CAN шина, что же это такое? Много информации читал, но нихрена не понимал. А тут вот нашлось простое и доходчивое объяснение, которое поймёт и ребёнок. А может и не поймет…
В CAN сети все ЭБУ подключены к шине параллельно. Обмен данными производится короткими пакетами — сообщениями.
CAN сообщение
Каждое сообщение содержит идентификатор, который в сети является уникальным (например, «Температура двигателя 100 град» или «Скорость автомобиля 50 км/ч»). При передаче, все ЭБУ в сети получают сообщение и каждый из них проверяет идентификатор. Если сообщение имеет отношение к данному ЭБУ, то оно обрабатывается, в противном случае – игнорируется. Идентификатор может быть длиной 11 бит или 29 бит.
Арбитраж
В шине CAN биты 0 и 1 имеют ещё одно название: рецессивный уровень и доминантный уровень, соответственно. Если двумя разными передатчиками будет одновремнно передан рецессивный и доминантный уровни, то доминантный уровень подавит рецессивный. Этим механизмом подавления обеспечивается арбитраж на шине. Каждый передатчик одновремнено считывает то, что он предаёт в шину. Передатчик с более низким приоритетом вынужден отпустить шину, так как чужой доминантный уровень с более высоким приоритетом исказил его предачу. В то же время, пакет с более высоким уровнем остался неизменным. Передатчик, потерявший арбитраж, может повторить попытку через некоторе время.
Физический уровень
В автомобиле может применяться несколько типов шин CAN.
Высокоскоростной CAN (High speed) применяется в основном в сети управления двигателем и управления шасси. Там, где необходима высокая скорость реакции. Скорость обмена по этой шине 500 или 250 кбит/сек.
Схема подключения ЭБУ к высокоскоростной шине CAN
Низкоскоростной CAN (Low speed) применяется в сети управления кузова. Скорость обмена по этой шине, как правило, равняется 125 кбит/сек.
Схема подключения ЭБУ к низкоскоростной шине CAN
Однопроводный CAN (1-wire) Это удешевлённый варинат Low speed CAN, применяется в основном концерном GM. Используется для коммуникации между ЭБУ кузова машины. Работает на скорости 33,3 кбит/сек.
Схема подключения ЭБУ к однопроводной шине CAN
Надёжность
Двухпроводная шина сохраняет свою работоспособность при обрыве или замыкании одного из проводов (для двухпроводной шины).
Фазы работы
Шина CAN используется в автомобилях достаточно давно. Изначально шина CAN использовалась в простых конфигурациях. Например, для надёжной и быстрой связи между ЭБУ мотора и ЭБУ автоматической коробки передач. В этой конфигурации шина использовалась только для передачи данных. В ЭБУ заводилась линия питания и линия от замка зажигания, диагностика производилась по отдельным К-линиям, идущим из каждого ЭБУ.
В более современных автомобилях, по шине CAN передаётся не только управляющая, но и диагностическая информация. Помимо этого, шина CAN стала управлять системой питания ЭБУ. В этой конфигурации все ЭБУ подключены к общему питанию и шине CAN. Замок зажигания является электронным блоком управления и информация о включении зажигания передаётся от него по CAN шине.
Можно выделить четыре основные фазы работы шины:
Спящий режим
В этом режиме все ЭБУ, кроме ЭБУ замка, находятся в выключенном состоянии. На драйвер CAN подается питание. Драйвер так же находится в спящем состоянии. При этом, его энергопотребление составляет около 0,3 мА.
Пробуждение
Когда вставляется ключ зажигания или открывается дверь, замок выдаёт доминантное состояние в шину CAN. Это приводит к пробуждению CAN драйверов в спящих ЭБУ. Драйверы при обнаружении активности на шине включают стабилизаторы питания в своих ЭБУ.
Активный режим
В активном режиме ЭБУ постоянно обмениваются информацией. Энергопотребление каждого предатчика при доминантных уровнях может достигать 80 мА.
Засыпание
В момент выключения зажигания, по шине CAN выдаётся команда на выключение, после чего каждый ЭБУ сам себя обесточивает и преходит в спящий режим.
Примечание:
Для однопроводной шины CAN сигнал пробуждения имеет уровень 12 В, обычный обмен 0-4 В.
Немного отступлю от первоисточника.
