Mateusz Niedziółka IV rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inż. Wojciech Mysiński opiekun naukowy CAN BUS IN MOTORIZATION. The topic of this article will be using CAN bus in motorization. This is a very popular advice also use in spheres like industrial automation, robotics. We owe its commonness to easy implementation, low costs of production and high protection against errors. MAGISTRALA CAN W MOTORYZACJI. Tematem tego artykułu będzie zastosowanie magistrali CAN w motoryzacji. Jest ona powszechnie wykorzystywana w różnego rodzaju dziedzinach takich jak: automatyka przemysłowa, robotyka i tym podobne. Jej powszechność zawdzięczamy przede wszystkim łatwą implementacją, niskimi kosztami produkcji i wysoką ochroną przed błędami. Keywords: network, motorization, automation, bus, protocol, topology Słowa kluczowe: sieć, motoryzacja, automatyka, magistrala, protokół, topologia 1. ZARYS HISTORYCZNY. Powstała na początku lat 80. Jest to magistrala szeregowa. Nazwa ta obejmuje zarówno protokół komunikacyjny jak i samą magistralę. Protokół określa sposób przesyłania danych. Na początku ta magistrala była stosowana w głównie przemyśle jednak później firma Bosch wpadła na pomysł by wykorzystać jej zalety w samochodach. Idea narodziła się z powodu bardzo szybkiego rozwoju motoryzacji na początku lat 80. Spowodowało to potrzebę coraz to lepszych i bardziej innowacyjnych systemów sterowania podzespołów elektronicznych w samochodach. W 1987 roku pojawiły się pierwsze chipy CAN wyprodukowane przez firmę Intel. 5 lat później na rynek wchodzi pierwszy Mercedes z magistralą CAN. Był to faktyczny początek zastosowania nowej magistrali w motoryzacji. W 1993 roku został opublikowany standard ISO11898, który zawiera opis warstwy fizycznej jak i warstwy łącza danych dla magistrali CAN, czyli rzeczy takich jak np. poziomy napięć, szybkość przesyłania danych [10]. 2. CONTROLLER AREA NETWORK. Magistrala CAN nie korzysta ze standardowych poziomów logicznych 0, 1 [5]. Mamy tu do czynienia z dwoma stanami: dominującym i recesywnym. Stan dominujący może zasłonić stan recesywny na linii. Ma to zapewnić poprawną transmisję podczas próby nadawania sygnału przez
dwa urządzenia. Poziom dominujący ma wyższy priorytet niż poziom recesywny. Dzięki temu podczas próby jednoczesnej transmisji bitu dominującego i recesywnego przez dwa różne urządzenia otrzymuje się zawsze poziom dominujący i co najważniejsze nie nastąpi przy tym zakłócenie transmisji [6]. Rys. 1 Topologia sieci CAN [1] Na rys. 1. mamy zarys topologii sieci CAN. Wartości prędkości, długości przewodów jak i rezystorów są dobrane według standardu ISO11898. Jak widzimy prędkość 1Mbit/s możemy osiągnąć nie przekraczając długości 40m. Natomiast długość przewodu, który idzie do urządzenia nie powinna przekraczać 30cm. Poniżej w tabeli widzimy poziomy napięć według ISO11898 dla stanu recesywnego i stanu dominującego. Tab. 1. Poziomy napięć dla sieci CAN w standardzie ISO 11898 [1]. Stan recesywny ( 1 ) Stan dominujący ( 0 ) minimalnie nominalnie maksymalnie minimalnie nominalnie maksymalnie H 2.0 2.5 3.0 2.75 3.5 4.5 L 2.0 2.5 3.0 0.5 1.5 2.25
1.Rezystor 120 2.Przewód typu skrętka 3.Nadajnik/odbiornik 4.Kontroler CAN 5.Mikrokontroler 6.Układ sterowalny 1 7.Węzeł CAN 1 8.Układ sterowalny 2 9.Węzeł CAN 2 Rys. 2. Budowa węzła CAN [1] Kolejną ważną cechą magistrali CAN, którą warto zapamiętać jest to, że korzysta się tu z asynchronicznego sposobu przesyłania danych każda wcześniejsza stacja jest taktowana za pomocą wcześniejszej [6]. 3. WARSTWA FIZYCZNA I WARSTWA ŁĄCZA DANYCH W STANDARDZIE ISO 11898. Ustala normy dla magistrali CAN warstwę fizyczną i warstwę łącza danych. Warstwa fizyczna [5] : -dwuprzewodowa skrętka -rezystory -sygnał różnicowy Magistrala od strony fizycznej to dwuprzewodowa skrętka. Jest ona stosowana gdyż taka budowa zapobiega zakłóceniom elektromagnetycznym i jest to tanie rozwiązanie, w porównaniu do wchodzących na rynek światłowodów. Na końcach skrętki mamy umieszczone rezystory, które zapobiegają zjawisku odbicia fali elektromagnetycznej. Minimalna wartość tych rezystorów to: minimalna:100, nominalna:120 natomiast maksymalna to około 130. W przypadku dużo dłuższych przewodów (np. ponad 6km) magistrali, wartość ta może ulec zmianie.
