книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

ГЛАВА 7

CAN-СЕТЬ

7.1. ИСТОРИЯ CAN-СЕТИ

CAN (Controller Area Network – сеть контроллеров) – стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных узлов с собственными тактовыми генераторами. Режим передачи – последовательный, широковещательный, пакетный.

В 1980-х годах начала интенсивно развиваться автомобильная электроника, появились противоблокировочные тормозные системы, системы регулирования тягового усилия, кондиционирования и пр. Все это требовало организации обмена данными между распределенными по машине приборами, датчиками и исполнительными механизмами за короткие промежутки времени. Применявшиеся до этого не объединенные в единый цифровой интерфейс аналоговые и цифровые линии связи (доставляющие сигналы «как есть» со скоростью, не превышающей 10 байт/с) не справлялись с резко возросшим потоком данных. Специфика автомобильных кабельных сетей (ограничения на толщину кабелей и на механические воздействия на них) еще больше усугубляла эту проблему. Помимо увеличения стоимости кабельных сетей автомобиля, все возрастающее число линий связи вызвало серьезные проблемы снижения надежности, затруднения в диагностике и ремонте.

Создание сети CAN началось в 1982 году. CAN-шина была предложена Робертом Бошем (Robert Bosch) для своей автомобильной компании Robert Bosch GmbH. В 1986 году CAN-протокол был официально выпущен обществом автомобильных инженеров (SAE) на конгрессе в г. Детройте, штат Мичиган, а в 1989 году фирма Intel выпустила первую микросхему с CAN-контроллером. Фирма Вosch

321

опубликовала спецификацию САN 2.0 в 1991 году. Впервые CANсеть была использована в машинах фирмы Daimler Benz в 1992 году, затем была стандартизована как ISO (ISO 11898 для высокоскоростных приложений и ISO 11519 для низкоскоростных приложений),

так и SAE (Society of Automotive Engineers – Сообщество автомо-

бильных инженеров).

Стандарт CAN (версия 1.0) был взят на вооружение несколькими фирмами-производителями кристаллов: Intel-82526, 82627; NEC-72005; Philips-82C200; Siemens-81C90/91 и др. По своим ха-

рактеристикам он удовлетворяет современным требованиям. Механизм передачи данных позволяет обнаруживать и исправлять ошибки с хемминговым расстоянием 6, т.е. 2 ошибочных бита исправляются и 5 ошибочных битов обнаруживаются.

Cпецификация интерфейса 2.0, разработанная фирмой Bosch в 1992 году, является дополнением предыдущей версии.

Стандарты ISO 11898-2, 11519, 11898-3 физического уровня протокола САN рассмотрены в гл. 1.7.4.

CAN оптимизирован для систем РВ, в которых передается сравнительно небольшой объем информации со скоростью до 1 Мбит/с. Основные достоинства CAN-протокола– высокая помехоустойчивость, надежность, возможность получения сообщений всеми узлами (контроллерами данных) с синхронизацией по времени, неразрушаю-

щий арбитраж доступа к шине, малая вероятность пропуска ошибки (10– (10–11)), низкая стоимость. Принятая в CAN-интерфейсе схема пере-

дачи сообщений позволяет ее расширять и модернизировать: новые устройства приема данных можно добавлять к сети без изменения существующих программных средств и нарушения работы старой системы. Все это привлекло внимание разработчиков и пользователей различныхРСУ.

Успеху внедрения CAN-протокола способствовало наличие на рынке достаточно дешевой элементной базы. Микросхемы, которые поддерживают CAN-протокол, выпускаются многими миро-

выми производителями, такими как Intel, Philips, Motorola, Siemens, National Instruments, Texas Instruments, Michrochip, Аtmel, NEC,

322

Mitsubishi, Fujitsu, Toshiba, Hitachi, STMicroelectronics, Infineon, Altera, Bosh, Dallas Semiconductor/Maxim и др. Дополнительными аргументами в пользу сети САN являются высокая надежность работы в условиях больших электромагнитных помех, низкая стоимость подключения узла сети, доступность САN-микросхем от разных производителей.

Все 30–40 мировых производителей микроконтроллеров сегодня используют CAN-технологию в своих микросхемах, несколько тысяч компаний производят устройства, совместимые с CAN. В мире уже установлено более 100 млн узлов сетей CAN, 80 % всех выпускаемых микросхем с CAN-интерфейсом используются в автомобильной промышленности (это, безусловно, основное направление). Речь идет о всех типах транспортных средств: грузовиках, сельскохозяйственных машинах, автобусах, погрузчиках. Оставшиеся чипы (20 %) распределяются на медицинское оборудование, промышленность, морскую электронику. В настоящее время CAN-протоколы широко распространяются в промышленной автоматизации, технологии «умный» дом, корабельных бортовых сетях, в управлении системами кондиционирования воздуха, лифтами, медицинскими и промышленными установками, в банковском оборудовании для работы с кредитными картами, в торговых автоматах и многих других областях. CAN-сети используются и в таких сложных установках, как современные оптические телескопы с большим диаметром зеркала. Поскольку такие зеркала невозможно сделать монолитными, их сейчас делают составными, а управление отдельными зеркальцами (их может быть больше сотни) осуществляется сетью микроконтроллеров.

