6.1. Đường truyền CAN
Vào năm 1991, đường truyền CAN (đường truyền điều khiển các khu vực trên ô tô) là hệ thống đường truyền đầu tiên được gới thiệu trên một ô tô được sản xuất. Kể từ đó, nó đã trở thành hệ thống tiêu chuẩn trong ngành ô tô, nhưng đường truyền CAN lại thường được sử dụng như một giao thức mạng cơng nghiệp trong kỹ thuật tự động hóa nói chung. Do đó có điểm tương đồng với các mạng khác, chẳng hạn như mạng cục bộ (LAN), mạng diện rộng (WAN) hoặc mạng cá nhân (PAN), hệ thống đường truyền này đã được đặt tên là CAN.
6.1.1. Ứng dụng
Đường truyền CAN được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau trong ô tô. Do sự phát triển nhanh chóng liên quan đến lĩnh vực điều khiển động cơ, tín hiệu được xử lý phải nhanh hơn nhiều so với các lĩnh vực an tồn / tiện nghi, bởi vì hệ thống điều khiển động cơ nằm xa hơn và do đó sự kết nối sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn.
Hình 6.1 : Sự kết nối các bộ điều khiển điện tử bởi CAN
Do các yêu cầu khác nhau này, các đường truyền có tốc độ dữ liệu khác nhau được sử dụng để mang lại một tỷ lệ tối ưu cho các lĩnh vực liên quan. Có 2 loại đường truyền CAN là đường truyền CAN tốc độ cao và đường truyền CAN tốc độ thấp.
CAN Tốc độ cao (CAN-C)
CAN-C được định nghĩa trong Tiêu chuẩn ISO 11898-2 và hoạt động ở tốc độ bit từ 125 kBit / s đến 1 MBit / s. Do đó, việc truyền dữ liệu có thể đáp ứng các yêu cầu thời gian của hệ thống truyền động. Đường truyền CAN-C được sử dụng để kết nối các hệ thống sau:
Hệ thống điều khiển động cơ (Motronic cho động cơ xăng hoặc
EDC cho động cơ diesel)
Hệ thống điều khiển hộp số điện tử
Hệ thống cân bằng điện từ (ví dụ: ESP) Bảng Tableau
CAN Tốc độ thấp (CAN-B)
CAN-B được định nghĩa trong Tiêu chuẩn ISO 11898-3 và hoạt động với tốc độ bit từ 5 đến 125 kBit / s. Được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực an toàn / tiện nghi, tốc độ này đủ để đáp ứng các yêu cầu thời gian trong lĩnh vực này. Ví dụ về các ứng dụng đó là:
Điều khiển hệ thống điều hịa khơng khí.
Điều chỉnh ghế
Bộ phận cửa sổ điện
Điều khiển cửa sổ trời
Điều chỉnh gương
Hệ thống chiếu sáng
Điều khiển hệ thống định vị
Đường truyền CAN đang được sử dụng nhiều hơn trong chẩn đoán xe. Tại đây, bộ điều khiển điện tử được kết nối trực tiếp với đường truyền CAN và do đó nhận được thơng tin cần thiết cho việc chẩn đốn ngay lập tức. Các giao diện chẩn đốn
trước đây (ví dụ: KWP2000) đang trở nên ít quan trọng hơn.
6.1.2. Cấu trúc liên kết Cấu trúc liên kết dạng tuyến
CAN phát triển theo hướng tập trung vào việc loại bỏ sự cần thiết của một bộ điều khiển trung tâm. Cách tiếp cận này được hỗ trợ hiệu quả bởi một cấu trúc liên kết dạng tuyến trong đó tất cả các nút mạng được kết nối với một tuyến và mỗi nút có thể nhận tất cả thông tin được gửi trên đường truyền. Cấu trúc liên kết tuyến được lựa chọn phổ biến nhất trong thiết kế cơ bản của hệ thống truyền dữ liệu.
Cấu trúc liên kết đường truyền tuyến tính có một ưu điểm là khi một trạm bị lỗi sẽ không ảnh hưởng đến chức năng của hệ thống truyền dữ liệu. Hơn nữa, các trạm bổ sung có thể được kết nối với hệ thống.
