CAN-шина. Просто и понятно

Из этой статьи вы узнаете, что такое CAN-шина, почему она появилась. Разберемся с блоками управления в автомобиле и с тем, как они общаются между собой. Расскажем, какие контроллеры соединяются быстрой CAN-шиной, а какие — медленной.

Узнаете, как устроена CAN-шина на физическом и цифровом уровне, из каких данных состоит сообщение, как происходит арбитраж трафика. Какая максимальная длина кабеля и скорость передачи информации, как реализована защита от помех.

Если интересует какой-то конкретный вопрос, пользуйтесь оглавлением.

Что такое CAN-шина?

Автомобиль подобен человеческому организму. Сеть контроллеров (шина CAN) это как нервная система у человека.

В свою очередь, «узлы» или «электронные блоки управления» (ЭБУ) подобны частям тела. Они соединены между собой через CAN-шину.

Шина CAN представляет собой витую пару проводов. С ее помощью все блоки управления в автомобиле соединены в единую информационную сеть.

Причины появления CAN-шины

Когда вы нажимаете выключатель в своем доме, чтобы включить свет, электричество проходит через выключатель к лампам.

Автомобили раньше использовали такое же подключение. С тех пор как в 1915 году Генри Форду пришла идея добавить в свои автомобили фары и электрический сигнал, электричество поступало от аккумулятора через выключатели к фарам и другим устройствам.

К 1960-м годам в каждом автомобиле были тысячи тяжелых проводов.

После нефтяного эмбарго 1970-х годов на автопроизводителей оказывалось все большее давление с целью повышения эффективности использования топлива. Поэтому они начали искать способы уменьшить вес выпускаемых автомобилей.

К началу 1980-х годов в автомобилях было все больше и больше электронных блоков управления. Сначала электронное управление получили самые важные системы, такие как системы управления двигателем, трансмиссией и тормозной системой. Но со временем электронное управление распространилось и на второстепенные либо периферийные системы, такие как климат-контроль, блоки комфорта и прочие.

В скором времени такое положение дел привело к тому, что производители столкнулись тремя проблемами:

Такие компании, как Bosch, искали тип шинной коммуникационной системы, которая могла бы использоваться в качестве системы связи между несколькими ЭБУ и системами автомобиля.

Они искали на рынке, но не могли найти именно то, что было нужно, поэтому они начали разработку «Controller Area Network» в партнерстве с Mercedes-Benz, Intel, а также несколькими университетами Германии.

Краткая история шины CAN

В 1986 году компания Bosch представила стандарт CAN на конгрессе SAE в Детройте. Год спустя корпорация Intel начала поставки первых микросхем контроллеров CAN, и автомобильный мир изменился навсегда.

• До CAN: автомобильные ЭБУ использовали сложную проводку «точка-точка».
• 1986: Компания Bosch разработала протокол CAN.
• 1991: Bosch опубликовала CAN 2.0 (CAN 2.0A: 11 бит, 2.0B: 29 бит).
• 1993: CAN принят в качестве международного стандарта (ISO 11898).
• 2003: ISO 11898 становится серией стандартов.
• 2012: Bosch выпустила CAN FD 1.0 (передачи данных на двух скоростях).
• 2015: Протокол CAN FD стандартизирован (ISO 11898-1).
• 2016: Физический уровень CAN для скоростей передачи данных до 5 Мбит/с стандартизирован в ISO 11898-2.

Теперь, например, достаточно одного датчика температуры, который подключен к блоку управления двигателем. ЭБУ опрашивает датчик температуры для себя и отправляет эту информацию в виде сообщения в информационную шину данных для других блоков.

При таком подходе уменьшается количество проводов, нет дублирования датчиков. Появляется возможность ввода/вывода информации из электронных блоков управления, что позволяет диагностировать сложные системы с множеством электронных блоков управления.

Сегодня CAN является стандартом в автомобилях (легковых, грузовых, автобусах, тракторах, …), кораблях, самолетах, электромобилях и многом другом.

Что такое ЭБУ?

В автомобиле ЭБУ могут быть, например, блок управления двигателем, подушками безопасности, аудиосистемой и т. д.

В современном автомобиле может быть до 70 ЭБУ — и каждый из них может иметь информацию, которой необходимо поделиться с другими участниками сети.