Warstwa łącza danych [5] : -adresy urządzeń -sterowanie -dane -zabezpieczenia przed błędami Szczególnie ważnym aspektem w tej warstwie jest identyfikator. Każda wiadomość ma swój identyfikator np. wartość mierzona wysyłana z czujnika temperatury ma swój szczególny identyfikator, który określa znaczenie zawartych w wiadomości danych. Z identyfikatorem wiążą się dwie wersje protokołu: 2.0A z 11 bitowym identyfikatorem oraz 2.0B z 29 bitowym identyfikatorem. Identyfikator długości 11 bitów umożliwia rozróżnienie 2032 różnych typów telegramów, a długości 29 bitów umożliwia rozróżnienie 536 870 912 telegramów [6]. Za pomocą identyfikatora układ CAN rozpoznaje także priorytet wysyłanych danych im mniejsza wartość liczbowa tym większy priorytet. Należy zapamiętać, że identyfikator nie jest przypisany do urządzenia, lecz do komunikatu. 4. JAK PRZESYŁANE SĄ DANE W PROTOKOLE CAN? Dane wysyłane są w postaci pakietów nazywanych ramkami. Rys.3. Ramka protokołu CAN SOF bit startowy zawsze dominujący. Wszystkie stacje dołączone do magistrali synchronizują swoje wewnętrzne stopnie odbiorcze z narastającym zboczem tego bitu. Identifier + RTR pole arbitrażu zawiera identyfikator. RTR umożliwia stacji zaadresowanie i wysyłanie wiadomości do innej określonej stacji. Control zawiera informację o tym jak zbudowana jest ramka danych. ACK bit recesywny może być przykry. Umożliwia to stacjom odbierającym wysyłanie potwierdzenia odebrania poprawnej ramki danych. EOF składa się z 7 recesywnych bitów i kończy ramkę danych. Ramka jest bardzo skomplikowana i może spędzać sen z powiek programistom. Jednak jest na to rozwiązanie - specjalne moduły spełniają na poziomie hardware-u funkcje takie jak: obliczanie CRC, dodawanie pozostałych pól, łączenie z magistralą, transmisje danych, wykrywanie i usuwanie błędów [6].
5. DLACZEGO STOSUJEMY MAGISTRALĘ CAN W MOTORYZACJI? Przede wszystkim należy pamiętać, że magistrala CAN jak i sam protokół zapewnia szeroki zakres prędkości przenoszenia danych. Dodatkowo odbywa się to w zasadzie bez występowania błędów. Kolejną ważną zaletą w tym przypadku ekonomiczną jest łatwość utrzymania i niskie koszty masowej produkcji a co za tym idzie powszechność i dostępność. Nie zapominajmy również o prostocie konstrukcji media magistrali, topologia, rozwiązania hardwarowe jak i mała zajętość przestrzeni. Na początku lat 80, kiedy to jeszcze w samochodach stosowano wyłącznie sam system mikroprocesorowy, ilość kabli i ich waga była dość zawrotna. Dla przykładu. W przeciętnym samochodzie długość kabli dochodziła do 3,2km co ważyło około 56kg. Kiedy na początku wprowadzono magistralę CAN długość kabli wynosiła 2,2km czyli o 1km mniej. Waga również się zredukowała i to aż o 17kg [1]. Rys.4. System oparty wyłącznie o mikroprocesor [1] Rys.5. System CAN w samochodzie [1] Dalszy rozwój techniki przyczynił się to tego, że na chwilę obecną, pojedyncza sieć CAN ma długość 40m. Jest to długość optymalna przy której uzyskuje się prędkości do 1Mbit/s. Wcześniej wspomniany standard ISO 11898 określa właśnie taką długość skrętki i szybkość przesyłu danych. Gdzie można zastosować CAN? Praktycznie nie ma ograniczeń. Magistralę wykorzystuję się do sterowania szybami, zamkami w drzwiach, alarmami jak i do systemów (np. ABS, ASR) dbających o nasze bezpieczeństwo.
Rys.6. Przykład rozmieszczenia poszczególnych podzespołów magistrali CAN [1] Rys.7. Przykład rozmieszczenia poszczególnych podzespołów magistrali CAN [1]
6. MAGISTRALA CAN W SAMOCHODACH FIRMY MERCEDES-BENZ. Opiszę teraz zastosowanie magistrali CAN na przykładzie mercedesa. Jest to marka która już od ponad 18 lat korzysta z systemu CAN i rozwinęła jego zastosowanie praktycznie w każdym miejscu w samochodzie. W mercedesie można wyróżnić dwie główne sieci CAN. Pierwszy będzie odpowiadał za takie rzeczy jak: zamki w drzwiach, alarmy, sterowanie fotelami, czy systemami audio. Drugi natomiast będzie się zajmował systemami takimi jak: ABS (Anti-Lock Braking System), ASR (Acceleration Slip Regulation), ESP ( Electronic Stability Program) czy skrzynia biegów [9].Coraz częściej używa się jednak jeszcze dodatkowej sieci, służącej do diagnostyki całego samochodu. Kolejnym ciekawym zastosowaniem magistrali CAN jest połączenie jej z modułem nawigacji GPS. Podsumowując; w nowych modelach klasy E takich jak W211, W164, W169 można wyróżnić [13] : CAN B: sieć odpowiadającą za ciało samochodu CAN C: sieć odpowiadającą za silnik i nadwozie CAN D: sieć diagnostyczną Rys.8. Układ do diagnostyki [17] Na rys. 8. Widzimy układ do diagnostyki samochodu [17]. Elementy niebieskie są to zamknięte gniazdka do których podpina się specjalne urządzenie (rys. 9.).Wykorzystuję się to głównie w serwisach samochodowych w celu diagnostyki silnika i nie tylko. System jest jednak tak opracowany by przeciętny użytkownik był zdolny do zrobienia tego samemu. Rys.9. Urządzenie diagnostyczne [11]
Trzeba jednak pamiętać, że w samochodach, które jak wiemy, są narażone na wiele czynników zewnętrznych, będą zdarzać się wszelkiego rodzaju zakłócenia pracy, nie tylko układów mechanicznych jak i układów elektrycznych. Najbardziej awaryjna jest elektronika, a jest to związane z kruchością ścieżek i powstawania wszelkiego rodzaju zwarć. Nie ma systemów idealnych. Nawet zbyt duża temperatura silnika, może negatywnie wpływać na układy mikroprocesorowe sterujące pracą magistrali. Pamiętajmy zatem, że jeżeli chcemy jeździć bezpiecznie, wszelkie niepokojące zachowania przyrządów należy sprawdzać natychmiast i najlepiej zrobić to w autoryzowanym serwisie. Magistrala CAN ma wiele rodzajów zabezpieczeń, zwłaszcza jeśli chodzi o bezbłędność przesyłu wiadomości, jednak jest to urządzenie i też może zawieść. Rys.10. Główny moduł sterowania [7] Na rys. 10 widać główny komputer pokładowy. Na zbliżeniu widzimy skrętkę dwuprzewodową, o której wcześniej tyle było powiedziane. Główne moduły mogą znajdować się w różnych miejscach w zależności od marki samochodu. Oznaczenia kolorystyczne przewodów CAN HIGH i CAN LOW również są inne w innych pojazdach, jak to widzimy na poniższych rysunkach.
Rys.11. Skrętka przewodów CAN HIGH i CAN LOW magistrali CAN zastosowana w samochodzie BMW 3 Series [7] Rys.12. Skrętka przewodów CAN HIGH i CAN LOW magistrali CAN zastosowana w samochodzie Citroen C5 [7]
Rys.13. Skrętka przewodów CAN HIGH i CAN LOW magistrali CAN zastosowana w samochodzie Honda Accord [7] Rys.14. Moduły znajdujące się na silniku ciężarowego samochodu marki Scania [8] Na rys. 14. widzimy silnik samochodu ciężarowego marki Scania. Czerwonymi strzałkami są zaznaczone moduły odpowiedzialne za kontrolowanie parametrów takich jak: obroty, temperaturę silnika, ilość paliwa wtryskiwanego do silnika w jednostce czasu. Wcześniej wspomniałem o zakłóceniach jakie podczas jazdy samochodem mogą powstawać. Zauważmy jak czujniki na rys. 14. są zabudowane. Jest to solidna metalowa konstrukcja minimalizująca wpływ zakłóceń na pracę silnika.
6.1. MOŻLIWOŚCI MAGISTRALI CAN. Magistrala CAN umożliwia również sterowanie naszym wymarzonym samochodem bezprzewodowo. Można do tego zastosować palmtopa, Windows Mobile i Bluetooth [16]. Dzięki odpowiedniej wiedzy i wysiłkowi można za pośrednictwem odpowiedniego oprogramowania sterować podzespołami naszego mercedesa takimi jak drzwi, okna, lusterka, ustawienie kierownicy. Rys. 15. Zrzut z ekranu palmtopa, na którym widzimy możliwość sterowania położeniem kierownicy [16] Rys. 16. Zrzut z ekranu palmtopa, na którym widzimy możliwość sterowania ciałem samochodu [16]
6.2. MAGISTRALA CAN W PRAKTYCE. Dużo było powiedziane o wszelkiego rodzaju zastosowaniach jak i możliwościach magistrali CAN. Jednak jak to wygląda w praktyce? Po krótce przedstwię jak przyłączyć do samochodu przyczepę [15] i jak podpiąć światła tej przyczepy, by były one zsynchronizowane ze światłami samochodu. Aby podłączyć przyczepę i światła potrzebny jest specjalny kabel. Na rys. 17 widzimy dwu przewodową skrętkę służącą do podłączenia do systemu CAN zaznaczoną czerwonym kółkiem. Kabel posiada jeszcze dodatkowe gniazda służące do podłączenia wszystkiego do głównego komputera (rys. 18.). Rys. 17. Kabel służący do podłączenia oświetlenia przyczepy [15] Rys. 18. Główny moduł sterujący [15]
Rys. 19. Podłączenie skrętki przewodów CAN HIGH i CAN LOW do głównej wtyczki [15] Rys. 20. Wpięcie głównej wtyczki do modułu sterującego [15] Na rys. 19. widzimy jak wpinamy do gniazda nasze przewody CAN HIGH i CAN LOW. Po wpięciu ich do wtyczki, całość wpinamy do głównego komputera (rys. 20.). Mam nadzieję, że ten artykuł przybliżył fenomen magistrali CAN. Zapraszam wszystkich do szerokiej literatury i Internetu na temat tego systemu. Dziedziny, które wymieniłem w danym artykule są bardzo obszerne i praktycznie każda wymaga wnikliwego przestudiowania, by ją dobrze zrozumieć.
7. BIBLIOGRAFIA. [1] Controller Area Network: dr inż. Jędrzej Mączak z Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska [2] Mercedes CAN Bus & Diagnostics Manual 2009 [3] REAL-TIME SYSTEMS II Real-Time Networking Controller Area Network: Prof. J.-D. Decotignie [4] Networks Controller Area Network: Prof. Dr Thomas Strang, Dipl.-Inform. Matthias Röckl [5] Elektronika dla wszystkich: Elektronika w motoryzacji: Jarosław Barański, czerwiec 2000 [6] Elektronika praktyczna 4/2000 [7] Can bus location firmy Racelogic [8] Vehicle Applications of Controller Area Network: Karl Henrik Johansson, Martin Torngren [9] http://www.asashop.org/autoinc/may2007/techtips.htm [10] http://free.of.pl/c/can1/opis.htm [11] http://www.mercedesmanuals.com [12] http://www.omitec.com/en/support/canbus/ [13] http://www.auto-diagnostics.info/mercedes_can_bus [14] http://www.peak-system.com/ [15] http://www.bertelshofer.com/media/products/7me035_einbauanleitung.pdf [16] http://www.honeysw.com/canproject.php [17] http://www.importcar.com/article/47364/mercedes_can_diagnostics uncovering_faults_speeds_the_repair _process.aspx