Cấu trúc liên kết dạng sao
Việc sử dụng một bộ nối trung tâm giúp xây dựng các cấu trúc liên kết dạng sao. Các khớp nối chủ động cũng như thụ động có thể được sử dụng. Việc sử dụng cấu trúc liên kết dạng sao đạt được mức độ linh hoạt cao trong việc thích ứng với yêu cầu truyền dữ liệu. Bộ nối được sử dụng để xây dựng cấu trúc liên kết dạng sao và chỉ cần chuyển tiếp các tín hiệu đến các nhánh riêng lẻ. Vì thời gian truyền tín hiệu khơng thay đổi, chiều dài mạch của cấu trúc liên kết dạng sao giống như cấu trúc liên kết dạng tuyến
6.1.3. Hệ thống truyền dữ liệu Các nút mạng
Một nút mạng (Hình 6.2) bao gồm bộ vi điều khiển cho phần mềm ứng dụng, bộ điều khiển CAN và bộ thu phát CAN (Bộ điều khiển đường truyền). Bộ điều khiển CAN chịu trách nhiệm cho các chế độ truyền và nhận dữ liệu. Nó tạo ra luồng bit để truyền dữ liệu từ dữ liệu nhị phân được truyền và chuyển tiếp đến bộ thu phát trên dòng TxD. Điều này khuếch đại các tín hiệu, tạo ra mức điện áp cần thiết để truyền dữ liệu vi phân và truyền luồng bit đã được xử lý theo thứ tự trên đường đường truyền (CAN_H và CAN_L). Tin nhắn đến được bộ thu phát xử lý và gửi đến bộ điều khiển CAN trên dòng RxD. Bộ vi điều khiển khời động chương trình (ví dụ Motronic) sẽ điều khiển bộ điều khiển CAN, chuẩn bị dữ liệu được gửi và đánh giá dữ liệu nhận
được. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 6.2 : Các nút mạng CAN
Trạng thái đường truyền logic và mã hóa
CAN sử dụng hai trạng thái để giao tiếp, cao và thấp, trong đó các bit thơng tin được truyền đi. Trạng thái cao đại diện cho mã nhị phân 0, trạng thái thấp thì mã nhị phân 1. NRZ (Non-Return to Zero) được sử dụng làm phương thức mã hóa để truyền dữ liệu. Với phương pháp này, không bắt buộc trả về 0 giữa hai trạng thái truyền có cùng giá trị.
Khi nhận được tin nhắn, bộ thu phát CAN chuyển đổi mức tín hiệu trở lại trạng thái logic. Trong quá trình này, bộ khuếch đại vi sai sẽ khử mức CAN_L với mức CAN_H (Hình 6.3). Nếu đường truyền bị xoắn, có xung nhiễu (ví dụ từ hệ thống đánh lửa) có tác động lên cả 2 đường truyền thì sẽ có sự truyền dữ liệu khác nhau và điều đó giúp lọc nhiễu trên đường truyền.
Hình 6.3 : Lọc nhiễu trên hệ thống đường truyền CAN
Một số bộ thu phát cũng đánh giá mức điện áp trên dòng CAN_H và CAN_L một cách riêng biệt. Sau đó, có thể hoạt động tiếp tục ở chế độ đơn nếu một trong hai đường đường truyền bị hỏng do ngắn mạch hoặc đứt cáp. Tuy nhiên, các kênh đường truyền sẽ phải chia sẻ một điểm chung sẽ đảm nhận chức năng của đường đường truyền lỗi đó.
Bộ quản lý truyền dẫn và nút đường truyền Dây điện kép
Đối với CAN, bất kỳ tác nhân truyền dẫn nào có thể truyền trạng thái cao và trạng thái thấp đều đáng được xem xét. Một cặp dây không được xoắn hoặc xoắn, tùy thuộc vào điều kiện môi trường, thường được sử dụng, và các dây được nối cách điện hoặc tách rời. Hai đường đường truyền được chỉ định CAN_H và CAN_L. Đường dây lõi kép hỗ trợ truyền dữ liệu đối xứng, theo đó các bit được gửi trên cả hai đường đường truyền và được biểu thị bằng các điện áp khác nhau. Điều này làm giảm độ nhiễu vì nhiễu ảnh hưởng đến cả hai đường bằng nhau và có thể được lọc ra. Việc bao bọc dây làm giảm phát xạ bức xạ của chính chúng, đặc biệt là khi ở tốc độ truyền cao.
Dây đơn là một phương pháp để giảm chi phí sản xuất bằng cách phân chia với dây chuyền thứ hai. Tuy nhiên, để điều này có thể thực hiện được, tất cả các kênh đường truyền phải chia sẻ một điểm chung sẽ đảm nhận chức năng của dây thứ hai. Do đó, phiên bản dây đơn của đường truyền CAN chỉ là một sự lựa chọn cho hệ thống thơng tin liên lạc có kích thước khơng gian hạn chế.
Việc truyền dữ liệu trên đường dây đơn dễ bị bức xạ nhiễu hơn vì khơng thể lọc các xung nhiễu như với đường dây lõi kép. Vì lý do này, cần tăng mức cao hơn trên đường đường truyền để cải thiện tỷ lệ tín hiệu nhiễu. Điều này có ảnh hưởng tiêu cực đến bức xạ nhiễu. Do đó mức điện áp của tín hiệu đường truyền phải được giảm so với đường dây kép. Điều này được đi kèm với tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn. Do đó, đường dây đơn chỉ được sử dụng cho CAN tốc độ thấp trong thiết bị điện tử thân xe và thiết bị điện tử an tồn / tiện nghi. Nhờ tính năng này, CAN tốc độ thấp với đường dây kép sẽ vẫn hoạt động trong trường hợp xảy ra lỗi đường truyền (CAN_H hoặc CAN_L).