Именно здесь на помощь приходит CAN-шина. Она позволяет каждому блоку управления общаться со всеми другими ЭБУ без сложной специальной проводки.

В частности, блок управления может передавать данные с датчиков по шине CAN. Переданные данные принимаются всеми другими контроллерами в сети CAN, после чего каждый ЭБУ может проверить данные и решить, принимать их или игнорировать.

Физический уровень шины CAN

Физический уровень CAN описан в стандарте ISO 11898 и регламентирует способ передачи данных. В случае с CAN-шиной это два провода витой пары. При этом CAN-шина вполне может работать и по одному проводу, а витая пара прежде всего используется для защиты от помех.

Однопроводная схема

Для того чтобы лучше понять как данные передаются по двухпроводной CAN-шине, давайте сначала рассмотрим как данные передаются по однопроводной схеме, которой, например, является K-линия.

Итак, есть один провод, с его помощью соединены блоки управления. Этот провод внутри блока соединен с 12 вольтами через резистор 5 килоом. Таким образом напряжение на проводе становится по умолчанию 12 В.

Каждый из подключенных блоков может стягивать это напряжение на массу, меняя его с 12 на 0 вольт. Таким образом, получаются прямоугольные импульсы на шине данных. Они могут принимать всего два уровня напряжения — 0 и 12 вольт.

Присвоим низкому уровню в ноль вольт логический ноль, а уровню 12 вольт — логическую единицу. Зададим тактовый сигнал шины, то есть обозначим сколько раз секунду блоки будут опрашивать шину и соответственно сколько времени будет длиться один бит.

То есть наименьшая часть цифровой информации вид может принимать только два значения 0 или 1. Таким образом, мы получили физическую возможность отправлять и принимать двоичные данные между блоками управления.

Витая пара. Как работает CAN high-speed

В CAN-шине тот же принцип, только сигнал считывается как разница между напряжениями проводов CAN-high и CAN-low, которые образуют витую пару.

Чтобы понять, как именно это происходит, давайте рассмотрим как могут меняться уровни напряжения на этих проводах.

По умолчанию на проводе CAN-high, как и на проводе CAN-low, напряжение соответствует величине в 2,5 В. При этом разница напряжений между проводами составляет 0 В. Такое состояние can-шины называется рецессивным (recessive) и интерпретируется как логическая единица.

Существует и второе состояние шины, при котором напряжение на проводе CAN-high будет 3,5 вольт, а на проводе CAN-low — 1,5 В. Разница напряжений между проводами составит 2 вольта. Это состояние называется доминантным (dominant) и соответствует логическому нулю.

Логическая 1 (рецессивное состояние):

• 2,5 вольта на проводе CAN_H;
• 2,5 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 0 вольт.

Логический 0 (доминантное состояние):

• 3,5 вольта на проводе CAN_H;
• 1,5 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 2 вольта.

Так работает высокоскоростная шина CAN high speed. Она описана в стандарте ISO 11898-2.

Работа CAN low speed

Устройство низкоскоростной шины CAN low speed описано в стандарте ISO 11898-3. Для нее уровни напряжения такие.

Логическая 1 (рецессивное состояние):

• 0 вольт на проводе CAN_H;
• 5 вольт на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 5 вольт.

Логический 0 (доминантное состояние):

• 3,6 вольта на проводе CAN_H;
• 1,4 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 2,2 вольта.

Защита от помех

Ведь и на одном проводе все работало, так зачем усложнять?

CAN-шиной объединены самые ответственные блоки управления автомобиля. От качества этой связи напрямую зависит безопасность движения. В связи с этим CAN-шине предъявляются высокие требования к надежности и безотказности.

Дело в том, что многие компоненты автомобиля являются источниками электромагнитных помех. Особенно система зажигания.

Использование витой пары позволяет в значительной степени решить эту проблему. Давайте посмотрим, как это происходит.

Представьте себе, что витая пара CAN-шины попадает в зону действия электромагнитной помехи. В медном проводе индуцируется напряжение, которое плюсуется или отнимается от напряжения, уже существующего на этом проводе.

Предположим, что на проводе CAN-high в рецессивном состоянии напряжение было 2,5 В. Помеха увеличила его на 1,1 В. Соответственно мы получили напряжение в 3,6 В, которое могло быть интерпретировано уже как доминантное состояние.

