Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
CAN (Controller Area Network - "область, охоплена мережею контролерів") - комплекс стандартів для побудови розподілених промислових мереж, який використовує послідовну передачу даних в реальному часі з дуже високим ступенем надійності і захищеності.
Центральне місце в CAN займає протокол канального рівня моделі OSI. Спочатку CAN був розроблений для автомобільної промисловості, але в даний час швидко впроваджується в область промислової автоматизації. Це добре продуманий, сучасний і багатообіцяючий мережевий протокол. Початок розвитку CAN було покладено компанією Bosch в 1983 р перші мікросхеми CANконтроллеров були випущені фірмами Intel і Philipsв 1987 році, в даний час контролери та трансивери CANвипускаются багатьма фірмами, в тому числі Analog Devices, Inc. Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc. Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp. STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.
У Росії інтерес до CAN за останні роки сильно зріс, однак контролерних обладнання для CAN в Росії вкрай мало, в десятки або сотні разів менше, ніж для Modbus або Profibus. Серед протоколів прикладного рівня для роботи з CAN найбільшого поширення в Росії отримали CANopen і DeviceNet.
В даний час CAN підтримується 11-ю стандартами ISO.
CAN характеризується наступними основними властивостями:
o кожного повідомлення (а не пристрою) встановлюється свій пріоритет;
o гарантована величина паузи між двома актами обміну;
o гнучкість конфігурації і можливість модернізації системи;
o широкомовний прийом повідомлень з синхронізацією часу;
o несуперечливість даних на рівні всієї системи;
o допустимість кількох провідних пристроїв в мережі ( "многомастерная мережу");
o здатність до виявлення помилок і сигналізації про їх наявності;
o автоматичний повтор передачі повідомлень, доставлених з помилкою, відразу, як тільки мережа стане вільною;
o автоматичне розрізнення збоїв і відмов з можливістю автоматичного відключення відмовили модулів.
До недоліків можна віднести порівняно високу вартість CAN-пристроїв, відсутність єдиного протоколу прикладного рівня, а також надмірну складність і заплутаність протоколів канального і прикладного рівня, викладених в стандартах організації CAN in Automation (CiA).
Табл. 2.7. CAN відповідно до моделі OSI
Забезпечення надійної передачі на рівні байтів (кодування, контрольна сума, тимчасові діаграми, синхронізація). Вимоги до лінії передачі
Примітка. MAC - Medium Access Control - "управління доступом до каналу"; LLC - Logical Link Control - "управління логічними зв'язками".
Електричні з'єднання в мережі CAN
Кабель витої пари в мережі CAN повинен мати загальний (третій) провід; на обох кінцях кручений пари повинні бути погоджують резистори, опір яких дорівнює хвильовому опору кабелю. Максимальна довжина кабелю становить
1 км. Для збільшення довжини, кількості вузлів або гальванічної розв'язки можуть бути використані повторювачі інтерфейсу, мережеві мости і шлюзи.
Вита пара може бути в екрані або без, в залежності від електромагнітної обстановки. Топологія мережі повинна бути шинної, максимальна довжина відводу від шини при швидкості передачі 1 Мбіт / с не повинна перевищувати 30 см.
Довжину відведення можна розрахувати за формулою
де - тривалість переднього фронту передавача.
Основні вимоги до лінії передачі і її характеристикам близькі до RS-485, проте в передавачах CAN є режим управління тривалістю фронтів імпульсів. Управління виконується шляхом заряду ємностей затворів вихідних транзисторів від джерел струму, при цьому величина струму задається зовнішнім резистором. Збільшення тривалості фронту дозволяє знизити вимоги до узгодження лінії на низьких частотах, збільшити довжину відводів та послабити випромінювання електромагнітних завад.
Висновки "землі" всіх передавачів мережі повинні бути з'єднані (якщо інтерфейси гальванически не ізольовані). При цьому різниця потенціалів між висновками заземлений не повинна перевищувати 2 В. Електрична ізоляція рекомендується при довжині лінії більше 200 м, але не є обов'язковою вимогою стандарту.
Для електричного з'єднання пристроїв з CAN інтерфейсом стандарт передбачає два варіанти. Перший варіант полягає в застосуванні Т-образних разветвителей, які складаються з трьох 9-штирьковий роз'ємів D-sub, розташованих в одному корпусі, однойменні контакти яких з'єднані між собою. Розгалужувачі мають один роз'єм зі штирями і два - з гніздами.
Другий варіант вимагає наявності в кожному CAN-пристрої двох роз'ємів. Для включення пристрою в мережу кабель розрізають і на його кінцях встановлюють відповідні частини роз'ємів. Пристрій включається буквально в розрив лінії передачі. Такий підхід дозволяє нарощувати кількість пристроїв і змінювати топологію мережі шляхом додавання в розрив кабелю нових пристроїв і кабелю з роз'ємами на кінцях. Один з роз'ємів повинен бути зі штирями, другий - з гніздами. Підключення пристроїв до шини без роз'ємів не допускається. Узгоджувальний резистор повинен розташовуватися всередині роз'єму, який підключається до кінця кабелю. Для приєднання модулів до CAN-шині повинен використовуватися 9-контактний роз'єм типу D- Sub. На модулі встановлюється роз'єм з гніздами, на що з'єднує кабелі - зі штирями. Цокольовка роз'ємів показана в табл. 2.8.
Застосування роз'ємів зі штирями або гніздами визначається наступним правилом: при "гарячої" заміни модулів харчування має залишатися тільки на роз'ємах з гніздами; це дозволяє уникнути випадкового короткого замикання.
Відзначимо, що в заснованому на CAN стандарті CANopen передбачено набагато більшу різноманітність варіантів роз'ємів, в тому числі для плоского кабелю, RJ-10, RJ45, роз'ємний гвинтовий клемник, і ще близько десяти варіантів спеціальної конструкції. Допускається застосування і інших роз'ємів.
Табл. 2.8. Цокольовка роз'єму D-sub для CAN
Зовнішнє живлення (не обов'язково, для харчування передавачів з гальванічною ізоляцією)
Примітка. У кожному модулі контакти 3 і 6 повинні бути з'єднані.
Стандарт встановлює наступні швидкості обміну:
1 Мбіт / с, 800 кбіт / с, 500 кбіт / с, 250 кбіт / с, 125 кбіт / с, 50 кбіт / с, 20 кбіт / с. CAN-модулі можуть підтримувати не всі швидкості, але бажано, щоб їх кількість була найбільшим.
Мал. 2.20. Структурна схема трансивера CAN
При подачі рівня логічного нуля на вхід (вхід є інвертуючим) обидва транзистора вихідного каскаду передавача відкриваються і через навантаження (два резистора по 120 Ом) тече струм, що створює в лінії стану, що відповідає логічній одиниці. При цьому потенціал виведення завжди буде вище, ніж виведення (рис. 2.21). Значення потенціалів, передбачені стандартом, наведені в табл. 2.9. При логічній одиниці на вході передавача його вихід переходить в високоомне стан і диференціальне напруга на лінії стає рівним нулю.
CAN передавач має дуже важливе властивість: якщо один з передавачів встановлює в мережі логічний нуль, а другий - логічний одиницю, то цей стан не є аварійним. як в мережі на основі інтерфейсу RS-485, оскільки наскрізного струму не виникає. У разі CAN лінія залишається в стані логічної одиниці. Інакше кажучи, логічна одиниця завжди домінує над логічним нулем. Тому в стандарті CAN використовується поняття "домінантне стан" (домінуюче) стан лінії для позначення стану лінії з струмом, і поняття "рецессивное стан" як протилежне домінантним.
Це властивість CAN забезпечує можливість отримання доступу до лінії, порівнюючи їх посилають в лінію логічні рівні з тим рівнем, який фактично встановлюється в ній: якщо передавач посилає в лінію рецессивное стан, а в ній при цьому залишається домінантне, значить лінія зайнята. Доступ отримує той вузол мережі, який може надати їй домінантний рівень сигналу. Вузли з рецесивним рівнем залишають лінію і чекають наступного випадку. Цей метод доступу справедливий і при використанні оптоволоконного каналу або бездротової мережі - в цих випадках наявність світла або електромагнітної хвилі завжди буде домінувати над їх відсутністю.
Висновок дозволяє встановити граничну напругу для входу і рівень синфазного напруги в лінії, коли вона знаходиться в рецесивним стані. Зазвичай = 2,5 В. Щоб встановити рівень синфазного напруги на лінії, термінальні опору ділять на два по 60 Ом, з'єднують їх послідовно, а до точки з'єднання підключають висновок. При симетричній формі імпульсів і щодо рецесивного стану зменшується рівень випромінюваних перешкод, оскільки збільшення струмів в кожному з проводів кручений пари при перемиканні логічних рівнів виявляються рівними за величиною, але зворотними по знаку і тому компенсують один одного.
