To tylko przykładowe punkty, którymi zarządza sieć CAN
To tylko przykładowe punkty, którymi zarządza sieć CAN

Magistrala CAN, czyli o co chodzi?

 

Nie będzie przesadą jeśli stwierdzę, że przełom lat 70-tych i 80-tych ubiegłego wieku, to okres przełomowych wręcz zmian w motoryzacji. Projektanci i konstruktorzy samochodów na niespotykaną dotąd skalę zaczęli korzystać z dobrodziejstw elektroniki opartej na układach scalonych. Były one potrzebne do monitorowania i sterowania komponentami mechanicznymi, które albo zaczęto stosować coraz częściej, albo były w zaawansowanej fazie prób. Mam tu na myśli takiej elementy jak silnik (elektroniczny wtrysk i zapłon), hamulce (ABS), poduszki powietrzne, deska rozdzielcza, klimatyzacja czy elektryczne sterowanie szybami i lusterkami. No cóż, postęp. Jakby tego było mało, niedługo potem narodziła się koncepcja, według której urządzenia te mogłyby współpracować ze sobą pełniąc rolę kompleksowychsystemów mających na celu zwiększenie niezawodności i bezpieczeństwa pojazdów.

I tu wyszła na jaw kolejna trudność. Konieczność współpracy między urządzeniami w ramach systemów, które tworzyły, wymuszała z kolei potrzebę zapewnienia komunikacji między nimi. Projektanci systemów stanęli więc przed nie lada wyzwaniem: musieli wybrać odpowiedni standard przesyłu informacji. Jednak w tamtych czasach żadna z istniejących technologii nie spełniała wszystkich przyjętych kryteriów. A było ich dużo: oprócz typowo technologicznych nie mniej ważne były niski koszt produkcji oraz duża niezawodność i duża prędkość transmisji. Zadanie niezwykle trudne, ale w sukurs przyszła firma Bosch. Postanowiła ona opracować nową, dedykowaną dla zastosowań w motoryzacji, technologię przesyłu informacji, spełniającą wszystkie kryteria. Opracowana została ona w 1981 roku i nadano jej nazwę CAN (Controller Area Network). W 1985 roku Bosch rozpoczął współpracę z firmą Intel w celu opracowania układów elektronicznych realizujących transmisję CAN i dalej już poszło.

Dzisiaj system CAN to standard nie tylko w motoryzacji, ale wówczas to była prawdziwa bomba. No i konieczność. Na początku lat 80, kiedy to jeszcze w samochodach stosowano wyłącznie system mikroprocesorowy, ilość kabli i ich waga była dość zawrotna. W przeciętnym samochodzie wyższej klasy długość kabli dochodziła do 3,2 km długości, co ważyło około 56 kg. Kiedy wprowadzono magistralę CAN długość kabli zmalała o 1kilometr, a masa spadła aż o 17 kg. Ciekawostką niech będzie fakt, że masa okablowania śmigłowców bojowych w tamtych latach wynosiła ponad 200 kg. Nie dziwne więc, że CAN bardzo szybko zdobywał popularność i wraz z rozwojem techniki zaczął być używany również w samolotach, statkach, maszynach rolniczych, itp. Krótko mówiąc, system CAN jest bardzo popularną metodą transmisji danych wykorzystywaną w szerokiej gamie zastosowań przemysłowych. Są to nie tylko wspomniane już środki transportu, ale również duże zakłady przemysłowe, systemy automatyki budynkowej, sieci sensorowe i wiele innych.

To wszystko nie tłumaczy jednak, czym tak naprawdę jest ten system. W prostych słowach jest magistralą służącą wymianie danych. To dwuprzewodowa, pół-dupleksowa sieć z szybką komunikacją do 1 Mb/s, gdzie transmisja odbywa się w czasie rzeczywistym. Magistrala CAN umożliwia wzajemną komunikację pomiędzy modułami elektronicznymi. Jest siecią multi-master, co oznacza, że każdy z podsystemów sieci jest równorzędny przy inicjowaniu transmisji. Szyna CAN jest bardzo bezpieczna, odporna na błędy, zakłócenia i niezawodna dzięki zastosowaniu sprzętowej obsługi protokołu i kontroli błędów. Jej podstawowe właściwości to:

  • duża odporność na elektromagnetyczne zakłócenia zewnętrzne dzięki zastosowaniu różnicowej techniki transmisji bitów. Według obliczeń raz na 1000 lat ciągłej pracy może zdarzyć jeden przekłamany bit. Innymi słowy w ciągu 4000 godzin eksploatacji występuje zaledwie 3,95 x 10-3 niewykrytych błędów. Niezawodność wręcz idealna.

