Serwis Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 238 Wymiana danych w magistrali CAN I Podstawy
Wraz z zastosowaniem systemu magistrali CAN w samochodzie, sterowniki zostały połączone ze sobą do pracy w sieci. W samochodzie i w diagnozie powstały w wyniku tego nowe funkcje obejmujące działanie sterowników. Zgodnie z pierwszym schematem technologicznym zamieszczonym w Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 186 Magistrala CAN w niniejszym Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 238 opisano zasadnicze funkcje aktualnego stanu systemu magistrali CAN. Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 238: omawia podstawowe funkcje aktualnego systemu magisterali CAN, jak na przykład proces wymiany danych Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 269: omawia specjalne systemy magistral danych, jak na przykład magistrala CAN napędu i magistrala CAN systemu Komfort, które stosowane są w samochodach firm VOLKSWAGEN i AUDI. 238_001 NOWOŚĆ Uwaga Wskazówka 2 Niniejszy Zeszyt do samodzielnego kształcenia przedstawia budowę i zasadę działania nowych rozwiązań technicznych! Jego treść nie jest później aktualizowana. Informacje na temat diagnozy, regulacji oraz wykonywania napraw należy czerpać z odpowiedniej literatury serwisowej!
O czym będzie mowa: Wprowadzenie................................ 4 Do czego służy system magistrali danych?......... 4 Projekt, rozmieszczenie, istotne właściwości......... 6 Etapy rozwoju................................. 8 Czynności przy magistrali CAN................... 9 System podstawowy............................ 11 Zasada połączenia do pracy w sieci............... 11 Wymiana informacji............................12 Zespoły sterujące............................... 14 Sterownik..................................... 14 Zespół magistrali danych CAN................... 14 Nadajnik - odbiornik (transceiver)................ 14 Przebieg transmisji danych....................... 18 Czynność nadawania........................... 19 Czynność odbierania.......................... 20 Jednoczesna próba nadawania przez kilka sterowników.................................. 22 Bezpieczeństwo przekazu, zachowanie przy zakłóceniu.................... 24 Wewnętrzny układ rozpoznawania usterek........ 24 Wskazówka diagnostyczna..................... 26 Sprawdź swoją wiedzę......................... 28 Glosariusz................................... 30 3
Wprowadzenie Do czego służy system magistrali danych? Wraz z zastosowaniem w samochodzie systemu magistrali CAN, takie elektroniczne grupy konstrukcyjne jak np. sterowniki lub inteligentne czujniki, np. czujnik kąta skrętu kierownicy, zostały połączone ze sobą w sieć. Skrót CAN oznacza Controller - Area - Network (magistrala danych). W wyniku zastosowania systemu magistrali CAN pojawiły się w ogólnym systemie samochodu następujące zalety: Wymiana danych między sterownikami odbywa się na jednakowej platformie. Platforma ta nazywana jest protokółem. Magistrala CAN służy jako tzw. autostrada danych. Systemy ingerujące w działanie sterowników, np. system ESP, mogą dzięki temu ekonomicznie realizować swoje funkcje. Rozszerzenia systemu w postaci dodatkowego wyposażenia samochodu dają się dzięki temu prosto rozwiązywać. Magistrala CAN jest systemem otwartym, który pozwala na jego dostosowywanie do różnych mediów przekazywania danych, jak np. przewody miedziane lub światłowody z włókna szklanego. Diagnoza sterowników odbywa się poprzez przewód K. Wewnątrz samochodu diagnoza odbywa się już częściowo poprzez magistralę CAN (na przykład w zakresie poduszek bezpieczeństwa lub sterowników drzwi). Jest to określane jako wirtualny przewód K (patrz strona 7). W przyszłości, w większości samochodów przewód K nie będzie już występował. Diagnoza ingerująca w system poprzez kilka sterowników jest możliwa w tym samym czasie. Od sterownika centralnego do systemu sieciowego Samochód z centralnym sterownikiem 238_002 4
Wprowadzenie Samochód z trzema sterownikami 238_003 Samochód z trzema sterownikami i systemem magistrali danych 238_004 czujnik sterownik systemu ABS element wykonawczy magistrala CAN antena automatyczna sterownik zestaw tablicy przyrządów Połączenie sieciowe magistrali CAN z trzema sterownikami 238_005 5
