Magistrala CAN cz.3.pdf

Magistrala CAN, część 3

Zdecentralizowana wymiana danych

Dwie pierwsze czÍúci tego

artyku³u dotyczy³y historii,

normalizacji, podstawowej

struktury i†protoko³u

transmisji danych Sieci

Obszaru Sterownika.

W†niniejszej, trzeciej czÍúci,

po³oøono nacisk na aspekty

praktyczne.

Detekcja b³ÍdÛw

i†ich korekcja

Jedn¹ z†najbardziej

rzucaj¹cych siÍ w†oczy

cech magistrali CAM jest

jej nadzwyczajna zdol-

noúÊ wykrywania wielu

b³ÍdÛw podczas transmi-

sji danych i†odpowie-

dniego reagowania na

nie. Ma ona odstÍp Ham-

minga (nazywany takøe

odstÍpem sygna³owym)

rÛwny 6. OdstÍp sygna-

³owy miÍdzy dwoma s³o-

wami dwÛjkowymi o†tej

samej d³ugoúci jest li-

czb¹ bitÛw na odpowia-

daj¹cych sobie pozycjach, ktÛre

maj¹ rÛøne wartoúci. Na przyk³ad

odstÍp sygna³owy miÍdzy s³owa-

mi dwÛjkowymi 11011010

i†10000110 wynosi 4, poniewaø

bity: 3-ci, 4-ty, 5-ty i†7-my (licz¹c

od prawej) rÛøni¹ siÍ wartoúciami.

Magistral¹ CAN dane mog¹ byÊ

transmitowane z†szybkoúci¹ 500

kbitÛw/s. Na kaøde 0,7 s przypada

jeden b³Ídny bit spowodowany

zewnÍtrznymi zak³Ûceniami. SieÊ

moøe pracowaÊ osiem godzin

dziennie przez 365 dni w†roku.

Wbudowany sposÛb zabezpiecze-

nia przed b³Ídami gwarantuje, øe

przez 1000 lat pracy tylko jeden

b³¹d nie bÍdzie wykryty. B³Ídy

mog¹ wystÍpowaÊ i†oczywiúcie

wystÍpuj¹, ale skoro s¹ rozpozna-

wane, to moøna je skorygowaÊ.

Tylko nierozpoznane b³Ídy mog¹

powodowaÊ, øe fa³szywe wyniki

pomiarÛw bÍd¹ przetwarzane.

Tab. 3. Porównanie parametrów

systemów CAN 20A (format ramki

standardowej) i CAN 20B (format ramki

rozszerzonej)

Parametr ................................... CAN2.0A CAN2.0B

Maksymalna liczba

identyfikatorów ..............................211 229

Liczba stacji (węzłów) ..................... 32 32

Szybkość transmisji [kbit/s] ........5..125 5..1000

Liczba bajtów w ramce ................. 0 − 8 0 − 8

Maksymalna długość

ramki ........................................ 117 bitów 13 bitów

Maksymalny zasięg

sieci ..........................................patrz tekst patrz tekst

jest tylko jedna stacja, ktÛra wy-

sy³a wiadomoúÊ do magistrali i†od-

biera zwrotnie inny, rÛøni¹cy siÍ

od wys³anego bit (stan magistrali),

to jest oczywiste, øe na magistrali

wyst¹pi³ b³¹d. W†takiej sytuacji

stacja prze³¹cza siÍ na procedurÍ

korekcji b³Ídu. (patrz dalej).

Wykrywanie b³Ídnych bitÛw do-

datkowych

W†specyfikacja CAN okreúla

wyraünie, øe gdy w†ramce danych

jest transmitowanych kolejno wiÍ-

cej niø piÍÊ bitÛw o†tej samej

wartoúci (na przyk³ad siedem razy

wartoúÊ zero w†jakimú polu), to

kaøda grupa piÍciu bitÛw jest

poprzedzana przez bit komple-

mentarny (tutaj oczywiúcie 1).

