Spis treści:
Czy magistrale CAN przeżywają swój renesans? Niezupełnie, bo tak naprawdę nigdy nie wyszły z użycia. Zobacz, jak dokładnie wygląda ich technologiczna specyfikacja i do czego są wykorzystywane.
Nazwisko ich pomysłodawcy zna każdy. W lutym 1986 roku firma Robert Bosch GmbH zaprezentowała na kongresie Society of Automotive Engineers system magistrali szeregowej Controller Area Network (CAN). Był to czas narodzin jednego z najbardziej udanych protokołów sieciowych w historii. Od tego momentu minęło już prawie 40 lat, a dziś szereg samochodów osobowych produkowanych w Europie jest wyposażony w co najmniej jedną sieć CAN.
Magistrala CAN - skąd się wzięła?
Magistrale CAN znacząco zmieniły przemysł samochodowy. Dziś są użytkowane na całym świecie jako podstawa sieci systemów wbudowanych w wielu dziedzinach, nie tylko w inżynierii motoryzacyjnej. Pierwsze układy sterownika CAN firm Intel i Philips Semiconductors pojawiły się w 1987 roku, a rok 1991 przyniósł już opublikowanie specyfikacji CAN 2.0 firmy Bosch. Oprócz protokołu CAN norma ta ustandaryzowała również warstwę fizyczną dla prędkości bitowych do 1 Mbit/s. Chociaż CAN został pierwotnie opracowany z myślą o zastosowaniu w samochodach osobowych, to pierwsze próby wykorzystania tej technologii miały miejsce w innych segmentach rynku. Pionierami w tym sektorze zostali Skandynawowie.
W Finlandii magistrala CAN została wdrożona przez producenta wind KONE, a szwedzkie biuro inżynierskie Kvaser zaproponowało CAN jako protokół komunikacyjny w urządzeniach dla producentów maszyn włókienniczych. Następnie do grona użytkowników magistrali CAN dołączyli Holendrzy — tamtejsza firma Philips Medical Systems zdecydowała o wykorzystaniu CAN do wewnętrznego połączenia sieciowego aparatów rentgenowskich. Technologia magistrali szeregowych wciąż znajduje nowe, niesamowite zastosowania.
Magistrala CAN - co to jest?
Magistrala CAN jest jak układ nerwowy, który umożliwia ciągłą komunikację. Łączy ona wszystkie elektroniczne jednostki sterujące (ECU) i pozwala na wymianę informacji. Tłumacząc w bardziej technicznym ujęciu, sieć Controller Area Network jest opisana przez warstwę łącza danych i warstwę fizyczną. Warstwa fizyczna magistrali CAN definiuje takie komponenty jak typy kabli i ich impedancję, poziomy sygnałów elektrycznych i wymagania węzłów.
Magistrala CAN a ISO
Magistrala CAN ma swoje standardy ujęte w normach ISO. W przypadku szybkiej sieci CAN, ISO 11898-1 opisuje warstwę łącza danych, a ISO 11898-2 warstwę fizyczną. Jakich parametrów dotyczy wskaźnik warstwy fizycznej?
- Szybkość transmisji — węzły CAN muszą być połączone dwuprzewodową magistralą z szybkością transmisji do 1 Mbit/s (Classical CAN) lub 5 Mbit/s (CAN FD).
- Długość kabla — maksymalna długość przewodu CAN powinna wynosić 500 metrów (przepustowość do 125 kbit/s) lub 40 metrów (przepustowość do 1 Mbit/s).
- Terminacja — magistrala CAN musi być odpowiednio zakończona, w tym przypadku przy użyciu rezystora terminacji magistrali CAN 120 Ohm na każdym końcu magistrali.
Magistrala CAN - jak działa i do czego służy?
System magistrali CAN umożliwia każdej jednostce ECU komunikację ze wszystkimi innymi jednostkami sterującymi bez skomplikowanego, specjalnego okablowania. Poprzez CAN mogą one przygotowywać i rozsyłać informacje, np. takie jak dane z czujników. Magistrala składa się z dwóch przewodów — CAN low i CAN high. Rozsyłane dane są akceptowane przez wszystkie inne ECU w sieci CAN. Każda jednostka może następnie sprawdzić dane i zdecydować, czy je odebrać, czy zignorować.
W samochodowym systemie magistrali CAN, ECU może być np. jednostką sterującą silnikiem, poduszkami powietrznymi lub systemem dźwięku. Nowoczesny samochód może mieć nawet kilkadziesiąt elektronicznych modułów sterujących, a każdy z nich odpowiada za informacje, które muszą być udostępnione innym częściom sieci. Dzięki temu możliwe jest m.in. automatyczne uruchomienie się poduszek powietrznych czy w pełni sprawne działanie systemu ABS.
Magistrala CAN jest jednym z protokołów używanych w diagnostyce pokładowej (OBD). Obecnie OBD2 jest obowiązkowe we wszystkich nowszych samochodach osobowych i lekkich ciężarówkach na całym świecie.
Zalety magistrali CAN
Celem protokołu CAN jest umożliwienie szybkiej komunikacji pomiędzy urządzeniami elektronicznymi i modułami, przy jednoczesnej redukcji błędów, wagi sprzętu i kosztów. Jedną z ważniejszych zalet magistrali CAN jest zmniejszona ilość okablowania oraz skuteczne zapobieganie kolizji komunikatów. Mechanizmy wykrywania błędów takie jak bit stuffing, bit monitoring, frame check, acknowledgment check oraz cyclic redundancy check znacznie wpływają na bezpieczeństwo.
System CAN to podstawa trwałej sieci, która pomaga wielu urządzeniom komunikować się ze sobą. Zaletą tego rozwiązania jest to, że elektroniczne jednostki sterujące (ECU) mogą mieć jeden interfejs CAN zamiast analogowych i cyfrowych wejść do każdego urządzenia w systemie. Zmniejsza to ogólny koszt i wagę w pojazdach, maszynach i innych sprzętach. Każde z urządzeń w sieci posiada chip sterownika CAN, a więc jest inteligentne. Wszystkie moduły w sieci widzą przesyłane wiadomości i mogą zdecydować, czy są one istotne, czy powinny być filtrowane. Ta struktura pozwala na modyfikacje sieci CAN przy minimalnym wpływie — łatwo zintegrować z całością kolejne elementy. Dodatkowe węzły nienadające mogą być dodane bez modyfikacji sieci.
Każda wiadomość ma swój priorytet, więc jeśli dwa węzły próbują wysłać wiadomości jednocześnie, to ta o wyższym priorytecie zostaje przesłana, a ta o niższym priorytecie zostaje odłożona. Taki arbitraż nie jest destrukcyjny i skutkuje nieprzerwaną transmisją wiadomości o najwyższym priorytecie. Pozwala to również sieciom na spełnienie deterministycznych ograniczeń czasowych.
Specyfikacja CAN zawiera cykliczny kod nadmiarowy (CRC) do sprawdzania zawartości każdego frame’u pod kątem błędów. Ramki z błędami są ignorowane przez wszystkie węzły i mogą zostać przesłane do sieci w celu zasygnalizowania błędu. Błędy globalne i lokalne są rozróżniane przez sterownik, a w przypadku wykrycia zbyt dużej liczby błędów poszczególne węzły mogą zaprzestać ich transmisji lub całkowicie odłączyć się od sieci.
Magistrala CAN — gdzie jest stosowana?
Wykorzystanie CAN w przemyśle motoryzacyjnym jest standardowym rozwiązaniem. Najczęstszym zastosowaniem magistrali jest tworzenie sieci elektronicznych w pojazdach.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci inne gałęzie przemysłu również zaczęły wdrażać niezawodne rozwiązania komunikacyjne i zaczęto korzystać z wielu zalet CAN. Przykładowo tramwaje, metro, lekkie kolejki i pociągi dalekobieżne również zawierają szeregową magistralę komunikacyjną. Urządzenia CAN łączą m.in. drzwi, kontrolery hamulców, jednostki liczące pasażerów na różnych poziomach sieci w tych pojazdach. CAN ma również zastosowanie w samolotach z czujnikami stanu lotu, systemami nawigacyjnymi i komputerami badawczymi w kokpicie. Ponadto magistrale CAN umieszczone są w aparaturze lotniczej i odpowiadają za analizę danych podczas lotu, a także systemy sterowania silnikiem samolotu.
Producenci sprzętu medycznego wykorzystują CAN jako sieć wbudowaną w urządzenia medyczne. Niektóre szpitale wykorzystują magistralę do zarządzania całymi salami operacyjnymi, kontrolując takie elementy jak światła, stoły, kamery, aparaty rentgenowskie i łóżka pacjentów. Co więcej, szpitale używają protokołu CANopen do łączenia ze sobą i kontrolowania urządzeń dźwigowych, takich jak panele, sterowniki, drzwi i bariery świetlne. CANopen jest również wykorzystywany w gałęziach nieprzemysłowych, np. w sprzęcie laboratoryjnym, kamerach sportowych, teleskopach, drzwiach automatycznych, a nawet w ekspresie do kawy.
Magistrala CAN — jaką wybrać?
Wybór odpowiedniego urządzenia zależy od jego planowanego zastosowania. Szeregowe magistrale komunikacyjne, jakimi są CAN, mogą wesprzeć pokładowy system ABS, sterowanie silnikami w zaawansowanych projektach z zakresu elektroniki i robotyki oraz w szeroko rozumianej automatyce, na przykład w parze z niezastąpionym Arduino.
Dostępne w asortymencie sklepu Botland moduły i nakładki CAN posiadają już niezbędne do pracy konektory albo możliwość pracy z OBD. Z tego względu są one idealnymi urządzeniami dla osób zajmujących się mechaniką czy mechatroniką.
