Autóipari beágyazott rendszerek CAN Controller Area Network

Tóth Csaba, Scherer Balázs:

Autóipari beágyazott rendszerek CAN – Controller Area Network Előadásvázlat Kézirat Csak belső használatra! 2012.02.05. © TCs, SchB BME MIT 2012.

Csak belső használatra!

Autóipari beágyazott rendszerek – CAN - 1

Ipari buszok (field bus-ok) • A LAN-ok egy speciális fajtája. • Csak a legszükségesebb OSI rétegek: – 1. PHY, fizikai réteg – 2. MAC, adatkapcsolati réteg közeg-hozzáférési alrétege – 3-6. Higher layers (hiányzik vagy összevonják) – 7. Application layer – Általában már nem tartozik az adott ipari busz szabványhoz.

© TCs, SchB BME MIT 2012.



A CAN field bus • Kitalálója: – Robert Bosch GmbH – 1983-ban kezdte el a fejlesztést – 1986-ban publikálta – CAN = Controller Area Network

• Nemzetközi szabvány: ISO 11898 (1993) • Alkalmazása: – Kb. egyharmada autókban – Kb. kétharmada készülékekben (röntgen, CT, automaták, ipari berendezések stb.) © TCs, SchB BME MIT 2012.



A CAN története évszámokban • • • • • • • •

1983 1985 1986 1987 1988 1991 1993 2001


A Bosch elkezdi a fejlesztést. Az Intel beszáll a projektbe. Publikálják a CAN specifikációt. Megjelenik az első működő CAN chip. Kaphatók a CAN chipek. Extended CAN; Mercedes S-modell ISO 11898, nemzetközi szabvány TTCAN (Time-Triggered CAN)



A CAN főbb jellemzői • Busz topológia Szórásos típusú hálózat: a hálózatra adott keretet mindenki veszi. • Tetszőleges topográfia Általában busz, pont-pont vagy csillag • Többszörös hozzáférés Nem destruktív ütközéskezeléssel (CSMA/CA) • Egycímes keretformátum; Cím helyett keretazonosító (A címnek inkább adatazonosító és prioritást meghatározó szerepe van.) • Fejlett hibadetektálás, hiba-elszigetelés © TCs, SchB BME MIT 2012.



A CAN főbb jellemzői (folyt.) • Nagy sebességű: 0,125 - 1 Mbit/s-ig, jellemzően 500 kbit/s) Kis sebességű: 10 kbit/s-tól 125 kbit/s-ig • Távolság: kb. 40–500 m (függ a sebességtől, topográfiától, átviteli közegtől) • Többféle adatátviteli közeg, legtöbbször csavart érpár • NRZ (Non-Return to Zero) bitkódolás bitbeszúrással és bitkiejtéssel (bit-stuffing) • Rövid, változó hosszúságú keretek (0–64 bit hosszú adatmező, 0–8 adatbyte). © TCs, SchB BME MIT 2012.



CAN szabványok ISO 11898-1 Data link layer and physical signalling ISO 11898-2 High speed medium access unit ISO 11898-3 Low- speed fault-tolerant mediumdependent interface ISO 11898-4 Time-triggered CAN ISO 11898-5 High speed CAN and low power applications ISO 11519-1, -2: (superseded by ISO 11898-3) © TCs, SchB BME MIT 2012.



A CAN fizikai rétege • A huzalozott ÉS kapcsolat jelállapotai: – recessive (elengedett, 1), – domináns (meghúzott, 0).

• NRZ kódolás • Bitbeszúrás/bitkiejtés: – gondoskodik a gyakori jelátmenetekről (megkönnyíti a bitszinkronizációt)




Távolság, sebesség • A maximális sebesség limitált, de gyakran alsó sebességhatárt is megadnak. • Néhány tájékoztató érték: – 100 m – 200 m – 500 m – 6 km

500 kbit/s 250 kbit/s 125 kbit/s 10 kbit/s

• Alapvetően az arbitráció szab határt.




Lezárás • A kábelt hullámimpedanciával le kell zárni. – Meggátolja a reflexiók kialakulását. – Biztosítja a helyes DC feszültségszinteket. – Csavart érpárnál 100-120 ohm.




Csatlakozók • A CAN szabvány nem specifikálja a csatlakozókat. – A magasabb szintű protokollokban szokták rögzíteni a használandó csatlakozókat. (Ez ellentmond az OSI hivatkozási modell koncepciójának). – Legtöbbször 9-pólusú, DB-típusú csatlakozót használnak.