Wprowadzenie Projekt, rozmieszczenie, istotne właściwości Do systemu magistrali CAN jest podłączonych równolegle wiele pojedyńczych podzespołów. Wynikają z tego w odniesienu do rozmieszczenia systemu ogólnego następujące kryteria wymagań: Wysoka niezawodność działania: Zakłócenia transmisji spowodowane z wewnątrz lub z zewnątrz samochodu muszą być rozpoznawane z dużą pewnością. Duża dyspozycyjność: W razie uszkodzenia sterownika system szczątkowy musi w dalszym ciągu pozostać możliwie jak najbardziej sprawny, aby mógł wymieniać informacje. Duże zagęszczenie danych: Wszystkie sterowniki posiadają w tym samym czasie dokładnie jednakowy stan informacji. Z tego powodu między sterownikami nie ma różnic w posiadanych danych. W razie uszkodzeń w jakimkolwiek miejscu systemu wszyscy podłączeni do niego użytkownicy zostają o tym powiadomieni jednocześnie. Duża prędkość transmisji danych: Wymiana danych między użytkownikami połączonymi siecią musi odbywać się bardzo szybko, aby spełnić stawiane wymagania w możliwie rzeczywistym czasie. Transmisja sygnału w systemie magistrali CAN odbywa się cyfrowo, obecnie za pomocą przewodów miedzianych. Dzięki temu możliwa jest prawidłowo przebiegająca transmisja z prędkością do maksymalnie 1000 kbit/s (1 Mbit/s) Standardowo w samochodach VOLKSWAGEN i AUDI maksymalna prędkość przekazywania danych ustalona jest na 500 kbit/s. Z powodu różnych wymagań odnośnie prędkości powtarzania sygnałów z jednej strony i powstającej pojemności danych z drugiej strony, system magistrali CAN podzielony jest na trzy specjalne systemy: Magistrala CAN napędu (High Speed) o prędkości 500 kbit/s z wymaganiami zbliżonymi do czasu rzeczywistego Magistrala CAN systemu Komfort (Low Speed) o prędkości 100 kbit/s z niewielkimi wymaganiami dotyczącymi czasu Magistrala CAN systemu Infotainment (Low Speed) o prędkości 100 kbit/s z niewielkimi wymaganiami dotyczącymi czasu 238_051 1 2 3 4 1 = 500 kbit/s = magistrala CAN napędu 2 = 100 kbit/s = magistrala CAN systemu Komfort 3 = 100 kbit/s = magistrala CAN systemu Infotainment 4 = 1000 kbit/s = maks. prędkość transmisji danych Prędkości transmisji danych w systemie magistrali CAN 6
Wprowadzenie antena automatyczna sterownik skrzyni biegów dźwignia przełączania zakresów sterownik hamulców... przyłącze diagnostyczne zestaw wskaźników sterownik poduszki bezp. czujnik kąta skrętu kierownicy układ wspomagania kierowania Magistrala CAN napędu tylko zestaw wskaźników highline radia z układem nawigacji zestaw telefon, Interface Box radio DSP... Magistrala CAN systemu Komfort (magistrala CAN systemu Infotainment) sterownik układu klimatyzacji układ sygnalizacji przy parkowaniu system kontroli ciśnienia woponach pamięć siedzenia kierowcy... sterownik systemu Komfort sterownik drzwi kierowcy sterownik drzwi przedn. pasażera sterownik tylnych lewych drzwi Magistrala CAN systemu Komfort sterownik tylnych prawych drzwi 238_006 sterownik Gateway wtyczka samochodu... dalsze sterowniki przewidywane rzeczywisty przewód K wirtualny przewód K 238_006b System magistrali danych (przykład Polo model roku 2002) 7
Wprowadzenie Zastosowanie seryjne i stany rozwoju Pierwsze zastosowanie seryjne w firmie Volkswagen nastąpiło w samochodzie Passat w modelu roku 97 wraz z systemem Komfort o prędkości 62,5 kbit/s. 238_007 Dalsze etapy rozwoju to: Model roku 98 magistrala CAN napędu w samochodach Golf i Passat o prędkości 500 kbit/s Model roku 00 Gateway przewód K w magistrali CAN w samochodach Golf i Passat 238_008 238_009 Model roku 00 magistrala CAN systemu Komfort o prędkości 100 kbit/s jako standard w koncernie np. w samochodzie SKODA Fabia magistrala danych CAN napędu / magistrala danych CAN systemu Komfort w samochodzie SKODA Fabia 238_010 Model roku 01 magistrala CAN systemu Komfort 100 kbit/s jako standard w koncernie np. w samochodzie Passat 238_011 8
Wprowadzenie Obsługa magistrali CAN Magistrala CAN jest samodzielnym systemem w obrębie elektroniki samochodu i służy jako przewód danych do wymiany informacji pomiędzy podłączonymi sterownikami. W efekcie swojego rozmieszczenia i swoich właściwości system pracuje z wysokim poziomem własnego bezpieczeństwa. Jeżeli mimo to występują zakłócenia, zostają one w znacznym zakresie zapisane w pamięci usterek odpowiedniego sterownika i dają się odczytywać za pomocą testera diagnostycznego. Sterowniki zawierają funkcje diagnozy własnej, za pomocą których dają się również rozpoznać usterki istotne dla magistrali CAN. Po odczytaniu zapisów usterek magistrali CAN za pomocą testera diagnostycznego (na przykład VAS 5051 lub 5052) informacje te są do dyspozycji w funkcji "Poszukiwanie usterek". Zapisy w pamięci usterek sterowników nadają się do pierwszego ustalenia usterki. Ponadto za ich pomocą można także odczytać potwierdzenie stanu braku usterki po usunięciu usterki. W celu uaktualnienia konieczne jest ponowne uruchomienie silnika. Ważnym warunkiem dla samochodu ze statusem magistrala CAN sprawna jest to, że w żadnym stanie trybu jazdy nie powinien występować zapis usterki magistrali CAN! W celu dokonania oceny, która prowadzi do ustalenia lub usunięcia usterki, wymagane jest podstawowe zrozumienie zasad wymiany danych w magistrali CAN. 9
