CAN BUS. Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Διατάξεων. Ασβεστοπούλου Θωμαΐς 7402 Δόντσιος Δημήτριος 7426

Transcript

1 CAN BUS Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Διατάξεων Ασβεστοπούλου Θωμαΐς 7402 Δόντσιος Δημήτριος 7426

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή... 3 Περί διαύλων επικοινωνίας(busses)... 3 Χαρακτηριστικά των διαύλων... 5 Εισαγωγή στο CAN bus... 7 Βασικά χαρακτηριστικά... 7 Σύντομη ιστορική αναδρομή... 8 Πως το CAN αξιοποιεί την διαφορική μετάδοση δεδομένων Πλεονεκτήματα...11 Μειονεκτήματα...11 CAN Εφαρμογές...13 Τρόπος λειτουργίας Δομή μηνυμάτων πλαισίου CAN Πλαίσια Δεδομένων (Data frame)...17 Αρχή του πλαισίου (SOF)...17 Πεδίο Διαιτησίας (Arbitration Field)...17 Πεδίο κώδικα μήκους δεδομένων (DLC)...18 Πεδίο Δεδομένων (Data field)...18 Πεδίο ελέγχου κυκλικού πλεονασμού (CRC)...18 Πεδίο Αναγνώρισης (ACK slot)...18 Τέλος του πλαισίου (EOF) Πλαίσιο αίτησης απομακρυσμένης λειτουργίας (Remote frame)...19 Πλαίσιο Σφάλματος (Error frame)...19 Πλαίσιο υπερφόρτισης (overload frame)...20 Διαπλαισιακό Κενό (interframe spacing)...20 Διαιτησία (arbitration)...20 Προτεραιότητα μηνυμάτων...21 Χρονισμοί Bit...21 Συγχρονισμός ρολογιού...22 Λειτουργίες σφαλμάτων στον δίαυλο...23 Μηχανισμοί Σφαλμάτων...23 Eπιβεβαίωση εκπομπής bit...23 Κανόνες γεμίσματος Bit

3 Έλεγχος CRC Έλεγχος bit πεδίων με σταθερή μορφή Επιβεβαίωση-Ανταπόδοση μηνύματος Μηχανισμός πλαισίου σφαλμάτων...25 Μηχανισμός μετρητών σφαλμάτων...25 Μηχανισμός καταστάσεων σφαλμάτων κόμβων Τεχνικά Χαρακτηριστικά...27 Τοπολογία Δικτύου...27 Φυσικός Δίαυλος Χαρακτηριστικά...28 Τερματισμός...29 Παράλληλος Τερματισμός...29 Παράλληλος τερματισμός με φιλτράρισμα Common Mode...29 Απομόνωση...30 Προστασία από αποσύνδεση καλωδίου και από κάμψη Προσωρινή υπερφόρτωση...31 Επίπεδα τάσης διαύλου...32 Σύνδεση με τον δίαυλο...33 Επίπεδα υλοποίησης CAN...34 Πομποδέκτες φυσικού επιπέδου...34 Ελεγκτές CAN...35 DeviceNet...35 Πρωτόκολλο CANopen...36 Επίλογος...37 Πηγές

4 Εισαγωγή Περί διαύλων επικοινωνίας(busses) Όπως είναι γνωστό, τα συστήματα υπολογιστών αποτελούνται από τρία κύρια μέρη, την κεντρική μονάδα επεξεργασίας, τη κύρια μνήμη και τις περιφερειακές συσκευές. Στα συστήματα αυτά, για την εκτέλεση εντολών, στα διάφορης φύσης προγράμματα, αλλά και για την επίτευξη της μεταξύ τους επικοινωνίας, απαιτείται μεταφορά bits από το ένα μέρος του στο άλλο. Η μεταβίβαση αυτή επιτυγχάνεται μέσω των αποκαλούμενων διαύλων (Busses). Γενικότερα, η επικοινωνία όλων των συσκευών του υπολογιστή γίνεται μέσω διαύλων. Ένας δίαυλος είναι στην πραγματικότητα ένα κανάλι επικοινωνίας, πάνω στο οποίο ρέει η πληροφορία μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών. Πάνω σε αυτόν υπάρχουν σημεία πρόσβασης ή χώροι στους οποίους μπορούν να συνδεθούν οι διάφορες συσκευές και να γίνουν μέλη του διαύλου, τα οποία μέλη μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν πληροφορίες. Σχήμα 0. Βασικό μοντέλο διαύλου υπολογιστή Στις πιο παραδοσιακές αρχιτεκτονικές, η ΚΜΕ και η κύρια μνήμη τείνουν να είναι στενά συζευγμένες. Το κανάλι που συνδέει την ΚΜΕ και τη μνήμη είναι ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά του συστήματος και αναφέρεται συχνά και ως «δίαυλος συστήματος». Στο παρελθόν, η κύρια μνήμη και όλες οι συσκευές εισόδου/εξόδου επικοινωνούσαν με την ίδια ταχύτητα διαμέσου ενός κοινού διαύλου. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι επεξεργαστές και η κύρια μνήμη έγιναν σημαντικά ταχύτεροι σε σχέση με τις υπόλοιπες συσκευές, καθιστώντας έτσι αναγκαία την υλοποίηση περισσότερων διαύλων διαφορετικών ταχυτήτων. Η λύση του προβλήματος αυτού ήταν οι δίαυλοι εισόδου/εξόδου (I/O Bus), που επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ συσκευών εισόδου/εξόδου και του υπόλοιπου συστήματος σε ταχύτητες διαφορετικές (χαμηλότερες) από αυτές του γρήγορου, 3

5 πλέον, διαύλου επεξεργαστή-μνήμης. Υπάρχουν, επομένως, δύο τύποι διαύλων επικοινωνίας, οι εσωτερικοί δίαυλοι συστήματος (system bus) και οι εξωτερικοί. Στους εσωτερικούς διαύλους επικοινωνίας ανήκουν συνήθως ο δίαυλος διευθύνσεων (address bus), ο δίαυλος δεδομένων (data bus), ο δίαυλος ελέγχου (control bus) καθώς επίσης και οι γραμμές χειραψίας δεδομένων (data handshaking lines). Σχήμα 1. Εσωτερικοί δίαυλοι Πιο αναλυτικά: Δίαυλος δεδομένων (data bus): μεταφέρει τα δεδομένα από μια συσκευή σε μια άλλη. Τα δεδομένα μεταφέρονται σειριακά (ένα bit τη φορά) ή και παράλληλα (πλειάδες bit τη φορά, συνήθως σε δυνάμεις του δύο). Οι παράλληλοι δίαυλοι είναι συνήθως γρηγορότεροι, καθώς μπορούν να μεταφέρουν πολλά bit παράλληλα, αλλά χρειάζονται περισσότερες γραμμές χειραψίας, άρα έχουν και μεγαλύτερο κόστος. Από την άλλη, οι σειριακοί δίαυλοι μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες ταχύτητες μετάδοσης με κυριότερο περιοριστικό παράγοντα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα των μικροεπεξεργαστών που τους χρησιμοποιούν. Δίαυλος Διευθύνσεων (address bus): είναι υπεύθυνος για την αναγνώριση της θέσης μνήμης της οποίας τα δεδομένα θα προσπελασθούν. Δίαυλος ελέγχου (control bus): μεταφέρει σήματα (εντολές) ελέγχου από υποσύστημα σε υποσύστημα. Τέτοια σήματα είναι οι τύποι διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιούνται, ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η μεταφορά δεδομένων, αν δηλαδή γίνεται ανάγνωση από κάποια ή εγγραφή σε κάποια διεύθυνση, αλλά και σήματα διαιτησίας μεταξύ συσκευών, δηλαδή σήματα που ορίζουν ποια συσκευή έχει τον έλεγχο του διαύλου και ποιες μπορούν να επικοινωνούν με χρήση αυτού. Δίαυλος χειραψίας δεδομένων (handshaking bus): Οι γραμμές χειραψίας είναι αναγκαίες έτσι ώστε να επιτρέπεται η ομαλή ροή των δεδομένων σε ένα σύστημα. Δύο είναι οι βασικοί τύποι των γραμμών αυτών: 4

6 Η γραμμή χειραψίας-αποστολέας, η οποία αναγνωρίζει ποια συσκευή είναι έτοιμη να στείλει δεδομένα. H γραμμή χειραψίας-παραλήπτης, η οποία αναγνωρίζει αν μια συσκευή είναι έτοιμη να λάβει δεδομένα ή όχι. Ως εξωτερικούς διαύλους επικοινωνίας ορίζουμε αυτούς με τους οποίους γίνεται η επικοινωνία μιας συσκευής ή ενός μικροελεγκτή με άλλα εξωτερικά συστήματα. Τέτοια θα μπορούσαν να είναι συστήματα άλλων μικροελεγκτών, συστήματα αισθητήρων κλπ. Το CAN bus αποτελεί έναν εξωτερικό δίαυλο επικοινωνίας. Οι προσωπικοί υπολογιστές, καθώς και τα περισσότερα συστήματα υπολογιστών και μικροεπεξεργαστών, έχουν ένα μεγάλο πλήθος διαφορετικών τύπων και διεπαφών συστημάτων διαύλων. Τα πιο χαρακτηριστικά είναι τo PC bus που περιεγράφηκε παραπάνω, το ISA bus, το PCI bus, το CAN bus, το AGP bus, το SATA, το esata, το MCA, το RS-232 και φυσικά το ευρέως χρησιμοποιούμενο USB. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι δίαυλοι προτιμώνται έναντι των απλών μονοσύρματων/δισύρματων καλωδίων, διότι λόγω της μεγαλύτερης επιφάνειάς των διαύλων, υπάρχει μεγαλύτερη ροή ρεύματος εντός τους άρα και μεταδίδεται μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας με λιγότερες απώλειες. Χαρακτηριστικά των διαύλων Οι απαιτήσεις ενός συστήματος μπορούν να καθοριστούν αναλύοντας την απόδοση των διαύλων μέσα σε αυτό. Κάθε δίαυλος εκτελεί μία συγκεκριμένη λειτουργία και πρέπει να είναι κατάλληλος για τις συσκευές που συνδέονται σε αυτόν. Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός διαύλου είναι το εύρος (Width), που μετριέται σε bit (π.χ ένας δίαυλος με εύρος 16 bit μπορεί να μεταφέρει πληροφορία μήκους 16bit σε έναν κύκλο μηχανής), και η συχνότητα λειτουργίας του (Clock Speed), της οποίας η μονάδα είναι το Hz (π.χ ένας δίαυλος με συχνότητα 100Mhz κάνει 100 εκατομμύρια κύκλους το δευτερόλεπτο). Όσο μεγαλύτερα είναι αυτά τα δυο μεγέθη του διαύλου, τόσο πιο γρήγορη είναι και η μεταφορά των δεδομένων σε αυτόν. Άλλες προδιαγραφές των διαύλων αποτελούν: Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (σε byte ανά δευτερόλεπτο ή σε bit ανά δευτερόλεπτο) : Καθορίζει το μέγιστο πλήθος δεδομένων που μπορεί να μεταφερθεί κάθε φορά. Ο μέγιστος αριθμός συσκευών που μπορούν να συνδεθούν στον δίαυλο : Ο αριθμός των συσκευών που συνδέονται σε έναν δίαυλο μπορεί να έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοσή του, καθώς όλες παρέχουν μια ηλεκτρική φόρτιση στον δίαυλο και όσο περισσότερες συνδέονται σε αυτόν, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η επιβάρυνση του συστήματος για τη διαιτησία του, που περιλαμβάνει όλες τις ενέργειες με τις οποίες προσδίδεται η κατάλληλη προτεραιότητα στις συσκευές που θέλουν να τον χρησιμοποιήσουν. Η αξιοπιστία του διαύλου : Καθορίζει πόσο καλά ανταπεξέρχεται ο δίαυλος σε όσα σφάλματα και να εμφανιστούν σε αυτόν. Κάποιοι δίαυλοι, ιδιαίτερα σε εργοστασιακά περιβάλλοντα, μπορεί να υπόκεινται σε εξωτερικά παραγόμενο θόρυβο. Ένας καλός δίαυλος πρέπει να είναι ικανός να ανιχνεύσει εάν λαμβάνει δεδομένα τα οποία έχουν αλλοιωθεί από τον θόρυβο (ή έχουν σταλεί εσφαλμένα). 5