CAN csatlakozók DB9

DN C-type connector DN mini-style connector

CANHUG connector © TCs, SchB BME MIT 2012.



CAN transceiver (példa) Philips PCA82C251






-1,0 V

0,5 V

Recessive

Dominant

„0”

0,9 V

CAN_L

CAN_H

„1”

5,0 V

N_H – CAN_L

1,5 V

2,5 V

3,5 V

CAN_H – GND CAN_L – GND

Recessive

idő

Differenciális bemeneti feszültségtartomány a recessive állapothoz

Differenciális bemeneti feszültségtartomány a domináns állapothoz

High Speed CAN (ISO 11898-2)

„1”


Egy CAN hálózat (példa)

Akkumulátortól (+12 V)

Fesz.stabilizátor

Szenzor

Beavatkozó

Mikrovezérlő + CAN vezérlő CAN transceiver

GND

CAN_L CAN_H 16 node

ECU

ECU

≤1 m

ECU

...

ECU

40 m

RT 120 Ω 500 kbit/s © TCs, SchB BME MIT 2012.



RT

Példa: komplett CAN interfész




Példa: Philips PCA82C251 quick reference




Fault-tolerant CAN (ISO 11898-3)

Source: Rudan Bettelheim Senior Systems Engineer Freescale Technology Forum 2005 Bangalore




Single-wire CAN (SAE J2411)

Source: Rudan Bettelheim Senior Systems Engineer Freescale Technology Forum 2005 Bangalore




Bitidőzítés Egy bit Sync

Prop.segm.

Phase1

Phase2

Mintavételi pont

• Minden bit négy szegmensre van osztva. • Minden egyes szegmens az ún. időkvantum (time quanta, TQ) egész számú többszöröse. • A bitek szegmensei: – Synchronization Segment – Propagation Segment – Phase Segment 1 – Phase Segment 2 © TCs, SchB BME MIT 2012.

( 1 TQ) (1-8 TQ) (1-8 TQ) (1-8 TQ)



Bitidőzítés (folyt.) • Szinkronizációs szegmens – 1 kvantumnyi hosszú. – A szinkronizálását szolgálja. – A buszon a jelváltásoknak ebben a szegmensben kell megtörténniük.




Bitidőzítés (folyt.) • Propagation szegmens – A busz terjedési idejét kompenzálja (beleértve a kábel jelterjedési idejét és az elektronika, pl. optocsatolók késleltetéseit is).




Bitidőzítés (folyt.) • Phase Segment 1 és 2 – A mintavétel a két fázisszegmens határán történik. – PS1 növelhető, PS2 csökkenthető egy adott értékkel (SJW)

• SJW, Synchronization Jump Width = 1...4 TQ • Szabályok: – Prop Seg + Phase Seg 1 >= Phase Seg 2 – Prop Seg + Phase Seg 1 >= TDELAY – Phase Seg 2 > Sync Jump Width + IPT

• IPT, Information Processing Time © TCs, SchB BME MIT 2012.



Bitidőzítés (folyt.) • Az időkvantumot a rendszerórából állítják elő leosztással. • Szinkronizálás – Hard: a start bit recessive-domináns átmeneténél – Soft: bitenként a Sync figyelésével és SJW korrekcióval

• Mintavétel – Egyszeres – Többszörös (többségi szavazással)




CAN keretformátumok • • • •

Adatkeret Hibakeret Távoli keret Túlterhelés-keret


(Data frame) (Error frame) (Remote frame) (Overload frame)



Adatkeret – 2.0A vagy „standard” data frame =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID

1

2

4

r0,r1

Start of Arbitration Field Frame

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field

Control Field RTR

End of Frame Intermission CRC ACK Delimiter Delimiter ACK Slot

• Jelentése: „Halló, itt van az X azonosítójú adat, aki akarja, használja fel.” • CAN 2.0A vagy „standard CAN” adatkeret (11-bites ID) © TCs, SchB BME MIT 2012.



Start of Frame =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field

Arbitration Control Field Field RTR


• Start of Frame: a keret kezdetét jelzi.




Arbitration Field: ID + RTR =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field



• ID (Identifier) Field: 11 bit (CAN 2.0A) – Adási sorrend: MSB – LSB – Többnyire az adatmező tartalmát azonosítja. – Az RTR bittel együtt meghatározza a keret prioritását is.

• RTR (Remote Transmit Request): távoli adáskérés © TCs, SchB BME MIT 2012.



Control Field =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field



• Control Field: az adatmező hossza byte-okban – 2 bit: reserved (r1=0, r0=0) – 4 bit: Data Length Code, (9-féle adathossz: 0, 1, 2, ..., 8 byte) © TCs, SchB BME MIT 2012.



Data Field =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field



• Data Field: max. 8 byte hosszúságú adatmező tetszőleges tartalommal.




CRC Field =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3

CRC Field



• CRC Field: 15 bit + 1 bit CRC Delimiter (=1)




ACK =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

CRC Field


CRC Delimiter

7

3

End of Frame Intermission ACK Delimiter ACK Slot

• ACK Slot: Tx:=1 / Rx:=0, azonnali nyugtázás; • ACK Delimiter (=1)




End of Frame =1

=0

= 0/1

CAN Data Frame 1

11

ID Start of Frame

1

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

CRC Field


CRC Delimiter

• End of Frame: 1111111 • Intermission: 111


1 1 1

7

3

End of Frame ACK Delimiter ACK Slot

Intermission

(7x1) (3x1)



Adatkeret – CAN 2.0B vagy „extended CAN” =1

=0

= 0/1

Extended CAN Data Frame 1

11

2

18

2

Identifier (11+18) Start of Frame

1

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

Control Field RTR

11

Identifier

1

2

4

r0,r1


0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3


CRC Field

Control Field RTR

Standard CAN Data Frame © TCs, SchB BME MIT 2012.



Arbitráció és prioritás • Huzalozott ÉS kapcsolat – Ha az összes adó 1 értéket ad (recessive érték), akkor a buszon is egyes érték van. – Ha bármelyik állomás lehúzza a buszt (domináns vagy 0 érték), akkor a buszon nulla (domináns) érték jelenik meg.

• Buszfigyelés: szabad / foglalt • Egyszerre többen adnak: összeszinkronizálódnak, bitről bitre egyszerre hajtják meg a buszt. • Adás közben az adó folyamatosan figyeli a buszt. • Arbitráció • Újraadás © TCs, SchB BME MIT 2012.



Arbitráció és prioritás (folyt.) • A domináns nyer (arbitrációs mező=ID+RTR bit). • Az ID az adás prioritását is meghatározza. • Nem destruktív arbitráció (szemben pl. az Ethernettel)




CAN ID • A CAN ID nem azonos a szokásos LAN-ok címével. – LAN példa: a cím egy adott állomást azonosít (az A állomás üzenetet küld a B állomásnak).

• A CAN ID mező bármit azonosíthat. – A CAN protokoll nem mondja meg, hogy mi a jelentése az ID-nek, ezt a magasabb szintű protokollok határozzák meg. – Az ID hossza, a bitek adási sorrendje rögzített, de a tartalmára vonatkozóan nincs előírás. – Az ID legtöbbször az adatmezőben elküldött adat azonosítója (neve). – Az autók esetében a különböző paraméterekhez (változókhoz) rendelnek azonosítókat, pl. egyedi ID-je van a motor fordulatszámának, a jármű sebességének stb. – A vevők az ID vizsgálatával döntik el, hogy fogadják-e (továbbítsák-e a felsőbb réteg felé) az adott paramétert tartalmazó keretet vagy dobják el. © TCs, SchB BME MIT 2012.



Távoli keret (Remote Frame) =1

=0

= 0/1

CAN Remote Frame 1

11

1

ID

2

4

r0,r1


15

11

ID Start of Arbitration Field Frame

2

4

r0,r1

0 - 64

Data Field

15

1 1 1

7

3


CRC Field

Control Field

RTR = 0 CAN Data Frame


3


Control Field

1

7

CRC Field

RTR = 1

1

1 1 1



Hibakeret (Error Frame) =1

=0

CAN Error Frame 6

Error Flag

CAN Error Frame 8

6

Error Delimiter

8

Error Flag

Error active mode

Error Delimiter

Error passive mode

• Jelentése: „Vigyázat, ez egy hibás keret!” • Generálása: ha az adó adás közben vagy bármelyik vevő vétel közben hibát észlel. – Error active mode: Error Flag = 6 db 0 – Error passive mode: Error Flag = 6 db 1 – Error Delimiter: 8 db 1 (recessive) © TCs, SchB BME MIT 2012.



Error active mode (error counter < 128) =1

6

=0

8 Node 1 (Error detected)

Error Flag

Error Delimiter 6

8 Node 2 (Bit-stuffing error / form error)

Error Flag

6 – 12

Error Delimiter

8

3 CAN bus

Error Flag

Error Delimiter

Intermission

Min. 6+8+3 = 17, max. 12+8+3 = 23




Error passive mode (error counter > 127) =1

6

=0

8 Node 1 (Error detected)

Error Flag

Error Delimiter 6

Suspend transmission

8 Node 2 (Bit-stuffing error)

Error Flag

6 – 12

Error Delimiter

8

3 CAN bus

Error Flag

Error Delimiter

Intermission

Bus idle

Min. 6+8+3 = 17, max. 12+8+3 = 23




Hibakezelés – Bit Monitoring / Bit Error • Bit Monitoring – Adáskor az adó összehasonlítja a kiadott bitet a vett bittel. – Ha az arbitrációs fázison kívül a két érték nem egyezik, Bit Error hiba keletkezik, amit az adó regisztrál. =1

=0

= 0/1

Bit Error hatóköre 1

11

ID

1

2

4

r0,r1


0 - 64

Data Field

15

7

3

CRC Field

Control Field RTR


1 1 1


End of Frame Intermission CRC ACK Delimiter Delimiter ACK Slot Autóipari beágyazott rendszerek – CAN - 42

Hibakezelés – Bit Stuffing / Stuff Error • Bit Stuffing – A vevő figyeli a beérkező biteket. – A bitbeszúrás/-bitkiejtés szabály megsértése esetén Stuff Error hibát jelez.




Hibakezelés – Frame Check / Form Error • Frame Check – A CAN keret bizonyos bitjei rögzítettek, így az ettől való eltérést a vevők képesek észlelni. – Ilyen típusú hiba esetén Form Error hiba keletkezik. =1

1

11

ID

1

2

4

r0,r1


0 - 64

Data Field

15

7

= 0/1

3

CRC Field

Control Field RTR


1 1 1

=0


End of Frame Intermission CRC ACK Delimiter Delimiter ACK Slot Autóipari beágyazott rendszerek – CAN - 44

Hibakezelés – Acknowledgement Check /Error • Acknowledgement Check – Egy adó sikeresen vett keretét valamennyi vevő nyugtázza az ACK bit nullába állításával. – Ha egyetlen vevő sincs a buszon, akkor az ACK bit egyes értékű marad, ami az adóban Acknowledgement Error hibát generál. – Az adó ily módon értesül arról, hogy vették-e a keretét. – Azt nem tudhatja, hogy mindenki vette-e a keretét, csupán azt, hogy senki nem vette vagy legalább egy állomás vette.


ACK Delimiter ACK Slot Csak belső használatra!


Hibakezelés – CRC / CRC Error • Cyclic Redundancy Check – Az üzenetek integritását 15-bites CRC-vel védik. – CRC hiba esetén a vevő CRC Error hibát jelez. 15

1

CRC Field CRC Delimiter




Hiba-behatárolás, -elszigetelés • Fejlett hibakezelés • Hibaszámlálók: – Transmit Error Counter – Receive Error Counter

• Inkrementálnak, ha hibát észlelnek, és dekrementálnak, ha hibátlanul tudnak adni. • Az adáskor bekövetkező hibákat nyolcszoros súllyal számolják.




Hiba-behatárolás, -elszigetelés • Error Active, Error Passive üzemmód – Ha a hibák száma meghalad egy bizonyos értéket, az állomás a normális (Error Active) állapotból átmegy egy fokozott elővigyázatosságot biztosító (Error Passive) állapotba. – Ha a hibák száma meghalad egy újabb küszöböt, az állomás nem adhat a buszra. – A hibák megszűnése esetén, bizonyos szabályok betartásával, az állomás visszakerülhet normál üzemmódba.




Error counters, error modes Init Error active REC > 127 OR TEC > 127

Error passive

REC < 128 AND TEC < 128 TEC > 255


(11 consecutive rec bits = = ACK delimiter (1) + EOF (7) + Interm. (3) = Error delimiter (8) + Intermission (3) )

128 x 11 rec bits

Bus off Csak belső használatra!


Magasabb rétegek – Alkalmazási réteg • Ipari alkalmazásokhoz – CAL – CANopen – DeviceNet – CAN Kingdom – SDS –…

CAN in Automation (CiA) CAN in Automation (CiA) Allen Bradley–Rockwell Kvaser Honeywell

• Autós alkalmazásokhoz – OSEK/VDX – J 1939 –… © TCs, SchB BME MIT 2012.

OSEK SAE



Vége




Autóipari beágyazott rendszerek CAN Controller Area Network

Recommend Documents