Самый главный плюс, это очень высокая помехозащищённость сигнала. В чём прикол? Одновременно идут два дублирующих сигнала, только один высокий, второй низкий. Ловят они помеху. Помеха воздействует одинаково на оба сигнала. А на выходе у нас одинаковый уровень. Два уровня сигнала компенсируют помеху. Наглядно это выглядит вот так:
Вот такие пироги. Наткнулся тут : quantexlab
Появление цифровых шин в автомобилях произошло позднее, чем в них начали широко внедряться электронные блоки. В то время цифровой «выход» им был нужен только для «общения» с диагностическим оборудованием – для этого хватало низкоскоростных последовательных интерфейсов наподобие ISO 9141-2 (K-Line). Однако кажущееся усложнение бортовой электроники с переходом на CAN-архитектуру стало ее упрощением.
Действительно, зачем иметь отдельный датчик скорости, если блок АБС уже имеет информацию о скорости вращения каждого колеса? Достаточно передавать эту информацию на приборную панель и в блок управления двигателем. Для систем безопасности это ещё важнее: так, контроллер подушек безопасности уже становится способен самостоятельно заглушить мотор при столкновении, послав соответствующую команду на ЭБУ двигателя, и обесточить максимум бортовых цепей, передав команду на блок управления питанием. Раньше же приходилось для безопасности применять не надежные меры вроде инерционных выключателей и пиропатронов на клемме аккумулятора (владельцы BMW с его «глюками» уже хорошо знакомы).
Однако на старых принципах реализовать полноценное «общение» блоков управления было невозможно. На порядок выросли объем данных и их важность, то есть потребовалась шина, которая не только способна работать с высокой скоростью и защищена от помех, но и обеспечивает минимальные задержки при передаче. Для движущейся на высокой скорости машины даже миллисекунды уже могут играть критичную роль. Решение, удовлетворяющее таким запросам, уже существовало в промышленности – речь идет о CAN BUS (Controller Area Network).
Суть CAN-шины
Цифровая CAN-шина – это не конкретный физический протокол. Принцип работы CAN-шины, разработанный Bosch еще в восьмидесятых годах, позволяет реализовать ее с любым типом передачи – хоть по проводам, хоть по оптоволокну, хоть по радиоканалу. КАН-шина работает с аппаратной поддержкой приоритетов блоков и возможностью «более важному» перебивать передачу «менее важного».
Для этого введено понятие доминантного и рецессивного битов: упрощенно говоря, протокол CAN позволит любому блоку в нужный момент выйти на связь, остановив передачу данных от менее важных систем простой передачей доминантного бита во время наличия на шине рецессивного. Это происходит чисто физически – например, если «плюс» на проводе означает «единицу» (доминантный бит), а отсутствие сигнала – «ноль» (рецессивный бит), то передача «единицы» однозначно подавит «ноль».
Представьте себе класс в начале урока. Ученики (контроллеры низкого приоритета) спокойно переговариваются между собой. Но, стоит учителю (контроллеру высокого приоритета) громко дать команду «Тишина в классе!», перекрывая шум в классе (доминантный бит подавил рецессивный), как передача данных между контроллерами-учениками прекращается. В отличие от школьного класса, в CAN-шине это правило работает на постоянной основе.
Для чего это нужно? Чтобы важные данные были переданы с минимумом задержек даже ценой того, что маловажные данные не будут переданы на шину (это отличает CAN шину от знакомого всем по компьютерам Ethernet). В случае аварии возможность ЭБУ впрыска получить информацию об этом от контроллера SRS несоизмеримо важнее, чем приборной панели получить очередной пакет данных о скорости движения.
В современных автомобилях уже стало нормой физическое разграничение низкого и высокого приоритетов. В них используются две и даже более физические шины низкой и высокой скорости – обычно это «моторная» CAN-шина и «кузовная», потоки данных между ними не пересекаются. К всем сразу подключен только контроллер CAN-шины, который дает возможность диагностическому сканеру «общаться» со всеми блоками через один разъем.
Например, техническая документация Volkswagen определяет три типа применяемых CAN-шин:
- «Быстрая» шина, работающая на скорости 500 килобит в секунду, объединяет блоки управления двигателем, ABS, SRS и трансмиссией.