Висновок має кілька призначень. Якщо на ньому встановлено стан логічної одиниці, трансивер переходить в сплячий режим, при якому він споживає дуже малий струм від джерела живлення, а на виході встановлюється високоомне (рецесивне) стан. "Розбудити" його можна сигналом, що надходять в приймач з лінії передачі. Підключення цього висновку до "землі" через опір дозволяє встановити потрібну тривалість фронтів імпульсів передавача. Деякі трансивери мають два режими: резервний і сплячий, які відрізняються рівнем споживаного струму і способом перекладу в активний режим. Режим зниженого енергоспоживання передбачений стандартом для економії заряду акумуляторних батарей в припаркованому автомобілі.
Мал. 2.21. Пояснення понять рецесивного і домінантного стану
Якщо сигнал є домінуючим задовго (більше 1 мс), генератор імпульсу таймаута (на рис. 2.20 позначений прямокутником з імпульсом) тимчасово відключає передавач, оскільки в іншому випадку модуль може бути назавжди блокований засобами канального рівня як відмовив.
Стандартом передбачена можливість підключення до CAN мережі будь-якої кількості пристроїв, проте практично воно обмежується здатністю навантаження передавачів (100. 200) або затримкою в повторителях.
У CAN-трансивері є генератор синхроімпульсів з частотою 16 МГц ± 0,1%. Ширина одного біта програмно встановлюється величиною від 8 до 25 імпульсів синхрогенератора, зазвичай 8 імпульсів при швидкості передачі 1 Мбіт / с і 16 імпульсів при 20 кбіт / с. Синхронізація всіх вузлів мережі відбувається протягом першого такту синхронізації. Процедура обробки бітів в приймальнику забезпечує програмовану затримку імпульсів синхронізації, необхідну для компенсації часу затримки проходження сигналу в лінії зв'язку і зсуву фази внаслідок дрейфу частоти тактового генератора.
Розрізняють два типи синхронізації: жорстку синхронізацію за допомогою стартового біта на початку повідомлення і ресинхронізацію під час передачі повідомлення. За допомогою ресинхронізації можна підлаштувати інтервал часу від початку синхронізації до моменту, в який вимірюється логічний рівень прийнятого імпульсу даних. Інтервал підстроювання може бути змінений на 1. 4 такту.
Для визначення логічного стану шини рівні сигналів вимірюються на відстані 6-ти тактів синхрогенератора від переднього фронту імпульсу (біта) при швидкості 1 Мбіт / с і на відстані 14-ти тактів при швидкості 20 кбіт / с. Кількість відліків може бути 1 або 3 (встановлюється програмно). CAN використовує синхронну передачу бітів. Це підвищує пропускну здатність каналу зв'язку, але вимагає ускладненого процесу синхронізації.
Табл. 2.9. Значення потенціалів на лінії передачі CAN
Напруга живлення пристроїв в мережі CAN має становити від 18 до 30 В. Вихідна напруга на 9-му контакті роз'єму (зовнішнє позитивне напруга живлення) має бути від +7 В до +13 В при струмі споживання модуля не більше
100 мА. Не допускається, щоб модулі були джерелами струму.
CAN використовує NRZ кодування (Non Return-to-Zero - "без повернення до нуля", "потенційне кодування"), при якому логічному нулю відповідає низький рівень напруги в лінії (рецесивне стан), логічній одиниці - високий рівень (домінантне стан). Такий спосіб має наступний недолік: в разі, коли через лінію передачі транспортується байт, який містить всі одиниці (пауз між ними при NRZ кодування немає), приймач не може відрізнити цей байт від паузи. Для усунення цієї проблеми використовується так званий біт-стаффінг. Він полягає в тому, що після кожної послідовності з 5-ти однакових символів підряд вставляється протилежний їм символ. Наприклад, після 5-ти одиниць поспіль вставляється логічний нуль. Приймач, виявивши 5 однакових символів підряд, видаляє наступний за ними символ, який є бітом стаффинга.
Іншими властивостями CAN-трансиверів, які передбачені в стандарті, є:
o захист від короткого замикання проводів інтерфейсу між собою, на джерело живлення або землю. З цих вимоги автоматично слід захист від зміни полярності підключення приймача і передавача до лінії, обривів і передавливания кабелю;
o захист від електростатичних розрядів;
o ослаблення синфазного сигналу в лінії;
o захист від перегріву вихідних каскадів.
Відповідно до [CAN] канальний рівень CAN складається з двох підрівнів: LLC і MAC.