10 Notatki
System podstawowy Zasada połączenia do pracy w sieci System podstawowy składa się z kilku sterowników. Są one połączone równolegle przewodem magistrali danych poprzez tak zwany transceiver (wzmacniacz nadawczo-odbiorczy). Dlatego obowiązują jednakowe warunki dla wszystkich stacji. Oznacza to, że sterowniki oceniane są w sposób jednakowy, żaden nie jest faworyzowany. Nazywane jest to w tym kontekscie również archtekturą typu "multimaster". Wymiana informacji odbywa się seryjnie (w kolejności). Zasadniczo magistrala CAN działa pełnosprawnie za pomocą tylko jednego przewodu! Dodatkowo system wyposażony jest jednak w drugi przewód magistrali danych. Na tym drugim przewodzie sygnały występują w kolejności odwrotnej. W efekcie odwracania sygnałów można skuteczniej tłumić zakłócenia zagrażające z zewnątrz. W celu jak najprostszego wyjaśnienia podstawowej zasady transmisji danych, należy rozpocząć w kolejności tylko od jednego przewodu magistrali CAN! sterownik A sterownik B sterownik C RX TX RX TX RX TX nadajnik - odbiornik magistrala CAN Zasada połączenia do pracy w sieci 238_012 11
System podstawowy Wymiana informacji Wymieniane dane określane są jako zbiory informacji. Zbiory informacji mogą być wysyłane i odbierane z każdego sterownika. Zbiór informacji zawiera w zasadzie wartości fizyczne, jak np. liczbę obrotów silnika. Liczba obrotów silnika przedstawiona jest w tym przypadku jako wartość binarna (jako rząd zer ijedynek). Na przykład: (liczba obrotów silnika 1800 /min mogłaby być również przestawiona jako 00010101.) Podczas emisji ta wartość binarna najpierw przekształcana jest w seryjny strumień bitów. Strumień bitów doprowadzony zostaje przewodem TX (przewód nadawczy) do nadajnika-odbiornika (wzmacniacz). Nadajnik-odbiornik (tranceiver) przekształca strumień bitów w odpowiednie wartości napięcia, które na końcu transmitowane są w okreslonym czasie w kolejności przewodem magistrali danych. Podczas procesu odbierania wartości napięcia ponownie przekształcane są przez nadajnik - odbiornik w strumień bitów i przekazywane przewodem RX (przewód odbioru) do sterowników. Sterowniki przekształcają teraz ponownie wartości seryjne, jako wartości binarne, w zbiory informacji. Na przykład: wartość 00010101 zostaje ponownie przekształcona w liczbę obrotów silnika 1800 /min Wysłany zbiór informacji może być teraz odebrany przez każdy sterownik. Tę zasadę nazywa się także zasadą "Broadcast". Sygnał wychodzi z nadajnika radiowego, który emituje program i może być odbierany przez każdego podłączonego użytkownika. Dzięki zasadzie "Broadcast" uzyskuje się to, że wszystkie podłączone sterowniki otrzymują zawsze ten sam poziom informacji. Zasada "Broadcast": jeden wysyła, wszyscy odbierają. 238_013 12
System podstawowy sterownik A sterownik B sterownik C transmisja szeregowa (zbiorów danych) transmisja równoległa (zbiorów danych) liczba obr. silnika liczba obr. silnika liczba obr. silnika 0001 0101 0001 0101 0001 0101 0001 0101 1010 1000 1010 1000 RX TX RX TX RX TX nadajnik - odbiornik elektryczna przekazywanie sygnału jeden wysyła, wszyscy odbierają 238_014 Wymiana jednego zbioru informacji w magistrali CAN (zasada Broadcast) Poziom sygnału 5 V 0 V t (czas) 238_015 Elektryczne przekazywanie sygnału w kolejności określonej czasem 13
Elementy realizacji funkcji Przewód K Przewód K służy do podłączenia testera VAS do diagnozy samochodu podczas prac serwisowych. Sterownik Sterownik odbiera sygnały od czujników, przetwarza je i przekazuje dalej do elementów wykonawczych. Istotne elementy sterownika to: mikrokontroler z pamięcią wejścia i wyjścia oraz pamięć programowa. Wartości z czujnika odbierane przez sterownik, na przykład temperatura silnika lub liczba obrotów silnika, są regularnie odczytywane i zapisywane w kolejności w pamięci wejścia. Taki przebieg odpowiada w zakresie zasady działania mechanizmowi przełączania skokowego z cyrkulującym przełącznikiem preselekcyjnym wejścia (patrz rysunek). Mikrokontroler łączy ze sobą odpowiednie wartości wejściowe na podstawie podawanego mu programu. Wynik tego opracowania zapisany jest w danej pamięci wyjścia i dociera stąd do wskazanych elementów wykonawczych. W celu opracowywania zbioru informacji z magistrali CAN, w danym sterowniku znajduje się dodatkowo zakres pamięci magistrali CAN dla zbiorów informacji odebranych i informacji przeznaczonych do wysłania. Układ magistrali CAN Układ magistrali CAN służy do wymiany danych dla zbiorów informacji w magistrali CAN. Jest on