Mức điện áp
Bộ thu phát CAN chuyển đổi trạng thái logic 0 và 1 mà bộ điều khiển CAN nhận được thành các mức điện áp được đưa đến các đường đường truyền CAN_H và CAN_L.
Các CAN tốc độ cao và tốc độ thấp sử dụng các mức điện áp khác nhau để truyền các trạng thái cao và thấp. Các mức điện áp của CAN tốc độ thấp được hiển thị trong Hình 6.4a, các mức điện áp cao của CAN trong Hình 6.4b.
Trên CAN tốc độ cao, điện áp 2,5 V trên cả hai đường dây ở trạng thái lùi. Ở trạng thái ưu tiên, điện áp là 3,5V trên CAN_H và 1,5V trên CAN_L.
Trên CAN tốc độ thấp, điện áp 0 V xuất hiện trên CAN_H và 5 V trên CAN_L ở trạng thái lùi. Ở trạng thái ưu tiên, điện áp 3,6 V và 1,4 V có mặt trên CAN_H và CAN_L tương ứng.
Hình 6.4 : Mức Voltage
a. Mức Voltage ở CAN tốc độ thấp ( CAN_B) b.Mức Voltage ở CAN tốc độ cao (CAN_C)
Sự không phản xạ cuối đường dây.
Sự phản xạ của các tín hiệu điện ở cuối đường truyền sẽ cản trở giao tiếp. Để làm giảm các phản hồi này, các tuyến đường truyền được kết thúc ở mỗi đầu với điện trở 120 V.
Ngồi ra, các điện trở kết thúc có thể được tích hợp vào các đơn vị điều khiển điện tử.
Hình 6.5: Hệ thống truyền dữ liệu. Giới hạn phát
Để cho phép đánh giá chính xác việc truyền bit, tín hiệu phải đến từng nút trong thời gian bit mà không bị nhiễu và vẫn ở các nút có liên quan. Độ trễ phát sinh từ thời gian truyền tín hiệu trên đường truyền dữ liệu. Tốc độ bit tối đa cho phép phụ thuộc vào tổng chiều dài của đường truyền. ISO 11898 chỉ định tốc độ bit cho chiều dài mạch xác định.
Các khuyến cáo cho các đường dây dài hơn.
1 MBits / s trong 40 m (được chỉ định)
500 kBits / s lên đến 100 m (khuyến nghị)
250 kBits / giây lên đến 250 m
125 kBits / s lên đến 500 m
40 kBits / s lên tới 1.000 m
Có thể kết nối ít nhất 30 nút mạng với đường truyền mà không cần các biện pháp bổ sung.
6.1.4. Giao thức CAN Các lớp giao thức (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với các giao thức truyền thông, đây là thông lệ tiêu chuẩn để sắp xếp các nhiệm vụ mạch lạc theo chủ đề như một tập hợp các lớp, tạo ra mức độ linh hoạt cao trong việc thực hiện hệ thống đường truyền. Với CAN, cả phần cứng CAN và phần mềm CAN được chia thành nhiều lớp (Hình 6.6)
Hình 6.6 : Các lớp giao thức. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng biểu thị thông tin dưới dạng cấu trúc dữ liệu được ứng dụng sử dụng. Các bộ dữ liệu truyền đi được chuyển tiếp đến lớp đối tượng cho mục đích này.
Lớp đối tượng
Nhiệm vụ của lớp đối tượng là quản lý các thông điệp. Các chức năng của lớp này được sử dụng để quyết định tin nhắn nào sẽ được gửi vào thời điểm nào. Đối với tin nhắn đến, lớp này chịu trách nhiệm lọc tin nhắn.
Lớp truyền dẫn
Lớp truyền dẫn cung cấp cho lớp đối tượng với các tin nhắn nhận được và xử lý các tin nhắn được chuẩn bị bởi lớp đối tượng để gửi theo cách mà lớp vật chất có
thể truyền thơng tin này. Để thực hiện mục đích này, lớp vận chuyển chịu trách nhiệm cho các chức năng như phân xử hoặc phát hiện lỗi và báo hiệu.
Lớp vật chất
Lớp vật chất là mức thấp nhất trong việc truyền dẫn. Nó bao gồm các thành phần vật chất của mạng, chẳng hạn như hệ thống dây điện và điện áp được sử dụng để gửi thông tin ..