- «Медленная» функционирует на скорости 100 кбит/с и объединяет блоки системы «Комфорт» (центральный замок, стеклоподъемники и так далее).
- Третья работает на той же скорости, но передает информацию только между навигацией, встроенным телефоном и так далее. На старых машинах (например, Golf IV) информационная шина и шина «комфорт» были объединены физически.
Интересный факт: на Renault Logan второго поколения и его «соплатформенниках» также физически две шины, но вторая соединяет исключительно мультимедийную систему с CAN-контроллером, на второй одновременно присутствуют и ЭБУ двигателя, и контроллер ABS, и подушки безопасности, и ЦЭКБС.
Физически же автомобили с CAN-шиной используют ее в виде витой дифференциальной пары: в ней оба провода служат для передачи единственного сигнала, который определяется как разница напряжений на обоих проводах. Это нужно для простой и надежной помехозащиты. Неэкранированный провод работает, как антенна, то есть источник радиопомех способен навести в нем электродвижущую силу, достаточную для того, чтобы помеха воспринялась контроллерами как реально переданный бит информации.
Но в витой паре на обоих проводах значение ЭДС помехи будет одинаковым, так что разница напряжений останется неизменной. Поэтому, чтобы найти CAN-шину в автомобиле, ищите витую пару проводов – главное не перепутать ее с проводкой датчиков ABS, которые так же для защиты от помех прокладываются внутри машины витой парой.
Диагностический разъем CAN-шины не стали придумывать заново: провода вывели на свободные пины уже стандартизированной в OBD-II колодки, в ней CAN-шина находится на контактах 6 (CAN-H) и 14 (CAN-L).
Поскольку CAN-шин на автомобиле может быть несколько, часто практикуется использование на каждой разных физических уровней сигналов. Вновь для примера обратимся к документации Volkswagen. Так выглядит передача данных в моторной шине:
Когда на шине не передаются данные или передается рецессивный бит, на обоих проводах витой пары вольтметр покажет по 2,5 В относительно «массы» (разница сигналов равна нулю). В момент передачи доминантного бита на проводе CAN-High напряжение поднимается до 3,5 В, в то время как на CAN-Low опускается до полутора. Разница в 2 вольта и означает «единицу».
На шине «Комфорт» все выглядит иначе:
Здесь «ноль» — это, наоборот, 5 вольт разницы, причем напряжение на проводе Low выше, чем на проводе High. «Единица» же – это изменение разности напряжений до 2,2 В.
Проверка CAN-шины на физическом уровне ведется с помощью осциллографа, позволяющего увидеть реальное прохождение сигналов по витой паре: обычным тестером, естественно, «разглядеть» чередование импульсов такой длины невозможно.
«Расшифровка» CAN-шины автомобиля также ведется специализированным прибором – анализатором. Он позволяет выводить пакеты данных с шины в том виде, как они передаются.
Сами понимаете, что диагностика шины CAN на «любительском» уровне без соответствующего оборудования и знаний не имеет смысла, да и банально невозможна. Максимум, что можно сделать «подручными» средствами, чтобы проверить кан-шину – это измерить напряжения и сопротивление на проводах, сравнив их с эталонными для конкретного автомобиля и конкретной шины. Это важно – выше мы специально привели пример того, что даже на одном автомобиле между шинами может быть серьезная разница.
Неисправности
Хотя интерфейс CAN и хорошо защищен от помех, электрические неисправности стали для него серьезной проблемой. Объединение блоков в единую сеть сделало ее уязвимой. КАН-интерфейс на автомобилях стал настоящим кошмаром малоквалифицированных автоэлектриков уже по одной своей особенности: сильные скачки напряжения (например, зимний запуск на сильно разряженном аккумуляторе) способны не только «повесить» ошибку CAN-шины, обнаруживаемую при диагностике, но и заполнить память контроллеров спорадическими ошибками, случайного характера.
В результате на приборной панели загорается целая «гирлянда» индикаторов. И, пока новичок в шоке будет чесать голову: «да что же это такое?», грамотный диагност первым делом поставит нормальный аккумулятор.
Чисто электрические проблемы – это обрывы проводов шины, их замыкания на «массу» или «плюс». Принцип дифференциальной передачи при обрыве любого из проводов или «неправильном» сигнале на нем становится нереализуем. Страшнее всего замыкание провода, поскольку оно «парализует» всю шину.