podzielony na dwa zakresy. Jest to zakres odbioru i zakres nadawania. Połączenie układu magistrali CAN do sterownika odbywa się poprzez skrzynkę e-mailową odbiorczą lub skrzynkę e-mailową nadawczą. Jest on z reguły zintegrowany z czipem sterownika mikrokontrolera. Nadajnik - odbiornik (transceiver) Nadajnik - odbiornik (transceiver) jest wzmacniaczem nadawania i odbioru. Przekształca on seryjny strumień bitów (poziom logiczny) układu magistrali CAN w elektryczne wartości napięcia (poziom w przewodzie) i odwrotnie. Elektryczne wartości napięcia nadają się do przenoszenia danych za pomocą przewodów miedziowych. Podłączenie nadajnika - odbiornika do układu magistrali CAN następuje za pomocą przewodu TX (przewód nadawania) lub przewodem RX (przewód odbioru). Przewód RX jest połączony poprzez wzmacniacz bezpośrednio z magistralą CAN i pozwala na ciągłe "słuchanie" sygnałów z magistrali danych. 14
Elementy realizacji funkcji przewód K sterownik komunikat o usterce przełącznik wyboru wejść pamięć na wejściu pamięć na wyjściu mikroprocesor Czujniki to np.: czujnik liczby obrotów czujnik temperatury miernik ciśnienia oleju itd.... Układ magistrali CAN skrzynka e-mailowa odbiorcza układ magistrali CAN z kontrolą czasu Elementy wykonawcze, np.: klapa przepustnicy silnika zawór elektromagnetyczny dioda świetlna itd.... skrzynka e-mailowa nadawcza zakres odbioru zakres nadawania RX TX Poziom logiczny: 0 lub 1 nadajnik - odbiornik Poziom sygnału: 0 lub 5 V magistrala CAN Jednostki działania sterownik, układ magistrali CAN i nadajnik - odbiornik 238_016 15
Elementy realizacji funkcji Cechy szczególne nadajnika - odbiornika RX TX + 5 V 5 V przewód magistrali danych Nadajnik - odbiornik z podłączeniem do przewodu TX 238_017 238_018 Schematyczna prezentacja za pomocą jednego przełącznika Specyficzną cechę stanowi połączenie przewodu TX do magistrali danych. Następuje ono w zasadzie przez przełączanie typu "otwarty kolektor". W ten sposób powstają na przewodzie magistrali danych dwa różne stany: Stan 1: Pasywny: Stan 0: Aktywny: stan zablokowania, tranzystor zablokowany (przełącznik otwarty) poziom magistrali = 1, powyżej rezystancji wysokoomowej stan przełączenia, tranzystor przełączony (przełącznik zamknięty) poziom magistrali = 0, bez rezystancji niskoomowej Trzy nadajniki - odbiorniki na jednym przewodzie magistrali danych + 5 V + 5 V + 5 V przewód magistrali danych (0 V) nadajnik - odbiornik A nadajnik - odbiornik B nadajnik - odbiornik C Podłączenie trzech nadajników - odbiorników do przewodu magistrali danych, nadajnik - odbiornik C aktywny 238_019 Przełącznik otwarty oznacza 1 (pasywny) przełącznik zamknięty oznacza 0 (aktywny) 16
Elementy realizacji funkcji Z poprzedniego przykładu (trzy nadajniki - odbiorniki na przewodzie magistrali danych) mogą wykazywać następujące położenia przełączania: nadajnik - odbiornik A nadajnik - odbiornik B nadajnik - odbiornik C przewód magistrali danych 1 1 1 1 (5 V) 1 1 0 0 (0 V) 1 0 1 0 (0 V) 1 0 0 0 (0 V) 0 1 1 0 (0 V) 0 1 0 0 (0 V) 0 0 1 0 (0 V) 0 0 0 0 (0 V) Możliwe położenia przełączników przy 3 nadajnikach - odbiornikach na przewodzie magistrali danych, nadajnik - odbiornik C aktywny Zachowanie: Jeżeli dowolny przełącznik jest zamknięty, przez oporniki płynie prąd. Na przewodzie magistrali danych nastawia się napięcie 0 V. Jeżeli wszystkie przełączniki są otwarte, prąd nie płynie. Napięcie na oporniku nie spada. W efekcie na przewodzie magistrali danych nastawia się napięcie 5 V. Uzyskuje się dzięki temu następujące stany: Jeżeli magistrala danych znajduje się w stanie 1 (stan pasywny), stan ten może zostać zastąpiony przez jakąkolwiek inną stację o stanie 0 (stan aktywny). Pasywny poziom magistrali danych nazywa się recesywnym. Aktywny poziom magistrali danych nazywa się dominującym. Ta zleżność ma znaczenie przy: a) sygnalizacji zakłóceń w transmisji danych (uszkodzone zbiory informacji error-frames). b) rozpoznawanie kolizji (gdy kilka stacji chce nadawać jednocześnie). 17
