks. IJIACS 2018.

18)    Shane Tuohy et al., Next Generation Wired Intra-Vehicle Networks, A Review. 2013 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV).

19)    Aroosa Umair, Muhammad Gufran Khan. Communication Technologies and Network Protocols of Automotive Systems. 2018.

20)    Peter Hank et al., Automotive Ethernet: In-vehicle Networking and
Smart Mobility. 2013.

21)    Felix Huening et al., Wireless CAN without WLAN or Bluetooth Wireless CAN without WLAN or Bluetooth. 2018.

22)    www.marketwatch.com

23)    www.electronicdesign.com

24)    www.ni.com

25)    www.renesas.com

26)    Nicolas Navet, Françoise Simonot-Lion. In-vehicle communication networks — a historical perspective and review. 2013

27)    www.synopsys.com

Мы используем cookie-файлы для улучшения нашего сайта, платформы и сопутствующих услуг, а также для анализа посещаемости и повышения качества нашей рекламной деятельности. Если Вы продолжите пользоваться нашими услугами, мы будем считать, что Вы согласны с использованием cookie-файлов. Подробнее

Do you want to switch to English version?

Yes No