Представьте себе простую моторную шину в виде провода, на котором «сидят в ряд» несколько блоков – контроллер двигателя, контроллер АБС, приборная панель и диагностический разъем. Обрыв у разъема автомобилю не страшен – все блоки продолжат передавать информацию друг другу в штатном режиме, невозможной станет только диагностика. Если оборвать провод между контроллером АБС и панелью, мы сможем увидеть сканером на шине только ее, ни скорость, ни обороты двигателя она показывать не будет.
А вот при обрыве между ЭБУ двигателя и АБС машина, скорее всего, уже не заведется: блок, не «видя» нужный ему контроллер (информация о скорости учитывается при расчете времени впрыска и угла опережения зажигания), уйдет в аварийный режим.
Если не резать провода, а просто постоянно подать на один из них «плюс» или «массу», автомобиль «уйдет в нокаут», поскольку ни один из блоков не сможет передавать данные другому. Поэтому золотое правило автоэлектрика в переводе на русский цензурный звучит как «не лезь кривыми руками в шину», а ряд автопроизводителей запрещает подключать к CAN-шине несертифицированные дополнительные устройства стороннего производства (например, сигнализации).
Благо подключение CAN-шины сигнализации не разъем в разъем, а врезаясь непосредственно в шину автомобиля, дают «криворукому» установщику возможность перепутать провода местами. Автомобиль после этого не то что откажется заводиться – при наличии контроллера управления бортовыми цепями, распределяющего питание, даже зажигание не факт что включится.
Для того, чтобы понять принципы работы CAN-шины мы решили написать/перевести ряд статей, посвященных этой тематике, как обычно, основываясь на материалах зарубежных источников.
Одним из подобных источников, который, как нам показалось, вполне подходящим образом иллюстрирует принципы работы CAN-шины, стал видеоролик-презентация учебного продукта CANBASIC компании Igendi Engineering (http://canbasic.com).
Также можете прочитать вторую нашу переводную статью Введение в CAN.
Добро пожаловать на презентацию нового продукта CANBASIC, учебной системы (платы), посвященной вопросу функционирования шины КАН (CAN).
Мы начнем с основ построения сети CAN-шины. На схеме приведен автомобиль с его системой освещения.
Показана обычная проводка, в которой каждая лампа напрямую подключена с каким-либо переключателем или контактом педали тормоза.
Теперь аналогичная функциональность показана с применением технологии CAN-шины. Передние и задние световые приборы подключены к контролирующим модулям. Контролирующие модули соединены параллельно с такими же проводами шины.
Этот небольшой пример демонстрирует, что объем электропроводки снижается. Вдобавок ко всему модули управления могут обнаруживать перегоревшие лампы и информировать об этом водителя.
Автомобиль на указанном виде содержит четыре модуля управления и четко отражает построение учебной системы (платы) CANBASIC
В вышеописанном указано четыре узла шины (CAN-узла).
Передний модуль контролирует передние световые приборы.
Узел сигнализации обеспечивает контроль внутренней части автомобиля.
Основной контрольный модуль соединяет все системы транспортного средства для диагностики.
Задний узел контролирует задние световые приборы.
На тренировочной доске CANBASIC вы можете увидеть маршрутизацию (расположение) трех сигналов: «Питание», «CAN-Hi» и «земли», соединяющихся в контрольном модуле.
В большинстве транспортных средств для подключения главного модуля управления к ПК с помощью диагностического программного обеспечения вам нужен OBD-USB конвертер.
Плата CANBASIC уже содержит в себе OBD-USB конвертер и может быть напрямую подключена к ПК.
Питается плата от интерфейса USB, поэтому дополнительные кабели не нужны.
Провода шины используются для передачи множества данных. Как это работает ?
Как работает CAN-шина
Эти данные передаются последовательно. Вот пример.
Человек с лампой, передатчик, хочет отправить какую-то информацию человеку с телескопом, получателю (приемнику). Он хочет передать данные.
Для того, чтобы сделать это они договорились, что получатель смотрит за состоянием лампы каждые 10 секунд.
Это выглядит так:
Спустя 80 секунд:
Теперь 8 бит данных были переданы со скоростью 0,1 бит в секунду (т.е. 1 бит в 10 секунд). Это называется последовательной передачей данных.