Przebieg transmisji danych Transmisja danych na przykładzie ewidencji liczby obrotów > Transmisja > wskazanie Następujący przykład wskazuje całkowitą wymianę informacji o liczbie obrotów od zarejestrowania do wskazania na obrotomierzu. Na podstawie tego widoczny jest przebieg w czasie transmiscji danych i współdziałanie podzespołów magistrali CAN ze sterownikami. Najpierw zarejestrowana zostaje wartość liczby obrotów z czujnika sterownika silnika. Dociera ona tylko jako regularnie powtarzny (cyklicznie) do pamięci wejścia mikrokontrolera. Ponieważ aktualna wartość liczby obrotów potrzebna jest również dla dalszych sterowników, np. zestawu wskaźników tablicy przyrządów, musi być ona transmitowana magistralą CAN. Z tego powodu wartość liczby obrotów jest kopiowana w pamięci nadawania sterownika silnika. Z pamięci nadawania informacja dociera do skrzynki e-mailowej nadawczej danego podzespołu magistrali CAN. Jeżeli w skrzynce e-mailowej nadawczej znajduje się wartość aktualna, pokazywane jest to znacznikiem nadawania (podniesienie flagi). Wraz z poleceniem wysłania informacji do podzespołu magistrali CAN sterownik silnika spełnia swoje zadanie w zakresie tej czynności. Wartość liczby obrotów przekształcana jest w zbiór informacji z silnika najpierw w formę specyficzną dla magistrali CAN, zgodnie z protokołem. Najważniejszymi elementami protokołu są: Oznaczenie: (identyfikator 11-bitowy) służy do identyfikacji zbioru informacji Treść zbioru informacji: (pole danych maks. 8 x 8 bitów) zawiera treść zbioru informacji (16-bitowy check CRC): suma sprawdzeń magistrali CAN Na następujących schematach przedstawiony został zbiór informacja z magistrali CAN w postaci symbolu listu. Zasada budowy zbioru informacji w magistrali CAN Potwierdzenie (2 bity Ack): Acknowledge 238_020 Elementami składowymi zbioru informacji z silnika są na przykład: znamiennik = silnik_1, treść = liczba obrotów. Ponadto w informacji silnika zawarte są dalsze wartości, np. bieg jałowy, moment obrotowy itd. 18
Przebieg transmisji danych Dany podzespół magistrali CAN sprawdza teraz przewodem RX, czy magistrala jest aktywna (czy właśnie wymieniane są inne informacje). W razie potrzeby czeka tak długo, aż magistrala będzie wolna. (poziom 1 (pasywny) w określonym czasie). Jeżeli magistrala jest wolna, zbiór informacji z silnika zostaje wysłany. Proces nadawania czujnik liczby antena automatyczna sterownik systemu ABS zestaw tablicy przyrządów wyjście obrotomierza podnoszenie flagi polecenie nadawania Czy odczytywanie magistrali danych jest dostępne? RX TX RX TX RX TX magistrala CAN Rozpoczęcie czynności wysyłania 238_021 Czy magistrala danych jest wolna?? czekać nie przewód RX tak 238_022 W szczegółach: czy schemat odczytywania z magistrali danych jest dostępny? 19
Przebieg transmisji danych Proces odbierania Proces odbierania składa się z dwóch etapów: Krok 1 = Krok 2 = Sprawdzanie zbioru informacji pod kątem braku usterek (na poziomie sprawdzania) Sprawdzanie zbioru informacji pod kątem przydatności (na poziomie akceptacji) Czujnik temperatury sterownik silnika sterownik systemu ABS zestaw tablicy przyrządów wyjście obrotomierza T RX TX RX TX RX TX magistrala CAN 238_023 Przebieg odbioru Wszystkie podłączone stacje zawierają zbiór informacji wysyłany ze sterownika silnika. Dociera ona poprzez przewody RX do danego zakresu odbioru poszczeólnych podzespołów magistrali CAN. poziom akcepacji tak nie tak nie poziom sprawdzania tak nie tak nie 238_024 238_025 W szczegółach: zakres odbioru, poziom sprawdzania i akcepacji 20
Przebieg transmisji danych Wszystkie odbiorniki otrzymały zbiór informacji z silnika i sprawdziły go pod kątem braku usterki na danym poziomie sprawdzania. Dzięki temu uzyskany zostaje stan rozpoznawania lokalnych zakłóceń, które w danych warunkach wystąpiły tylko w jednym sterowniku. Prowadzi to do wymienionego już dużego zagęszczenia danych. (patrz także rozdział Bezpieczeństwo transmisji, zachowanie w przypadku zakłóceń ). Wszystkie podłączone stacje posiadają zbiór informacji wysyłany ze sterownika silnika (funkcja Broadcast). Mogą tylko poprzez tzw. sumę sprawdzeń CRC stwierdzić na poziomie sprawdzania, czy wystąpiły w usterki transmisji. CRC oznacza Cycling Redundancy Check (cykliczne sprawdzanie redundancji). Podczas wysyłania każdego zbioru informacji jest tworzona przez wszystkie bity i transmitowana 16-bitowa suma sprawdzeń. Odbiorniki obliczają według tej samej zasady sumę sprawdzeń ze wszystkich odebranych bitów. Na końcu odebrana suma sprawdzeń porównywana jest z obliczoną sumą sprawdzeń. Jeżeli usterka nie została stwierdzona, wszystkie stacje odpowiadają na to za pomocą potwierdzenia, tzw. Acknowledge, w załączeniu do sumy sprawdzeń. Potwierdzenie (2 bity Ack): Acknowledge Przepływ informacji, potwierdzenie, pieczątka pocztowa 238_026 Na końcu prawidłowo odebrany zbiór informacji dociera do tzw. zakresu akceptacji danego podzespołu magistrali CAN. Jeżeli nie, zbiór informacji zostaje odrzucony. Jeżeli tak, zbiór informacji dociera do danej skrzynki e-mailowej. Tam następuje rozstrzygnięcie, czy zbiór informacji potrzebny jest do działania danego sterownika. Wraz z podniesieniem flagi odbioru podłączonemu zestawowi wskaźników pokazuje się aktualny zbiór informacji, np. liczba obrotów do dalszego przetwarzania. Zestaw wskaźników wywołuje ten zbiór informacji i kopiuje odpowiednią wartość w swej pamięci wejściowej. W ten sposób następuje zakończenie wysyłania i odbierania zbiorów informacji przez podzespoły magistrali CAN. W zestawie wskaźników tablicy przyrządów liczba obrotów po opracowaniu przez mikrokontroler dociera do elementu wykonawczego, a następnie do obrotomierza. Wymiana danych jednego zbioru informacji powtarza się stale odpowiednio do nastawionych czasów cyklu (na przykład co 10 ms). 21