7 Η ευρωστία των δεδομένων : Είναι η ικανότητα του διαύλου να αντιδρά σε σφάλματα κατά το μήκος του ή σε δυσλειτουργίες των συνδεδεμένων συσκευών. Κάποιοι δίαυλοι, όπως οι CAN, μπορούν να απομονώνουν συσκευές που δεν λειτουργούν ορθά. Η ηλεκτρική/φυσική ευρωστία : Είναι η ικανότητα του διαύλου να ανταπεξέρχεται σε ηλεκτρικά λάθη, ιδίως όταν αυτά προέρχονται από μικρά κυκλώματα και απότομες αυξήσεις των επιπέδων τάσης. Προβλήματα μπορούν επίσης να προκληθούν από ανοικτά κυκλώματα, παρόλο που αυτά τείνουν να μην προκαλούν μεγάλες καταστροφές στον δίαυλο. Η φυσική ευρωστία είναι επίσης σημαντική, ιδιαίτερα σε εργοστασιακές ή κρίσιμες για την ασφάλεια καταστάσεις. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά : Περιλαμβάνουν τις βασικές ηλεκτρικές παραμέτρους του διαύλου, όπως είναι το εύρος των επιπέδων τάσης και έντασης που χρησιμοποιούνται, την προστασία μικρών κυκλωμάτων, την χωρητικότητα του συστήματος και την αντίσταση (εμπέδηση) των καλωδίων, το πλήθος των παρεμβολών μεταξύ των τοπικών μεταδόσεων σήματος (crosstalk) κτλ. Η ευκολία των συνδέσεων : Περιλαμβάνει την διαθεσιμότητα των καλωδίων και των κονεκτόρων, και πόσο εύκολο είναι να προστεθεί και να αφαιρεθεί κάποια συσκευή από τον δίαυλο. Κάποιοι δίαυλοι επιτρέπουν την σύνδεση και αποσύνδεση συσκευών ενώ είναι σε λειτουργία(hot pluggable). Η επιβάρυνση της επικοινωνίας : Είναι ένα μέτρο της ποσότητας δεδομένων που προστίθενται στα αρχικά δεδομένα, έτσι ώστε να σταλθούν με αξιόπιστο τρόπο. Η τοπολογία του ελεγκτή του διαύλου : Σχετίζεται με την μέθοδο που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ροής των δεδομένων κατά μήκος του διαύλου. Κάποιοι τύποι διαύλων απαιτούν έναν αποκλειστικό δίαυλο ελέγχου, ο οποίος εμπλέκεται σε όλες τις μεταβιβάσεις δεδομένων. Άλλοι τύποι διαθέτουν διανεμημένη τοπολογία, όπου οποιαδήποτε συσκευή μπορεί να ασκήσει έλεγχο στον δίαυλο. Η διασύνδεση(επικοινωνία) λογισμικού : Καθορίζει την ευκολία επικοινωνίας με τον δίαυλο μέσω λογισμικού, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται πρότυπα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Τα καλώδια και οι κονέκτορες : Καθορίζει τους διάφορους τύπους των καλωδίων και των κονεκτόρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τον δίαυλο. Η προτυποποίηση του διαύλου : Οι περισσότεροι δίαυλοι πρέπει να συμμορφώνονται με κάποια δοθέντα παγκόσμια πρότυπα, τα οποία επιτρέπουν στο υλικό και το λογισμικό να συνδεθούν σε κάποια πρότυπη μορφή. Η παροχή ενέργειας : Όλες οι πληροφορίες που αφορούν την τροφοδοσία των διαύλων, όπως για παράδειγμα η εξοικονόμηση ενέργειας. 6

8 Εισαγωγή στο CAN bus Ένας δίαυλος CAN (Controller Area Network bus) είναι ένα υψηλής ακρίβειας σειριακό σύστημα διαύλων που εξασφαλίζει την επικοινωνία για διαδικτυακά ευφυείς συσκευές με την μεταβίβαση μηνυμάτων, απόντος συνήθως κάποιου κεντρικού μικροεπεργαστή. Σχήμα 2. Βασική Δομή Can Βασικά χαρακτηριστικά Διαφορική μετάδοση και μείωση θορύβου με τη χρήση UTP καλωδίων. Το χαρακτηριστικό αυτό, είναι ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του CAN bus και για τον λόγο αυτό θα αναλυθεί παρακάτω με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Διαιτησία. Η πρόσβαση στον δίαυλο ελέγχεται από μια μη καταστρεπτική τεχνική διαιτησίας. Στη διαιτησία, κάθε πομπός συγκρίνει το επίπεδο ενός εκπεμπόμενου bit με το επίπεδο που παρακολουθείται στον δίαυλο. Εάν αυτά τα επίπεδα είναι ίδια, ο πομπός συνεχίζει την αποστολή του μηνύματος. Μικρά μηνύματα ( μέχρι 8 bytes σε μήκος ), καθένα με ένα συσχετισμένο με ένα μέγεθος. Τα μηνύματα αυτά έχουν συγκεκριμένη, σταθερή μορφή, η οποία μεταφέρει δεδομένα και άλλες πληροφορίες. Οι κόμβοι του δικτύου εκπέμπουν μηνύματα μόνο όταν ο δίαυλος είναι ελεύθερος. Το περιεχόμενο του μηνύματος αναγνωρίζεται σαν ID, δηλαδή ως μια μεταβλητή η οποία περιγράφει τη «σημασία» των δεδομένων, αλλά δεν περιέχει τον προορισμό της πληροφορίας. Όλοι οι κόμβοι στο δικτύου αποφασίζουν εάν χρειάζεται να διαβάσουν δεδομένα ή όχι ( multicast ). Δεν υπάρχει δομή διευθυνσιοδότησης. Τα μηνύματα αποστέλλονται στον κοινό δίαυλο με ένα μήνυμα που περιέχει προτεραιότητα επιπέδου(level priority) και αναγνώριση (identification). 7

9 Προτεραιότητα μηνυμάτων. Κάθε μήνυμα έχει συγκεκριμένη προτεραιότητα. Σε έναν ελεύθερο δίαυλο, κάθε κόμβος μπορεί να εκπέμπει τα μηνύματά του. Όταν δύο ή περισσότεροι κόμβοι εκπέμπουν ένα μήνυμα ταυτόχρονα, τότε δημιουργείται κατάσταση σφάλματος. Ο κόμβος με την υψηλότερη προτεραιότητα πάντα κερδίζει την χρήση του διαύλου. Πολλαπλή μετάδοση και λήψη με χρονικό συγχρονισμό. Όλοι οι κόμβοι δύνανται να λάβουν εκπεμπόμενα μηνύματα και να συγχρονίσουν γρήγορα τους χρονισμούς των εσωτερικών ρολογιών με τα εκπεμπόμενα δεδομένα. Αναγνώριση σφαλμάτων και σηματοδότησή τους. Υποστηρίζεται ένας πολύ δυνατός μηχανισμός διαχείρισης σφαλμάτων, που επιτρέπει την αναμετάδοση των μηνυμάτων, όταν αυτά δεν λαμβάνονται σωστά. Επίσης, υπάρχει αυτόματη επανεκπομπή αλλοιωμένων μηνυμάτων, μόλις ο δίαυλος είναι πάλι αδρανές. Ο χρόνος που μεσολαβεί από την αναγνώριση ενός σφάλματος μέχρι και την αρχή της εκπομπής του επόμενου μηνύματος είναι το πολύ 29bit μεγαλύτερος, εάν δεν υπάρξουν επιπλέον σφάλματα. Πολυαρχία. Οποιαδήποτε συσκευή μπορεί να λάβει τον έλεγχο του διαύλου. Προηγμένη ανίχνευση και απομόνωση σφαλμάτων. Έχουν εισαχθεί μέθοδοι αναγνώρισης και απομόνωσης κόμβων οι οποίοι δυσλειτουργούν. Οι ελλαττωματικοί κόμβοι αποσυνδέονται πλήρως από το δίκτυο. Απεριόριστος αριθμός συνδέσεων. Οποιοσδήποτε αριθμός μονάδων μπορεί να συνδεθεί στον δίαυλο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του δικτύου, αλλά και να αποσυνδεθεί εξίσου εύκολα. Εγγυημένοι χρόνοι λανθάνουσας κατάστασης. Συνοχή δεδομένων σε όλο το εύρος του συστήματος. Ευελιξία του συστήματος. Κόμβοι μπορούν να προστεθούν στο δίκτυο CAN χωρίς να απαιτείται αλλαγή σε επίπεδο υλικού, λογισμικού σε κάποιον άλλο κόμβο ή σε επίπεδο εφαρμογής. Λειτουργία ύπνου/αφύπνισης. Μία συσκευή CAN μπορεί να τεθεί σε κατάσταση ύπνου (αδρανείας) χωρίς οποιαδήποτε εσωτερική διαδικασία και με αποσυνδεδεμένους τους οδηγούς του διαύλου. Αυτό βοηθάει στην εξοικονόμηση ενέργειας. Η κατάσταση ύπνου τερματίζεται με αφύπνιση από οποιαδήποτε δραστηριότητα ή αλλαγή στις εσωτερικές καταστάσεις του συστήματος. Αναγνώριση περιεχομένου μηνυμάτων. Όλοι οι παραλήπτες ελέγχουν την συνεκτικότητα των λαμβανόμενων μηνυμάτων : αναγνωρίζουν τα συνεκτικά και σηματοδοτούν τα ασυνεπή μηνύματα. Σύντομη ιστορική αναδρομή Στο παρελθόν, οι κατασκευαστές αυτοκινήτων συνέδεαν ηλεκτρονικές συσκευές μέσα στα οχήματα χρησιμοποιώντας point-to-point συστήματα επικοινωνίας. Τα VAN, A-Bus και Μ-Bus ήταν μερικά από τα πρώτα δίκτυα επικοινωνίας, τα οποία είχαν ανεπιτυχώς εφαρμοστεί από μερικές αυτοκινητοβιομηχανίες. Από τη στιγμή που άρχισαν να συνδέουν όλο και περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές στα οχήματα, το βάρος του χαλκού των point-to-point δικτύων έγινε ένα σημαντικό πρόβλημα και από άποψη κόστους, αλλά και από άποψη πολυπλοκότητας (Σχήμα 3). Τότε ήταν που αποφάσισαν να αντικαταστήσουν αυτό το μη λειτουργικό δίκτυο με κάτι ελαφρύτερο, φθηνότερο και πιο εύκολο στην υλοποίηση (Σχήμα 4). H Bosch ανέπτυξε αρχικά το δίκτυο περιοχής ελεγκτή ( Controller Area Network ) το 1985 για δίκτυα μέσα σε οχήματα. To CAN, ως ένα σύστημα σειριακών διαύλων μεγάλης ακρίβειας για έξυπνες συσκευές, καθιερώθηκε ως το κύριο δίκτυο για ενδοοχηματικά δίκτυα. Η αυτοκινητο- 8

