Шина даних CAN

Для того щоб автомобіль відповідав високим вимогам щодо безпеки руху, плавності ходу, токсичності відпрацьованих газів і споживання палива, в ньому використовується велика кількість електронних систем. Всі електронні системи автомобіля, наприклад, система упорскування, система запалювання, АБС та система керування коробкою передач оснащені окремими цифровими блоками керування. Кожен блок керування, у свою чергу, оснащений власними датчиками та виконавчими елементами.

Виникає необхідність синхронізувати роботу окремих блоків керування. Наприклад, під час перемикання передач крутний момент двигуна повинен зменшуватися шляхом зміни кута випередження запалювання. Іншим прикладом є також антипробуксовочна система, яка зменшує крутний момент на ведучих колесах, запобігаючи їх пробуксовуванню. Також необхідно забезпечити можливість використовування датчиків всіма блоками керування. Отже, одним із найважливіших елементів роботи автомобіля є обмін даними між блоками керування, і обсяг переданих даних постійно збільшується.

Для передачі даних потрібні прості засоби, які не повинні ускладнювати електричну та електронну системи, а також займати багато місця.

Ідея використання шини обміну даними на зразок тієї, що використовується в персональних комп'ютерах, виникла ще в 1980-х роках. Предтечею стала компанія Bosch, яка почала досліджувати структуру електричних систем в автомобілях. Німецькі інженери, аналізуючи динамічне зростання кількості електронних компонентів, викликане адаптацією подальших систем (все більш складні системи управління силовим агрегатом, ABS, контролер автоматичної трансмісії), побачили багато проблем, пов'язаних з використанням все більшої кількості датчиків і виконавчих механізмів. Перш за все, значно розширилася структура електропроводки, з'явилася потреба в додаткових кабелях і штекерних з'єднаннях для підключення датчиків і виконавчих механізмів до контролерів нових адаптованих систем транспортного засобу.

Ще однією проблемою, яка почала явно домінувати в розширених електричних системах, було збільшення кількості несправностей. Їх основними причинами були несправності, пов'язані з відсутністю контактів (багатоконтактні роз'єми) або порушеннями, безпосередньо пов'язаними з розривом електричного ланцюга (пошкодження джгута проводів). Використання більшої кількості проводів також збільшувало рівень перешкод для сигналів, що передаються. Ефективним вирішенням більшості проблем, пов'язаних з розширенням електричних систем в автотранспорті, став перехід до рішень, що використовуються в персональних комп'ютерах.

Було вирішено об'єднати контролери окремих систем автомобіля в загальну мережу (шину даних), яка мала б єдиний протокол обміну інформацією. Інформація в такій мережі може передаватися в цифровому вигляді за допомогою традиційних мідних проводів електричної системи транспортного засобу. 

Controller Area Network, (CAN) (локальна мережа контролерів, він же CAN-Bus, CAN-шина і Інтерфейс CAN) — стандарт, призначений для організації високонадійних та недорогих каналів зв'язку у розподілених системах керування.

Найчастіше CAN-інтерфейс використовується як зв'язна ланка між головною магістраллю та багатьма допоміжними датчиками, механізмами і т. д., підключення яких до центральної магістралі не завжди доцільне.

Способи передачі даних в автомобілі

• За допомогою одиночних дротів

У цьому випадку передача кожного типу даних між різними блоками управління здійснюється окремими проводами. Як наслідок, збільшення кількості типів даних призводить до збільшення кількості проводів та клем у роз'ємах блоків управління. Використання такого способу передачі може бути практичним лише у разі, якщо кількість елементів, між якими здійснюється обміну інформацією, обмежено. 

На приведеній нижче схемі зображено обмін даними з використанням цього принципу, де для кожного типу даних призначений окремий провід. У даному випадку необхідно використовувати п'ять проводів.

• За допомогою шини даних CAN

У разі використання цього способу передачі даних необхідно всього два дроти. Однакові дані передаються двома двонаправленими проводами. Кількість проводів не змінюється незалежно від кількості блоків керування та типів даних. Використання шини даних CAN є найбільш практичним способом передачі великого обсягу даних між кількома блоками управління.