  • transmisja na magistrali odbywa się bez jednostki nadrzędnej, czyli z uwzględnieniem jej priorytetu. Zapobiega to utracie informacji w przypadku kolizji na magistrali.

  • dane na magistrali mogą być transmitowane z prędkością do 1 Mb/s na odległość do 40 m. Przy czym wraz ze wzrostem odległości prędkość maleje, co obrazuje poniższa tabelka.

Szybkość transmisji [kb/s]

Długość magistrali [m]

1000

40

500

100

200

200

100

660

50

1000

5

10 000

Jak z powyższego widać jest to dość skomplikowana sprawa. Jej ogarnięcie wymaga ścisłego umysłu, znajomości techniki cyfrowej i kilku lat studiów wyższych. Niestety, z tego też powodu nowoczesna elektronika stosowana w samochodach nie tylko klasy wyższej zaczyna przerastać wiedzę większości warsztatów. A przypadków, gdy mechanik nie bardzo wie, co robi, nie jest znowu tak mało. Zdarza się, że zanim znajdzie usterkę niepotrzebnie wymieni parę dobrych i przy okazji drogich części. Sytuacja jest nie bez znaczenia, bo w każdym samochodzie osobowym, ciężarowym, czy autobusie bez elektroniki ani rusz. Przykładowo chcemy uruchomić klimatyzację; normalna rzecz, więc włączamy odpowiedni przycisk. Przesyła on informację do sterownika elektronicznego, który z kolei za pomocą odpowiednich czujników sprawdza warunki i wydaje „rozkaz” dla elementu wykonawczego (w tym przypadku sprężarki), aby się załączyła. Niby proste, ale w sytuacji, kiedy klima przestaje działać, rośnie liczba potencjalnych przyczyn awarii. Poza uszkodzeniami czysto mechanicznymi (nieszczelność, zatarcia, itp.) awaria może być skutkiem uszkodzenia sterownika, przerwy w obwodach lub uszkodzenia jednego z czujników, z których sterownik pobiera informacje. I tak jest praktycznie z każdym urządzeniem sterowanym elektrycznie.

A żeby było ciekawiej coraz częściej stosuje się dwie główne sieci CAN. Pierwsza odpowiada za takie elementy jak zamki w drzwiach, alarmy, sterowanie fotelami, czy systemy audio. Druga natomiast zajmuje się takimi systemami jak: ABS, ASR, ESP, czy skrzynia biegów. Ale to nie wszystko. Naszpikowane elektroniką auta powodują, że nierzadko konieczne jest zastosowanie dodatkowej sieci służącej do diagnostyki całego samochodu. W tej sytuacji połączenie magistrali CAN z modułem nawigacji GPS nie robi już żadnego wrażenia. Dlatego właśnie ogromna liczba informacji wymienianych między sterownikami w nowoczesnym aucie wymusiła zastosowanie magistrali danych. Dzięki niej wszystkie urządzenia mogą przesyłać między sobą tysiące informacji na sekundę. A możliwości takie daje sygnał cyfrowy, który może być przekazywany przez jeden tylko przewód. I wprawdzie układ taki jest zdecydowanie tańszy w produkcji, to jednak dużo trudniejszy w naprawie. Powodem są ograniczenia precyzji wskazania uszkodzenia samej linii. Jednak przy użyciu klasycznej instalacji elektrycznej zbudowanie współczesnych aut byłoby praktycznie niemożliwe. Nie tylko dlatego, że grubość wiązki urosłaby do gigantycznych rozmiarów, lecz też z powodu niedoskonałości sygnału analogowego i szybkości przesyłu danych. Obecność magistrali CAN jest nieodzowna, chociażby tylko po to, by poprawić niezawodność działania. Poza tym z badań wynika, że większość usterek „elektryki” (prawie 54 %) spowodowana jest wadą wiązek, więc im ich mniej, tym lepiej.

No właśnie, skoro tych wiązek ma być jak najmniej, to co je zastępuje? Z jakich elementów składa się magistrala CAN? Otóż w skład jej wchodzą: urządzenie kontrolne (controller), nadajnik-odbiornik (transceiver), dwie końcówki magistrali danych i dwa przewody magistrali danych. Elementy magistrali danych, aż do jej przewodów znajdują się w sterownikach. A jak to działa? Układ kontrolny (controller) magistrali CAN otrzymuje dane z mikrokomputera w sterowniku, które mają być wysłane. Przygotowuje je i przekazuje dalej magistralą CAN do nadajnika-odbiornika (transceivera). Tak samo otrzymuje on od nadajnika-odbiornika magistrali CAN dane, przygotowuje je i przekazuje je dalej do mikrokomputera w sterowniku. Z kolei nadajnik-odbiornik (transceiver) przekształca dane z urządzenia kontrolnego magistrali CAN w sygnały elektryczne i przesyła je przewodami magistrali danych. Tak samo odbiera on dane i przekształca je dla potrzeb układu kontrolnego (controller) magistrali CAN.

Za trudne? To spróbujmy w ten sposób. Do magistrali CAN podłączone są wszystkie ważne elementy elektroniczne pojazdu – komputery, czujniki (np. temperatury, ciśnienia, różnego rodzaju sondy), itp. Każdy taki element rozgłasza w sieci swój status (np. informacja o aktualnej dawce paliwa, prędkość obrotowa silnika) nasłuchując jednocześnie komunikatów z innych urządzeń. Obrazowo: jeśli taki czujnik poda informację np. o prędkości jazdy, to jest ona dostępna dla wszystkich podłączonych urządzeń. Z kolei jeśli główny sterownik wysyła rozkaz tylko do jednego konkretnego urządzenia, to jest on tak zakodowany, aby zrozumiał go tylko adresat. Hmm, nadal mam wrażenie, że nie wszyscy jeszcze rozumieją. No to z innej strony: transmisja danych za pomocą magistrali CAN działa podobnie jak telekonferencja. Uczestnik (sterownik) wprowadza („mówi”) swoje dane do sieci przewodów, podczas gdy inni uczestnicy dane te „wspólnie odsłuchują“. Niektórzy uczestnicy uważają te dane za interesujące i będą je wykorzystywać, inni natomiast nie korzystają z nich. Krótko mówiąc: odbiorców wielu, ale tylko jeden nadajnik.

Rolę kabla przekazującego sygnały w sieci CAN na razie pełnią przewody metalowe, takie jak skrętka. Aczkolwiek zapewne już niedługo do pojazdów samochodowych zawitają włókna światłowodowe lub fale elektromagnetyczne – radiowe lub podczerwone. Skrętka (ang. twisted pair) stanowi obecnie najtańszy środek transmisji sygnału. Jej duża popularność wynika z niskiej ceny, szerokiej dostępności tego typu kabla oraz dobrych doświadczeń telefonii, która masowo stosuje skrętkę zarówno do transmisji sygnałów analogowych jak i cyfrowych. Skrętka może być stosowana jako łącze dwupunktowe lub wielopunktowe, w którym wiele węzłów jest dołączanych do tego samego kabla. W systemie CAN wykorzystuje się czasami dwie skrętki ekranowane w jednej powłoce ochronnej. Jedna skrętka służy jako magistrala komunikacyjna, natomiast druga zapewnia zasilanie dla układów nadawczo-odbiorczych.

Wiemy więc już, że przewody magistrali danych są dwukierunkowe (informacja przepływa w dwóch kierunkach) i służą do transmisji danych. Oznaczane są one jako CAN-High (potencjał przechodzi ze stanu niskiego do wysokiego) i CAN-Low (potencjał przechodzi od stanu wysokiego do stanu niskiego). Ale dlaczego są skręcone? Ze względu na zakłócenia. Źródłami zakłóceń w samochodzie są elementy, podczas pracy których powstają iskry albo otwierane lub zamykane są obwody prądowe. Innymi źródłami zakłóceń są na przykład telefony komórkowe lub stacje nadawcze, a więc wszystko to, co wytwarza fale elektromagnetyczne. Te fale mogą wywierać wpływ na transmisję danych lub je zafałszowywać. W celu uniknięcia wpływu zakłóceń na transmisję danych, oba przewody magistrali danych zostały ze sobą skręcone. Jednocześnie zapobiega to promieniowaniu zakłócającemu ewentualnie emitowanego z przewodu magistrali danych. W każdym z przewodów napięcie jest względem drugiego przeciwstawne. Oznacza to, że jeżeli na jednym przewodzie magistrali danych występuje napięcie 0 V, to napięcie na drugim przewodzie wynosi ok. 5 V i odwrotnie. Dlatego suma napięć w każdej chwili jest stała, a efekty elektromagnetyczne pola obu przewodów znoszą się wzajemnie.

Przewody mają zazwyczaj przekrój 0,35 mm2lub 0,5 mm2. Na końcach magistrali umieszcza się rezystor pochłaniający nieodebrane sygnały elektryczne, aby uniknąć odbicia sygnału (echo). A jakie nieprawidłowości w działaniu magistrali CAN można wykryć? Otóż za pomocą multimetru z omomierzem można wykryć takie nieprawidłowości jak:

  • zwarcie do +

  • zwarcie do masy

  • zwarcie do drugiej żyły magistrali CAN

przy czym nieprawidłowości te można wykryć bez odłączania akumulatora tylko dla magistrali CAN napędu. Na przewodach magistrali CAN komfortu i rozrywki zawsze jest napięcie, dlatego wykrycie otwartego obwodu lub zwarcia wymaga odłączenia akumulatora. W pozostałych przypadkach konieczne jest już użycie cyfrowego oscyloskopu z pamięcią. Natomiast stosując specjalne konwertery można wpiąć się w magistralę i zobaczyć, co się dzieje z pojazdem; np. uzyskać dostęp do bieżących parametrów silnika. Niestety, nie wszyscy producenci ujawniają potrzebne dane, dlatego też nie zawsze mamy dostęp do interesujących nas informacji. A zazwyczaj są to:

Typowe parametry, które można odczytać z magistrali CAN

Rzadziej spotykane parametry

  • poziom paliwa

  • obroty silnika

  • prędkość pojazdu

  • stan licznika kilometrów

  • bieżące spalanie
  • nacisk na osie pojazdu

  • tryb pracy tachografu cyfrowego

  • status hamulca głównego

  • aktualna wartość momentu obrotowego

  • czas pracy silnika

  • łączne zużycie paliwa

  • aktualny bieg

  • położenie przepustnicy

  • ciśnienie turbodoładowania

Pytanie jednak, jak nie pomylić się przy tej ilości przewodów. Pokażemy to na przykładzie pojazdów grupy Audi-VW. Otóż podstawowym kolorem osłony przewodów magistrali CAN jest pomarańczowy. Poszczególne rodzaje przewodów w danej magistrali oznacza się następująco:

  • magistrala napędu: CAN-High –pomarańczowy/czarny

  • magistrala komfortu: CAN-High –pomarańczowy/zielony

  • magistrala rozrywki informacji i rozrywki: CAN-Highpomarańczowy/fioletowy

  • CAN-Low: we wszystkich magistralach – pomarańczowy/brązowy.

Przystępując do naprawy, należy przede wszystkim pamiętać, iż długość obu przewodów musi być taka sama. W dodatku zgodnie z odcinkiem A na załączonym rysunku pełen pojedynczy splot musi mieć około 20 mm długości, a odcinek niespleciony B (np. w miejscu założenia koszulki termokurczliwej na lutowane miejsce) nie może przekraczać 50 mm. Z kolei samą skrętkę przed rozpleceniem i uszkodzeniami najlepiej zabezpieczyć materiałową taśmą samoprzylepną.

Uff, nie dosyć, że sporo tego to i temat łatwy nie jest. Tu już matura nie wystarczy. Ten temat to zdecydowanie wyższa szkoła jazdy. A gdyby mimo wszystko ktoś się pytał, co to jest ta szyna CAN? Krótko mówiąc jest to takie rozwiązanie, dzięki któremu pomiędzy poszczególnymi modułami nie trzeba ciągnąć kilometrów kabli. Wszystkie te moduły połączono w sieć i komunikują się ze sobą za pomocą dwóch kabelków sympatycznie skręconych ze sobą, co pozwala na szybką i bezpieczną komunikację pomiędzy nimi. I myślę, że to w zupełności wystarczy.

PS. Niestety, czas nie stoi w miejscu i rozwiązanie, które przed 30 laty wyglądało prawie na utopię (prędkość transmisji 1 Mbit/s i 8 bajtów danych w komunikacie) dziś już w większości przypadków nie wystarcza. Dlatego przy coraz większej objętości przetwarzanych danych wiele systemów CAN dochodzi dziś do granic swoich możliwości. Dlatego też trzy lata temu Bosch zaprezentował wariant CAN FD. Rozszerza on obecnie stosowany protokół CAN w dwóch punktach:

  • prędkość transmisji została zwiększona do ponad 1 Mbit/s,

  • w jednym komunikacie liczba danych została zwiększona do 64 bajtów.

W zależności od systemu, umożliwia to zwiększenie przepływu danych lub znacząco przyspiesza komunikację w przypadku dłuższych przewodów.

Tekst: Piotr Duda

 

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.Pole wymagane *

*