10 βιομηχανίες υιοθέτησαν το CAN σχεδόν άμεσα με αποτέλεσμα, το 1993, να αποτελέσει ένα παγκόσμιο πρότυπο γνωστό ως ISO Από το 1994, πολλά πρωτόκολλα υψηλών επιπέδων τυποποιήθηκαν σε δίκτυα CAN, όπως αυτό του CANopen και του DeviceNet. Σύντομα και άλλες αγορές υιοθέτησαν τα πρωτόκολλα αυτά, καθιστώντας το CAN ως βασικό χαρακτηριστικό των βιομηχανικών επικοινωνιών και δικτύων, αλλά και των τεχνολογιών του διαστήματος. Σχήμα 3. Δίκτυο αυτοκινήτου με point-to-point επικοινωνία 9

11 Σχήμα 4. Τροποποιημένο μοντέλο αυτοκινήτου με χρήση CAN bus Πως το CAN αξιοποιεί την διαφορική μετάδοση δεδομένων. Στην παραδοσιακή διαφορική μετάδοση δεδομένων (για παράδειγμα στο RS-4853), το λογικό 1 μεταδίδεται σαν μια υψηλή τάση σε μια απλή γραμμή μεταφοράς και σαν χαμηλή τάση σε μια γραμμή με ανεστραμμένη. Αντίστοιχα, το λογικό 0 μεταδίδεται σαν μια χαμηλή τάση σε μια απλή γραμμή μεταφοράς και σαν μια υψηλή τάση στην γραμμή με ανεστραμμένη τάση. Ο παραλήπτης χρησιμοποιεί τη διαφορά της τάσης ανάμεσα στις δυο γραμμές για να καθορίζει αν παραλήφθηκε λογικό 1 ή λογικό 0, ακριβώς όπως φαίνεται στον πίνακα 1. Ένας ακόμα οδηγός στον δίαυλο μπορεί να είναι σε μια τρίτη κατάσταση, με την έξοδό του σε μια κατάσταση υψηλής αντίστασης (εμπέδησης/tristate) ως προς τη γη. Εάν όλοι οι κόμβοι είναι σε αυτήν την κατάσταση, ο δίαυλος βρίσκεται σε αδράνεια. Σε αυτήν την περίπτωση και οι δυο γραμμές χρησιμοποιούνται σε ένα όμοιο επίπεδο τάσης με πολύ μικρή διαφορά. H μετάδοση σημάτων για τα CAN διαφέρει στο ότι υπάρχουν μόνον δύο διαφορετικές καταστάσεις, η κυρίαρχη (η μια γραμμή, η CANH, είναι σε υψηλή τάση και η άλλη, η CANL, είναι σε χαμηλή τάση) και η δευτερεύουσα (οι έξοδοι των οδηγών είναι σε κατάσταση υψηλής αντίστασης ως προς τη γη). Oι κόμβοι πομποί εκπέμπουν στην κυρίαρχη κατάσταση το λογικό 0 και στην δευτερεύουσα το λογικό 1. Ένας αδρανής δίαυλος can μπορεί να αναγνωριστεί στην δευτερεύουσα μετάδοση ανιχνεύοντας απλά τα πολλαπλά δευτερεύοντα bits μετά το τέλος ενός frame ή ενός frame σφάλματος, όπως θα παρουσιαστεί και παρακάτω. 10

12 Πίνακας 1. Σύγκριση των επιπέδων τάσεων του CAN και του RS-485 Λογικό Τάση RS-485 Κατάσταση CAN Τάση CAN 1 Α-Β +200 mv Δευτερεύουσα CANH-CANL 0.5 V 0 Α-Β mv Κυρίαρχη CANH-CANL 0.9 V Πηγή : ΑΝ-1123 Application Note Οι δύο αυτές καταστάσεις, η κυρίαρχη και η δευτερεύουσα, αναπαρίστανται από τα CANH και CANL επίπεδα τάσης στο Σχήμα 5. Αυτή η μέθοδος μετάδοσης είναι απαραίτητη και για την διαιτησία ανάμεσα στους κόμβους αλλά και για την προτεραιότητα μηνυμάτων. Σχήμα 5. Σύγκριση της διαφορικής μετάδοσης CAN και RS-485/RS-422 Πλεονεκτήματα Μεγαλύτερη ανοχή σε μεταβολές των διαφορών δυναμικών μεταξύ των κόμβων. Τα όρια της σηματοδοσίας προσδιορίζονται διαφορικά. Υψηλότερος ρυθμός μετάδοσης bit με χαμηλότερες εκπεμπόμενες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Μειονεκτήματα Υψηλότερο κόστος. Πολυπλοκότητα. Χρήση όπου χρειάζεται αμφίδρομη επικοινωνία για χαμηλή προς υψηλή ταχύτητα επικοινωνίας σε θορυβώδη ή επιρρεπή σε θόρυβο περιβάλλοντα. 11

13 Σχήμα 6. Παράδειγμα κυκλωμάτων απλής και διαφορικής μετάδοσης. Το πρωτόκολλο CAN ορίζει τα πρώτα δύο επίπεδα του OSI μοντέλου, το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο διασύνδεσης δεδομένων. Δεν περιλαμβάνει απαιτήσεις για πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου όπως έλεγχο ροής, μεταφορά μεγαλύτερων πακέτων δεδομένων, διευθύνσεις κόμβων, εγκαθίδρυση συνδέσεων επικοινωνίας κτλ. Αυτά υλοποιούνται από ένα HLP (υψηλού επιπέδου πρωτόκολλο) το οποίο: Προτυποποιεί τις διαδικασίες εκκίνησης, όπως τον ορισμό του ρυθμού μετάδοσης των bit. Δημιουργεί λογικές διευθύνσεις για τους κόμβους. Σχηματοποιεί τα μηνύματα. Οργανώνει το σύστημα διαχείρισης σφαλμάτων. Ο δίαυλος CAN είναι ένα πλήρως διανεμημένο σύστημα ελέγχου καθώς δεν χρειάζεται έναν ελεγκτή για να ελέγξει τη ροή των δεδομένων μεταξύ των κόμβων. Ο δίαυλος CAN διαιρείται σε τρία βασικά επίπεδα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7, και αποτελείται από: Το επίπεδο αντικειμένου (Object layer) το οποίο υλοποιεί ένα μέρος του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων. Περιλαμβάνει την ανίχνευση των μηνυμάτων που πρόκειται να μεταδοθούν, την απόφαση για το ποια μηνύματα από αυτά που έχουν παραληφθεί από το επίπεδο μεταφοράς πρόκειται όντως να χρησιμοποιηθούν και ακόμη παρέχει μία διεπαφή στο επίπεδο εφαρμογής. Το επίπεδο μετάδοσης (Transfer layer) το οποίο υλοποιεί ένα άλλο κομμάτι του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων. Περιλαμβάνει τον έλεγχο της πλαισίωσης, την υλοποίηση της διαιτησίας, τον έλεγχο σφαλμάτων, την σηματοδότηση σφαλμάτων και την απομόνωσή τους. Αυτό το επίπεδο αποφασίσει εάν 12

14 ο δίαυλος είναι σε θέση να ξεκινήσει μια νέα μετάδοση ή αν ξεκινάει μία παραλαβή. Ακόμη παρέχει και άλλες υπηρεσίες, όπως ο συγχρονισμός των bit. Το φυσικό επίπεδο (Physical layer) το οποίο περιλαμβάνει τον ορισμό των ηλεκτρικών (επίπεδα σημάτων και αναπαράσταση των bit) και μηχανικών διαστάσεων (τύπος καλωδίου και κονεκτόρων) της φυσικής σύνδεσης. Επίπεδο Εφαρμογής Εφαρμογή Παρουσίαση Συνεδρία Μετάδοση Δίκτυο Φιλτράρισμα Μηνυμάτων Διαχείριση Μηνυμάτων Διαχείριση Κατάστασης Αντιμετώπιση Σφαλμάτων Ανίχνευση Λαθών Σηματοδότηση Λαθών Έλεγχος Εγκυρότητας Μηνύματος Διαιτησία Πλαισίωση Χρονισμοί Επίπεδα Σήματος Είδη Κονεκτόρων Είδη Καλωδίων Επίπεδο Αντικειμένου Επίπεδο Μεταδοσης Φυσικό Επίπεδο Επίπεδο Διασύνδεσης Δεδομένων Φυσικό Επίπεδο Can Model OSI Model Σχήμα 7. CAN/OSI πρότυπα. CAN Εφαρμογές Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, το CΑΝ αρχικά δημιουργήθηκε για συστήματα αυτόκίνησης, και, έτσι, η πιο συχνή του χρήση είναι στα ενδοοχηματικά ηλεκτρονικά δίκτυα. Παραδείγματα συσκευών CAN στην αυτοκίνηση αποτελούν οι ελεγκτές μηχανής (ECU),το κιβώτιο ταχυτήτων, το σύστημα των αερόσακων, οι προβολείς, τα υδραυλικά παράθυρα, το υδραυλικό τιμόνι,ο πίνακας οργάνων κτλ. 13

15 ECU Κιβώτιο Ταχυτήτων Συσκευές Αυτοκίνησης Σύστημα Αεροσακών Υδραυλικά Παράθυρα Σχήμα 8. Συσκευές Αυτοκίνησης Όταν όμως και άλλες βιομηχανίες συνειδητοποίησαν την αξιοπιστία και τα πλεονεκτήματα του CAN τα τελευταία 25 χρόνια, υιοθέτησαν τον δίαυλο σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Σιδηροδρομικές εφαρμογές όπως τραμ, μετρό, ηλεκτρικός και τρένα μεγάλων αποστάσεων ενσωμάτωσαν CAN. Συγκεκριμένα, CAN μπορούν να εντοπιστούν σε διαφορετικά επίπεδα των πολλαπλών δικτύων μέσα σε αυτά τα οχήματα, για παράδειγμα στη σύνδεση των μονάδων των πορτών ή των ελεγκτών των φρένων, μονάδες καταμέτρησης επιβατών και άλλα. Ακόμη, βρίσκει εφαρμογές στην αεροπορία με αισθητήρες κατάστασης πτήσης, συστήματα πλοήγησης και ειδικούς υπολογιστές στη θέση του πιλότου. Για την ακρίβεια, μπορούμε να δούμε CAN buses σε πολλές αεροδιαστημικές εφαρμογές, από ανάλυση δεδομένων πτήσης μέχρι συστήματα ελέγχου μηχανής του αεροσκάφους, όπως είναι τα συστήματα καυσίμων, αντλίες και γραμμικούς ενεργοποιητές. Οι κατασκευαστές ιατρικού εξοπλισμού δεν έμειναν ανεπηρέαστοι. Χρησιμοποιούν τον CAN ως ενσωματωμένο δίκτυο στις ιατρικές συσκευές. Πράγματι, σε κάποια νοσοκομεία χρησιμοποιούνται οι δίαυλοι CAN για την διαχείριση των χειρουργείων. Τα περιεχόμενα των χειρουργείων, όπως ο φωτισμός, οι πάγκοι, το σύστημα παρακολούθησης, τα μηχανήματα ακτινογραφιών και τα κρεβάτια των ασθενών, ελέγχονται σε συστήματα βασισμένα σε CAN. Οι ανελκυστήρες και οι κυλιόμενες σκάλες χρησιμοποιούν ενσωματωμένα CAN δίκτυα αλλά και CANopen πρωτόκολλα για να συνδέσουν τις συσκευές ανύψωσης μεταξύ τους και να μπορούν να τις ελέγχουν. CANopen, επίσης, χρησιμοποιείται σε μη βιομηχανικές εφαρμογές, όπως εξοπλισμό εργαστηρίου, κάμερες ακριβείας, τηλεσκόπια, αυτόματες πόρτες, μηχανήματα ύφανσης, μηχανές συσκευασίας, αυτοματοποίηση της παραγωγής, γεωργικό εξοπλισμό, ακόμη και σε μηχανές παραγωγής καφέ(κοινές καφετιέρες). ABS 14

16 Μέσα Μαζικής Μεταφοράς Άμυνα Ιατρικές Συσκευές Αεροπορία Αγροτικές Εγκαταστάσεις Βιομηχανικές Εγκαταστάσεις Εργοστασίων Σχήμα 9. Τομείς εφαρμογών. 15

17 Τρόπος λειτουργίας. Δομή μηνυμάτων πλαισίου CAN. H δομή ενός μηνύματος CAN είναι το πιο βασικό χαρακτηριστικό για να επιτευχθεί η εύρωστη επικοινωνία με ανίχνευση σφαλμάτων, καθώς επίσης η κληρονόμηση της προτεραιότητας των μηνυμάτων και η δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών οδηγών σε bit-wise διαιτησία. Οι ελεγκτές CAN διαχειρίζονται την πλαισίωση των μηνυμάτων CAN, όπως αυτό καθορίζεται στο Can 2.0b. Η σηματοδότηση μηνυμάτων CAN στο φυσικό επίπεδο γίνεται ως εξής: για την μετάδοση δευτερεύοντος λογικού 1 ο δίαυλος παραμένει σε κατάσταση υψηλής αντίστασης ως προς τη γη ενώ για την μετάδοση λογικού 0, ο δίαυλος εκπέμπει μια διαφορική τάση κυρίαρχης κατάστασης. Στα σχήματα 10 και 11, τα οποία δείχνουν τη σύσταση των πλαισίων των μηνυμάτων CAN, τα άσπρα χωρία υποδηλώνουν τη δευτερεύουσα κατάσταση του διαύλου, τα σκούρα γκρι πεδία σηματοδοτούν την κυρίαρχη κατάσταση και τα γκρι δείχνουν πεδία από bit που μπορούν να είναι είτε κυρίαρχα είτε δευτερεύοντα. Σχήμα 10. Πεδία μηνύματος CAN Σχήμα 11. Πεδία επαυξημένου μηνύματος CAN Γενικά υπάρχουν τέσσερις μηχανισμοί επικοινωνίας στο CAN. 16

18 Πλαίσιο Δεδομένων (data frame), το οποίο αποστέλνεται από έναν πομπό προς έναν αριθμό δεκτών. Aπομακρυσμένο πλαίσιο (remote frame), το οποίο μεταδίδεται από μια μονάδα, για να αιτηθεί μιας μετάδοσης πλαισίου με το ίδιο αναγνωριστικό. Πλαίσιο Σφάλματος (error frame), το οποίο μεταδίδεται από μια μονάδα σε περίπτωση κάποιου σφάλματος στον δίαυλο. Πλαίσιο υπερφόρτισης (overload frame), το οποίο παρέχει μια επιπλέον καθυστέρηση ανάμεσα στο προηγούμενο και στο προκείμενο πλαίσιο. Τα πλαίσια δεδομένων αλλά και τα απομακρυσμένα πλαίσια διαχωρίζονται από προηγούμενα πλαίσια από ένα διαπλαισιακό κενό. Δεν υπάρχει συγκεκριμένη διεύθυνση στα μηνύματα. Αντ αυτού, τα μηνύματα περιέχουν αναγνωριστικά βάσει του περιεχομένου τους, έτσι ώστε το περιεχόμενο αυτό καθ αυτό να ορίζει έμμεσα τη διεύθυνσή τους. Για να ξυπνήσουν κόμβοι που είναι σε κατάσταση ύπνου, ένα ειδικό μήνυμα ξυπνητήρι (wakeup) μπορεί να χρησιμοποιηθεί, με το μικρότερο δυνατόν μήκος αναγνωριστικού. Πλαίσια Δεδομένων (Data frame) Τα πλαίσια δεδομένων έχουν τα παρακάτω διαφορετικά πεδία bit, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 12. Σχήμα 12. Μορφή ενός πλαισίου δεδομένων. Αρχή του πλαισίου (SOF) Αυτό καθορίζει την αρχή των δεδομένων σε ένα πλαίσιο δεδομένων ή σε ένα remote πλαίσιο. Αποτελείται από ένα απλό κυρίαρχο bit. Όλες οι μονάδες στον δίαυλο συγχρονίζουν στην κυρίαρχη ακμή ανόδου του bit αυτού. Πεδίο Διαιτησίας (Arbitration Field) Σε συνδυασμό με έναν αριθμό από bit-σημαίες, αυτός ο τομέας του πλαισίου μηνύματος CAN ορίζεται ως πεδίο διαιτησίας, περιλαμβάνοντας το αναγνωριστικό του μηνύματος (ID) και σημαίες που σηματοδοτούν τον τύπο του μηνύματος, οι οποίες επιτάσσουν την διαιτησία και, ως αποτέλεσμα, την 17

19 προτεραιότητα του μηνύματος. Υπάρχουν δύο κύρια χαρακτηριστικά που μπορεί να διακρίνουν τους τύπους μηνυμάτων CAN χρησιμοποιώντας bit-σημαίες: Ένα IDE bit, που σηματοδοτεί τη χρήση ενός εκτεταμένου αναγνωριστικού. Ένα RTR bit, που σηματοδοτεί αίτημα απομακρυσμένης μετάδοσης (remote transmission request) Αιτήματα απομακρυσμένης μετάδοσης χρησιμοποιούνται για να αιτήσουν ότι ένα συγκεκριμένο μήνυμα θα αποσταλεί από τον δημιουργό του (συνήθως κόμβοι στον δίαυλο στέλνουν δεδομένα αυτόματα). Αυτό το αίτημα της απομακρυσμένης μετάδοσης είναι ένα μήνυμα χωρίς δεδομένα, απεσταλμένο από έναν κόμβο, για αίτηση προς έναν άλλο κόμβο ( ή και κόμβους ) να στείλει το μήνυμα με το ίδιο αναγνωριστικό αλλά χωρίς δεδομένα. Όπως αναπτύσσεται και παρακάτω, ένα πλαίσιο που εκτελεί αυτήν την λειτουργία, ονομάζεται remote πλαίσιο. Το SSR bit είναι ένα υποκατάστατο της αίτησης απομακρυσμένης μετάδοσης στα μηνύματα με IDE για συμβατότητα με κόμβους που χρησιμοποιούν μόνο τα βασικά μηνύματα CAN. Κάποια κρατημένα bits είναι επίσης παρόντα για μελλοντική επέκταση του πρωτοκόλλου CAN και πρέπει να διαβάζεται σαν μηδέν για να διασφαλιστεί η μελλοντική συμβατότητα. Πεδίο κώδικα μήκους δεδομένων (DLC) Μέχρι και 8 bytes από δεδομένα μπορούν να είναι παρόντα σε ένα πλαίσιο μηνύματος CAN. Το μήκος των δεδομένων στο πλαίσιο είναι κωδικοποιημένο στο πεδίο DLC. Ένα αίτημα απομακρυσμένης μετάδοσης (remote frame) έχει την πληροφορία του μήκους του αιτούμενου πλαισίου δεδομένων. Πρέπει να παρατηρήσουμε ότι μόνο τιμές από μηδέν έως οκτώ είναι έγκυρες για ένα DLC πεδίο. Πεδίο Δεδομένων (Data field) Το πεδίο αυτό αποτελείται από τα 8 bit της κύριας πληροφορίας του μηνύματος, με πρώτο το MSB (most significant bit) Πεδίο ελέγχου κυκλικού πλεονασμού (CRC) Το πεδίο CRC είναι ένα μέρος του μηχανισμού ελέγχου σφαλμάτων στο πρωτόκολλο του CAN. Το πεδίο αυτό περιέχει μια ακολουθία η οποία δημιουργήθηκε από το περιεχόμενο του πλαισίου του CAN, η οποία είναι το υπόλοιπο από μια πολυωνυμική διαίρεση (υπόλοιπο 2). Η ακολουθία αυτή και τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια άλλη πολυωνυμική διαίρεση για να ελεγχθεί ότι κανένα από τα bits που στάλθηκαν δεν λήφθηκε κατά λάθος σε ανεστραμμένη ή εσφαλμένη κατάσταση. Χρησιμοποιείται κυρίως το πολυώνυμο x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1. Το πεδίο CRC έχει οριοθετηθεί από το ACK slot που ακολουθεί για να εξασφαλισθεί ότι δεν έχει επηρεαστεί από την συμπεριφορά ACK. Πεδίο Αναγνώρισης (ACK slot) Παρόλο που το ACK slot έχει μεταδοθεί ως Λογικό 1 (δευτερεύουσα κατάσταση ) από τον δημιουργό του μηνύματος, η μετάδοση χωρίς σφάλματα επιτυγχάνεται μόνο όταν κατά την αναστροφή του bit στον δίαυλο έχει καταχωρηθεί κυρίαρχη κατάσταση από έναν άλλο κόμβο. Κάθε άλλος κόμβος που λαμβάνει τα πεδία των προηγούμενων μηνυμάτων χωρίς σφάλματα θα προσπαθεί αυτόματα να μεταδώσει λογικό 18

20 μηδέν ως απόδειξη αναγνώρισης του μηνύματος. Ένας ACK delimiter ( δευτερεύουσα κατάσταση μήκους ενός bit) είναι παρών για να επιτρέπει την ύπαρξη ενός κενού χώρου πριν το υπόλοιπο του μηνύματος. Σε περίπτωση που ο κόμβος μεταδώσει ACK, έχει ελαφρώς διαφορετικό χρονισμό και το κυρίαρχο bit υπερπηδάει στην επόμενη περίοδο ( αυτό είναι και το διάστημα του delimiter ). Εάν ο δίαυλος παραμείνει σε δευτερεύουσα κατάσταση λειτουργίας κατά τη διάρκεια του ACK slot και κάποιος κόμβος το αναγνωρίσει, τότε ο κόμβος αυτός θα αρχίσει να μεταδίδει ένα πλαίσιο σφάλματος στην επόμενη περίοδο. Πιο απλά αποτελεί ένα μέρος, το οποίο είναι η απόδειξη σωστής αποστολής του μηνύματος. Ο δέκτης του μηνύματος, στέλνει ένα μήνυμα στον πομπό με ένα bit κυρίαρχης λειτουργίας στο ACK slot. Αμέσως μετά από το slot αυτό, υπάρχει ένας πεδίο από τον delimiter, το οποίο είναι ένα απλό δευτερεύον bit. Τέλος του πλαισίου (EOF). To τέλος του πλαισίου αναγνωρίζεται από μια ακολουθία 7-bit σε δευτερεύουσα κατάσταση λειτουργίας, η οποία δεν υπάρχει περίπτωση να προκύψει στο υπόλοιπο μήνυμα. Μετά το EOF ακολουθεί ένα κενό σε δευτερεύουσα κατάσταση λειτουργίας, το οποίο επίσης είναι παρατηρήσιμο ( το ακριβές μέγεθος του διακένου αυτού εξαρτάται από το μήκος του χρόνου για το οποίο πρέπει ο δίαυλος να είναι αδρανής για κάποιο συγκεκριμένο ελεγκτή.) Στα σχήματα 10, 11 και 12 φαίνονται λεπτομερώς όλα τα προαναφερθέντα πεδία. Πλαίσιο αίτησης απομακρυσμένης λειτουργίας (Remote frame) Ο παραλήπτης συγκεκριμένων δεδομένων μπορεί να εκκινήσει τη διαδικασία μετάδοσης από τον δέκτη των δεδομένων σε αυτόν, μεταδίδοντας απλά ένα remote πλαίσιο. Έχει ακριβώς τα ίδια πεδία με το πλαίσιο δεδομένων, αλλά δεν έχει πεδίο δεδομένων. Αναγνωρίζεται από ένα bit σε δευτερεύουσα κατάσταση λειτουργίας, το RTR bit (Σε πλαίσια δεδομένων, η αναγνώριση γίνεται από bit σε κυρίαρχη κατάσταση λειτουργίας), όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Αυτό το είδος πλαισίου χρησιμοποιείται για την εφαρμογή διαχείρισης της πυκνότητας κίνησης του διαύλου αίτηση-απάντηση ( request-response). Πλαίσιο Σφάλματος (Error frame) Τα πλαίσια σφαλμάτων έχουν δύο διαφορετικά πεδία, τις σημαίες σφάλματος και έναν delimiter σφάλματος ( 8 bit δευτερεύουσας κατάστασης). Υπάρχουν δύο τύποι σημαίας σφάλματος, οι ενεργές και οι παθητικές. Μια ενεργή σημαία σφάλματος έχει έξι συνεχόμενα bit κυρίαρχης κατάστασης, ενώ μια παθητική σημαία έχει συνεχόμενα bit δευτερεύουσας κατάστασης (εκτός εάν επανεγγραφούν από κάποια κυρίαρχα bit άλλων κόμβων). Μετά την εκπομπή μια σημαίας σφάλματος, κάθε κόμβος στέλνει τα bits δευτερεύουσας κατάστασης και μετά παρακολουθεί τον δίαυλο μέχρι να εντοπίσει ένα τέτοιο bit. Μόλις το εντοπίσει στέλνει άλλα επτά bit δευτερεύουσας κατάστασης. To πλαίσιο σφάλματος παραβιάζει τους κανόνες γεμίσματος bit ενός μηνύματος CAN. Εκπέμπεται όταν ένας κόμβος ανιχνεύσει ένα σφάλμα και προκαλεί την αναγνώριση τους σφάλματος και από τους άλλους κόμβους (όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, οι άλλοι κόμβοι στέλνουν και αυτοί πλαίσια σφάλματος). Μετά από αυτό, ο πομπός ξαναστέλνει αυτόματα το μήνυμα. 19

21 Πλαίσιο υπερφόρτισης (overload frame) Ένα πλαίσιο υπερφόρτισης αποτελείται από δύο πεδία, τη σημαία υπερφόρτισης (έξι κυρίαρχα bit) και έναν delimiter υπερφόρτισης (8 δευτερεύοντα bit). Συνήθως, δύο πλαίσια υπερφόρτισης μπορεί να δημιουργηθούν για να καθυστερήσουν την μετάδοση των επόμενων data frame ή remote frame. Η μορφή των σημαιών υπερφόρτισης καταστρέφει τη σταθερή μορφή του διαπλαισιακού κενού. Έτσι, όλοι οι άλλοι κόμβοι ανιχνεύουν την κατάσταση υπερφόρτισης. Οι δύο συνθήκες που προκαλούν την εκπομπή ενός πλαισίου υπερφόρτισης είναι: Eσωτερικές συνθήκες ενός παραλήπτη, οι οποίες προσθέτουν μια καθυστέρηση πριν τη λήψη των επόμενων μηνυμάτων. Ανίχνευση ενός κυρίαρχου bit κατά το διάστημα διακοπής. Μετά την εκπομπή μιας σημαίας υπερφόρτισης, οι κόμβοι παρακολουθούν τον δίαυλο μέχρι να εντοπίσουν τη μετάβαση ενός κυρίαρχου bit σε δευτερεύον. Τότε, κάθε κόμβος αρχίζει να εκπέμπει επτά επιπλέον bit δευτερεύουσας κατάστασης. Διαπλαισιακό Κενό (interframe spacing) Τα πλαίσια δεδομένων καθώς επίσης και τα remote πλαίσια διαχωρίζονται από προηγούμενα πλαίσια με ένα διαπλαισιακό κενό. Αυτό περιλαμβάνει ένα διάλειμμα (τρία bit στη δευτερεύουσα κατάσταση) και κάποια πεδία bit που χαρακτηρίζουν την αδράνεια του διαύλου. Κατά το διάστημα του διαλείμματος, κανένας κόμβος δεν μπορεί να αρχίσει να εκπέμπει δεδομένα. Το διάστημα για το οποίο ο δίαυλος είναι αδρανής μπορεί να είναι απεριόριστα μεγάλο (ελεύθερη κατάσταση διαύλου). Μετά από αυτό, η ανίχνευση ενός κυρίαρχου bit στον δίαυλο μεταφράζεται ως αρχή ενός νέου πλαισίου (SOF) Διαιτησία (arbitration) Σε έναν απλό δίαυλο CAN, κάθε κόμβος μπορεί να εκπέμπει δεδομένα. Οι κόμβοι υφίστανται διαιτησία για τη χρήση του διαύλου, έτσι ώστε, σε περίπτωση που δύο ή περισσότεροι κόμβοι επιχειρούν να εκπέμψουν, τα μηνύματα εκπέμπονται το ένα μετά το άλλο, ανάλογα με την προτεραιότητα που έχει δοθεί. Μη καταστρεπτική και διαφανής διαιτησία είναι εφικτή γιατί η μετάδοση ενός κυρίαρχου bit επικαλύπτει την δευτερεύουσα κατάσταση λειτουργίας. Ο ελεγκτής CAN του κάθε κόμβου παρακολουθεί τον δίαυλο καθώς εκπέμπει και, συνεπώς, μπορεί να ανιχνεύσει εάν κάποιος άλλος κόμβος νικήσει την διαιτησία. Με τους όρους μη καταστρεπτική και διαφανής εννοούμε ότι τα μηνύματα δεν καταστρέφονται και η μετάδοση του μηνύματος με την υψηλότερη προτεραιότητα είναι μη διακόψιμη από τη διαιτησία. Εάν ο δίαυλος είναι ενεργός (ένας κόμβος εκπέμπει ή μόλις έχει τελειώσει μια εκπομπή), κανένας άλλος κόμβος δεν θα επιχειρήσει μετάδοση. Εάν ο δίαυλος είναι αδρανής (για χρόνο-μήκος τουλάχιστον ίσο με το διαπλαισιακό κενό) και πάνω από ένας κόμβοι ξεκινούν την εκπομπή, προκύπτει διαιτησία διαφανώς και μη καταστρεπτικά ( όπως αναφέρθηκε). Πιο συγκεκριμένα, μη καταστρεπτική διαιτησία σημαίνει ότι ο κόμβος που κερδίζει τη διαιτησία μπορεί απλά να συνεχίσει τη μετάδοση του μηνύματός του χωρίς κάποιος άλλος κόμβος να επέμβει με την εκπομπή του δικού του μηνύματος. 20

22 Χρησιμοποιώντας το σχήμα 13 σαν παράδειγμα, και οι δύο κόμβοι έχουν επιχειρήσει να εκπέμψουν την ίδια χρονική στιγμή. Και οι δυο κόμβοι CAN παρακολουθούν την κατάσταση του δίαυλου καθώς εκπέμπουν και, καθώς ο κόμβος 2 επιχειρεί να εκπέμψει το SID7, μπορεί να ανιχνεύσει ότι ένας άλλος κόμβος ( εδώ ο κόμβος 1) έχει γράψει μια κυρίαρχη τιμή στον δίαυλο και έχει κερδίσει την διαιτησία. Έτσι ο κόμβος 2 δεν επιχειρεί την επαναποστολή μέχρις ότου ο δίαυλος να είναι αδρανής για χρονικό διάστημα ίσο με το διαπλαισιακό κενό. Ο κόμβος 1 συνεχίζει την μετάδοση όμως συνεχίζει και να παρακολουθεί τον δίαυλο για να μπορέσει να εντοπίσει πιθανά σφάλματα ή πιθανή νίκη διαιτησίας με άλλον κόμβο σε επόμενη διαμάχη. Παρατηρήστε στην εικόνα το παράδειγμα του γεμίσματος bit μετά τα αρχικά πέντε κυρίαρχα bit του 1ου κόμβου. Αυτά τα επιπλέον bit είναι σημαντικά. Επιτρέπουν τους κόμβους να συγχρονίζουν τους χρονισμούς τους και επίσης χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση σφαλμάτων. Σχήμα 13. Παράδειγμα διαιτησίας Προτεραιότητα μηνυμάτων Τα πλαίσια μηνυμάτων CAN εκπέμπονται με πρώτο το πιο σημαντικό bit (MSB), και καθώς τα IDs (αναγνωριστικά) των μηνυμάτων είναι στην αρχή του πλαισίου, σχηματίζουν ένα μέρος της ακολουθίας της διαιτησίας. Μηνύματα με χαμηλότερο ID ( περισσότερα αρχικά 0) έχουν υψηλότερη προτεραιότητα. Επιπρόσθετα, τα remote frames ( RTR bit=1 ) έχουν χαμηλότερη προτεραιότητα από τα πλαίσια δεδομένων με το ίδιο ID. Χρονισμοί Bit Κάθε bit στον CAN bus χωρίζεται, για λόγους χρονισμού, τουλάχιστον σε 4 κβάντα χρόνου. Τα κβάντα αυτά είναι διαιρεμένα σε 4 ομάδες ή τμήματα. 21

23 Τμήμα συγχρονισμού. Έχει το μήκος ενός κβάντου και χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό των clocks. Μια ακμή ανόδου bit αναμένεται να λάβει χώρα εκεί όπου τα δεδομένα μεταβάλλονται στον δίαυλο. Τμήμα αναμετάδοσης. Χρειάζεται για να μετριάσει την καθυστέρηση στις γραμμές του διαύλου. Τμήμα 1 ης φάσης. Αυτό μπορεί να μικραίνει ή να μεγαλώνει σε μήκος ( τμήμα 2ης φάσης), εάν είναι απαραίτητο, έτσι ώστε να διατηρούνται τα clock συγχρονισμένα. Τα επίπεδα του διαύλου υφίσταται σε αυτό το κβάντο δειγματοληψία. Τμήμα 2 ης φάσης. Το σχήμα 14 δείχνει το σχήμα ενός bit. Οι περισσότεροι ελεγκτές CAN επίσης παρέχουν την δυνατότητα να γίνει δειγματοληψία τρεις φορές σε κάθε bit. Σε αυτήν την περίπτωση, η δειγματοληψία λαμβάνεται στα άκρα των δύο κβάντων, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 14. Χρονισμοί Bit Συγχρονισμός ρολογιού Με σκοπό τη ρύθμιση του on-chip ρολογιού του διαύλου, ένας ελεγκτής CAN μπορεί είτε να συντομεύσει είτε να επιμηκύνει ένα bit κατά ένα ολόκληρο αριθμό κβάντων χρόνου, όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω. Ο μέγιστος αριθμός κβάντων ορίζεται ως το εύρος άλματος συντονισμού: Βίαιος συγχρονισμός συμβαίνει κατά την μετάβαση δευτερεύουσα σε κυρίαρχη κατάσταση του bit SOF. Ο χρόνος του bit επανεκκινεί από το μέγιστο. Επανασυγχρονισμός συμβαίνει όταν μία ακμή ανόδου bit δεν συμβαίνει μέσω του τμήματος συγχρονισμού σε ένα μήνυμα. Αυτό το bit αναδιαμορφώνεται (αυξάνει ή ελαττώνει το μήκος του) κατά μία ποσότητα που εξαρτάται από το σφάλμα φάσης στο σήμα (η μέγιστη τιμή καθορίζεται από το εύρος άλματος συγχρονισμού). 22

24 Λειτουργίες σφαλμάτων στον δίαυλο Το πρότυπο ISO ορίζει διάφορες λειτουργίες σφαλμάτων σε ένα καλώδιο τύπου CAN2.0b. Αυτές είναι : CAN_H interrupted.(με διακοπή) CAN_L interrupted.(με διακοπή) CAN_H shorted to battery voltage. (περιορισμένο στην τάση της μπαταρίας). Μηχανισμοί Σφαλμάτων Τα CAN ενσωματώνουν ποικίλους μηχανισμούς που υποστηρίζουν την εύρεση και την αντιμετώπιση σφαλμάτων. Οι κύριοι είναι οι Επιβεβαίωση εκπομπής bit. Κανόνες γεμίσματος bit. Έλεγχος πεδίων με φιξαρισμένες τιμές. Αναγκαστική επιβεβαίωση-ανταπόδοση μηνύματος. Eπιβεβαίωση εκπομπής bit Ένας κόμβος πομπός παρακολουθεί τον δίαυλο καθώς εκπέμπει για να επιβεβαιώσει ότι κάθε bit εμφανίζεται στον δίαυλο όπως προβλεπόταν. Η ανίχνευση ενός αντίστροφου επιπέδου bit στον δίαυλο ερμηνεύεται ως σφάλμα επιπέδου bit, το οποίο είναι μια μορφή σφάλματος μετάδοσης. Υπάρχουν δύο πιθανές περιπτώσεις όπου ένα αντίστροφο επίπεδο bit αναμένεται χωρίς σφάλμα : Όταν το πεδίο διαιτησίας εκπέμπεται ως δευτερεύον. Ωστόσο, αναμένεται ότι η κατάσταση του διαύλου θα αλλάξει σε κυρίαρχη όσο άλλοι κόμβοι θα αναγνωρίζουν το μήνυμα. Όταν ένας κόμβος που στέλνει μια παθητική σημαία σφάλματος διαπιστώνει την κυρίαρχη κατάσταση του διαύλου. Κανόνες γεμίσματος Bit Η διαδικασία γεμίσματος των μεταδιδόμενων bit αναφέρεται στη διαδικασία μέσω της οποίας ένας κόμβος που εκπέμπει κάποιο μήνυμα εισάγει ένα συμπληρωματικό bit στη μεταδιδόμενη ροή bit μετά από πέντε διαδοχικά bit του μηνύματος με την ίδια τιμή. Αυτή η μορφή κωδικοποίησης χρησιμοποιείται σε ένα ολόκληρο πλαίσιο δεδομένων ή σε remote πλαίσιο με εξαίρεση των προκαθορισμένων μορφών των πεδίων bit για CRC delimiter, ACK field, και το τέλος του πλαισίου. Πλαίσια σφαλμάτων ή υπερφόρτισης είναι επίσης προκαθορισμένης μορφής. Κάθε κόμβος που παραλαμβάνει ένα μήνυμα που δεν ακολουθεί τους κανόνες γεμίσματος (παραπάνω από πέντε διαδοχικά δευτερεύοντα ή κυρίαρχα bit σε μία ακολουθία που θα έπρεπε να εμπλουτιστούν) θα εκλαμβάνει αυτό το γεγονός ως παραλαβή ενός σφάλματος και θα αναλαμβάνει δράση ανεξάρτητα, δηλαδή σε επίπεδο κόμβου (για παράδειγμα, μετάδοση ενός ενεργού ή παθητικού πλαισίου σφάλματος). 23

25 Έλεγχος CRC. To CRC, όπως έχει προαναφερθεί, είναι μια ακολουθία από bits η οποία υπολογίζεται βάσει του πρώτου μέρους του πλαισίου CAN. Ο κόμβος πομπός υπολογίζει την ακολουθία διαιρώντας ένα σταθερό πολυώνυμο με το πολυώνυμο που υπολογίζεται από τα δεδομένα του μηνύματος, έτσι ώστε να παραχθεί ένα υπόλοιπο που χρησιμοποιείται ως η CRC ακολουθία. Η ακολουθία αυτή εισέρχεται στο μήνυμα CAN στο πεδίο CRC. Ο κόμβος δέκτης διαιρεί και αυτός το σταθερό πολυώνυμο σε ένα πολυώνυμο που απαρτίζεται από τη μορφή των δεδομένων και τη CRC ακολουθία. Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν σφάλματα, το υπόλοιπο πρέπει να είναι μηδέν. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται έλεγχος CRC. Εάν το ληφθέν μήνυμα έχει σφάλμα στο πεδίο CRC, τότε ο έλεγχος CRC αποτυγχάνει. Έλεγχος bit πεδίων με σταθερή μορφή. Συγκεκριμένα πεδία bit σε ένα μήνυμα πλαισίου CAN έχουν φιξαρισμένες τιμές, ιδίως ο delimiter της CRC ακολουθίας, ο delimiter του πεδίου ACK και του EOF. Οι κόμβοι δέκτες εκτελούν έναν έλεγχο για να διαπιστώσουν ότι αυτοί έχουν ληφθεί σωστά. Επιβεβαίωση-Ανταπόδοση μηνύματος. Παρόλο που το πεδίο διαιτησίας εκπέμπεται σε δευτερεύουσα κατάσταση, ο κόμβος πομπός ελέγχει για ένα κυρίαρχο bit στον δίαυλο καθ όλη τη διάρκεια μετάδοσης. Το κυρίαρχο αυτό bit είναι ένα ACK bit, το οποίο μπορεί να έχει σταλεί από κάθε κόμβο ο οποίος έλαβε ένα μήνυμα χωρίς σφάλματα. Η εισαγωγή του ΑCK bit σε ένα μήνυμα CAN από έναν δέκτη φαίνεται στο σχήμα 15, εικονισμένο με χαμηλότερη διαφορά, όπως αυτό θα γινόταν αντιληπτό από έναν κόμβο δέκτη που βρίσκεται στο τέλος του διαύλου. Σχήμα 15. Παράδειγμα χρήσης ACK. 24

26 Αυτά τα λάθη διαχειρίζονται από τους ακόλουθους μηχανισμούς: Μηχανισμός πλαισίου σφαλμάτων Μηχανισμός μετρητών σφαλμάτων Μηχανισμός καταστάσεων σφαλμάτων κόμβων Ένας CAN ελεγκτής ανιχνεύει και διαχειρίζεται αυτά τα σφάλματα και υποστηρίζει την ανίχνευση σφαλμάτων πλαισιώνοντας τα μηνύματα του διαύλου σύμφωνα με το CAN 2.0b. Μηχανισμός πλαισίου σφαλμάτων Ένα πλαίσιο σφάλματος, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, διακρίνεται από την ακολουθία έξι συνεχόμενων bit. Η ακολουθία αυτή είναι κυρίαρχης ή δευτερεύουσας κατάστασης, ανάλογα με την κατάσταση του κόμβου που εκπέμπει το σφάλμα. Η ακολουθία αυτή παραβιάζει τους κανόνες ομαλής μετάδοσης και ανιχνεύεται πολύ εύκολα από άλλους κόμβους. Κάθε κόμβος εκπέμπει πλαίσια σφάλματος αμέσως μόλις ανιχνεύσει ένα σφάλμα. Καθώς ένα πλαίσιο σφάλματος εντοπίζεται από έναν κόμβο, αυτός εκπέμπει εκ νέου ένα πλαίσιο σφάλματος. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό και ως φαινόμενο χιονοστιβάδας, πλημμυρίζει τον δίαυλο με πλαίσια σφάλματος. Η ακολουθία των έξι συνεχόμενων bit είναι η σημαία σφάλματος. Ένα πλαίσιο σφάλματος εμπεριέχει επίσης και έναν delimiter σφάλματος, για να επιτρέψει τις σημαίες σφάλματος από άλλους κόμβους να υπερπηδήσουν τις αρχικές έξι περιόδους bit. Ένα παράδειγμα εκπομπής ενός πλαισίου CAN με σφάλμα και ένα παρακείμενο ενεργό πλαίσιο σφάλματος φαίνεται στο σχήμα 15 για τη σύγκρισή του με ένα πλαίσιο χωρίς σφάλμα. Μηχανισμός μετρητών σφαλμάτων Κάθε κόμβος CAN πρέπει να διαθέτει δύο μετρητές, έναν μετρητή εκπεμπόμενων σφαλμάτων και έναν μετρητή ληφθέντων σφαλμάτων. Αυτά αυξάνονται στην αναγνώριση ενός σφάλματος και μειώνονται στην επιτυχή αποστολή ενός μηνύματος που επαναστάλθηκε. Μηχανισμός καταστάσεων σφαλμάτων κόμβων. Ανάλογα με τους μετρητές σφαλμάτων, ένας κόμβος μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τρεις παρακάτω καταστάσεις που αφορούν τα σφάλματά τους: Ενεργό Σφάλμα Παθητικό Σφάλμα Αποκοπή Διαύλου. Στην κατάσταση ενεργού σφάλματος, ο κόμβος αναμένεται να είναι ικανός να επικοινωνεί με τον δίαυλο, άρα και να εκπέμψει στον δίαυλο ενεργές σημαίες σφάλματος, όταν ένα σφάλμα εντοπιστεί. Οι μετρητές σφαλμάτων πρέπει να έχουν τιμή μικρότερη από 127 για να μπορέσει ο κόμβος να παραμείνει σε αυτήν την κατάσταση. Στην κατάσταση παθητικού σφάλματος, ο κόμβος μπορεί μόνο να στέλνει παθητικές σημαίες σφάλματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Ο κόμβος εισέρχεται σε αυτήν την κατάστασης όταν κάποιος από τους δύο μετρητές σφαλμάτων φτάσει ή ξεπεράσει το 127. Ο κόμβος εισέρχεται ξανά σε κατάσταση ενεργού σφάλματος μόλις μειωθούν οι μετρητές κάτω από το

27 Στην κατάσταση αποκοπής, ο κόμβος δεν επιτρέπεται να επικοινωνεί με τον δίαυλο. Αυτή η κατάσταση προκύπτει μόλις ο μετρητής εκπεμπόμενων σφαλμάτων φτάσει ή ξεπεράσει το 256. Μετά την ανίχνευση 128 ακολουθιών από 11 συνεχόμενα bit δευτερεύουσας κατάστασης, ο κόμβος μπορεί να επαναφέρει τους μετρητές σφαλμάτων του στο 0, άρα και να επανέρθει στην κατάσταση ενεργού σφάλματος. 26

28 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Τοπολογία Δικτύου Τα ηλεκτρικά σήματα στον δίαυλο ανακλώνται στο τέλος της γραμμής μεταφοράς. Αν δεν ληφθούν μέτρα για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού, οι κόμβοι δε θα είναι σε θέση να διαβάσουν σωστά την τάση στον δίαυλο, άρα και θα λαμβάνουν λάθος τα bits. Για να αποφευχθεί η συμπεριφορά αυτή, τοποθετείται στα άκρα της γραμμής μια αντίσταση τερματισμού. Ο τρόπος αυτός απομόνωσης θα περιγραφεί λεπτομερώς παρακάτω. Ο υψηλότερος δυνατός δείκτης εκπομπής επιτυγχάνεται κρατώντας τη δομή της γραμμής όσο το δυνατόν πιο κοντά στη δομή απλής γραμμής και τερματίζοντας τα δύο άκρα της Είναι δυνατό να ξεπεράσουμε τους περιορισμούς της τοπολογίας της απλής γραμμής χρησιμοποιώντας επαναλήπτες, γέφυρες ή και πύλες. Ένας επαναλήπτης μεταφέρει ένα ηλεκτρικό σήμα από ένα τμήμα του φυσικού διαύλου σε ένα άλλο. Το σήμα μόνο ανανεώνεται και ο επαναλήπτης μπορεί να θεωρηθεί σαν παθητικό στοιχείο, συγκρινόμενο μάλιστα με την ίδια τη γραμμή. Ο επαναλήπτης διαιρεί τη γραμμή σε δύο φυσικά ανεξάρτητα τμήματα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια εισαγωγή καθυστέρησης στη γραμμή. Παρόλα αυτά, όλο το σύστημα θεωρείται σύστημα ενός διαύλου/μιας γραμμής. Η γέφυρα συνδέει δύο λογικά ξεχωριστά κομμάτια του δικτύου στο επίπεδο 2 του OSI. Αυτό συμβαίνει έτσι ώστε τα αναγνωριστικά CAN να είναι μοναδικά σε κάθε ένα από τα δύο ξεχωριστά αυτά συστήματα του διαύλου. Οι γέφυρες ενσωματώνουν μια συνάρτηση μνήμης και μπορούν να προωθούν μηνύματα ή μέρη τους σε μια ανεξάρτητη χρονική στιγμή - δηλαδή δημιουργούν καθυστερημένη εκπομπή. Οι γέφυρες διαφέρουν από τους επαναλήπτες στο γεγονός ότι προωθούν τα μηνύματα, τα οποία δεν είναι τοπικά, ενώ οι επαναλήπτες προωθούν όλα τα ηλεκτρικά σήματα, ακόμα και το αναγνωριστικό του μηνύματος CAN. Μια πύλη επιτρέπει τη σύνδεση δικτύων με διαφορετικά πρωτόκολλα υψηλού επιπέδου. Για το λόγο αυτό εκτελεί μια μετάφραση των δεδομένων διαφορετικών πρωτοκόλλων ανάμεσα σε δύο συστήματα επικοινωνιών. Η μετάφραση αυτή λαμβάνει χώρα στο επίπεδο εφαρμογής (επίπεδο 7) του OSI. Σχήμα 16. Παράδειγμα Δικτύου CAN. 27

29 Φυσικός Δίαυλος Χαρακτηριστικά Όπως έχει αναφερθεί, ο δίαυλος CAN χρησιμοποιεί μια πολιτική NRZ (non-return to zero) με κανόνες γεμίσματος bit για το φυσικό επίπεδο. Το bit Μπορεί να είναι κυρίαρχο (ως λογικό μηδέν) ή δευτερεύον (ως λογικό 1), το οποίο αντιστοιχίζεται σε συγκεκριμένα επίπεδα τάσης που εξαρτώνται από το φυσικό επίπεδο που χρησιμοποιείται. Tα εξαρτήματα συνδέονται στον δίαυλο σε μέσω μιας πύλης AND, έτσι ώστε, εάν ένας κόμβος βάλει τη γραμμή σε κυρίαρχο επίπεδο, τότε όλη η γραμμή πάει σε αυτήν την κατάσταση, ανεξαρτήτων των υπόλοιπων επίπεδων. Πολλά φυσικά επίπεδα μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως : ISO Τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου για το CAN καθορίζονται στο ISO Αυτό το πρότυπο προσδιορίζει την χρήση καλωδίων που απαρτίζονται από παράλληλους αγωγούς με χαρακτηριστική αντίσταση 120 Ω (95 Ω ελάχιστο και 140 Ω μέγιστο). Η χρήση θωρακισμένου αγωγού συνεστραμμένων ζευγών είναι γενικά απαραίτητη για λόγους ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, παρόλο που το ISO επιτρέπει και μη θωρακισμένα καλώδια. ISO Χαμηλότερης ταχύτητας εφαρμογή για σύστημα δισύρματων καλωδίων. Ιδιωτικά φυσικά επίπεδα. RS σταθερή σύνδεση. SAE χρήση απλού καλωδίου. Η μέγιστη ταχύτητα ενός διαύλου CAN είναι 1Mbps. Σε μέγιστη ταχύτητα, το μέγιστο μήκος του καλωδίου είναι περίπου 40 μέτρα. Παρ όλα αυτά, σε χαμηλότερους ρυθμούς, είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν και μακρύτερες γραμμές. Αυτό το μήκος είναι περιοριστικός παράγοντας του μηχανισμού διαιτησίας, καθώς ο μηχανισμός αυτός απαιτεί τους παλμούς να μεταδίδονται μέχρι και στον πιο απομακρυσμένο κόμβο και να επιστρέφουν γρήγορα πριν γίνει δειγματοληψία. Το ISO προσδιορίζει μια τοπολογία γραμμής με ανεξάρτητους κόμβους συνδεδεμένους χρησιμοποιώντας κοινά στελέχη. Ελαχιστοποιεί το μήκος του στελέχους ( 0.3 μέτρα για ταχύτητες δεδομένων του 1 Mb). Χαρακτηριστικά μεγέθη είναι: 500 kbps στα 100 μέτρα 250 kbps στα 200 μέτρα 125 kbps στα 500 μέτρα 10 kbps στα 6 χιλιόμετρα Δεν υπάρχουν συγκεκριμένοι κονέκτρορες CAΝ, αλλά κάποιοι τυπικοί φαίνονται στο σχήμα 17. Σχήμα 17. Τυπικοί Κονέκτορες CAN 28

30 Τερματισμός Σε μια γραμμή μεταφοράς υπάρχουν δύο ρευματοφόρα μονοπάτια: ένα για να μεταφέρει το ρεύμα από τον οδηγό στον δέκτη και ένα άλλο που παρέχει την διαδρομή πίσω στον οδηγό. Οι συνδέσεις CAN είναι λίγο πιο πολύπλοκες εξ αιτίας του γεγονότος ότι διαθέτουν δύο αγωγούς σημάτων που μοιράζονται την τελική τους απόληξη καθώς και την διαδρομή τους προς τη γη. Όμως, οι θεμελιώδεις αρχές των γραμμών μεταφοράς είναι οι ίδιες. Για αξιόπιστη επικοινωνία μέσω CAN, είναι ουσιαστικό οι ανακλάσεις των γραμμών μεταφοράς να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω κατάλληλων απολήξεων. Στο σχήμα 18 φαίνονται δύο μορφές τερματισμού των γραμμών σε εφαρμογές τύπου CAN. Οι αντανακλάσεις συμβαίνουν πολύ γρήγορα κατά τη διάρκεια αλλά και μετά από τη μετάδοση σημάτων. Σε μία γραμμή μεγάλου μήκους, ενδέχεται οι ανακλάσεις να συνεχιστούν για μεγάλο μήκος με αποτέλεσμα να προκληθούν λάθη στην ανάγνωση των λογικών επιπέδων των μηνυμάτων από τον παραλήπτη. Αντιθέτως σε κοντές γραμμές, οι ανακλάσεις συμβαίνουν πολύ πιο γρήγορα και δεν έχουν καμία επίδραση στις προσλαμβανόμενες λογικές στάθμες. Παράλληλος Τερματισμός Σε εφαρμογές CAN, και τα δύο άκρα του καναλιού πρέπει να τερματίζουν καθώς οποιοσδήποτε κόμβος πάνω σ αυτό μπορεί να μεταδώσει δεδομένα. Κάθε τέλος της σύνδεσης έχει μια αντίσταση τερματισμού ίση με την χαρακτηριστική αντίσταση του καλωδίου, αν και η προτεινόμενη τιμή για αντιστάσεις τερματισμού είναι 120Ω (100Ω ελάχιστο και 130Ω μέγιστο). Δεν πρέπει να υπάρχουν πάνω από δύο αντιστάσεις τερματισμού στο δίκτυο, ανεξαρτήτως του πλήθους κόμβων που συνδέονται σε αυτό, γιατί πρόσθετοι τερματισμοί προσθέτουν επιπλέον φόρτωση στους οδηγούς. Το πρότυπο ISO προτείνει να μην ενσωματώνεται κάποια αντίσταση τερματισμού σε έναν κόμβο αλλά να προστίθεται μία αυτόνομη αντίσταση τερματισμού στα πιο απομακρυσμένα άκρα του διαύλου. Αυτό σκοπεύει στην αποφυγή απωλειών λόγω αντιστάσεων τερματισμού εάν ο κόμβος περιλαμβάνει μια αντίσταση που αποσυνδεθεί. Επίσης, αυτή η τακτική αποσκοπεί στην αποφυγή σύνδεσης περισσοτέρων των δύο αντιστάσεων τερματισμού στον δίαυλο, ή στην τοποθέτηση αντιστάσεων τερματισμού σε άλλα σημεία του διαύλου πέρα από τα δύο άκρα του. Παράλληλος τερματισμός με φιλτράρισμα Common Mode Για περαιτέρω βελτίωση της ποιότητας του σήματος, διαιρούνται οι αντιστάσεις τερματισμού κάθε απόληξης του καλωδίου στα δύο και προστίθεται μια χωρητικότητα φίλτρο, CT, μεταξύ των δύο αντιστάσεων. Η χωρητικότητα αυτή φιλτράρει και αποβάλλει τον ανεπιθύμητο υψηλής συχνότητας θόρυβο από τις γραμμές του διαύλου και μειώνει τις εκπομπές λόγω common-mode. 29

31 Σχήμα 18. Τρόποι παράλληλου τερματισμού της γραμμής. Απομόνωση Σε CAN εφαρμογές, υπάρχουν συχνά μεγάλου μήκους συνδέσεις που μπορούν να προκαλέσουν το επίπεδο τάσης γης σε διαφορετικούς κόμβους να είναι διαφορετικό. Αυτό έχει ώς αποτέλεσμα τα ρεύματα προς τη γη να ρέουν μέσω του μονοπατιού με την μικρότερη αντίσταση είτε δηλαδή μέσω της κοινής γης είτε μέσω του καλωδίου γείωσης. Εάν το ίδιο ηλεκτρικό σύστημα χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των ενεργειακών προμηθειών όλων των κόμβων με την ίδια γη, μπορεί να προκληθεί μειωμένος θόρυβος δια μέσου της γείωσης. Ας σημειωθεί όμως ότι στους κινητήρες, στους διακόπτες και σε άλλον ηλεκτρικά θορυβώδη εξοπλισμό μπορεί να προκληθεί γηγενής θόρυβος στο σύστημα. Σχήμα 19. Η Γαλβανική απομόνωση επιτρέπει στην πληροφορία να ρέει ενώ εμποδίζει παράσιτα ρεύματα να ρέουν. Διαφορικά συστήματα παροχής απαιτούνται σε αρκετές εφαρμογές. Αυτό είναι πιθανό να αυξήσει την εμπέδηση της φυσικής γείωσης και τα παράσιτα ρεύματα από άλλες πηγές είναι πολύ πιθανό να βρουν το δρόμο τους μέσω της γείωσης της σύνδεσης. Η απομόνωση της σύνδεσης μειώνει ή και ακόμη εξαλείφει αυτά τα προβλήματα. Η γαλβανική απομόνωση είναι η πλέον προτεινόμενη λύση εάν δεν υπάρχει εγγύηση της πιθανότητας ότι η σύνδεση γείωσης σε διαφορετικούς κόμβους του συστήματος 30

32 να είναι ανάμεσα στο εύρος του common-mode του πομποδέκτη. Η γαλβανική απομόνωση επιτρέπει σε πληροφορίες να ρέουν και αποτρέπει τη ροή ρεύματος (βλέπε σχήμα 19). Προστασία από αποσύνδεση καλωδίου και από κάμψη. Κάποιες εφαρμογές, όπως η DeviceNet, για να μεταφέρουν τα δεδομένα στις γραμμές του διαύλου, CANH και CANL, διαμοιράζουν την ισχύ στον δίαυλο. Σε τέτοια συστήματα, η τάση του διαύλου είναι τυπικά στα 24 V και δρομολογείται στο κανάλι μέσω της κοινής γης. Στα συστήματα αυτά, ο κονέκτορας για κάθε CAN κόμβο έχει 4 αγωγούς, CANH, CANL, 24 V, και γείωση. Για να αποτρέψουν τη καταστροφή σε περίπτωση αποσύνδεσης των αγωγών αυτών των σημάτων, οι κόμβοι CAN που χρησιμοποιούν 24V τάση, προϋποθέτουν προστασία σε όλες τις γραμμές του διαύλου (CANH, CANL, τροφοδοσία και γείωση). Η προστασία ως προς την αστοχία των καλωδίων είναι μια απαίτηση για το πρωτόκολλο DeviceNet. Σε άλλους κόμβους του CAN, που δεν χρησιμοποιούν τροφοδοσία από τον δίαυλο, μπορεί να απαιτείται ακόμη αυτή η προστασία. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο εκάστοτε κόμβος απαιτεί προστασία απέναντι σε μείωση των επιπέδων CANH ή CANL λόγω σύνδεσης δε κάποια άλλη τροφοδοσία ή στη γη. Προσωρινή υπερφόρτωση Σε κάποιες εφαρμογές, οι αστραπές, οι ταλαντώσεις των πηγών τροφοδοσίας, η εναλλαγή επαγωγών και η ηλεκτροστατική εκκένωση μπορούν να προκαλέσουν στους πομποδέκτες CAN καταστροφές παράγοντας μεγάλες προσωρινές τάσεις-υπερφορτώσεις. Η ακόλουθη προστασία έναντι ηλεκτροστατικών εκκενώσεων, μεταφορών ηλεκτρικών φορτίων και απότομων αλλαγών στα επίπεδα τάσης είναι σχετικά με βιομηχανικές εφαρμογές όπως : IEC ESD protection IEC EFT protection IEC surge protection Σε κάποιους τύπους πομποδεκτών CAN περιλαμβάνεται συνήθως προστασία από ηλεκτροστατικές εκκενώσεις σε όλα τα pin. Το επίπεδο προστασίας μπορεί να βελτιωθεί περισσότερο στα pin του διαύλου με την χρήση εξωτερικών συσκευών μανδάλωσης, όπως οι δίοδοι TVS. Αυτός ο τύπος διόδων χρησιμοποιείται συνήθως για να προστατεύσει συσκευές από πυρίτιο, όπως οι πομποδέκτες CAN, από μεταβατικές καταστάσεις. Η προστασία επιτυγχάνεται συγκρατώντας τις ακμές της τάσης σε ένα όριο, με χαμηλής αντίστασης αποκοπή χιονοστιβάδας μίας ένωσης PN. Οι TVS δίοδοι είναι ιδανικά συσκευές ανοικτού κυκλώματος. Μία τέτοια δίοδος μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μία μεγάλη αντίσταση παράλληλα με κάποια χωρητικότητα όταν δουλεύει πάνω από την τάση αποκοπής. Όταν μία μεταβατική κατάσταση βρίσκεται σε εκτέλεση και η απότομη αλλαγή τάσης είναι μεγαλύτερη από τη τάση αποκοπής της διόδου, η αντίστασή της μειώνεται για να διατηρηθεί την τάση μανδάλωσης σταθερή. Η επιλογή της διόδου TVS είναι τέτοια ώστε το επίπεδο μανδάλωσης της τάσης είναι μικρότερο από την τάση που αναπτύσσεται στη συσκευή που προστατεύει. Οι μεταβάσεις κλειδώνουν σχεδόν αμέσως(σε χρόνο μικρότερο από 1ns) και το ρεύμα διαρροής παρασύρεται μακρυά από την προστατευόμενη συσκευή (βλέπε Σχήμα 20). Η λειτουργία μίας διόδου TVS σε εφαρμογές τύπου CAN είναι να προστατεύσει πομποδέκτες CAN από τάσεις στον δίαυλο που είναι πέρα από τα μέγιστα επίπεδα. Κάποιες TVS συσκευές έχουν 31

33 σχεδιαστεί ειδικά για εφαρμογές CAN. Ένα παράδειγμα κυκλώματος που χρησιμοποιεί αμφίδρομες διόδους Zener για να υλοποιήσουν TVS σε έναν δίαυλο CAN,όπως φαίνεται στο Σχήμα 20.. Σχήμα 20. Περιοριστής μεταβατικής τάσης Επίπεδα τάσης διαύλου Το CAN, όπως έχει αναφερθεί χρησιμοποιεί τις λογικές καταστάσεις κυρίαρχη και δευτερεύουσα. Σύμφωνα με το ISO-11898, χρησιμοποιείται μια διαφορική τάση για να αναπαρασταθούν η κυρίαρχη και η δευτερεύουσα κατάσταση ( ή αλλιώς bit ) όπως φαίνεται και στο Σχήμα 21. Στη δευτερεύουσα κατάσταση ( λογικό 1 ) η διαφορική τάση των CANH και CANL είναι μικρότερη από το ελάχιστο κατώφλι ( <0.5V για είσοδο δέκτη και <1.5 για έξοδο πομπού). Στην κυρίαρχη κατάσταση ( λογικό 0 ) η διαφορική τάση στο CANH και CANL είναι υψηλότερη από το ελάχιστο κατώφλι. Ένα κυρίαρχο bit επικαλύπτει ένα δευτερεύον στον δίαυλο για να επιτευχθεί η μη καταστρεπτική διαιτησία, όπως έχει προαναφερθεί. Σχήμα 21. Ενδεικτικά επίπεδα τάσης σε δίαυλο CAN. 32

34 Γενικά, υπάρχουν CANs που λειτουργούν στα 3.3V και στα 5V. Οι πομποδέκτες των 3.3V προσφέρουν πλεονεκτήματα και ευελιξία σε σχέση με τους πομποδέκτες των 5V, ενώ ταυτόχρονα είναι συμβατά και παρεμβάλλονται τα μεν με τα δε. Υπάρχει δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας και απλοποίησης της τροφοδοσίας όταν οι μικροεπεξεργαστές που επικοινωνούν με τους πομποδέκτες λειτουργούν και αυτοί στα 3.3V. Παρόλα αυτά, στην πράξη χρησιμοποιούνται πομποδέκτες των 5V, εξαιτίας της καλής λειτουργίας τους τα τελευταία χρόνια. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται ενδεικτικά τα επίπεδα τάσης στους CANH και CANL του πομποδέκτη 3V καθώς επίσης και σε διπλό άξονα οι διαφορικές τάσεις και στις δύο περιπτώσεις πομποδεκτών. Σχήμα 22. Επίπεδα τάσης σε πομποδέκτες CAN επιπέδων 3.3V και 5V. Σύνδεση με τον δίαυλο H σύνδεση μεταξύ ενός τσιπ ελεγκτή CAN και ενός δισύρματου καλωδίου γίνεται μεταξύ μιας μεγάλης ποικιλίας από τσιπ πομποδεκτών σύμφωνα με τα διαφορετικά στάνταρ φυσικού επιπέδου που χρησιμοποιούνται. Η βασική διεπαφή αποτελείται από έναν ενισχυτή πομπό και έναν ενισχυτή δέκτη. Εκτός από την παραδοχή για την απεικόνιση του σήματος ανάμεσα στο τσιπ και στον δίαυλο ο πομποδέκτης πρέπει να έχει και κάποια άλλα χαρακτηριστικά. Σαν πομπός πρέπει να παρέχει επαρκώς μεγάλη χωρητικότητα εξόδου και να προστατεύει τον οδηγό από επικείμενες υπερφορτίσεις. Πρέπει επίσης να μειώνει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σαν δέκτης πρέπει να παρέχει ένα σαφές σήμα δευτερεύουσας κατάστασης και να προστατεύει την είσοδο του συγκριτή του ελεγκτή CAN καθώς επίσης και να παρέχει αυξημένη ευαισθησία εισόδου. Επιπλέον πρέπει να ανιχνεύει σφάλματα όπως 33

35 ανοιχτοκυκλώματα, βραχυκυκλώματα και σφάλματα γης. Μια επιπλέον λειτουργία του πομποδέκτη αυτού είναι επίσης η γαλβανική απομόνωση του κόμβου και της γραμμής. Σχήμα 23. Βασική Διεπαφή ενός πομποδέκτη CAN Επίπεδα υλοποίησης CAN Η επικοινωνία με τη χρήση CAN προσδιορίζεται από τον Διεθνή Οργανισμό Προτυποποίησης (ISO) με το ISO και μπορεί να συμπεριληφθεί στο περιεχόμενο του 7-επίπεδου OSI Μοντέλου για τις επικοινωνίες. Το ISO πρότυπο για CAN διαύλους σχετίζεται με το επίπεδο διασύνδεσης δεδομένων και τις επιδράσεις του στα παρακείμενα επίπεδα. Το πρότυπο ISO σχετίζεται με ένα μέρος του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων και με το φυσικό επίπεδο. Η υλοποίηση αυτή βασίζεται στα ακόλουθα συστατικά: Φυσικού επιπέδου πομποδέκτης για να μεταφράζει τα μηνύματα CAN από και προς διαφορικά σήματα κατά μήκος ενός φυσικού μέσου, όπως ένα καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών. Ελεγκτής CAN που υλοποιεί κυρίως το επίπεδο διασύνδεσης δεδομένων. Αυτά υπακούν στις προδιαγραφές του CAN 2.0b για να εξασφαλίσουν την επικοινωνία συμμορφωμένα με πρότυπο το ISO CAN εφαρμογή υλικού που υλοποιεί το πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής (μεταφράζοντας τα δεδομένα της εφαρμογής υλικού για τα μηνύματα από και προς τα CAN). Τα διάφορα μπλοκ που υλοποιεί μία εφαρμογή CAN φαίνονται στο Σχήμα 22, το οποίο προβάλλει την συγγένειά τους με τα επίπεδα του OSI και τις λειτουργίες που υλοποιούνται από κάθε μπλοκ. Πομποδέκτες φυσικού επιπέδου Οι πομποδέκτες CAN παρέχουν μια διαφορική διεπαφή φυσικού επιπέδου μεταξύ του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων, του ελεγκτή CAN και της φυσικής καλωδίωσης του διαύλου. 34

36 Σχήμα 24. Διάγραμμα Block υλοποίησης CAN Ελεγκτές CAN Το επίπεδο 2 του OSI, το Data Link, καθώς επίσης και ο χρονισμός των bit εφαρμόζεται από τον ελεγκτή CAN ( μερικές φορές είναι ενσωματωμένος μικροελεγκτής ή επεξεργαστής ψηφιακών σημάτων) σύμφωνα με την προδιαγραφή CAN2.0b και συμβαδίζει με το επίπεδο 2 του ISO Οι ελεγκτές CAN διαχειρίζονται μηχανισμούς φιλτραρίσματος, διαιτησίας, πλαισίωσης και ανίχνευσης και αντιμετώπισης σφαλμάτων. DeviceNet Το DeviceNet-6 είναι μια προδιαγραφή που δημιουργήθηκε από την ένωση Open DeviceNet Vendors (OVDA) για τα δίκτυα επικοινωνιών. Η προδιαγραφή αυτή προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου,τη χρήση του CAN σε επίπεδο φυσικό αλλά και διασύνδεσης δεδομένων, καθώς και την υψηλότερου επιπέδου επικοινωνία χρησιμοποιώντας κοινά βιομηχανικά πρωτόκολλα(cip). Βιομηχανικά και ενορχηστρωτικά συχνά χρησιμοποιείται το DeviceNet για CAN εφαρμογές. Το πρότυπο DeviceNet καθορίζει ένα δίκτυο που υποστηρίζει master-slave και διαμοιρασμένου ελέγχου τεχνικές κατά μήκος ενός διαύλου γραμμικής τοπολογίας. Το δίκτυο όχι μόνο αποτελείται από 35