Nguyên lý đa máy chủ
Giao thức CAN hỗ trợ giao tiếp giữa các nút mạng mà khơng cần thiết bị điều khiển trung tâm. Mỗi nút có thể cố gắng gửi tin nhắn bất cứ lúc nào. Việc cố gắng này có thành cơng hay khơng thực chất phụ thuộc vào hai yếu tố:
Đường truyền có rỗi trước khi bắt đầu truyền không?
Giai đoạn phân xử đã được thông qua thành công chưa?
Thiết kế này đảm bảo rằng, ngay cả khi bất kỳ số lượng nút nào bị lỗi, vẫn có thể xác định liệu một nút có được phép gửi hay khơng.
Định địa chỉ dựa trên nội dung
Không giống như các mạng khác, CAN không giải quyết các nút mạng riêng lẻ mà là tổng các tin nhắn đã được gửi. Mỗi tin nhắn có một điểm đánh dấu hoặc định danh duy nhất. Mã định danh phân loại nội dung của tin nhắn (ví dụ: tốc độ động cơ hoặc vị trí cửa sổ điện). Do đó, một đài có thể phát thơng báo tới tất cả các đài khác (phương thức phát đa hướng hoặc phát). Các trạm này chỉ đọc những tin nhắn có số nhận dạng được lưu trong danh sách chấp nhận của chúng (lọc tin nhắn, Hình 6.7). Theo cách này, mỗi trạm tự quyết định xem có cần tin nhắn được gửi trên đường truyền hay khơng. Mã định danh có 11 bit (định dạng chuẩn, CAN 2.0 A) hoặc 29 bit (định dạng mở rộng, CAN 2.0 B). Với 11 bit ở định dạng chuẩn, có thể phân biệt giữa 2.048 tin nhắn CAN khác nhau; ở định dạng mở rộng, con số này tăng lên hơn 536 triệu
Hình 6.7 : Định địa chỉ và lọc tin nhắn a. Trạm 2 là truyền
b. Trạm 1 và trạm 4 chấp nhận dữ liệu
Ưu điểm của phương pháp định địa chỉ này là các nút mạng không yêu cầu bất kỳ thơng tin nào về cấu hình hệ thống và do đó có thể tự do hoạt động hồn tồn độc lập với nhau. Điều này dẫn đến một hệ thống hoàn chỉnh rất linh hoạt, giúp quản lý các biến thể thiết bị dễ dàng hơn. Nếu một trong các ECU u cầu thơng tin mới đã có trên đường truyền, tất cả những gì cần làm là gọi nó từ đường truyền. Có thể tích hợp các trạm bổ sung vào hệ thống (miễn là chúng là máy thu) mà không phải sửa đổi các trạm hiện có.
Việc điều khiển truy cập đường truyền Giai đoạn phân xử
Nếu đường truyền không bị chiếm (trạng thái ẩn) và tin nhắn có sẵn để gửi, mỗi trạm có thể tự do bắt đầu gửi tin nhắn của mình. Thơng báo bắt đầu bằng một bit trội (bit bắt đầu của khung), theo sau là mã định danh. Khi một số trạm bắt đầu truyền đồng thời, hệ thống sẽ phản hồi bằng cách sử dụng việc phân xử (Phân xử = logic AND toán tử) để giải quyết các xung đột dẫn đến truy cập trên đường truyền. Thơng báo có mức ưu tiên cao nhất (giá trị nhị phân thấp nhất của mã định danh) được chỉ định truy cập đầu tiên, khơng có bất kỳ mất hoặc chậm trễ dữ liệu nào (giao thức
không phá hủy).
Nguyên tắc phân xử cho phép các bit trội được truyền bởi một trạm nhất định ghi đè lên các bit lặn của các trạm khác (Hình 6.8). Mỗi trạm xuất ra định danh thơng điệp của nó lên đường truyền từng bit, với bit phân xử mạnh trước. Trong giai đoạn phân xử này, mỗi trạm muốn gửi dữ liệu so sánh mức độ hiện diện trên đường truyền với mức độ mà nó thực sự sở hữu. Mỗi trạm cố gắng gửi một bit nhận nhưng gặp một bit trội sẽ làm mất q trình phân xử. Trạm có số nhận dạng thấp nhất, nghĩa là ưu tiên cao nhất, đi lên đường truyền mà không phải lặp lại thơng báo (kiểm sốt truy cập không phá hủy). Những bộ truyền tin nhắn có mức độ ưu tiên thấp hơn sẽ tự động trở thành bộ nhận tin nhắn vừa được gửi bởi một trạm khác. Nó lặp lại q trình đó và gửi ngay khi đường truyền rỗi trở lại.
Hình 6.8:Việc phân xử Bit
Trạm 2 được quyền truy cập đầu tiên ( tín hiệu trên đường truyền = tín hiệu trên trạm 2 )
0 là Mức ưu tiên 1 là Mức bị lùi