Но CAN-шина устойчива к таким помехам, потому что сигналом является не просто изменение уровня напряжения на одном из проводов, а именно изменение разницы между напряжениями на этих проводах. А разница как раз не изменилась из-за применения витой пары.

Таким образом, на проводе CAN_L напряжение поднимется на те же 1,1 В. А разница напряжений как была 2,5 — 2,5 = 0 В, так и осталась 3,6 — 3,6 = 0 В. Действие помехи на шину в доминантном состоянии аналогично.

Зачем нужен трансивер

Название Transceiver произошло от двух слов receiver (приемник) и transmitter (передатчик). Переводится как приемопередатчик.

Трансиверы обрабатывают дифференциальный сигнал, принимают и передают информацию. Трансивер связывает провода витой пары (CAN_H и CAN_L) с линиями Tx и Rx микропроцессора, который не умеет напрямую работать с CAN-шиной.

По линии Tx микропроцессор отправляет информацию в шину данных, а по линии Rx он считывает информацию.

В трансивере находится схемотехника, которая формирует разные уровни напряжения на проводах CAN_H и CAN_L для доминантного и рецессивного состояния шины.

Трансивер обычно устанавливается внутри электронного блока управления и представляет собой специализированную микросхему.

Оконечные сопротивления

Это еще одна часть физического уровня CAN-шины. Оконечные сопротивления используются для борьбы с отраженным сигналом так называемым эхом.

Отраженный сигнал препятствует нормальной передаче данных. Причем, чем больше будет длина проводов шины и чем выше будет скорость передачи данных, тем значительней будет проявляться этот негативный эффект.

Правильно подобранные конечные нагрузочные сопротивления компенсируют отраженный сигнал. Обычно это два резистора по 120 ом внутри блока управления. Они подключены к противоположным концам шины. Таким образом, сопротивление между проводами can-шины составляет около 60 ом.

У разных автопроизводителей величина оконечных сопротивлений может отличаться.

Где применяется CAN high speed, а где CAN low speed

HS-CAN и LS-CAN отличаются скоростью передачи данных и уровнями рабочих напряжений. Быстрый CAN применяется для связи блоков управления двигателя, автоматической коробки передач, тормозов, рулевого управления, подушек безопасности, полного привода, пневмоподвески и других важных систем, от которых напрямую зависит безопасность движения.

Медленный CAN используется для менее важных систем, таких как климат-контроль, системы комфорта, наружное освещение, электропривод сидений и т. п. в зависимости от комплектации автомобиля.

Особенностью медленного CAN является возможность сохранять работоспособность в однопроводном режиме, если второй провод витой пары поврежден.

Высокоскоростной и низкоскоростной CAN автопроизводители могут называть по-своему, а также пользоваться любой из доступных скоростей передачи данных.

Межсетевой шлюз (CAN gateway)

Часто есть необходимость передавать информацию от блока управления, подключенного к быстрой CAN-шине, к блоку, подключенному к медленной CAN-шине, и наоборот. Например, блоку управления климатом нужно знать температуру двигателя.

Так как напрямую разные CAN-шины не соединить, для этих целей используется межсетевой шлюз (CAN gateway). К нему подключаются шины с разными скоростями. Это могут быть не только CAN-шины, но и другие шины, присутствующие в автомобиле, к примеру, FlexRay или Ethernet.

Часто в CAN gateway хранится информация об автомобиле, VIN номер и комплектация. Именно из него сканеры получают информацию при автоопределении автомобиля.

Сам межсетевой интерфейс может быть выполнен как отдельным блоком, так и встроен в другие блоки. Обычно это приборная панель, электронный замок зажигания или блок управления бортовой сети (Body Control Module — BCM).

Мы разобрались физическим уровнем CAN-шины. Теперь вы знаете, как напряжение на витой паре становится единицами и нолями, как биты передаются от одного блока управления к другому.

Канальный уровень CAN-шины (передача данных)

CAN является широковещательной шиной последовательной передачи данных. То есть данные отправляются по очереди бит за битом и при этом между узлами сети реализован один общий эфир, когда каждый слышит каждого.