Для использования этого подхода в автомобильном приложении интервал времени сокращается с 10 секунд до 0,000006 секунды. Для передачи информации посредством изменения уровня напряжения на шине данных.
Для измерения электрических сигналов шины КАН используется осциллограф. Две измерительных площадки на плате CANBASIC позволяют измерить этот сигнал.
Чтобы показать полное CAN-сообщение разрешение осциллографа уменьшается.
В результате одиночные CAN-биты больше не могут быть распознаны. Для решения этой проблемы CANBASIC-модуль оснащен цифровым запоминающим осциллографом.
Мы вставляем модуль CANBASIC в свободный разъем USB, после чего он будет автоматически обнаружен. Программное обеспечение CANBASIC можно запустить прямо сейчас.
Вы можете видеть вид программного осциллографа с прикрепленными значениями битов. Красным показаны данные, переданные в предыдущем примере.
Чтобы объяснить другие части CAN-сообщения мы раскрашиваем CAN-кадр и прикрепляем на него подписи с описанием.
Каждая раскрашенная часть CAN-сообщения соответствует полю ввода того же цвета. Область, отмеченная красным, содержит информацию о пользовательских данных, которая может быть задана в формате битов, полубайтов или шестнадцатиричном формате.
Желтая область определяет количество пользовательских данных. В зеленой зоне может быть установлен уникальный идентификатор.
Синяя область позволяет задать CAN-сообщение для удаленного запроса. Это означает, что будет ожидаться ответ от другого CAN-узла. (Разработчики системы сами рекомендуют не пользоваться удаленными запросами по ряду причин приводящих к глюкам системы, но об этом будет другая статья.)
Многие системы с шиной CAN защищены от помех вторым каналом CAN-LO для передачи данных, который является инвертированным относительно сигнала CAN-HI (т.е. идет тот же сигнал, только с обратным знаком).
Шесть последовательных битов с одинаковым уровнем определяют конец CAN-кадра.
Так совпало, что другие части CAN-кадра могут содержать более пяти последовательных битов с одинаковым уровнем.
Чтобы избежать этой битовой метки, если появляется пять последовательных битов с одинаковым уровнем, в конце CAN-кадра вставляется противоположный бит. Эти биты называют стафф-битами (мусорными битами). CAN-приемники (получатели сигнала) игнорируют эти биты.
С помощью полей ввода могут быть заданы все данные КАН-кадра и поэтому каждое КАН-сообщение может быть отправлено.
Вставленные данные немедленно обновляются в CAN-кадре, в данном примере длина данных будет изменена с одного байта на 8 байтов и сдвинута назад на один байт.
Текст описания показывает, что сигнал поворота будет управляться с помощью идентификатора «2С1» и бит данных 0 и 1. Все биты данных сбрасываются на 0.
Идентификатор установлен в значение «»2С1». Для активации сигнала поворотов бит данных должен быть установлен с 0 на 1.
В режиме «в салоне» вы можете управлять всем модулем с помощью простых щелчков мыши. Данные CAN устанавливаются автоматически в соответствии с желаемым действием.
Лампы поворотников могут быть установлены на ближний свет для работы в качестве ДХО. Яркостью будет управлять широтно-импульсная модуляция (ШИМ), в соответствии с возможностями современной диодной техники.
Теперь мы можем активировать фары ближнего света, противотуманные фары, стоп-сигналы и фары дальнего.
С отключением ближнего света противотуманные фары также отключаются. Логика управления световой системой CANBASIC соответствует автомобилям марки Volkswagen. Особенности зажигания и «возвращения домой» также включены.
С сигнальным узлом вы можете считывать сигнал датчика после инициирующего удаленного запроса.
В режиме удаленного запроса второй CAN-кадр будет принят и показан ниже отправленного CAN-кадра.
Байт данных CAN теперь содержит результат измерения датчика. С приближением к датчику пальца вы можете изменить измеренное значение.
Клавиша паузы замораживает текущий CAN-кадр и позволяет провести точный анализ.
Как уже было показано, различные части CAN-кадра могут быть скрыты.
Кроме того поддерживается скрытие каждого бита в КАН-кадре.
Это очень полезно, если вы хотите использовать представление CAN-кадра в ваших собственных документах, например в листе упражнений.