На наступній схемі зображено обмін даними з використанням системи, де для передачі інформації використовуються два дроти.

Принцип, за яким здійснюється передача даних

Передавання інформації про шину даних CAN можна порівняти з телефонною конференцією. Принцип роботи аналогічний. 

Один з компонентів, наприклад, блок управління 1, передає по проводах повідомлення в систему, в той час як інші вузли отримують інформацію та аналізують її.  Якщо отримана інформація виявилася корисною для будь-якого з компонентів, він використовує її. Іншими компонентами ця інформація не використовується і вони залишаються в режимі очікування. Очевидно, що до цього обміну даними, аналогічного телефонної конференції, можуть одночасно бути підключені два і більше вузлів.

Шина даних CAN є прикладом такої організації обміну даними між блоками управління. Вона використовується для поєднання окремих блоків управління в єдину систему. Чим більше інформації має блок керування про всю систему, тим більше він може налаштувати кожну окрему функцію.

Існує три основні сфери застосування шини CAN в автомобілях:

• Шина даних силового агрегату використовується для об'єднання наступних блоків керування:

  • блок керування двигуном

  • блок керування системи АБС

  • блок керування автоматичною коробкою передач

• Шина даних електронної системи комфорту включає, наприклад, наступні блоки управління:

  • центральний блок керування

  • блоки керування дверей

• Шина даних мобільної системи зв'язку може включати:

  • радіо

  • система навігації

  • система центрального керування

  • блок дисплея

Переваги шини даних CAN:

• значно спрощується проводка

• забезпечується висока швидкість обміну даними між блоками керування

• звільняється додаткове вільне місце завдяки компактності блоків керування та їх роз'ємів

• зниження кількості помилок завдяки безперервній перевірці повідомлень, що передаються блоками управління

• для того, щоб додати додаткову інформацію до протоколу передачі даних, необхідно лише внести необхідні зміни до програмного забезпечення

• шина даних CAN є загальновизнаним світовим стандартом - це забезпечує можливість обміну даними по шині між блоками керування різних виробників.

Компоненти шини даних CAN

Шина даних CAN складається з наступних компонентів:

• контролер

• трансівер

• два термінали шини даних

• два дроти шини даних

Всі вузли шини даних вбудовані в блоки керування, крім проводів шини даних. Функції блоків керування, порівняно з попередніми моделями, не змінилися.

Контролер шини даних CAN отримує дані від мікропроцесора блоку управління. Він обробляє їх та передає трансіверу шини CAN. Аналогічно контролер приймає сигнали від трансівера шини CAN, обробляє їх і передає мікропроцесор блоку управління.

Трансивер шини даних CAN – це приймач та передавач, об'єднані в один пристрій. Він служить для перетворення даних від контролера шини даних CAN електричні сигнали і передачі їх по проводах. Аналогічно він також приймає дані та перетворює їх для контролера шини CAN.

Термінал шини даних – це резистор. Він запобігає зворотній передачі даних від кінців проводів шини, що може призвести до фальсифікації наступних даних.

Дроти шини даних є двонаправленими та служать для передачі даних.

При використанні шини даних приймач не визначається. Інформація передається по шині даних, і, як правило, приймається та аналізується всіма компонентами.

Процес передачі даних

• Підготовка данних

Точкою відправки повідомлення (даних) завжди є блок керування. Він передає дані, що підлягають надсиланню, власному контролеру шини CAN.

• Передача даних

Трансивер шини CAN отримує дані від контролера, перетворює їх в електричні сигнали і відправляє їх далі по шині.

• Отримання даних

Усі блоки керування, об'єднані через шину даних, виконують функцію приймача.

Якщо двом блокам керування потрібно надіслати повідомлення одночасно, першим надсилає повідомлення блок керування з вищим пріоритетом. Наприклад, дані системи АБС мають вищий пріоритет, ніж дані коробки передач.

• Перевірка даних

Блоки управління перевіряють, чи отримані дані необхідні для їх функціонування чи ні.

• Адаптація даних

Якщо отримані дані важливі, вони піддаються адаптації та обробці, інакше вони ігноруються.