Блоки управления, как и диагностический сканер, выступают узлами в сети CAN-шины. Но для того, чтобы все это заработало мало просто подавать в шину единицы и ноли. Нужно определить, какой узел будет говорить, какой слушать, каков будет формат сообщения, кому это сообщение адресовано и как будет подтверждаться правильность приема.

Эту задачу решает канальный уровень (data link layer), описанный в стандарте ISO 11898-1. Каждый узел может отправлять и принимать информацию кадр за кадром.

Существует четыре типа сообщений-кадров:

• Кадр данных (data frame). Передает информацию одному или нескольким узлам-приемникам.
• Кадр удаленного запроса (remote frame). Запрашивает данные у других узлов.
• Кадр ошибки (error frame). Сообщает об ошибках.
• Кадр перегрузки (overload frame). Сообщает о состоянии перегрузки.

Из чего состоит кадр CAN-шины

Рассмотрим структуру самого распространенного кадра Data frame.

SOF. Начало кадра

Первый бит кадра (SOF — Start Of Frame) всегда доминантный логический ноль. Он выводит шину из состояния холостого хода и начинает передачу данных.

Арбитражное поле

Дальше следует арбитражное поле. Оно используется для того, чтобы определить, какой из узлов получит доступ к вещанию по шине. Ведь передача данных последовательная, бит за битом, кадр за кадром. Соответственно узлам приходится ждать своей очереди для отправки сообщения в шину, но при этом слушают шину они постоянно.

Зачем нужен арбитраж CAN-шины

Арбитраж сообщений это процесс, в котором два или более CAN-контроллеров договариваются о том, кто должен использовать шину.

Любой узел может начать передачу данных, когда обнаружит незанятую шину. Это может привести к тому, что два или более контроллеров начнут передачу сообщения почти одновременно.

Нет такого блока, который будет вещать всегда первым. Первым всегда будет передавать информацию тот блок, чьё сообщение имеет наивысший приоритет. И как раз этот спор и решается в арбитражном поле. Разберемся как именно.

Как происходит арбитраж CAN-шины и что такое идентификатор

Представим, что есть три узла, которые одновременно хотят получить доступ к CAN-шине. После бита «Start Of Frame» каждый из этих блоков начинает отправлять биты идентификаторов в шину данных.

Идентификатор присвоен каждому сообщению и определяет его приоритет, то есть определяет, какое сообщение более важное и должно быть отправлено в первую очередь.

Все узлы одновременно, бит за битом, начинают отправлять идентификаторы кадров в шину данных. В это же время все узлы также и считывают каждый новый появившийся бит на шине.

Пока отправляемые биты у всех блоков совпадают, все идет без изменений. Но рано или поздно случается конфликт, когда разные узлы одновременно отправят разные биты. И вот тут самое время вспомнить, что доминантный бит (логический 0) перебивает рецессивный бит (логическую 1) в конфликтных ситуациях. Это реализовано аппаратно в схемотехнике трансивера.

Это условие приводит к тому, что узел, у которого рецессивный бит (логическая единица) проигрывает арбитраж тому узлу, у которого оказался доминантный бит (логический ноль).

Проиграв арбитраж, блок утрачивает доступ к шине и ждет в режиме «только чтение» следующего арбитража. При этом остальные блоки продолжают арбитраж. Но при каждом очередном конфликте один из них отсеивается. И так до тех пор, пока не останется всего один блок, чье сообщение оказалось самым приоритетным и выиграло арбитраж.

Выигравшему блоку принадлежит право отправить сообщение в шину, а потому именно он будет продолжать начатый кадр.

Важным условием успешного битового арбитража является то, что никакие два узла не могут передавать одно и то же поле арбитража. Из этого правила есть одно исключение: если сообщение не содержит данных, то любой узел может передать это сообщение.

Поскольку шина является проводной, а доминирующий бит логически равен 0, следует, что в арбитраже победит сообщение с численно наименьшим Арбитражным полем.

11-bit и 29-bit идентификаторы

11 бит дают возможность использовать только 2048 идентификаторов, то есть 2048 параметров Этого иногда бывает недостаточно. В этом случае используется 29-битый ID. Таким образом, появляется возможность использовать миллионы идентификаторов.

Кадр с расширенным 29-битным идентификатором (CAN 2.0B) идентичен кадру с 11-битным идентификатором (CAN 2.0A), за исключением более длинного идентификатора. Он используется, например, в протоколе J1939 для большегрузных автомобилей.

Что произойдет, если узел будет один на шине и попытается передать сообщение?

Блок, конечно, выиграет арбитраж и с радостью продолжит передачу сообщения. Но когда придет время подтверждения… ни один узел не пошлет доминирующий бит подтверждения ACK (о нем ниже).

Передатчик почувствует ошибку ACK, пошлет флаг ошибки, увеличит свой счетчик ошибок передачи на 8 и начнет повторную передачу. Это произойдет 16 раз. Затем передатчик перейдет в режим пассивной передачи ошибок.

По специальному правилу алгоритма ограничения ошибок, счетчик ошибок передачи не увеличивается, если узел пассивен и ошибка является ошибкой ACK. Таким образом, узел будет продолжать передачу вечно, по крайней мере, до тех пор, пока кто-то не подтвердит сообщение.

RTR. Запрос на удаленную передачу.

Следующий бит Remote Transmission Request (RTR). Это бит запроса. Он определяет какого типа будет сообщение:

• Dataframe, когда вещающий блок сообщает информацию или
• Remote frame, когда передающий блок запрашивает информацию.

Поле Control

Дальше следует поле Control, в котором первый бит ID extension. Если в нем будет логический ноль, то будет использоваться стандартный 11-битный идентификатор, а если логическая единица, то расширенный 29-битный.

Каждый идентификатор это какой-то параметр. Например, обороты двигателя, температура, состояние замка зажигания, угол поворота руля, скорость автомобиля, запрос на включение кондиционера и так далее.

Биты DL3 — DL0 в поле Control используется для определения заранее количества байтов, которые будут передаваться в следующем поле Data. Чтобы не передавать лишние биты и сократить время фрейма, тем самым увеличив скорость передачи данных. По этой же причине по-умолчанию используется 11-битный идентификатор, чтобы без надобности не тратить время на лишние 18 бит.

Поле Data

В поле Data находится самая полезная информация, которую нужно передать. Обороты, скорость, нагрузка и т. п.

Ради передачи этой информации и строится весь фрейм. Это поле может составлять от 1 до 8 байт, то есть от 8 до 64 бит.

CRC. Контрольная сумма

Следующее поле это контрольная сумма CRC (Cyclic Redundancy Check). Представляет собой значение, вычисленное по определенной формуле, на основе битов из предыдущих полей.

То есть все эти биты обрабатываются определенным алгоритмам в блоке-отправителе. Результат этой отработки записывается в поле контрольной суммы кадра.

После этого уже блок-получатель повторно вычисляет контрольную сумму CRC таким же алгоритмом, но уже на базе полученной информации.

Если каждый из битов был распознан правильно, то контрольная сумма у блока-получателя будет такой же, как и у блока-отправителя. В этом случае данные считаются переданными без ошибок.

Если же контрольная сумма не сходится, распознается ошибка передачи данных и полученная информация игнорируется.

ACK. Бит подтверждения

Следующим идет бит подтверждения ACK (Acknowledge). Узел-отправитель выставляет в нем рецессивное состояние, но узел-получатель перебивает его доминантным в случае успешного приема, тем самым подтверждая передачу сообщения.

Отправитель проверяет наличие бита подтверждения и повторно передает сообщение, если подтверждение не было обнаружено.

Наличие бита подтверждения на шине не означает, что любой из предполагаемых адресатов получил сообщение. Единственное, что мы знаем, это то, что один или несколько узлов на шине приняли его правильно.

EOF. Конец кадра

Дальше идут 7 бит поля End of Frame (EOF). Это конец кадра, после которого кадр завершается и шина снова переходит состояние холостого хода.

И так до тех пор, пока один или несколько блоков снова не начнут отправлять сообщения.

Адресация и идентификация сообщений CAN-шины

Стоит еще раз отметить, что в CAN-сообщениях нет явного адреса. Каждый узел принимает весь трафик на шине. Используя аппаратные фильтры и программное обеспечение, он определяет, является ли сообщение «интересным» или нет.