Фактически любое приложение, в котором необходимо общаться между собой по крайней мере двум микроконтроллерам, является кандидатом на применение CAN-шины.

Сегодня большинство европейских автомобильных гигантов

(например, Audi, BMW, Renault, Saab, Volvo, Volkswagen и др.) ис-

пользуют CAN в системах управления двигателем, безопасности и обеспечения комфорта. В Европе введен единый интерфейс для

323

систем компьютерной диагностики автомобиля. Это решение также разрабатывается на базе CAN, поскольку в современном автомобиле используется больше сотни микроконтроллеров.

CAN развивается в нескольких направлениях. В новом проекте стандарта будет увеличена скорость передачи данных, так как, например, в автомобиле появилось много компьютерных подсистем, связанных с передачей аудио- и видеоинформации. Повышение надежности требует введения так называемой двойной (дублированной) шины CAN.

Некоторые пользователи, например в области медицинской инженерии, предпочитают CAN потому, что необходимо соблюдать жесткие требования безопасности. Подобные условия с повышенными требованиями надежности и безопасности предъявляются и к некоторым другим устройствам и оборудованию (роботам, подъемным и транспортным системам и др.).

История развития этого протокола – яркий пример того, как не доведенная до конца работа по стандартизации приводит к появлению целого семейства не совместимых друг с другом протоколов. Дело в том, что вначале развитие CAN остановилось на определении только первых двух уровней OSI-модели. Затем появилось большое число разработок 7-го уровня для CAN, оформленных как самостоятельные протокольные решения: SDS (Honeywell), DeviceNet (Allen Bradley), CAL (CiA-ассоциация), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI)

и несколько др.

7.2. ПОДДЕРЖКА СAN-СЕТЕЙ

Внутри ISO стандартизация CAN в рамках OSI выполняется в комитете ISO/TC22/SC3/WG1. Технический комитет 22 разрабатывает стандарты для транспортных средств (Road Vehicles). Подкомитет 3 проводит работы с электрическим и электронным оборудованием (Electrical and Electronic Equipment), а рабочая

324

группа 1 (Serial Data Communication) отвечает за все работы, связанные с CAN-шиной.

Поддержкой технологии CAN занимается некоммерческая международная группа CiA (CAN in Automation), образованная в 1991 году и объединяющая пользователей и производителей технологии CAN. Эта группа предоставляет техническую, маркетинговую и продуктовую информацию. Осенью 1999 года в CiA было около 340 членов. Она также занимается разработкой и поддержкой различных базирующихся на CAN прикладных протоколов высокого уровня

(HLP-протоколы): CAN Application Layer (CAL), CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet, Smart Distributed Sysrem (SDS), NMEA 2000.

Помимо разработки HLP-протоколов, которые выполняются в группах по интересам IG (Interest Group), CiA проводит работы по спецификации профилей для различных классов устройств. Работы по профилям устройств проводятся в специальных группах по ин-

тересам SIG (Special Interest Group), которых уже более 10.

Например, все новые приборы фирм-изготовителей проходят проверку на соответствие прибора профилю CANopen, если он реализован на его основе. Функционирование прибора проверяется на соот-

ветствие его Electronic Data Sheet (EDS), профилю связи CANopen (CiA DS-301) икорректному поведениюв различныхсостоянияхCANсети. При успешном испытании прибор получает сертификат CiACAN Conformance Test (проверен наCAN-соответствие).

В 2001 году CAN-CiA отметила десятилетие своей деятельности. Эту организацию основал Хольгер Целтвангер (Германия).

у себя дома, так как в то время был редактором в техническом журнале. Именно работая в журнале, он написал статью о CAN-техно- логии, поскольку она понравилась ему своей демократичностью (каждый узел сети CAN имеет одинаковые права говорить и слушать). Даже Bosch, владелец этого протокола, в то время очень удивился, что появился инициатор создания подобной организации для пользователей CAN.

325

Сегодня в штаб-квартире CAN-CiA работают девять секретарей, в состав организации входят более 400 компаний по всему миру. Все члены CAN-CiA равны в своих правах, все получают одинаковую поддержку, независимо от страны, будь то Индия, Россия, КНР или США.

