Бортовые системы электроники в современных легковых и грузовых автомобилях обладают огромным количеством дополнительных устройств и исполнительных механизмов. Для того, чтобы обмен информацией между всеми устройствами был максимально эффективен, в автомобиле должна быть надежная коммуникационная сеть. В начале 80-ых годов 20 века компания Bosch и разработчик Intel предложили новый сетевой интерфейс – Controller Area Network, который в народе называется Can-шина.
О принципе работы сетевого интерфейса CAN-шина
Кан-шина в автомобиле предназначена для обеспечения подключения любых электронных устройств, которые способны передавать и получать определенную информацию. Таким образом, данные о техническом состоянии систем и управляющие сигналы проходят по витой паре в цифровом формате. Такая схема позволила снизить негативное влияние внешних электромагнитных полей и существенно увеличить скорость передачи данных по протоколу (правила, по которым блоки управления различными системами способны обмениваться информацией).
Кроме того, диагностика ЭБУ различных систем автомобиля своими руками стала проще. За счет применения подобной системы в составе бортовой сети автомобиля высвободилось определенное количество проводников, которые способны обеспечивать связь по различным протоколам, например, между блоком управления двигателем и диагностическим оборудованием, системой сигнализации. Именно наличие Кан-шины в автомобиле позволяет владельцу своими руками выявлять неисправности контроллеров и ошибки с помощью специального диагностического оборудования.
CAN-шина – это специальная сеть, с помощью которой осуществляется передача и обмен данными между различными узлами управления. Каждый из узлов состоит из микропроцессора (CPU) и CAN-контроллера, с помощью которого реализуется исполняемый протокол и обеспечивается взаимодействие с сетью автомобиля. Шина Кан имеет минимум две пары проводов – CAN_L и CAN_H, по которым и передаются сигналы посредством трансиверов – приемо-передатчиков, способных усиливать сигнал от управляющих устройств сети. Кроме того, трансиверы выполняют и такие функции как:
регулировка скорости передачи данных посредством усиления или уменьшения подачи тока;
ограничение тока для предотвращения повреждения датчика или замыкания линий передачи;
тепловая защита.
На сегодняшний день признаны два вида трансиверов – High Speed и Fault Tolerant. Первый тип наиболее распространен и соответствует стандарту (ISO 11898-2), он позволяет передавать данные со скоростью до 1МБ в секунду. Второй тип приемопередатчиков позволяет создать энергосберегающую сеть, со скоростью передачи до 120 Кб/сек, при этом подобные передатчики не имеют чувствительности к каким-либо повреждениям на самой шине.
Особенности работы сети
Следует понимать, что данные по CAN-сети передаются в виде кадров. Наиболее важные из них – это поле идентификатора (Identifire) и система данных (Data). Наиболее часто используемый тип сообщения по Кан-шине – Data Frame. Данный тип передачи данных состоит из так называемого арбитражного поля и определяет приоритетную передачу данных в том случае, если сразу несколько узлов системы передают данные на CAN-шину.
Каждое из подключенных к шине устройств управления имеет свое входное сопротивление, а общая нагрузка рассчитывается из суммы всех подключенных к шине исполняемых блоков. В среднем, входное сопротивление систем управления двигателем, которые подключаются на CAN-шину, составляет 68-70 Ом, а сопротивление информационно-командной системы может составлять до 3-4 ОМ.
CAN — интерфейс и диагностика системы
Системы управления CAN имеют не только различное нагрузочное сопротивление, но и разную скорость передачи сообщений. Этот факт усложняет обработку однотипных сообщений внутри бортовой сети. Для упрощения диагностики на современных автомобилях используется межсетевой интерфейс (преобразователь сопротивления), который либо выполнен в качестве отдельного управляющего блока, либо встроен в ЭБУ двигателя автомобиля.
Подобный преобразователь также предназначен для ввода или вывода определенной диагностической информации по проводу «К»-линия, который подключается во время диагностики или изменения параметров работы сети либо в диагностический разъем либо непосредственно к преобразователю.
Важно отметить, что определенных стандартов для разъемов сети Can на сегодняшний день не существует. Поэтому каждый из протоколов определяет свой тип разъемов на CAN-шине, в зависимости от нагрузки и других параметров.
Таким образом, при проведении диагностических работ своими руками используется унифицированный разъем типа OBD1 или OBD2, который можно встретить на большинстве современных иномарок и отечественных автомобилей. Однако, некоторые модели автомобилей, например Volkswagen Golf 5V, Audi S4, не имеют межсетевого интерфейса. Кроме того, схема блоков управления и CAN-шины индивидуальна для каждой марки и модели авто. Для того, чтобы провести диагностику CAN-системы своими руками, используется специальная аппаратура, которая состоит из осциллографа, анализатора CAN и цифрового мультиметра.
Работы по выявлению неисправностей начинаются со снятия напряжения сети (снятие минусовой клеммы АКБ). Далее определяется изменение сопротивления между проводами шины. Самыми распространенными видами неисправности Кан-шины в автомобиле является замыкание или обрыв линии, выход из строя резисторов нагрузки и снижение уровня передачи сообщений между элементами сети. В некоторых случаях без применения анализатора Can выявить неисправность не получается.
Основные режимы работы CAN-шины: активный (зажигание включено); спящий (при выключенном зажигании); пробуждение и засыпание (при включении и выключении зажигания). Во время спящего режима ток потребления шины минимальный. Однако при этом по шине (с меньшей частотой) передаются сигналы о состоянии открытия дверей и окон, других систем, связанных с охранными функциями автомобиля.
В большинстве современных диагностических устройств предусмотрен режим диагностирования ошибок по CAN-шине. Технически это организовано непосредственным подключением проводников к диагностическому разъему.
Преимущества и недостатки применения КАН-шины в автомобиле Начать следует с того, что, если бы в 80-х годах прошлого века не был предложен стандарт CAN, его место обязательно занял другой вид взаимодействия систем автомобиля. Можно, конечно, разместить все блоки управления системами автомобиля в едином суперблоке, в котором программно обеспечить взаимодействие разных систем. Такие попытки были у французских производителей. Однако, с увеличением функциональности и производительности значительно увеличивается вероятность отказов. Сбои, например, дворников, могут привести к отказу запуска двигателя. Основные преимущества применения CAN-шины: возможность проведения оперативного контроля и диагностики всех систем автомобиля; объединение потоков информации в едином помехозащищенном канале; универсальность, способствующая унификации процессов диагностирования; возможность подключения охранных систем по CAN-шине (нет необходимости тянуть проводку к каждому элементу контроля). Недостатки CAN-шины: невысокая надежность; повреждение одного из блоков управления может привести к полной неработоспособности CAN-соединения. Устранение неисправностей На приборной панели автомобиля отсутствует индикаторная лампа неисправности CAN. Судить о том, что работоспособность CAN-шины нарушается, можно по косвенным показателям: на приборной панели одновременно загорелись несколько индикаторных ламп неисправностей; пропали показатели температуры охлаждающей жидкости, уровни топлива; загорелся «CHECK ENGINE». Прежде всего, следует выполнить диагностику. Если она покажет на неисправность CAN-шины, следует приступить к устранению проблемы. Последовательность работ: Найти проводники витой пары шины. Часто они имеют черный (высокий уровень) и оранжево-коричневый (низкий) цвета. Проверить при включенном зажигании с помощью мультиметра напряжения на проводниках. Уровни не должны быть равны 0 или более 11 Вольт (обычно около 4,5 Вольта). Выключить зажигание, снять клемму аккумуляторной батареи. Измерить сопротивление между проводниками. Если оно будет стремиться к нулю, значит, в шине присутствует короткое замыкание, если к бесконечности – обрыв. Приступить к поиску обрыва или короткого замыкания. Если есть подозрение на то, что замыкание шины происходит по причине отказа какого-либо блока управления, можно последовательно отключать блоки управления и контролировать сопротивление и работоспособность шины. Неисправность CAN-шины относится к сложным неисправностям электрооборудования автомобиля. Если у автовладельца нет необходимых навыков ремонта электрики, то лучше воспользоваться услугами специалиста.
CAN-шина – это электронное устройство, встроенное в электронную систему автомобиля для контроля технических характеристики и ездовых показателей. Она является обязательным элементом для оснащения автомобиля противоугонной системой, но это лишь малая часть её возможностей.
Источник: lubimauto.ru, voditeliauto.ru.
Источник
14.6 Цифровая шина данных CAN
Порядок обмена данными по шине CAN
В — Датчик 1 CAN — Шина обмена данными
М — Исполнительные элементы I – III (сервомеханизмы) N — Блоки управления/контроллеры I – V
На современных автомобилях применяются несколько сетевых шин обмена данными CAN (Controller Area Network) между модулями/блоками управления различных систем и контроллерами исполнительных устройств автомобиля (обратитесь к иллюстрации выше).
Шина является полнодуплексной (или просто дуплексной), т.е. любое подключенное к ней устройство может одновременно принимать и передавать сообщения.
Сигнал с чувствительного элемента соответствующего информационного (датчика) поступает в ближайший блок управления, который обрабатывает его и передает на шину обмена данными CAN.
Любой блок управления, подключенный к шине данных CAN, может считывать этот сигнал, вычислять на его основе параметры управляющего воздействия и управлять исполнительным сервомеханизмом.
При обычном кабельном соединении электрических и электронных устройств осуществляется прямое соединение каждого блока управления со всеми датчиками и исполнительными элементами, от которых он получает результаты измерений или которыми управляет.
Усложнение системы управления приводит к чрезмерной длине или многочисленности кабельных линий.
По сравнению со стандартной кабельной разводкой шина данных обеспечивает:
Уменьшение количества кабелей. Провода от датчиков тянутся только к ближайшему блоку управления, который преобразует измеренные значения в пакет данных и передает его в шину CAN;
Управлять исполнительным механизмом может любой блок управления, который по шине CAN получает соответствующий пакет данных, и на его основе рассчитывает значение управляющего воздействия на сервомеханизм;
Улучшение электромагнитной совместимости;
Уменьшение количества штекерных соединений и уменьшение количества контактных выводов на блоках управления;
Снижение веса;
Уменьшение количества датчиков, т.к. сигналы одного датчика (например, с датчика температуры охлаждающей жидкости) могут быть использованы различными системами;
Улучшение возможностей диагностирования. Т.к. сигналы одного датчика (например, сигнал скорости) используются различными системами, то в случае, если сообщение о неисправности выдают все использующие данный сигнал системы, неисправным является, как правило, датчик или блок управления, обрабатывающий его сигналы. Если же сообщение о неисправности поступает только от одной системы, хотя данный сигнал используется и другими системами, то причина неисправности, чаще всего, заключена в обрабатывающем блоке управления или сервомеханизме;
Высокая скорость передачи данных – возможна до 1 Мбит/с при максимальной длине линии 40 м.
Несколько сообщений могут поочередно передаваться по одной и той же линии.
Шина данных CAN состоит из двужильного провода, выполненного в виде витой пары. К этой линии подключены все устройства (блоки управления устройствами).
Передача данных осуществляется с дублированием по обоим проводам, причем логические уровни шины данных имеют зеркальное отображение (то есть, если по одному проводу передается уровень логического нуля (0), то по другому проводу – уровень логической единицы (1), и наоборот).
Двухпроводная схема передачи используется по двум причинам: для контроля ошибок и как основа надежности.
Если пик напряжения возникает только на одном проводе, например, вследствие проблем, связанных с электромагнитной совместимостью (ЭМС), то блоки-приемники могут идентифицировать это как ошибку и проигнорировать данный пик.
В случае же короткого замыкания или обрыва одного из двух проводов шины CAN, благодаря интегрированной программно-аппаратной системе надежности осуществляется переключение в режим работы по однопроводной схеме. Поврежденная передающая линия перестает использоваться.
Порядок и формат передаваемых и принимаемых пользователями (абонентами) сообщений определен в протоколе обмена данными.
Существенным отличительным признаком шины данных CAN по сравнению с другими шинными системами, базирующимися на принципе абонентской адресации, является соотнесенная с сообщением адресация.
Сказанное означает, что каждому передаваемому по шине сообщению присваивается его постоянный адрес (идентификатор), маркирующий содержание этого сообщения (например: температура охлаждающей жидкости). Протокол шины данных CAN допускает передачу до 2048 различных сообщений, причем адреса с 2033 по 2048 являются постоянно закрепленными.
Объем данных в одном сообщении по шине CAN составляет 8 байт.
Блок-приемник обрабатывает только те сообщения (пакеты данных), которые сохранены в его собственном идентификационном списке (контроль приемлемости).
Пакеты данных могут передаваться только в том случае, если шина обмена CAN свободна (т.е., если после последнего пакета данных последовал интервал в 3 бита, и никакой из блоков управления не начинает передавать сообщение). При этом логический уровень шины данных должен быть рецессивным (логическая «1»).
Если несколько блоков управления одновременно начинают передавать сообщения, то вступает в силу принцип приоритетности, согласно которому сообщение, обладающее наивысшим приоритетом, будет передаваться первым без потери времени или битов (арбитраж запросов доступа к общей шине данных).
Каждый блок управления, утрачивающий право арбитража, автоматически переключается на прием и повторяет попытку отправить свое сообщение, как только шина данных вновь освободится.
Кроме пакетов данных используются также пакеты запроса определенного сообщения по шине данных CAN, на подобный запрос реагирует тот блок управления, который может предоставить запрашиваемую информацию.
В обычном режиме передачи пакеты данных имеют следующие конфигурации блоков (кадров):
Data Frame (кадр сообщения) для передачи сообщений по шине данных CAN (например: температура охлаждающей жидкости);
Remote Frame (кадр запроса) для запроса сообщений по шине данных CAN от другого блока управления;
Error Frame (кадр ошибки), все подключенные блоки управления уведомляются о том, что возникла ошибка и последнее сообщение по шине данных CAN является недействительным.
Протокол шины данных CAN поддерживает два различных формата кадров сообщения по шине данных CAN, которые различаются только по длине идентификатора:
– Стандартный формат; – Расширенный формат.
В настоящее время в системах обмена данными систем управления автомобилей используется только стандартный формат.
Формат кадра
Каждый кадр передаваемых по шине CAN сообщений состоит из семи последовательных полей (обратитесь к иллюстрации выше):
— Start of Frame (стартовый бит): Маркирует начало сообщения и синхронизирует все модули;
— Arbitration Field (идентификатор и запрос): Это поле состоит из идентификатора (адреса) в 11 бит и 1 контрольного бита (Remote Transmission Request-Bit). Этот контрольный бит маркирует кадр как Data Frame (кадр данных) или как Remote Frame (кадр удаленного запроса) без байтов данных;
— Control Field (управляющие биты): Поле управления (6 бит) содержит IDE-бит (Identifier Extension Bit) для распознавания стандартного и расширенного формата, резервный бит для последующих расширений и – в последних 4 битах – оличество байтов данных, заложенных в Data Field (поле данных);
— Data Field (данные): Поле данных может содержать от 0 до 8 байт данных; сообщение по шине данных CAN длиной 0 байт используется для синхронизации распределенных процессов;
— CRC Field (контрольное поле): Поле CRC (Cyclic-Redundancy-Check Field) содержит 16 бит и служит для контрольного распознавания ошибок при передаче;
— ACK Field (подтверждение приема): Поле ACK (Acknowledgement Field) содержит сигнал подтверждения приема всех блоков-приемников, получивших сообщение по шине CAN без ошибок;
— End of Frame (конец кадра): Маркирует конец пакета данных;
— Intermission (интервал): Интервал между двумя пакетами данных. Интервал должен составлять не менее 3 битов. После этого любой блок управления может передавать следующий пакет данных;
— IDLE (режим покоя): Если ни один блок управления не передает сообщений, то шина CAN остается в режиме покоя до передачи следующего пакета данных.
Для обработки данных в режиме реального времени должна быть обеспечена возможность их быстрой передачи.
Это предполагает не только наличие линии с высокой физической скоростью передачи данных, но и требует также оперативного предоставления доступа к общей шине CAN, если нескольким блокам управления необходимо одновременно передать сообщения.
С целью разграничения передаваемых по шине данных CAN сообщений по степени срочности, для отдельных сообщений предусмотрены различные приоритеты.
Угол опережения зажигания, например, имеет высший приоритет, значения пробуксовки – средний, а температура наружного воздуха низший приоритет.
Приоритет, с которым сообщение передается по шине CAN, определяется идентификатором (адресом) соответствующего сообщения.
Идентификатор, соответствующий меньшему двоичному числу, имеет более высокий приоритет, и наоборот.
Протокол шины данных CAN основывается на двух логических состояниях: Биты являются или «рецессивными» (логическая «1»), или «доминантными» (логический «0»). Если доминантный бит передается как минимум одним модулем, то рецессивные биты, передаваемые другими модулями, перезаписываются.
Если несколько блоков управления одновременно начинают передачу данных, то конфликт доступа к общей шине данных разрешается посредством «побитового арбитража запросов общего ресурса» с помощью соответствующих идентификаторов.
При передаче поля идентификатора блок-передатчик после каждого бита проверяет, обладает ли он еще правом передачи, или уже другой блок управления передает по шине сообщение с более высоким приоритетом.
Блоки управления
Первый блок управления (N I) утрачивает арбитраж с 3-го бита. Третий блок управления (N III) утрачивает арбитраж с 7-го бита. Второй блок управления (N II) сохраняет право доступа к шине данных CAN и может передавать свое сообщение
Если передаваемый первым блоком-передатчиком рецессивный бит перезаписывается доминантным битом другого блока-передатчика, то первый блок-передатчик теряет свое право передачи (арбитраж) и становится блоком-приемником (обратитесь к иллюстрации выше).
Другие блоки управления попытаются передать свои сообщения по шине данных CAN только после того, как она снова освободится. При этом право передачи опять будет предоставляться в соответствии с приоритетностью сообщения по шине данных CAN.
Помехи могут приводить к ошибкам в передаче данных. Такие, возникающие при передаче, ошибки следует распознавать и устранять. Протокол шины данных CAN различает два уровня распознавания ошибок:
Механизмы на уровне Data Frame (кадр данных);
Механизмы на уровне битов.
Механизмы на уровне Data Frame
На основе передаваемого по шине данных CAN сообщения блок-передатчик рассчитывает контрольные биты, которые передаются вместе с пакетом данных в поле «CRC Field» (контрольные суммы). Блок-приемник заново вычисляет эти контрольные биты на основе принятого по шине данных CAN сообщения и сравнивает их с контрольными битами, полученными вместе с этим сообщением.
Этот механизм проверяет структуру передаваемого блока (кадра), то есть перепроверяются битовые поля с заданным фиксированным форматом и длина кадра. Распознанные функцией Frame Check ошибки маркируются как ошибки формата.
Механизмы на уровне битов
Каждый модуль при передаче сообщения отслеживает логический уровень шины данных CAN и определяет при этом различия между переданным и принятым битом. Благодаря этому обеспечивается надежное распознавание глобальных и возникающих в блоке-передатчике локальных ошибок по битам.
В каждом кадре данных между полем «Start of Frame» и концом поля «CRC Field» должно быть не более 5 следующих друг за другом битов с одинаковой полярностью.
После каждой последовательности из 5 одинаковых битов блок-передатчик добавляет в поток битов один бит с противоположной полярностью.
Блоки-приемники удаляют эти биты после приема сообщения по шине данных CAN.
Если какой-либо модуль шины данных CAN распознает ошибку, то он прерывает текущий процесс передачи данных, отправляя сообщение об ошибке. Сообщение об ошибке состоит из 6 доминантных битов.
Благодаря сообщению об ошибке все подключенные к шине данных CAN блоки управления оповещаются о возникшей локальной ошибке и, соответственно, игнорируют переданное до этого сообщение.
После короткой паузы все блоки управления снова смогут передавать сообщения по шине данных CAN, причем первым опять будет отправлено сообщение с наивысшим приоритетом.
Блок управления, чье сообщение по шине данных CAN обусловило возникновение ошибки, также начинает повторную передачу своего сообщения (функция Automatic Repeat Request).
Для разных областей управления применяются различные шины CAN. Они отличаются друг от друга скоростью передачи данных.
Скорость передачи по шине данных CAN области «двигатель и ходовая часть» (CAN-C) составляет 125 Кбит/с, а шина данных CAN «Салон»(CAN-B) вследствие меньшего количества особо срочных сообщений рассчитана на скорость передачи данных только 83 Кбит/с.
Обмен данными между двумя шинными системами осуществляется через так называемые «межсетевые шлюзы», т.е. блоки управления, подключенные к обеим шинам данных.
Оптоволоконная шина D2B (Digital Daten-Bus) данных применена для области «Аудио/коммуникации/навигация». Оптоволоконный кабель может передавать существенно больший объем информации, чем шина с медным кабелем.
CAN C – шина «Двигатель и ходовая часть»
В оконечном блоке управления с каждой стороны установлен так называемый согласующий резистор шины данных с сопротивлением 120 Ом, подключенный между обоими проводами шины данных.
Шина данных CAN двигательного отсека активирована только при включенном зажигании. К шине CAN-С может быть подключено более 7 блоков управления.
Некоторые блоки управления, подключенные к шине данных CAN салона, активируются независимо от включения зажигания (например: система единого замка).
Поэтому шина данных CAN салона должна находиться в режиме функциональной готовности даже при выключенном зажигании, это значит, что возможность передачи пакетов данных должна быть обеспечена даже при выключенном зажигании.
С целью максимально возможного снижения потребляемого тока покоя, шина данных CAN, при отсутствии необходимых к передаче данных, переходит в режим пассивного ожидания, и активируется снова только при следующем обращении к ней.
Если в режиме пассивного ожидания шины данных CAN салона какой-либо блок управления (например, модуль управления единого замка) передает по ней сообщение, то его принимает только главный системный модуль (электронный замок зажигания, EZS/EIS). Модуль EZS сохраняет это сообщение в памяти и посылает сигнал активации (Wake-up) на все блоки управления, подключенные к шине CAN-В.
При активации, EZS проверяет наличие всех пользователей шины данных CAN, после чего передает сохраненное до этого в памяти сообщение.
К шине CAN-В может быть подключено более 20 блоков управления.