Фактически, в CAN не существует понятия адреса сообщения. Вместо этого, содержимое сообщений идентифицируется по ID, который присутствует в кадре. Считается, что сообщения CAN имеют «адрес содержимого».

Обычный адрес сообщения будет выглядеть так: «Вот сообщение для узла N». Сообщение с адресом содержимого выглядит так: «Вот сообщение, содержащее данные с меткой N». Разница между этими двумя понятиями небольшая, но существенная.

Содержимое поля арбитража, согласно стандарту, используется для определения приоритета сообщения на шине. Все контроллеры CAN также используют все поле арбитража (некоторые используют только часть) в качестве ключа в процессе аппаратной фильтрации.

Стандарт не говорит, что поле арбитража должно использоваться в качестве идентификатора сообщения. Тем не менее это очень распространенное использование.

Что такое CAN FD (Flexible Data Rate CAN)?

С расширением функциональности автомобиля возрастает и нагрузка на CAN-шину. CAN FD (Flexible Data Rate) была разработана как шина CAN «следующего поколения».

Стандартная длина каждого сообщения была увеличена в 8 раз — с 8 до 64 байт, а максимальная скорость передачи данных была аналогично увеличена с 1 Мбит/с до 8 Мбит/с. Одним словом, CAN FD повышает скорость и эффективность. Поэтому она используется в современных автомобилях.

CAN FD обратно совместим и поддерживает протокол CAN 2.0, а также специальные протоколы, такие как SAE J1939.

CAN FD по сути является расширением оригинального стандарта CAN, как указано в ISO 11898-1, и полностью совместим с классическими CAN-шинами.

Отличия CAN FD от обычной CAN-шины

• CAN FD работает одновременно на двух скоростях. Поле арбитража или заголовок кадра передается со стандартной скоростью, например 500 кбит/с. А поле данных передается на скорости в несколько раз выше, вплоть до 8 Мбит/с.
• Размер сообщения увеличен до 64 байт. В обычной CAN-шине — максимум 8 байт.
• Контроллер CAN FD способен принимать обычные CAN сообщения, а стандартный CAN узел не может принимать кадры формата CAN FD.
• Для шины CAN FD нужны специальные микросхемы-трансиверы с повышенным быстродействием.

В настоящее время CAN FD используется в высокопроизводительных автомобилях, но по мере развития ЭБУ и снижения стоимости аппаратного обеспечения CAN FD, это лишь вопрос времени, когда CAN FD появится практически во всех автомобилях.

Будущее шины CAN

В будущем протокол шины CAN будет оставаться актуальным, хотя на него будут влиять основные тенденции:

• Потребность во все более расширяющихся функциях автомобиля.
• Рост облачных вычислений.
• Развитие Интернета вещей (Internet of Things — IoT).
• Развитие самоуправляемых автомобилей (без водителя).

В частности, рост числа подключенных автомобилей V2X и облачных вычислений приведет к быстрому росту автомобильной телематики и IoT CAN-регистраторов.

В свою очередь, перевод сети шины CAN в режим «онлайн» также подвергает автомобили рискам безопасности и может потребовать перехода на новые протоколы CAN, такие, как CAN FD.

Максимальная скорость CAN-шины

Максимальная скорость шины CAN, согласно стандарту, составляет 1 Мбит/с. Тем не менее некоторые CAN-контроллеры могут работать и с более высокими скоростями.

Медленный CAN low speed (ISO 11898-3) может работать на скорости до 125 кбит/с.

Однопроводной CAN может работать со скоростью около 50 кбит/с в стандартном режиме, а в специальном высокоскоростном режиме, используемом, например, для программирования ЭБУ, — до 100 кбит/с.

Максимальная длина кабеля в CAN-шине

При скорости 1 Мбит/с максимальная длина кабеля может составлять около 40 метров. Это связано с тем, что схема арбитража требует, чтобы волновой фронт сигнала успел распространиться до самого удаленного узла и обратно. Другими словами, длина кабеля ограничена скоростью света.

Другие максимальные длины кабелей (значения приблизительны):

• 100 метров при скорости 500 кбит/с;
• 200 метров — при 250 кбит/с;
• 500 метров — при 125 кбит/с;
• 6 километров — при 10 кбит/с.

Если для обеспечения гальванической развязки используются оптопары, максимальная длина шины соответственно уменьшается.