Przebieg transmisji danych Jednoczesna próba nadawania przez kilka sterowników Przy jednoczesnym nadawaniu przez kilka sterowników mogłoby nieuchronnie dojść do kolizji danych na przewodzie magistrali danych. Aby tego uniknąć, stosowana jest w magistrali CAN następująca strategia: Każdy aktywny sterownik rozpoczyna proces nadawania przez wysłanie identyfikatora. Wszystkie sterowniki śledzą tę czynność w magistrali danych, zanim każdy z nich poprzez swój przewód RX zarejestruje stan w magistrali danych. Każdy nadajnik porównuje za pomocą bitów stan przewodu TX ze stanem przewodu RX. Może przy tym dochodzić do odchyleń. Strategia magistrali CAN reguluje tę sytuację następująco: Sterownik, którego sygnał TX zastąpiony został przez zero, musi się wyłączyć z działnia w magistrali danych. Za pomocą liczby wprowadzonych zer, w identyfikatorze regulowany jest priorytet zbiorów informacji. W ten sposób zapewnione jest wysyłanie zbiorów informacji w kolejności priorytetu ich ważności. Reguła: Im mniejszy jest numer w identyfikatorze, tym ważniejszy jest priorytet zbioru informacji. Taki sposób postępowania nazywa się arbitrażowaniem. WYJAŚNIENIE: Arbiter = sędzia sterownik silnika TX RX utrzymuje "przydział" na nadawanie i pozostaje w trybie nadawania sterownik systemu ABS TX RX traci "przydział" na nadawanie i przechodzi w tryb odbioru zestaw wskaźników tablicy przyrządów TX RX traci "przydział" na nadawanie i przechodzi w tryb odbioru przewód magistrali danych Proces arbitrażowania w celu uniknięcia kolizji informacji 238_027 22
Przebieg transmisji danych W niniejszym przykładzie przedstawiono, że przy wymaganiu nadawania przez kilku sterowników w tym samym czasie największy priorytet posiada czujnik kąta skrętu kierownicy. Jego zbiór informacji zostanie więc wysyłany jako pierwszy. Wyjaśnienie: czujnik kąta skrętu kierownicy o najmniejszej liczbie (wiele prowadzących zer) staje się wiodący. Zidentyfikowany binarnie heks. Silnik_1 Hamulec_1 Zestaw wskaźników_1 Czujnik kąta skrętu kier. 1 Skrzynia biegów_1 możliwy identyfikator w magistrali CAN napędu 238_027b Suma przy transmisji wartości z czujnika (na przykład liczba obrotów) Z powodu konieczności zapewnienia wysokiego bezpieczeństwa transmisji w magistrali CAN, wszystkie usterki, jak na przykład zakłócenia elektryczne lub przerwy w systemie magistrali CAN są rozpoznawane jednoznacznie i skutecznie. Wartość liczby obrotów 1800 /min jest transmitowana prawidłowo lub nie jest wcale transmitowana z powodu zakłócenia (brak wskazania, obrotomierz wskazuje 0 ). Jeżeli na przykład, występują niewiarygodne wartości obrotów, nie należy szukać przyczyn w transmisji magistrali (CAN), lecz w uszkodzonym czujniku, uszkodzonym przyrządzie wskazującym lub w przewodzie doprowadzającym. 23
Bezpieczeństwo transmisji, zachowanie w przypadku zakłócenia Wewnętrzny układ rozpoznawania usterek W celu zagwarantowania wysokiego bezpieczeństwa danych, zamontowano w magistrali CAN rozbudowany wewnętrzny układ rozpoznawania usterek. Uzyskuje się przez to stan, w którym ewentualnie występujące usterki w transmisji są rozpoznawane z bardzo dużą pewnością. Mogą być zastosowane odpowiednie metody. Udział usterek nierozpoznanych, czyli tzw. prawdopodobieństwo usterki szczątkowej wynosi przy < 10-12. Tę wartość można porównać tylko z czterema usterkami na okres całej żywotności samochodu. Na podstawie metody "Broadcast" (jeden wysyła, wszyscy odbierają i oceniają) każda występująca usterka, która została wykryta przez jednego użytkownika sieci, zostaje "przydzielona" natychmiast wszystkim innym poprzez zbiór informacji o usterce do tzw. Error Frame. Na podstawie tego aktualny zbiór informacji zostaje odrzucony przez wszystkich użytkowników. Następnie odbywa się automatyczne powtórzenie nadawania. Czynność ta jest całkowicie normalna i może zostać wywołana przez duże wahania napięcia w sieci np, podczas uruchamiania silnika lub na skutek silnych zakłóceń zewnętrznych. Stan krytyczny jest natomiast, gdy namnożą się powtórzenia w nadawaniu na skutek ciągle rozpoznawanych usterek. W tym celu każda stacja ma zamontowany wewnętrzny licznik usterek, który zlicza rozpoznane usterki, a po prawidłowym powtórzeniu nadawania odlicza je. Sterownik magistrali danych wyłączony WYŁ licznik usterek RX 1 2 0 255 127 Nie można już nadawać błąd pasywny 0 licznik usterek TX 256 255 127 czas systemu Stan normalny błąd aktywny Wewnętrzny licznik usterek 0 występowanie usterek, licznik usterek liczy w górę brak usterki, licznik usterek liczy w dół czas systemu masowe nawarstwienie się usterek, wartość progowa licznika usterek zostaje przekroczona 238_028 24
Bezpieczeństwo transmisji, zachowanie w przypadku zakłócenia Wewnętrzny licznik usterek jest odpowiedzialny za układ zarządzania energią i nie może być odczytywany. Przy przekroczeniu podanej wartości progowej (odpowiada maksymalnie 32 powtórzeniom nadawania), dany sterownik zostaje poinformowany i odłączony od magistrali CAN. Po dwukrotnym wystąpieniu stanu Bus-Off (bez komunikacji w międzyczasie) następuje zapis w pamięci usterek. Po ustalonym czasie oczekiwania (ok. 0,2 s) sterownik usiłuje się ponownie samodzielnie podłączyć do magistrali danych. Przepływ zbioru informacji następuje z reguły cyklicznie z podanymi uprzednio czasami cykli. W ten sposób jest zagwarantowane, że odpowiednie zbiory informacji są w prawidłowym czasie transmitowane. Jeżeli jednak dochodzi do opóźnień, to znaczy, gdy nie zostanie odebranych przynajmniej dziesieć zbiorów informacji, działa tak zwana kontrola czasu (Botschafts-Time-Out - przekroczenie limitu czasu dla zbioru informacji). Również na podstawie tego następuje zapis w pamięci usterek odbieranego sterownika. Jest to drugi "mechanizm działania" układu rozpoznawania usterek. Wynikają z tego dla diagnozy w serwisie następujące zgłoszenia usterek: 1. Uszkodzona magistrala danych W danym sterowniku rozpoznano ważne usterki. Sterownik był przynajmniej dwa razy odłączony od magistrali danych (Bus Off). 2. Brakujące zbiory informacji z... albo brak komunikacji z danym sterownikiem. Zbiory informacji nie są odbierane w odpowiednim czasie. Zadziałała kontrola time-out. 25
Bezpieczeństwo transmisji, zachowanie w przypadku zakłócenia Wskazówka diagnostyczna na przykładzie błędnej transmisji liczby obrotów Wartość liczby obrotów zostaje prawidłowo przetransmitowana lub z powodu zakłócenia nie nie jest wcale transmitowana (brak wskazania). Tester VAS 5051 podaje w tym przypadku wskazówkę dotyczącą zakłócenia w systemie magistrali CAN: 238_029a 238_029b 238_029c Wskazanie testera VAS 5051 Jeżeli na przykład występują niewiarygodne wartości obrotów, nie należy szukać przyczyny w transmisji w magistrali CAN, lecz w danym czujniku lub elemencie wykonawczym (np. w przyrządzie wskaźnikowym, jak obrotomierz). 26
Bezpieczeństwo transmisji, zachowanie w przypadku zakłócenia W przypadku zakłócenia w systemie magistrali CAN, tester VAS 5051 wskazuje ogólny komunikat ousterce. Z tego komunikatu nie wynika jeszcze, który element w systemie magistrali CAN jest uszkodzony. W celu zlokalizowania usterki poprzez bloki wartości mierzonych 125 i 126 systemu Gateway może zostać odczytany aktywny stan sterowników podłączonych do magistrali CAN (1 = aktywny, 0 = pasywny). W razie potrzeby wymagane są kolejne pomiary elektryczne (na przykład sprawdzanie sygnału za pomocą oscyloskopu). Widok W niniejszym Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 238 powinny zostać wyjaśnione podstawowe funkcje systemu magistrali CAN. Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 269 Wymiana danych w magistrali CAN II, magistrali CAN napędu / magistrali CAN systemu Komfort omawia szczegółowo realizowany w firmie Volkswagen i Audi system magistrali CAN stosowany w samochodzie. Omówione zostały przy tym dokładnie cechy szczególne dotyczące magistrali CAN napędu i systemu Komfort w zakresie ich funkcji i diagnozy. Na końcu objaśniono system ogólny, do którego magistrala CAN napędu i systemu Komfort zostają wspólnie wprowadzone przez tzw. Gateway. Sposób postępowania w ramach funkcji "Poszukiwania usterek" stanowi również część składową niniejszego zeszytu. 27
Sprawdź swoją wiedzę 1. Jaki jest powód stosowania w samochodach systemów magistrali danych? A B C Wzrastająca kompleksowość rozwiązań w elektronice pojazdów Umożliwienie szybkiego rozszerzania systemu w ramach wyposażenia dodatkowego Zalecenia prawnie 2. Jak duża jest prędkość transmisji danych w magistrali CAN napędu? A B C 10 kbit/s 100 kbit/s 500 kbit/s 3. Tester VAS 5051 służy między innymi do rozpoznawania...? A B C usterek w przewodach magistrali CAN usterek w sprzęcie magistrali CAN wskazywania zbiorów danych magistrali CAN 4. Jakie zbiory informacji odbierane są przez sterowniki i sprawdzane? A B C Tylko określone zbiory informacji dla danych sterowników Wszystkie wysyłane zbiory informacji Zbiory informacji o najwyższym priorytecie 5. Trzy sterowniki czekają, aż magistrala będzie wolna i chcą przesyłać zbiory informacji... A B C... wszystkie mogą natychmiast przesłać zbiory informacji... dochodzi do kolizji danych... arbitraż reguluje kolejność, w której zbiory informacji będą wysyłane 28
Sprawdź swoją wiedzę 6. Co oznacza nazwa Bus OFF? A B C Wszyscy użytkownicy magistrali danych rozłączają się Jeden użytkownik magistr. danych wycofuje się przejściowo z wydarzeń w magistr. danych Magistrala danych zostaje całkowicie wyłączona 7. Do czego służy wewnętrzny licznik usterek? A B C Do liczenia zbiorów informacji magistrali CAN Do liczenia usterek, aby w razie potrzeby włączyć sterownik magistali Bus OFF Do celów statystycznych 8. Co oznacza dla magistrali CAN Wysokie bezpieczeństwo transmisji? A B C Prawie nie występują usterki w transmisji Usterki w transmisji rozpoznawane są w sposób pewny Przy rozpoznawaniu usterek informowani są wszyscy użytkownicy magistrali danych 9. Identyfikator informacji magistrali CAN... A B C... określa nazwę i priorytet zbioru informacji... podaje adres docelowy... służy do sterowania prawami dostępu 10. Protokół służy do... A B C... zapewnienia bezpieczeństwa danych... rozpoznawania usterek... sterowania prawami dostępu 29
Glosariusz ACK: Acknowlege - potwierdzenie odbioru prawidłowego zbioru informacji. Następuje przez określenie dominującego bitu wszystkich użytkowników magistrali danych. Arbitraż: Mechanizm unikania kolizji, gdy kilku użytkowników chce nadawać jednocześnie. Arbitraż zapewnia, że zbiory informacji wysyłane są w kolejności priorytetu ich ważności. Broadcast: Zasada wysyłania - jeden wysyła - wszyscy odbierają. Bus OFF: Odłączenie sterownika od magistrali danych przy przekroczeniu wewnętrznego licznika usterek. CRC: Cyclic-Redundancy-Check, suma sprawdzeń (16 bitów) w celu rozpoznania usterki. Czujniki: Elektroniczne czujniki w samochodzie, służą do rejestracji stanów pracy Elementy wykonawcze: Elementy sterujące i wskaźniki w samochodzie Error - Frame: Usterka informacji (>6 dominujących bitów) do sygnalizacji usterek w transmisji w magistrali danych. Identyfikator: Zakres rozpoczęcia informacji służy do rozpoznania i rozróżnienia priorytetów zbiorów informacji. Magistrala CAN: Controller-Area-Network, system magistrali danych do połączenia sterowników do pracy w sieci. Magistrala CAN informacji: Podsystem dla sterowników w systemie radia i informacji. Magistrala CAN napędu: Podsystem dla sterowników w wiązce napędu. Magistrala CAN systemu Komfort: Podsystem dla sterowników w systemie Komfort. Mikrokontroler: Układ obliczeniowy 1-modułowy zawiera CPU, pamięć i podzespoły wprowadzania i emisji Pamięć usterek: Zakres pamięci w sterowniku może być odczytany przez tester VAS. Podzespół magistrali CAN Służy do rozszerzenia wymiany danych w postaci zbiorów informacji w magistrali CAN. Poziom logiczny: Stan 0 lub 1 w punkcie połączenia w systemie. Poziom sygnału: Elektryczny stan napięcia na przewodzie Przekroczenie czasu dla zbioru informacji: Kontrola czasu wysłanych zbiorów informacji po stronie odbioru. Przewód K: Przewód serwisowy, przewód łączący między sterownikami a gniazdem diagnostycznym w samochodzie do podłączenia do testera VAS. Przewód magistrali danych: Połączenie elektryczne z miedzi w samochodzie, skręcone dwie żyły. Przewód magistrali danych łączy sterowniki ze sobą. Przewód RX: Przewód łączący po stronie odbioru między podzespołem magistrali CAN a nadajnikiem - odbiornikiem Przewód TX: Przewód łączący po stronie nadawania między podzespołem w magistrali CAN a nadajnikiem - odbiornikiem Skrzynka e-mailowa nadawcza: Pamięć, w której zapisywane są w podzespole magistrali CAN zbiory informacji wysyłane przez sterownik. Skrzynka e-mailowa odbiorcza: Pamięć, w której zapisywane są zbiory informacji odbierane przez dany podzespół magistrali CAN. Zakres akceptacj: Filtrowanie odebranych zbiorów informacji, które są ważne dla danego sterownika. Zbiór informacji: Zbiór informacji jest pakietem danych wysyłanym przez sterownik. Nadajnik - odbiornik: Elektroniczny wzmacniacz nadawczo - odbiorczy służy do podłączenia danego podzespołu magistrali CAN do przewodu magistrali danych. Nadajnik - odbiornik magistrali danych: Elektroniczny wzmacniacz nadawania - odbioru do podłączenia jednego sterownika do magistrali danych. 30
Notatki Rozwiązania pytań testowych: 1: AB / 2: C / 3: AB / 4: B / 5: C 6: B / 7: B / 8: BC / 9: AC / 10: ABC 31
238 Tylko do użytku wewnętrznego VOLKSWAGEN AG, Wolfsburg Wszelkie prawa zastrzeżone. Zmiany zastrzeżone. 000.2810.57.11 Stan techniczny 10/01