Основная задача CiA – научно-техническая и включает в себя координацию в мировом масштабе работ по разработкам и внедрению CAN-технологий, обмен информацией между разработчиками, выпуск целостных и правильных спецификаций, участие в работе международных и национальных стандартизирующих организаций, выпуск учебно-методической литературы, проведение школ, семинаров и конференций по тематике, связанной с CAN. Решением этой задачи занимается технический комитет CiA.

Именно этот факт, а также принципы, заложенные в основу работы этой организации, обеспечивают реальную атмосферу демократии, которая проявляется и в том, что действия CiA и политика, проводимая в области разработок и внедрения компонентов CANтехнологий, не зависит от прямого влияния больших игроков на рынке промышленных систем автоматизации, таких как Siemens AG, Bosch GmbH, Rockwell Automation AB, которые также являют-

ся членами CiA наравне с малыми и средними фирмами. Естественно, что рынок, на котором каждый из больших игроков занимает определенную нишу, оказывает влияние на направление развития как деловой, так и технической активности членов CiA.

С сайтов можно скачать открытые стандарты, презентации, открытые информационные материалы. Для членов CiA создана приватная область, в которой находятся закрытые, коммерчески распространяемые спецификации и стандарты, а также стандарты и спецификации, находящиеся в стадии обсуждения между членами CiA. Ко всем спецификациям и стандартам, созданным CiA, члены данной организации имеют бесплатный доступ.

Практически любая компания или университет может стать членом CAN-CiA. Потенциальными участниками CAN-CiA являются фирмы, заинтересованные в стандартизации каких-либо техниче-

326

ских решений на основе сети CAN. Кроме того, можно посоветовать вступить в организацию тем, кто хочет осуществлять совместные маркетинговые мероприятия в области CAN.

Мелкие и средние компании, которые являются пользователями CAN, не имеют достаточных ресурсов для проведения маркетинговых исследований в мировом масштабе и работ по поддержанию столь большого набора спецификаций, но тоже считаются перспективными участниками CAN-CiA. Для вступления в организацию новому участнику достаточно заплатить годовой членский взнос, размер которого определяется исходя из количества сотрудников компании. Этот вопрос находится в введении Генеральной Ассамблеи организации, которая устанавливает и фиксирует размеры этих взносов.

Члены CAN-CiA дают поручения секретариату и решают между собой, каким образом их членские взносы будут расходоваться.

В 2002 году в России было четыре члена CAN-CiA: ООО

«Дэйтамикро» (Таганрог), ЗАО «ЭлеСи» (Томск), ООО «Марафон» (Москва), ЗАО «Текон» (Москва). Затем в CAN-CiA вступили такие российские компании, как «Тритон Электроникс» (Екатеринбург), «Фаствел» (Москва), «Уникам» (Москва) и др. На сайтах данных фирм можно найти информацию о компонентах (контроллерах), изделиях, применениях шины САN. Описание стандартов и большой объем документации по CAN можно найти на открытой части сайта www.can-cia.de (его русскоязычная версия www.can-cia.ru).

7.3. СТАНДАРТЫ САN

Есть ряд стандартов физического, канального, прикладного уровней CAN:

♦ ISO 11898:1993 «Road Vehicles – Interchange of Digital Infor- mation-Controlier Area Network (CAN) for High-Speed Communication» («Дорожные транспортные средства. Обмен цифровой информацией. Сеть контроллеров (CAN) для высокоскоростной связи»);

327

♦ISO 11898-1:2003: главным образом описывает слой обмена данными, состоящий из подраздела логического контроля (LLС), подраздела контроля доступа (МАС) и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI-модели;

♦ISO 11898-2:2003: CAN High-Speed используется в качестве двухпроводной сбалансированной схемы передачи данных, которая является наиболее широкоиспользуемым физическим исполнением для работы в автомобильной трансмиссии и промышленных сетях управления;

♦ISO 11898-3:2006: CAN Low-Speed – отказоустойчивый стандарт, заменяющий ISO 11519-2;

♦ISO 11898-4:2004: CAN Time, определяет времязапускае-

мые связи по CAN (TTCAN), основан на CAN-протоколе, предусматривающем системные часы для планирования сообщений;

♦ISO 11898-5:2007: CAN High-Speed блок с низким энерго-

потреблением;

♦ISO 11898-6:2013: CAN высокоскоростное устройство доступа к среде с селективной функциональностью;

♦ISO 11992-1: CAN отказоустойчивая для грузовых автомобилей, тягачей и прицепов;

♦ISO 11783-2: 250 кбит/с, использует четыре неэкранированные витые пары, два провода для CAN и два провода для оконечной цепи смещения (TBC) питания и заземления. Эта шина используется на сельскохозяйственных тракторах, предназначена для обеспечения взаимосвязи с любой реализацией протокола, придерживаясь стандартов.

Новые стандарты на основе САN-шины продолжают разрабатываться прежде всего для прикладного уровня. Прикладные профили разработаны в следующих стандартах: ISO 11992, ISO 11783

(так называемая шина Isobus для сельскохозяйственной техники), SAE J1939, САNopen и др.

Текущие работы по стандартизации CAN-протокола для автомобильных приложений выполняются главным образом такими

328

организациями, как ISO, IEC (МЭК), американским Обществом ин-

женеров автомобилестроения SAE (Society of Automotive Engineers)

и международной группой «Открытые системы и соответствующие интерфейсы для автомобильной электроники» OSEK/VDX (Offene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik im Kraftfahrzeug – Open System and the Corresponding Interfaces for Automotive Electronics). Термин VDX (Vehicle Distributed eXecutive) определяет-

ся как распределенное выполнение для транспортных средств. Рабочие группы ТК22 (ISO/TC22/SC3/WG1) продолжают ра-

ботать над различными стандартами для автомобильных приложений, основанных на CAN-протоколе.

Группа TF1 – Diagnostic Services («Диагностический сервис») –

разработала стандарт ISO 14230 «Road vehicles. Diagnostic Systems. Keyword Protocol 2000» («Транспортные средства. Системы диагностики. Протокол KWP 2000»). Этот стандарт определяет диагностический сервис и протоколы связи для транспорта, использующего дополнительную диагностическую шину K. В настоящее время набор диагностических услуг протокола KWP 2000 расширяется сервисом для движущейся автомобильной диагностики связи по сети CAN.

Группа TF2 – Diagnostics on CAN («CAN-шина диагности-

ки») – занимается стандартизацией CAN-протокола для диагностических автомобильных приложений. В частности, группа определяет протокол транспортного уровня (уровень 4 модели ISO/OSI стандарта ISO/IS 7498), который позволяет использовать диагностический сервис на CAN-шине. Причем стандарт будет поддерживать как однопроводную среду передачи в движущемся транспорте, так и нормальную (двухпроводную) CAN-шину.

Группа TF4 – Truck and Trailer Interfaces («Интерфейсы грузо-

виков и прицепов») – опубликовала стандарт ISO/DIS 11992 «Road Vehicles. Electrical Connections Between Towing and Towed Vehicles. Interchange of Digital Information» («Транспортные средства. Элек-

трические соединения между буксирующим и буксируемым средством. Обмен цифровой информацией»), который определяет безопасную связь для грузовиков и прицепов. Данный стандарт базиру-

329

ется на ISO 11898 (высокоскоростной CAN-протокол), но определяет новый физический уровень, который больше отвечает жестким требованиям к электросети грузовиков и прицепов. ISO 11992 также определяет прикладной уровень (уровень 7 модели ISO/OSI стандарта ISO/IS 7498) для различного транспортного оборудования (например, система торможения). Цель этой работы – стандартизовать оборудование от различных производителей для использования в грузовиках и прицепах на основе CAN-сети.

Группа TF5 – J Specification Conversion («Преобразование спецификаций серии J») – выполняет преобразование соответствующих J-стандартов SAE, используемых для OBDII-диагностики

вСША, в стандарты ISO. В ходе этой работы TF5 приняла важное решение относительно стандартизации CAN в автомобилестроении:

вдиагностическом соединителе, определенном в ISO 15031-3 (SAE J1962), где цепи 6 и 14 зарезервированы для CAN-сети. Чтобы про-

верить, что CAN-шина используется в автомобиле и доступна через 16-пиновый разъем OBDII, нужно измерить сопротивление на выводах разъемов 6 и 14 (должно быть 60 Ом).

Группа TF6 – CAN Conformance («Совместимость с CAN»).

Свозрастанием популярности CAN и его повсеместным использованием возникла необходимость в международном стандарте, определяющем тесты совместимости с CAN. Стандарт позволил бы полупроводниковым компаниям гарантировать совместимость между различными реализациями CAN-протокола, и пользователи сами могли бы проверятьэтиреализации.

Оперативная группа TF – Tachograph Systems («Системы тохографа») – готовит предложения по стандартизации связи между узлами (датчик скорости, записывающий блок типа «черного ящика» и аппаратура) движущегося транспорта, используя в качестве среды связи CAN-сеть. Предполагаемый стандарт будет основы-

ваться на SAE J1939.

Еще три комитета ISO занимаются разработкой стандартов, основанных на CAN, для других приложений. Это ISO/TC23/SC19/WG1 – стандарт ISO/WD 11783 для управления и связи по последовательно-

330