Magistrala CAN cz.1.pdf

S P R Z Ę T

Magistrala CAN, część 1

Zdecentralizowana wymiana danych

Rozprzestrzenienie siÍ sieci

komunikacji lokalnej

w†systemach przemys³owych

wydaje siÍ nieodwo³alne.

Coraz powszechniej stosowane

s¹ magistrale CAN, Profibus,

LON, ASI, Interbus-S, FIP,

EIB, eBus i†wiele innych.

Czas pokaøe, kiedy te

ustabilizowane juø technologie

z protoko³ami

zaimplementowanymi

w†ma³ych chipach, niskimi

cenami i†³atw¹ eksploatacj¹

stan¹ siÍ dostÍpne dla

mniejszych firm

inøynieryjnych.

W†trzech czÍúciach

artyku³u przedstawimy

technologiÍ przesy³ania

informacji, wykorzystuj¹c¹

system magistrali CAN.

Interfejs bÍdzie opisany

w†sposÛb prosty

i†praktyczny.

Ca³oúÊ zakoÒczy opis

konstrukcji i oprogramowania

sieci z magistral¹ CAN.

W†pierwszej czÍúci artyku³u

omÛwimy pokrÛtce historiÍ i†stan-

daryzacjÍ magistrali CAN (Con-

troller Area Network). Znajdzie

siÍ tu rÛwnieø charakterystyka

warstwy fizycznej.

W†drugiej czÍúci zostanie ob-

jaúniona warstwa ³¹cza. CzÍúÊ ta

pomieúci rÛwnieø, w†formie tabe-

larycznej, elementy sk³adowe bu-

dowy CAN rÛønych producentÛw.

Dalej wstÍpny opis uniwersalnego

interfejsu magistrali CAN, ktÛry

moøe byÊ wykorzystany do wyko-

nania systemu z†mikrokontrolerem

lub mikroprocesorem, odpowied-

niego dla zastosowania w†sieci

magistrali CAN.

W czÍúci trzeciej opiszemy kon-

strukcjÍ, oprogramowanie i†uøytko-

wanie ma³ej sieci magistrali CAN

w†po³¹czeniu z†komputerem PC

i†z†kart¹ mikrokontrolera.

Pierwszy odnosi³ siÍ do pos-

tulatÛw poprawienia komfortu po-

jazdÛw: elektrycznie podnoszo-

nych szyb, regulacji siedzeÒ i†lus-

terek, podgrzewanych siedzeÒ,

elektronicznego sterowania klima-

tyzacj¹, jak rÛwnieø wyposaøenia

audiowizualnego i†satelitarnie ste-

rowanych systemÛw nawigacyj-

nych (GPS - Global Positioning

System).

Drugim i†waøniejszym by³ pro-

blem bezpieczeÒstwa pojazdÛw,

nie tylko z†indywidualnego pun-

ktu widzenia, ale rÛwnieø dla

spe³nienia coraz surowszych miÍ-

dzynarodowych przepisÛw odnoú-

nie bezpieczeÒstwa: centralnego

zamka drzwi, systemÛw antykra-

dzieøowych, ABS (systemÛw prze-

ciwdzia³aj¹cych poúlizgowi kÛ³),

jak rÛwnieø ekonomicznego i†przy-

jaznego dla úrodowiska sterowania

prac¹ silnika.

Obu problemom stawiono czo-

³a poprzez intensywn¹ elektroni-

zacjÍ komunikacji wewn¹trz po-

jazdu zawieraj¹cego wiele urz¹-

dzeÒ. Oszacowano, øe pojazdy

wyprodukowane oko³o roku 2005

bÍd¹ zawieraÊ do 100 mikrokon-

trolerÛw i†wszystkie powinny

mieÊ moøliwoúÊ ko-

munikowania siÍ ze

sob¹. Jest oczywiste,

øe rezultatem wszys-

tkich tych úcieøek

komunikacji bÍdzie

jeszcze wiÍksza i†bar-

dziej rozga³Íziona

pl¹tanina kabli. Na

przyk³ad, w†nowo-

czesnym, dobrej ja-

koúci samochodzie

silnik waøy blisko

100kg (220 funtÛw)

i†jest do 2000 metrÛw

kabli. Co wiÍcej, u†ty-

powego wielkiego

producenta samocho-

dÛw moøe byÊ stoso-

Opracowanie magistrali

CAN

W†pocz¹tku lat dziewiÍÊdzie-

si¹tych, miÍdzynarodowy prze-

mys³ samochodowy stan¹³ przed

dwoma problemami dotycz¹cymi

rozwoju samochodÛw prywatnych

i†pojazdÛw dostawczych.

160

140

120

100

Artyku³ publikujemy na pod-

stawie umowy z wydawc¹ mie-

siÍcznika "Elektor Electronics".

Editorial items appearing on

pages 21..24 are the copyright

property of (C) Segment B.V., the

Netherlands, 1998 which reserves

all rights.

1989 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000

lata

Rys. 1. Oszacowanie światowej sprzedaży układów

scalonych CAN.

Elektronika Praktyczna 1/2000

S P R Z Ę T

Model warstwowy ISO/OSI Warstwa magistrali CAN

Mercedes, Lexus, Jaguar i†Chrysler,

ale rÛwnieø w†tych mniej presti-

øowych, jak Fiat i†Volkswagen.

Nie tylko przemys³ samocho-

dowy odkry³ zalety magistral, ale

rÛwnieø przemys³y automatyzacji

i†przetwÛrczy. Przemys³y te wyko-

rzystuj¹ pomys³ CAN dla pomia-

rÛw, kontroli i†sterowania w†sys-

temach SPS (Standard Positioning

Service), robotach i†silnikach. Po-

mys³ ten jest rÛwnieø stosowany

w†budownictwie, w†sterowaniu

windami, systemami automatyza-

cji laboratoriÛw, systemami czuj-

nikowo-wykonawczymi i†innymi.

ProtokÛ³ CAN jest dostÍpny

w†krzemowym chipie, tak øe uøyt-

kownik nie musi juø koncentro-

waÊ siÍ na drobniejszych szcze-

gÛ³ach technologii komunikacyj-

nej. Uk³ady CAN s¹ po prostu

zintegrowane jako inteligentne pe-

ryferyjne bloczki sk³adowe w†is-

tniej¹cych systemach mikrokont-

rolerowych lub tych, ktÛre dopie-

ro zostan¹ zbudowane.

Wolne od k³opotÛw utrzymanie

i†stosowanie, jak rÛwnieø gwa³-

townie spadaj¹ce ceny uk³adÛw

scalonych CAN czyni¹ CAN ma-

gistralami ciesz¹cymi siÍ wielkim

zainteresowaniem i†wielce przy-

datnymi dla konstruktorÛw ma-

³ych, zdecentralizowanych sieci

komunikacyjnych.

Na rys. 1 przedstawiono osza-

cowanie wielkoúci úwiatowej

sprzedaøy uk³adÛw scalonych

CAN. Koszty kompletnych sieci

CAN, pochodz¹cych od rÛønych

producentÛw pÛ³przewodnikÛw s¹

podawane w†USD.

Warstwa 8

CANopen

DeviceNet

Smart Distributed

Aplikacja:

System (SDS)

“Urządzenie

na magistrali”

Warstwa 7

“Warstwa

CAL: CAN

Specyfikacje

Specyfikacje SDS

aplikacji”

Warstwa aplikacji

DeviceNet

dla aplikacji

przemysłowych

Warstwy 3..6

Puste!!!

Warstwa 2

“Warstwa

LLC: Logical Link Control

łącza danych”

MAC: Medium Access Control

zgodnie z ISO 11898

Rezultat:

Specyfikacje CAN 2.0A, CAN 2.0B

Warstwa 1

“Warstwa

“Low−Speed CAN”

“High−Speed CAN”

fizyczna”

ISO 11519−2

ISO 11898

wanych do 600 rÛønych typÛw

wi¹zek kabli.

Poniewaø jest to sytuacja d³uøej

nie do utrzymania, przemys³ sa-

mochodowy zacz¹³ siÍ rozgl¹daÊ

za nowymi sposobami komunika-

cji i†znalaz³ je w†przemyúle kom-

puterowym. Oczywiúcie, system

magistrali stosowanych w†tym

przemyúle, wymaga³ adaptacji dla

zastosowania w†pojazdach, przede

wszystkim z†nastÍpuj¹cych powo-

dÛw:

- przenoszenia danych z†ma³¹

i†duø¹ szybkoúci¹ w†zakresie od

5kb/s do 1Mb/s,

- bezb³Ídnego przenoszenia da-

nych,

- optymalnego przenoszenia mik-

rostrumieni danych, takich jak

uzyskiwane z†czujnikÛw lub

urz¹dzeÒ wykonawczych, to jest

z³oøonych z†0..8 bajtÛw na ko-

munikat,

- ³atwoúci utrzymania,

- niskich kosztÛw w†masowej pro-

dukcji,

- prostoty konstrukcji magistrali

(media magistrali, topologia ma-

gistrali) dla ³atwej integracji

w†pojeüdzie.

Niestety, wielcy producenci sa-

mochodÛw opracowali juø swoje

w³asne magistrale, ktÛre nie s¹

kompatybilne z†odpowiednikami

u†innych producentÛw. Wszyscy

prÛbowali doprowadziÊ do przy-

jÍcia swoich systemÛw jako sys-

temu miÍdzynarodowego, to jest

do zaakceptowania ich jako miÍ-

dzynarodowego standardu i†uzys-

kania dla siebie wszystkich oczy-

wistych korzyúci ekonomicznych

i†komercyjnych.

Nie wszystkie systemy mog³y

byÊ ³atwo zestandaryzowane. Za-

sadniczo, przyjÍ³y siÍ cztery z†nich:

CAN (w†wersjach o†ma³ej i†duøej

szybkoúci), VAN, J1850CP

i†J1850DLC. VAN (zestanda-

ryzowany) i†pozosta³e (nie-

standaryzowanych) zosta³y

zarzucone w†po³owie lat 90.

na korzyúÊ systemu CAN.

Dziú system CAN jest úwia-

towym liderem na polu ma-

gistrali dla pojazdÛw. Jako

taki jest obecnie stosowany

nie tylko w†samochodach

marek luksusowych, jak

Standaryzacja

Jeúli struktura systemu komu-

nikacyjnego ma byÊ powszechnie

akceptowana, naleøy znaleüÊ od-

powiedü na kilka pytaÒ dotycz¹-

cych standardu:

- Jak fizycznie (elektrycznie, lo-

gicznie) bÍd¹ zorganizowane rÛø-

ne czÍúci sieci?

Tab. 1. Poziomy bezwzględne linii

magistrali w odniesieniu do (lokalnej)

masy zgodnie z ISO11898.

Napięcie na

Stan magistrali

magistrali

recesywny dominujący

{ustępujący} {przeważający}

CANH

2,5V

3,5V

Kabel magistrali

CANL

2,5V

1,5V

dopuszczalne

napięcie

różnicowe

U 0 = CANH..CANL 0 − 0,5V 0,9 − 2,0V

Terminator rezystorowy

Rys. 2. Topologia magistrali CAN.

Elektronika Praktyczna 1/2000

S P R Z Ę T

Uk³ad

CAN

miÍdzynarodow¹

normÍ dla ma-

gistral pojazdÛw,

kiedy to magist-

rala CAN zna-

cz¹co ugrunto-

wa³a swoj¹ moc-

n¹ pozycjÍ.

Podstaw¹ pro-

cesu standaryza-

cji komunikacji

danych, jest

siedmiowarstwo-

wy model odnie-

sienia ISO/OSI.

W†przypadku

niektÛrych syste-

mÛw komunikacyjnych, w³¹cznie

z†systemem magistrali dla pojaz-

dÛw, warstwy ISO 3..6 s¹ puste,

tak øe dla magistrali CAN tylko

warstwy 1, 2†i†7†s¹ wyspecyfiko-

wane szczegÛ³owo.

Warstwa 1†- warstwa fizyczna

W†tej warstwie znajduj¹ siÍ

specyfikacje medium transmisji

danych, z³¹czy, poziomÛw przesy-

³ania oraz elementÛw nadawczych

i†odbiorczych. Dwoma standarda-

mi zwi¹zanymi z†CAN s¹:

ISO11529-2 : CAN o†ma³ej szybkoú-

ci. Jej podstaw¹ jest opracowanie

zapocz¹tkowane przez firmÍ Bosch

we wczesnych latach osiemdzie-

si¹tych i†kontynuowane, przy sil-

nym wsparciu Intela, aø do zin-

tegrowania protoko³u w†uk³adzie

scalonym. Ma³a szybkoúÊ odnosi

siÍ do szybkoúci przesy³ania od

5kb/s do 125kb/s.

ISO11898 : CAN o†duøej szybkoú-

ci. Ten standard dotyczy szyb-

koúci przesy³ania danych do

1Mb/s.

Warstwa 2†- warstwa ³¹cza

danych

Warstwa ta okreúla jak staje siÍ

dostÍpne medium przesy³ania da-

nych, gdy jakaú czÍúÊ systemu

chce wys³aÊ dane, jak jest two-

rzony komunikat (adres, sterowa-

nie, dane i†zabezpieczenie przed

b³Ídami) i†jaki jest protokÛ³ prze-

sy³ania danych. Normy te moøna

rÛwnieø znaleüÊ w†ISO11898.

Ponadto, specyfikacja CAN 1991

w†Warstwie 2 by³a modyfikowana,

tak øe dziú s¹ tam dwie jej wersje:

CAN2.0A i†CAN2.0B. Do podo-

bieÒstw i†rÛønic pomiÍdzy tymi

dwiema wersjami powrÛcimy

w†drugiej czÍúci artyku³u.

Ca³e lata trwa³o opracowywa-

nie trzech obszernych ga³Ízi CAN

dla rÛønych aplikacji: CANopen,

DeviceNet i†Smart Distributed Sys-

tem (SDS). Poniewaø specyfikacje

te s¹ naprawdÍ obszerne, nie

bÍdziemy ich úledziÊ w†tym arty-

kule. Powiemy tylko tyle, øe s¹

one kompatybilne z†Warstwami

1†i†2.

SzczegÛ³owe informacje odnoú-

nie CANopen, DeviceNet i†SDS

moøna znaleüÊ w†Internecie: http://

www.can-cia.de.

CAN H

CAN L

124

0W2

U D

124

0W2

Rys. 3. Dołączanie elementu (stacji) do magistrali CAN.

- Jak bÍdzie wygl¹daÊ wynikowa

topologia sieci?

- Jak dane bÍd¹ porz¹dkowane

i†przesy³ane poprzez odpowied-

nie medium (kabel czy úwiat³o-

wÛd lub powietrze za pomoc¹

podczerwieni)?

- Jakie s¹ regu³y wymiany danych

pomiÍdzy rÛønymi czÍúciami?

- Jak zapobiegaÊ, rozpoznawaÊ,

korygowaÊ b³Ídy przesy³ania da-

nych?

- Jak jest sformowany protokÛ³

przesy³ania danych?

- Jak jest zorganizowany dostÍp

do medium przesy³ania danych

dla wszystkich elementÛw (sta-

cji) zwi¹zanych z†ich przesy³a-

niem?

- Jak s¹ rozstrzygane konflikty,

gdy kilka elementÛw zechce

przesy³aÊ dane w†tym samym

czasie? (dotyczy to dostÍpu do

medium, czyli tak zwanego ar-

bitraøu).

DopÛki dotyczy to odbioru

danych, nie ma tu wielu prob-

lemÛw, poniewaø z†regu³y do

medium moøe byÊ do³¹czonych

wiele odbiornikÛw, z†ktÛrych

wszystkie mog¹ w†tym samym

czasie bez øadnych trudnoúci od-

bieraÊ dane. OgÛlnie, w†dowol-

nym systemie komunikacyjnym

w†danym momencie aktywny po-

winien byÊ tylko jeden nadajnik,

podczas gdy odbiornikÛw moøe

byÊ kilka.

