CAN Bus. Ασβεστοπούλου Θωμαΐς Δόντσιος Δημήτριος Άνοιξη 2014

Transcript

1 Ασβεστοπούλου Θωμαΐς Δόντσιος Δημήτριος Άνοιξη 2014

2 Δίαυλοι Επικοινωνίας Είναι κανάλια επικοινωνίας πάνω στα οποία ρέει η πληροφορία μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών Γιατί δίαυλοι και όχι καλώδια; Μεταφορά μεγαλύτερου ρεύματος στο ίδιο μήκος Μικρότερη αντίσταση εξαιτίας της μεγαλύτερης επιφάνειας -> Μειωμένες Απώλειες Ισχύος

3 Η αρχή Point-to-Point συστήματα επικοινωνίας. Πρόβλημα : το βάρος του χαλκού Κόστος Πολυπλοκότητα Στόχος : Φθηνότερο, ελαφρύτερο και πιο απλό δίκτυο. Πριν Μετά H Bosch ανέπτυξε 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. Tο 1993 δημιουργείται το ISO Από το 1994, πολλά πρωτόκολλα υψηλών επιπέδων τυποποιήθηκαν σε δίκτυα CAN CANopen DeviceNet. Το CAN ως βασικό χαρακτηριστικό των βιομηχανικών επικοινωνιών και δικτύων, αλλά και των τεχνολογιών του διαστήματος.

4 Ορισμός 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 κάποιου κεντρικού μικροεπεργαστή.

5 H μετάδοση σημάτων στο CAN : Κυρίαρχη κατάσταση -> Λογικό 0 CANH : Γραμμή σε υψηλή τάση CANL : Γραμμή σε χαμηλή τάση Δευτερεύουσα κατάσταση -> Λογικό 1 Κατάσταση υψηλής αντίστασης ως προς τη γη Πλειάδα από bits Δευτερεύουσας κατάστασης σηματοδοτούν αδρανή δίαυλο CAN CAN Bus Διαφορική Μετάδοση Δεδομένων

6 Τρόπος Λειτουργίας Επικοινωνία κόμβων με ανταλλαγή μηνυμάτων πλαισίων Tέσσερις μηχανισμοί επικοινωνίας στο CAN : Πλαίσιο Δεδομένων (data frame) : αποστέλνεται από έναν πομπό προς έναν αριθμό δεκτών. Aπομακρυσμένο πλαίσιο (remote frame) : μεταδίδεται από μια μονάδα για αίτηση μετάδοσης πλαισίου με το ίδιο αναγνωριστικό. Πλαίσιο Σφάλματος (error frame ) : μεταδίδεται από μια μονάδα σε περίπτωση σφάλματος στον δίαυλο. Πλαίσιο υπερφόρτισης (overload frame) : παρέχει επιπλέον καθυστέρηση ανάμεσα στο προηγούμενο και στο προκείμενο πλαίσιο. Ένα διαπλαισιακό κενό χωρίζει τα μηνύματα στον δίαυλο

7 Διαιτησία Ποιος κόμβος θα χρησιμοποιήσει τον δίαυλο; Μη καταστρεπτική και διαφανής διαιτησία H μετάδοση ενός κυρίαρχου bit επικαλύπτει ένα δευτερεύον bit Tα μηνύματα δεν καταστρέφονται H μετάδοση του μηνύματος με την υψηλότερη προτεραιότητα είναι μη διακόψιμη από τη διαιτησία Ο ελεγκτής CAN του κάθε κόμβου παρακολουθεί τον δίαυλο καθώς εκπέμπει Ενεργός δίαυλος : κανένας άλλος κόμβος δεν θα επιχειρήσει μετάδοση Aδρανής δίαυλος και ταυτόχρονη εκπομπή : αρχίζει η διαιτησία

8 Προτεραιότητα και Διαιτησία Πρώτο το πιο σημαντικό bit (MSB) Τα IDs σχηματίζουν την ακολουθία της διαιτησίας. Μηνύματα με χαμηλότερο ID ( περισσότερα αρχικά 0) έχουν υψηλότερη προτεραιότητα Προτεραιότητα Remote πλαισίων < πλαισίων δεδομένων με το ίδιο ID

9 Διαιτησία Μηχανισμός Φρένων Ραδιόφωνο FM

10 Ανίχνευση Σφαλμάτων Επιβεβαίωση εκπομπής bit Παρακολούθηση του διαύλου Ανίχνευση ενός αντίστροφου επιπέδου bit στον δίαυλο = σφάλμα επιπέδου bit, το οποίο είναι μια μορφή σφάλματος μετάδοσης. Χωρίς σφάλμα : Όταν το πεδίο διαιτησίας εκπέμπεται ως δευτερεύον Η κατάσταση του διαύλου αλλάζει σε κυρίαρχη όταν άλλοι κόμβοι αναγνωρίζουν το μήνυμα Όταν ένας κόμβος που στέλνει μια παθητική σημαία σφάλματος διαπιστώνει την κυρίαρχη κατάσταση του διαύλου. Κανόνες γεμίσματος Bit Προσθήκη ενός bit μετά από 5 συνεχόμενα bit ίδιας κατάστασης Παραβίαση γεμίσματος = σφάλμα

11 Ανίχνευση Σφαλμάτων Έλεγχος CRC CRC : μια ακολουθία από bits υπολογισμένη στον πομπό Υπόλοιπο διαίρεσης με ένα πολυώνυμο. Ο κόμβος δέκτης διαιρεί το προκαθορισμένο πολυώνυμο σε ένα πολυώνυμο που απαρτίζεται από τη μορφή των δεδομένων και τη CRC ακολουθία Το υπόλοιπο πρέπει να είναι μηδέν. Εάν το ληφθέν μήνυμα έχει σφάλμα στο πεδίο CRC τότε ο έλεγχος CRC αποτυγχάνει. Έλεγχος bit πεδίων με σταθερή μορφή Delimiter της CRC ακολουθίας Delimiter του πεδίου ACK Delimiter του EOF

12 Ανίχνευση Σφαλμάτων Επιβεβαίωση Ανταπόδοση μηνύματος Επιτυχής αποστολή = εισαγωγή κυρίαρχου ΑCK bit σε ένα ληφθέν μήνυμα CAN και επαναποστολή στον πομπό του

13 Αντιμετώπιση Σφαλμάτων Μηχανισμός πλαισίου σφαλμάτων Πλαίσιο σφάλματος = ακολουθία 6 bit κυρίαρχης ή δευτερεύουσας κατάστασης Παραβιάζονται οι κανόνες ομαλής μετάδοσης Όλοι οι κόμβοι αναγνωρίζουν σφάλμα Χιονοστιβάδα σφαλμάτων Μηχανισμός μετρητών σφαλμάτων Δύο μετρητές Μετρητής εκπεμπόμενων σφαλμάτων Μετρητή ληφθέντων σφαλμάτων Αυξάνονται στην αναγνώριση ενός σφάλματος και μειώνονται στην επιτυχή αποστολή ενός μηνύματος που επαναστάλθηκε

14 Μηχανισμός Μετρητών Σφαλμάτων Τρεις καταστάσεις κόμβων Κατάσταση ενεργού σφάλματος : μετρητές < 127 Επικοινωνία με τον δίαυλο Εκπομπή ενεργών σημαιών σφάλματος Κατάσταση παθητικού σφάλματος : 127 < μετρητές 256 Εκπομπή παθητικών σημαιών. Στην κατάσταση αποκοπής : μετρητές > 256 Καμιά επικοινωνία με τον δίαυλο Ανίχνευση bit ακολουθιών δευτερεύουσας κατάστασης -> επαναφορά κόμβου στην κατάσταση ενεργού σφάλματος

15 Τοπολογία Δικτύου

16 Χαρακτηριστικά Φυσικού Διαύλου Μέγιστο μήκος: Εισαγόμενη καθυστέρηση Διαφορές των κβάντων των bit από ταλαντωτές διαφορετικών κόμβων Την πτώση τάσης ανάλογα με την αντίσταση του καλωδίου ISO : Παράλληλοι αγωγοί με χαρακτηριστική αντίσταση 120 Ω Η χρήση θωρακισμένου αγωγού συνεστραμμένων ζευγών είναι γενικά απαραίτητη για λόγους ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών Ομοαξονικό καλώδιο : Καλό αλλά ακριβό. Μέγιστη ταχύτητα : 1Mbps Μέγιστο μήκος του διαύλου περίπου 40m. Εισαγωγή καθυστέρησης 5ns/m Χαρακτηριστικά μεγέθη : 500 kbps στα 100 μέτρα 250 kbps στα 200 μέτρα 125 kbps στα 500 μέτρα 10 kbps στα 6 χιλιόμετρα

17 Συνδέσεις CAN: υπάρχουν δύο αγωγοί που μοιράζονται την τελική τους απόληξη καθώς και την διαδρομή τους προς τη γη Πρόβλημα: οι ανακλάσεις των γραμμών μεταφοράς Γραμμή μεγάλου μήκους : λάθη στην ανάγνωση μηνυμάτων Κοντή γραμμή : καμιά επίδραση Λύση: Τερματισμός CAN Bus Τερματισμός Η αντίσταση R T ισούται με την χαρακτηριστική αντίσταση του αγωγού.

18 Απομόνωση Μεγάλου μήκους συνδέσεις -> μεταβολές του επιπέδου τάσης γης σε διαφορετικούς κόμβους Αποτέλεσμα: Τα ρεύματα προς τη γη ρέουν είτε μέσω της κοινής γης είτε μέσω του καλωδίου γείωσης Πρόκληση επιπλέον θορύβου Διαφορικά συστήματα παροχής σε αρκετές εφαρμογές : Πιθανότητα αύξησης της εμπέδησης της φυσικής γείωσης Πιθανότητα γείωσης παρασιτικών ρευμάτων από άλλες πηγές μέσω της γείωσης της σύνδεσης Λύση : Η απομόνωση

19 Προστασία από υπερφόρτιση Ενσωματωμένη προστασία από ηλεκτρικές εκκενώσεις. Χρήση κυκλωμάτων TVS για προστασία από μεταβατικές καταστάσεις Συγκράτηση ακμών τάσης σε θεμιτό επίπεδο με χαμηλής αντίστασης αποκοπή χιονοστιβάδας μίας ένωσης PN 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 Οι μεταβάσεις σε χρόνο μικρότερο από 1ns και το ρεύμα διαρροής παρασύρεται μακρυά από την προστατευόμενη συσκευή

20 CAN vs OSI : Επίπεδα Υλοποίησης

21 Σύνδεση με τον δίαυλο Χρήση πομποδεκτών ( transceiver = transmiter + receiver ) Eνισχυτής πομπός : Παρέχει επαρκώς μεγάλη χωρητικότητα εξόδου Προστατεύει τον οδηγό από υπερφορτίσεις Μειώνει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Eνισχυτής δέκτης : Παρέχει ένα σήμα δευτερεύουσας κατάστασης Προστατεύει την είσοδο του συγκριτή του ελεγκτή CAN Αποτελεί την κύρια μορφή γαλβανικής απομόνωσης

22 Που χρησιμοποιείται; Μέσα Μαζικής Μεταφοράς Άμυνα Ιατρικές Συσκευές Αεροπορία Αγροτικές Εγκαταστάσεις Βιομηχανικές Εγκαταστάσεις Εργοστασίων

23 Επίλογος Μικρές ποσότητες πληροφοριών από κόμβο σε κόμβο Δεν υπάρχει δομή διευθυνσιοδότησης Κάθε κόμβος έχει ίσες ευκαιρίες να αποκτήσει πρόσβαση στον δίαυλο Αναγνώριση σφαλμάτων, σηματοδότησή τους και ομαλή διαχείριση συγκρούσεων Όλοι οι κόμβοι λαμβάνουν κάθε μήνυμα και αναγνωρίζουν κάθε μήνυμα ανεξάρτητα από το αν χρειάζονται τα δεδομένα ή όχι Προσδίδει ταχύτητα (δεν χρειάζονται επιπλέον τύποι μηνυμάτων) Γρήγορη και Εύρωστη μετάδοση μηνυμάτων με απομόνωση σφαλμάτων Μειώνει δραματικά τον αριθμό και τον όγκο των καλωδιώσεων άρα και μειώνει το κόστος Τα κενά πεδία μέσα στα πλαίσια των μηνυμάτων επιτρέπουν μελλοντική επέκταση του πρωτοκόλλου CAN Wireless Can

24 Ευχαριστούμε