Ten wprowadzony bit, ktÛry oczy-

wiúcie nie zawiera w†ogÛle øadnej

informacji, jest nazywany bitem

dodatkowym. Po zakoÒczeniu od-

bioru, te bity s¹ usuwane ze

strumienia danych, tak øe tylko

pierwotna wiadomoúÊ jest prze-

twarzana.

Dodatkowe bity mog¹ byÊ z†³at-

woúci¹ uøyte do kontroli b³ÍdÛw.

Jeøeli odbiornik wykryje w†ramce

wiÍcej niø piÍÊ kolejnych bitÛw

o†tej samej wartoúci (lecz nie

w†polu EOF), to jest oczywiste, øe

to nie jest poprawny odczyt, i†øe

Artyku³ publikujemy na pod-

stawie umowy z wydawc¹ mie-

siÍcznika "Elektor Electronics".

Wykrywanie b³ÍdÛw

transmisji

W†CAN zastosowano rÛwno-

czeúnie kilka sposobÛw wykrywa-

nia b³ÍdÛw.

Editorial items appearing on

pages 13..16 are the copyright

property of (C) Segment B.V., the

Netherlands, 1998 which reserves

all rights.

Detekcja b³Ídnego bitu

Kaøda stacja zawsze odbiera

zwrotnie swoj¹ w³asn¹ transmisjÍ.

Dlatego, jeøeli po fazie arbitraøu

Elektronika Praktyczna 3/2000

wyst¹pi³ b³¹d podczas transmisji

danych (wyst¹pi³ dodatkowy bit

lub zosta³ ìodwrÛconyî jeden lub

wiÍcej bitÛw). Wtedy odbiornik

zawiesza dzia³anie i†uruchamia

procedurÍ poprawiania b³ÍdÛw

(zobacz dalej).

Szyna

danych

Dane

u¿ytkownika

TxD

CAN H

RxD

Transceiver

CAN

CAN L

Szyna

steruj¹ca

Detekcja b³Ídu CRC

Proces ten polega, jak juø

wspomniano, na oszacowaniu su-

my kontrolnej CRC w†odbiorniku.

Gdy sumy kontrolne: odebrana

i†obliczona rÛøni¹ siÍ, to odbior-

nik zmienia swoje dzia³anie uru-

chamiaj¹c procedurÍ korekcji b³Í-

dÛw (zobacz dalej).

Ramki

CAN

Rys. 9 Schemat blokowy trójstopniowej Sieci Obszaru Sterownika (CAN).

Po pierwsze, ramki w†ktÛrych

zosta³ stwierdzony jakiú b³¹d s¹

natychmiast odrzucane przez od-

powiedni¹ stacjÍ i†nie przetwa-

rzane. Po drugie, jeøeli ktÛraú ze

stacji systemu wykryje jakiú b³¹d,

to wysy³a natychmiast ramkÍ in-

formuj¹c¹ o†b³Ídzie, ktÛra sk³ada

siÍ z†szeúciu dominuj¹cych bitÛw

(sygnalizacja b³Ídu) i†ograniczni-

ka ramki b³Ídu zawieraj¹cego

osiem bitÛw recesywnych. Wsku-

tek tego wszystkie bity recesywne

na magistrali s¹ nadpisywane, tak

øe wystÍpuje na niej tylko szeúÊ

dominuj¹cych bitÛw. Jest to jed-

nak naruszenie przyjÍtej zasady,

øe nie wiÍcej niø piÍÊ kolejnych

bitÛw moøe mieÊ t¹ sam¹ war-

toúÊ.