Odpowiedzi na powyøsze py-

tania musz¹ byÊ jednoznaczne,

jeúli system komunikacyjny ma

byÊ stosowany w†sposÛb sensow-

ny i akceptowalny w†ca³ym åwie-

cie.

W†pocz¹tkach lat dziewiÍÊdzie-

si¹tych International Standard Or-

ganisation (ISO) zaczÍ³a uk³adaÊ

Charakterystyka

W warstwie fizycznej jest za-

warta specyfikacja topologii sie-

ciowej magistrali CAN i†do³¹cza-

nia elementÛw (stacji) do medium

magistrali.

Termin topologia sieci obejmu-

je fizyczn¹ konstrukcjÍ systemu

komunikacyjnego i†daje tym

samym odpowiedü na pytanie:

ìjak elementy (stacje) s¹ po³¹czo-

ne z†medium przesy³ania da-

nych?î

CAN wykorzystuje tak zwan¹

topologiÍ magistrali, to oznacza,

øe wszystkie elementy s¹ po³¹czo-

ne z†pojedyncz¹ skrÍtk¹ pary

przewodÛw (ekranowan¹ lub nie),

zakoÒczon¹ na obydwu koÒcach

odpowiednimi impedancjami za-

koÒczenia magistrali (patrz rys.

2 ). Taka organizacja zapewnia, øe

kaøda stacja moøe komunikowaÊ

siÍ z†kaød¹ w†sieci bez øadnych

ograniczeÒ.

Tab. 2. Współzależność pomiędzy szybkością przesyłania danych, długością

magistrali, medium magistrali i impedancją zamykającą magistrali.

Długość Kabel magistrali

Rezystancja

Maksymalna

magistrali rezystancja powierzchnia przekroju zamykająca

szybkość

poprzecznego kabla

magistrali przesyłania danych

0 − 40m

70m Ω

0,25 − 0,34mm 2

124 Ω

(1%)

1Mb/s przy 40m

AWG23, AWG22

40 − 300m <60m

0,34 − 0,5mm 2

127

(1%) 500kb/s przy 100m

AWG22, AWG20

300 − 600m <40m

0,5 − 0,6mm 2

150

do 300

100kb/s przy 500m

AWG20

600m − 1km <26m

0,75 − 0,8mm 2

150

do 300

50kb/s przy 1km

AWG18

Elektronika Praktyczna 1/2000

S P R Z Ę T

Poziom nominalny linii magis-

trali, to jest poziom poszczegÛl-

nych linii w†odniesieniu do masy

lokalnej, przedstawiono w† tab. 1 .

W†praktyce poziomy te maj¹

oczywiúcie jakieú tolerancje, tak

øe napiÍcie rÛønicowe moøe osi¹-

gaÊ poziom maksymalny dopusz-

czalny, podany w†ostatnim wier-

szu tabeli 1.

Specyfikacja (CANL) w†stan-

dardzie ISO11519-2 jest nieco od-

mienna, ale poniewaø standard

ISO11898 moøe byÊ stosowany

zarÛwno dla duøych jak i†dla

ma³ych szybkoúci, obecnie jest

stosowana ta specyfikacja.

Uøytkownicy nie musz¹ sami

zajmowaÊ siÍ konstrukcj¹ ³¹cza

nadawania/odbioru, poniewaø

u†wiÍkszoúci producentÛw s¹ do

tego celu dostÍpne gotowe uk³a-

dy scalone. S¹ one zoptymalizo-

wane, szczegÛlnie pod wzglÍdem

zak³ÛceÒ elektromagnetycznych

(EMC), zajmowanej powierzchni

p³ytki drukowanej i†przeci¹øeÒ

termicznych (w przypadku zwar-

cia CANH lub CANL) i†wyjúcio-

wego standardu poziomÛw sygna-

³Ûw CAN. Wszystkim, co jest

niezbÍdne dla zestawienia ³¹cza

CAN, to do³¹czenie go do linii

magistrali.

A†wszystko, co naleøy zrobiÊ,

to upewnienie siÍ, dla ktÛrego

standardu CAN uk³ad scalony

zosta³ zbudowany: ISO11519-2 lub

ISO11898. Preferowany powinien

byÊ ten drugi.

Naleøy zauwaøyÊ, øe w†prakty-

ce wykorzystywane s¹ rÛwnieø

inne sposoby rÛønicowego przesy-

³ania danych, ktÛre mog¹ pos³u-

øyÊ do przesy³ania sygna³Ûw CAN,

na przyk³ad RS485.

Ostatnie pytania, ktÛre naleøy

postawiÊ odnoúnie systemu magis-

trali CAN, to:

- Jaka jest maksymalna d³ugoúÊ

magistrali dla danej szybkoúci

przesy³ania?

- Ile elementÛw (stacji) moøna

do³¹czyÊ do magistrali?

Odpowiedü na te pytania za-

leøy wy³¹cznie od zastosowanego

medium magistrali. W† tab. 2

przedstawiono korelacjÍ pomiÍdzy

szybkoúci¹ przesy³ania danych,

d³ugoúci¹ magistrali, medium ma-

gistrali i†impedancj¹ zakoÒczenia

magistrali.

Najlepsze medium przesy³ania

danych to skrÍtka pary przewo-

dÛw o†powierzchni przekroju po-

przecznego 0,34..0,6mm 2 , podczas

gdy impedancja zakoÒczenia ma-

gistrali powinna wynosiÊ oko³o

127

123 4 5

6 7 8 9

1 Nie pod³¹czone

2 CAN L

3 CAN GND

5 Opcja: ekranowanie

6 GND

7 CAN H

9 CAN V+ (opcjonalne

zasilanie

zewnêtrzne)

Nie pod³¹czone

Rys. 4. Rozkład wyprowadzeń

złącza magistrali CAN.

Uk³ad nadawania/odbioru sie-

ci CAN jest po³¹czony z†medium

magistrali poprze dwa doprowa-

dzenia: CAN High (CANH) i†CAN

Low (CANL) (patrz rys. 3 ). Ze

wzglÍdu na wymagane zabezpie-

czenie przed b³Ídami, do rzeczy-

wistego przesy³ania danych sto-

suje siÍ rÛønicowe sygna³y napiÍ-

ciowe. Oznacza to, øe rÛønica

napiÍcia pomiÍdzy obydwiema li-

niami magistrali jest skwantowa-

na.

. RezystywnoúÊ kabla nie

powinna byÊ wiÍksza niø 60m

m, ktÛry to warunek jest spe³nio-

ny, gdy powierzchnia przekroju

poprzecznego jest wiÍksza niø

0,30mm 2 .

Gdy stacja nie jest do³¹czona

bezpoúrednio do magistrali CAN,

to naleøy wzi¹Ê pod uwagÍ d³u-

goúÊ linii doprowadzeniowych. Li-

nie te nie powinny byÊ d³uøsze

niø 2†metry, jeúli szybkoúÊ prze-

sy³ania danych ma wynosiÊ

250kb/s i†nie d³uøsze niø 30cm,

jeúli szybkoúÊ przesy³ania danych

ma byÊ wiÍksza. Ca³kowita d³u-

goúÊ wszystkich linii doprowadze-

niowych nie powinna przekraczaÊ

30 metrÛw.

Na koniec, uwaga dotycz¹ca

Warstwy 1. Wszystkie z³¹cza i†roz-

k³ad ich wyprowadzeÒ s¹ zestan-

daryzowane.

Standard ISO11898 specyfikuje

dwa rÛøne zakresy napiÍcia rÛø-

nicowego dla reprezentacji da-

nych: recesywny i†dominuj¹cy. Is-

tnieje waøna przyczyna, øe zwyk-

³a logika poziomÛw 0†i†1†tu nie

jest stosowana i†do tego wrÛcimy.

Na razie zauwaømy, øe:

- jeúli napiÍcie rÛønicowe pomiÍ-

dzy CANF i†CANL 0,5V, status

linii jest recesywny,

- jeúli napiÍcie rÛønicowe 0,9V,

status jest dominuj¹cy.

Elektronika Praktyczna 1/2000

Nie pod³¹czone

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: