1 CAN – Controller Area Network
Сложные распределенные системы управления играют все большую роль в автоматизации производства. В последние годы все более широко распространяется концепция внедрения локального интеллекта в промышленные приборы и обеспечения связи между равноправными узлами объекта. Мир промышленных сетей (fieldbuses) на сегодня представителен и разнообразен.
Промышленная сеть CAN (Controller Area Network – контроллерная сеть на базе последовательной шины) была разработана в конце 80-х годов фирмой Robert Bosch GmbH как решение распределенных систем, работающих в режиме реального времени. Спроектированная первоначально для автомобилестроения сеть CAN имеет большой потенциал применения в промышленности.
В автомобилях уже давно используются различные электронные контролирующие устройства. Они управляют трансмиссией, зажиганием, впрыском топлива. Применяются и более сложные системы, такие, как система управления ускорением (ASC) и система торможения с антиблокированием.
В комплексе все эти функции требуют обмена данными. По мере усложнения систем растёт количество, стоимость и загруженность физических линий связи. Кроме того, в некоторых системах реализуются функции нескольких устройств управления.
Ограничения, накладываемые традиционным объединением функций устройств управления, можно преодолеть построением сети из основных компонентов на базе последовательной шины передачи данных. Вот почему компания Bosch разработала сеть CAN, ставшей впоследствии международным стандартом ISO 11898, и которая теперь выпускается несколькими производителями полупроводниковых приборов.
1.1 Принцип работы сети can
Данные, передаваемые одним узлом, рассылаются по сети всем станциям. Первоначально это сообщение принимается всеми станциями, то есть все узлы сети одновременно принимают сигналы, передаваемые по шине. Узел, принявший сообщение, может проигнорировать его, если оно не будет связано с выполняемыми узлом функциями.
Тип передаваемых данных обозначается идентификатором, стоящим в самом начале сообщения. Но самым важным является то, что этот идентификатор определяет приоритет сообщения, а не идентифицирует ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Такой тип рассылки сообщений называется «схема адресации, ориентированная на содержимое». В ней и заключается особенность CAN.
В сети CAN каждый идентификатор уникален. Никакая пара узлов сети не может послать сообщения с одинаковыми идентификаторами. Аналогичным образом, никакой узел не может принять сообщения разных типов, но с одинаковыми идентификаторами. Это особенно важно при распределении шины между несколькими конкурирующими за доступ к шине станциями.
В результате применения схемы адресации, ориентированной на содержимое, обеспечивается высокая степень конфигурируемости и гибкости системы. Добавление в сеть новых станций осуществляется без какой-либо модификации аппаратной или программной части сети, при условии, если эти станции полностью ориентированы на приём. Используемый протокол передачи данных не требует назначения физических адресов конкретным принимающим компонентам сети. Это позволяет синхронизировать распределенную обработку: информация о параметрах измерений, требуемая несколькими контроллерами, рассылается по сети, поэтому нет необходимости оснащать каждый контроллер своим собственным датчиком.
1.2 Физический уровень протокола 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. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах – CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов, используемых CAN-контроллерами, в уровни сигналов на шине CAN.
CAN-контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии – CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы (рисунок 1.1). Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L, логическая единица – в случае, когда сигналы CAN_H и CAN_L 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 логического нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).
Рисунок 1.1 – Схема включения и битовые уровни по ISO 11898
Дифференциальное включение приемопередатчиков обеспечивает подавление синфазной помехи, при этом уровень сигналов составляет 1/3 от значения напряжения питания, причем само напряжение питания не определяется жестко. Например, типичные значения при напряжении питания +5В приведены на рисунке 1.1.