Controller Area Network

CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях домашней автоматизации («умного дома»), автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

Описание стандарта

Непосредственно стандарт CAN компании Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня — он может быть каким угодно, например, радиоканалом или оптоволокном. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине выпускаются специализированные микросхемы — драйверы CAN-шины.

Общие сведения

CAN является синхронной шиной с типом доступа Collision Resolving (CR, разрешение коллизии), который, в отличие от Collision Detect (CD, обнаружение коллизии) сетей (Ethernet), детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения, что особо ценно для промышленных сетей управления (fieldbus). Передача ведётся кадрами. Полезная информация в кадре состоит из идентификатора длиной 11 бит (стандартный формат) или 29 бит (расширенный формат, надмножество предыдущего) и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификатор говорит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами.

Рецессивные и доминантные биты

Для абстрагирования от среды передачи спецификация CAN избегает описывать биты данных как «0» и «1». Вместо этого применяются термины «рецессивный» бит и «доминантный» бит, при этом подразумевается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим доминантного принят будет доминантный бит. Например, при реализации физического уровня на радиоканале отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а наличие — доминантный; тогда как в типичной реализации проводной сети рецессив бывает при наличии сигнала, а доминант, соответственно, при отсутствии. Стандарт сети требует от «физического уровня», фактически, единственного условия: чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать «свет», а рецессивному — «темнота». В электрическом проводе может быть так: рецессивное состояние — высокое напряжение на линии (от источника с большим внутренним сопротивлением), доминантное — низкое напряжение (доминантный узел сети «подтягивает» линию на землю). Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести её в доминантное может любой узел сети (включив свет в оптоволокне или закоротив высокое напряжение). Наоборот — нельзя (включить темноту нельзя).

Виды кадров

• Кадр данных (data frame) — передаёт данные;
• Кадр удаленного запроса (remote frame) — служит для запроса на передачу кадра данных с тем же идентификатором;
• Кадр перегрузки (overload frame) — обеспечивает промежуток между кадрами данных или запроса;
• Кадр ошибки (error frame) — передаётся узлом, обнаружившим в сети ошибку.

Кадры данных и запроса отделяются от предыдущих кадров межкадровым промежутком.

Формат кадра

Базовый формат кадра данных

Поле	Длина (в битах)	Описание
Начало кадра (SOF)	1	Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор	11	Уникальный идентификатор
Запрос на передачу (RTR)	1	Должен быть доминантным
Бит расширения идентификатора (IDE)	1	Должен быть доминантным (определяет длину идентификатора)
Зарезервированный бит (r0)	1	Резерв
Длина данных (DLC)	4	Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных	0-8 байт	Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC)	15	Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы	1	Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK)	1	Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения	1	Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF)	7	Должен быть рецессивным

Первые 7 бит идентификатора не должны быть все рецессивными.

Расширенный формат кадра данных

Поле	Длина (в битах)	Описание
Начало кадра (SOF)	1	Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор A	11	Первая часть идентификатора
Подмена запроса на передачу (SRR)	1	Должен быть рецессивным
Бит расширения идентификатора (IDE)	1	Должен быть рецессивным (определяет длину идентификатора)
Идентификатор B	18	Вторая часть идентификатора
Запрос на передачу (RTR)	1	Должен быть доминантным
Зарезервированные биты (r1 и r0)	2	Резерв
Длина данных (DLC)	4	Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных	0-8 байт	Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC)	15	Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы	1	Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK)	1	Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения	1	Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF)	7	Должен быть рецессивным

Идентификатор получается объединением частей A и B.

Формат кадра удаленного запроса

Совпадает с кадрами данных стандартного или расширенного формата, за двумя исключениями:

• В поле RTR рецессив вместо доминанты.
• Отсутствует поле данных.

Арбитраж доступа

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа: передавая идентификатор, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный — считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом, и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от Ethernet, в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения — возможность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

Контроль ошибок

CAN имеет несколько механизмов контроля и предотвращения ошибок:

• Контроль передачи: при передаче битовые уровни в сети сравниваются с передаваемыми битами.
• Дополняющие биты (bit stuffing): после передачи пяти одинаковых битов подряд автоматически передаётся бит противоположного значения. Таким образом кодируются все поля кадров данных или запроса, кроме разграничителя контрольной суммы, промежутка подтверждения и EOF.
• Контрольная сумма: передатчик вычисляет её и добавляет в передаваемый кадр, приёмник считает контрольную сумму принимаемого кадра в реальном времени (одновременно с передатчиком), сравнивает с суммой в самом кадре и в случае совпадения передаёт доминантный бит в промежутке подтверждения.
• Контроль значений полей при приёме.

Разработчики оценивают вероятность невыявления ошибки передачи как 4,7×10⁻¹¹.

Скорость передачи и длина сети

Диапазон скоростей

Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяет плавно менять скорость в диапазоне, по крайней мере, от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду. Существуют решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона.

Предельная длина сети

Приведённые выше методы контроля ошибок требуют, чтобы изменение бита при передаче успело распространиться по всей сети к моменту замера значения. Это ставит максимальную длину сети в обратную зависимость от скорости передачи: чем больше скорость, тем меньше длина. Например, для сети стандарта ISO 11898 предельные длины составляют приблизительно:

1 Мбит/с	40 м
500 кбит/с	100 м
125 кбит/с	500 м
10 кбит/с	5000 м

Использование оптопар для защиты устройств от высоковольтных помех в сети ещё больше сокращает предельную длину, тем больше, чем больше задержка сигнала в оптопаре. Сильно разветвлённые сети (паутина) также снижают скорость из-за множества отражений сигнала и большей электрической ёмкости шины.

Протоколы верхнего уровня

Базовой спецификации CAN не достаёт многих возможностей, требуемых в реальных системах: передачи данных длиннее 8 байт, автоматического распределения идентификаторов между узлами, единообразного управления устройствами различных типов и производителей. Поэтому вскоре после появления CAN на рынке начали разрабатываться протоколы высокого уровня для него. В число распространённых на данный момент протоколов входят:

• CANopen
• DeviceNet
• CAN Kingdom
• J1939
• SDS
• NMEA-2000 (морской транспорт)
• ARINC-825 (авиация)  (нем.)
• UAVCAN (робототехника и летательные аппараты)

Применение CAN в автомобилестроении

CAN-контакты в стандарте зарядки электромобилей «ChaoJi»:
S- — Signalling CAN_Low
S+ — CAN_High

Во всех высокотехнологичных системах современного автомобиля применяется CAN-протокол для связи ЭБУ с дополнительными устройствами и контроллерами исполнительных механизмов и различных систем безопасности. В некоторых автомобилях CAN связывает IMMO, приборные панели, SRS блоки и т. д.

Также протокол CAN ISO 15765-4 вошел в состав стандарта OBD-II.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.
• Простота реализации и минимальные затраты на использование.
• Высокая устойчивость к помехам.
• Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.
• Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
• Широкий диапазон скоростей работы.
• Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Недостатки

• Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
• Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).
• Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако это - и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия) (в первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот). Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.

См. также

• FMS

Ссылки

• CANopen Special Interest Group
• Международная организация CAN In Automation