Wszystkie pozosta³e stacje do-

³¹czone do magistrali wykrywaj¹

ten stan i†uznaj¹ dopiero co ode-

bran¹ ramkÍ jako b³Ídn¹ (wadli-

w¹), odrzucaj¹ j¹ i†takøe wysy³aj¹

ramkÍ sygnalizuj¹c¹ o†b³Ídzie. Ina-

czej mÛwi¹c, stacja ktÛra wykry³a

b³¹d celowo ìuszkadzaî ca³¹ trans-

mitowan¹ ramkÍ, tak øe wszystkie

stacje do³¹czone do magistrali

odbieraj¹ j¹ jako b³Ídn¹. To oz-

nacza, øe o†jakimú b³Ídzie lokal-

nym w†jednej stacji s¹ natych-

miast poinformowane wszystkie

pozosta³e stacje. G³Ûwnym za³oøe-

niem sieci jest, øeby wszystkie

stacje odbiera³y poprawne dane,

ktÛre mog¹ byÊ dalej przetwarza-

ne lub øeby wszystkie stacje od-

biera³y b³Ídne dane, ktÛre bÍd¹

odrzucane. Pierwotna stacja nada-

j¹ca stwierdza oczywiúcie, øe ram-

ka ktÛr¹ wys³a³a jest z†b³Ídem,

poprawia t¹ wiadomoúÊ i†natych-

miast wysy³a ponownie.

wiedni¹ szybkoúci¹ lub jest sta-

cj¹, ktÛra odbiera tylko b³Ídne

dane? Taka stacja mog³aby stale

wysy³aÊ ramkÍ sygnalizuj¹ca

b³¹d i†tym samym zablokowaÊ

ca³¹ sieÊ. CAN jest odpowie-

dnio zabezpieczony przed ta-

kim zdarzeniem, ale brak miej-

sca nie pozwala na opisanie

tego w†tym artykule.

Detekcja b³Ídu potwierdzenia

W†opisie formatu ramki (patrz

rys. 6) wspomniano o†bicie ACK

(bit przerwy na potwierdzenie),

ktÛry jest wysy³any przez stacjÍ

jako bit recesywny. Wszystkie

stacje, ktÛre poprawnie odebra³y

poprzedni¹ ramkÍ nadpisuj¹

(ìprzykrywaj¹î) ten bit bitem do-

minuj¹cym. Stacja nadaj¹ca wy-

krywa to i†îwieî, øe przynajmniej

jedna stacja odebra³a jej dane

poprawnie.

Jeøeli stacja nadaj¹ca stwier-

dzi, øe jej bit w†przerwie na

potwierdzenie (ACK slot) nie zo-

sta³ nadpisany, to ìwieî, øe øadna

stacja nie odebra³a jej wiadomoúci

poprawnie. W†takim razie, zawie-

sza swoje dotychczasowe dzia³a-

nie i†wywo³uje procedurÍ korekcji

b³ÍdÛw (zobacz dalej).

Podsumowanie

Parametry dwÛch wersji syste-

mu CAN, tj. CAN 20A (format

ramki standardowej) i†CAN 20B

(format ramki rozszerzonej) porÛ-

wnano w† tablicy 3 .

Chociaø CAN jest efektywnym

i†bardzo niezawodnym systemem

do przesy³ania danych, to Czytel-

nik i†potencjalny uøytkownik sy-

stemu moøe zapytaÊ jak moøna

praktycznie zastosowaÊ ten sy-

stem? S¹ w†nim bity dominuj¹ce

i†recesywne, 11-bitowy identyfika-

tor, 15-bitowa suma kontrolna

CRC, 1-bitowy ogranicznik, 7-

bitowe pole EOF, 6-bitowa ramka

b³Ídu i†wiele innych ìdziwnoúciî.

Øadna z†nich nie kojarzy siÍ

bezpoúrednio ze struktur¹ danych

mikrokontrolera 8- lub 16-

bitowego.

Jak wiÍc jest moøliwe zapro-

gramowanie mikrokontrolera zgo-

dnie z†protokÛ³em sieci? Jeøeli

o†to chodzi, to przysz³y konstruk-

tor nie powinien siÍ tym mar-

twiÊ. Dla tej sieci jest bowiem

dostÍpnych mnÛstwo gotowych,

niedrogich elementÛw sk³ado-

wych, modu³Ûw. S¹ one dostar-

czane przez producentÛw uk³a-

dÛw scalonych dla systemu CAN,

co spowodowa³o, øe ta sieÊ sta³a

siÍ tak popularna, w†tak krÛtkim

czasie.

Typowe interfejsy CAN sk³a-

daj¹ siÍ g³Ûwnie, jak to widaÊ

na schemacie blokowym ( rys.

Detekcja b³Ídu formatu

W†tym procesie wykorzystywa-

ny jest fakt, øe w†ramce jest kilka

pÛl, ktÛre musz¹ zawsze mieÊ

ustalon¹ zawartoúÊ: w†polu ogra-

nicznika CRC (bit koÒca CRC),

w†polu ogranicznika potwierdze-

nia i†w†polu EOF s¹ zawsze bity

recesywne. Jeøeli w†tych polach

zostanie wykryty bit dominuj¹cy,

to taki stan moøe byÊ tylko

spowodowany przez b³¹d transmi-

sji danych. WÛwczas stacja nada-

j¹ca uruchamia takøe procedurÍ

korekcji b³Ídu.

Korekcja b³ÍdÛw

Procedura korekcji b³ÍdÛw

w†wypadku b³Ídu transmisji da-

nych jest realizowana w†dwÛch

wariantach.

B³¹d wewn¹trz stacji

Co siÍ stanie, gdy stacja

sama stwierdzi, øe jest uszko-

dzona, wysy³a dane z†nieodpo-

Elektronika Praktyczna 3/2000

9 ), z†trzech chipÛw. Jedynym

zadaniem mikrosterownika jest

wpisywanie bajtÛw danych

(0..8), ktÛre maj¹ zostaÊ wys³ane

do uk³adu scalonego protoko³u

CAN, wype³nianie pola identy-

fikatora i†pola DLC oraz odpo-

wiednie ustawienie bitu RTR.

Pozosta³e elementy procesu

przetwarzania:

- obliczanie sumy kontrolnej CRC,

- dodawanie pozosta³ych pÛl,

- ³¹czenie siÍ z†magistral¹,

- transmisja danych,

- wykrywanie i†usuwanie b³ÍdÛw

s¹ wykonywane przez uk³ad sca-

lony sterownika CAN.

Dane s¹ wprowadzane do ma-

gistrali za poúrednictwem uk³adu

scalonego transceivera CAN, ktÛry

jest bezpoúrednio po³¹czony z†ma-

gistral¹. Mikrosterownik otrzymu-

je wtedy potwierdzenie pomyúlne-

go wys³ania danych, albo komu-

nikat o†b³Ídzie, poczym podejmu-

je odpowiednie dzia³anie.

Mniej wiÍcej to samo dzieje siÍ

przy odbiorze danych. Sterownik

CAN, za poúrednictwem uk³adu

scalonego transceivera CAN, otrzy-

muje ramki CAN z†magistrali, po-

nownie sprawdza sumÍ kontroln¹,

usuwa z†ramek wszystkie zbÍdne

pola i†do mikrosterownika przesy-

³a otrzymane dane, albo komuni-

kat o†b³Ídzie.

Czytelnik z†pewnoúci¹ juø za-

uwaøy³, øe wymagania sprzÍtowe

i†programowe interfejsu magist-

rali CAN nie s¹ wielkie. Mik-

rosterowniki, zawieraj¹ce sterow-

nik CAN, s¹ juø dostÍpne na

rynku. Umoøliwiaj¹ one skon-

struowanie dwustopniowego in-

terfejsu CAN.

Przed przyst¹pieniem do omÛ-

wienia konstrukcji interfejsu

przedstawionych jeszcze zostanie

kilka dodatkowych informacji.

700..707. WybÛr pojedynczego

identyfikatora jest wtedy moøli-

wy tylko po przeprowadzeniu

dalszej selekcji z†uøyciem mik-

rosterownika. Przeznaczone dla

danej stacji ramki zdalne rÛw-

nieø przechodz¹ przez filtr przed

dotarciem do mikrosterownika.

Tylko wtedy moøe on wygene-

rowaÊ w†odpowiedzi w³aúciwe

dane i†skierowaÊ je do sterow-

nika CAN.

Filtrowanie akceptacyjne

Z†czÍúci 2 wiadomo, øe CAN

dzia³aj¹ca w†standardowym for-

macie ramek (CAN20A) jest w†sta-

nie przetwarzaÊ do 2048 rÛønych

identyfikatorÛw. Oczywiúcie nie

jest niezbÍdne, aby kaøda ze stacji

przy³¹czonych do magistrali otrzy-

mywa³a wszystkie ramki danych.

Na przyk³ad moøe byÊ tak, øe dla

stacji K istotne s¹ tylko ramki

z†identyfikatorami 129, 1345

i†1999, a†2045 pozosta³ych nie

øadnego znaczenia. Bardzo poø¹-

dane staje siÍ wiÍc wprowadzenie

takiej selekcji identyfikatorÛw, aby

do mikrosterownika nie dociera³y

ramki zbyteczne. Selekcja ta na-

zywa siÍ filtracj¹ akceptacyjn¹.

Umoøliwia ona takie zaprogramo-

wanie sterownika CAN, øeby

sprawdza³ wszystkie otrzymywane

ramki (wraz z†korekcj¹ b³ÍdÛw),

ale do mikrosterownika wysy³a³

tylko ramki o†okreúlonych identy-

fikatorach. Bez koniecznoúci do-

konywania przez mikrosterownik

zbytecznych porÛwnaÒ przetwa-

rzanie staje siÍ szybsze. Do fil-

trowania akceptacyjnego moøna

uøyÊ dwÛch rÛønych uk³adÛw

scalonych.

Uk³ad FullCAN

Uk³ad ten umoøliwia dok³adne

zaprogramowanie i†selekcjÍ pojedyn-

czego identyfikatora. Innymi s³owy,

uk³ad moøe zostaÊ przystosowany

do akceptowania jednej lub okreú-

lonej liczby ramek, na przyk³ad

tylko ramki z†identyfikatorem 798.

Jednak uk³ad ten nie bÍdzie prze-

puszcza³ duøej liczby ramek o†rÛø-

nych identyfikatorach, poniewaø

program sterownika jest ustalony.

Jeøeli wiÍc ma byÊ odbierane

wiele ramek o†rÛønych identyfika-

torach, lepiej wybraÊ chip Basi-

CAN. Trzeba jednak pamiÍtaÊ, øe

wtedy znaczna czÍúÊ procesu se-

lekcji z†koniecznoúci przejmie

mikrosterownik, ktÛrego moc prze-

twarzania bÍdzie musia³a byÊ

zwiÍkszona.

Zalet¹ uk³adu FullCAN jest

moøliwoúÊ programowania przez

mikrosterownik w†uk³adzie scalo-

nym sterownika CAN odpowiedzi

na zdaln¹ ramkÍ. Gdy taki uk³ad

otrzymuje dozwolon¹ zdaln¹ ram-

kÍ dla odnoúnej stacji, moøe wy-

s³aÊ w†odpowiedzi ramkÍ danych

bez interwencji mikrosterownika.

Wraz z†nieuniknionym rozwo-

jem technologii rÛønice pomiÍdzy

uk³adami BasicCAN i†FullCAN sta-

j¹ siÍ coraz mniej wyraüne. Chipy

FullCAN staj¹ siÍ takøe coraz

sprawniejsze, mog¹c wybieraÊ co-

raz wiÍksze liczby identyfikatorÛw

i†przechowywaÊ coraz wiÍcej rejes-

trÛw danych. Najnowsze uk³ady

sterownikÛw CAN mog¹ za pomo-

c¹ programu prze³¹czaÊ siÍ pomiÍ-

dzy dwoma trybami dzia³ania.

Uk³ad BasiCAN

Uk³ad ten zawiera prosty filtr

o†szerokoúci oúmiu bitÛw, po-

zwalaj¹cy na jedynie zgrubn¹

selekcjÍ wstÍpn¹. Polega ona na

tylko grupowym przepuszczaniu

identyfikatorÛw, na przyk³ad

Tab. 4. Podstawowe parametry scalonego interfejsu SJA1000.

Układ scalony sterownika SJA1000 (Philips Semiconductors)

CAN

Interfejs mikrosterownika Może zostać dostosowany do mikrosterowników Intel i z nim zgodnych

lub do mikrosterowników Motorola i z nim zgodnych.

Tryb działania 1 Rozmieszczeniem wyprowadzeń, sprzętowo i programowo zgodny

z PCA82C200, CAN20A i bierny CAN20B. Standardowy format ramek.

Szybkość transmisji danych do 1Mb/s. Filtr akceptacyjny BasicCAN.

Tryb działania 2 Standardowy i rozszerzony format ramek. Szybkość transmisji danych do

1 Mb/s. Możliwość CAN 20B. Rozszerzony filtr akceptacyjny o własnoś−

ciach BasicCAN.

Układ scalony transceivera Szybki CAN, zgodny z ISO/DIS11898. Szybkość transmisji do 1 Mb/s. Za−

bezpieczenie wewnętrzne przed zakłóceniami wytwarzanymi przez pojazdy

silnikowe. Zabezpieczenie wewnętrzne przed zwarciami i przegrzaniem.

Nie zasilone węzły (stacje) nie oddziaływują na magistralę. Pozwala kon−

struować CAN o liczbie węzłów do 110.

ZgodnoúÊ pomiÍdzy

20A i†20B

Jak juø wiadomo z†dyskusji

o†formatach ramek, istnieje Format

Standardowy z†11-bitowymi iden-

tyfikatorami i† Format Rozszerzony

Elektronika Praktyczna 3/2000

z†29-bitowymi identyfikatorami.

Dlatego przy wyborze sterownika

CAN, gdy w†magistrali s¹ uøywane

oba formaty (co jest zupe³nie

moøliwe i†dopuszczalne), naleøy

zachowaÊ duø¹ ostroønoúÊ.

Sterowniki z moøliwym 20A

i biernymi cechami 20B

Uk³ady te akceptuj¹ ramki roz-

szerzone z†29-bitowymi identyfi-

katorami, przeprowadzaj¹ prÛbÍ

b³Ídu i†odpowiadaj¹ bitem ACK

(potwierdzenia) albo ramk¹ b³Í-

du.

£¹cznoúÊ nie zostaje zak³Ûco-

na, ale rozszerzone ramki danych

nie s¹ ani zapisywane ani prze-

puszczane, poniewaø uk³ady te s¹

przewidziane jedynie do przetwa-

rzania ramek formatu standardo-

wego. Niemniej w†pe³ni nadaj¹

siÍ do uøytku w†systemach hyb-

rydowych.

Sterowniki z†moøliwym 20B

Te sterowniki przetwarzaj¹,

przechowuj¹ i†przepuszczaj¹ ram-

ki zarÛwno formatu standardowe-

go jak i†rozszerzonego.

Przy podejmowaniu decyzji

o†zakupie sterownika CAN, czy

mikrosterownika zawieraj¹cego

sterownik CAN, napotyka siÍ na

tak duøy ich wybÛr, øe op³aca siÍ

przejrzeÊ przedtem internetowe

witryny najbardziej znanych pro-

ducentÛw tych uk³adÛw, Hitachi,

Intel, Motorola, NSC, Philips, SGS,

Siemens, Temic i†Texas Instru-

ments.

Sterowniki z moøliwym 20A

Te sterowniki mog¹ przetwa-

rzaÊ tylko ramki standardowe,

a†po odebraniu ramki rozszerzonej

generuj¹ komunikat o†b³Ídzie. Mo-

øe to ca³kowicie wstrzymaÊ dzia-

³anie systemu, wiÍc sterowniki

tego rodzaju mog¹ byÊ uøywane

tylko systemach z†ramkami wy-

³¹cznie standardowymi.

Elektronika Praktyczna 3/2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: