Интерфейс CANbus

1. В каких случаях целесообразно использование интерфейса?

2. Основные характеристики интерфейса.

3. Какова его топология?

4. Какая среда передачи может быть использована?

5. Как реализуется арбитраж?

6. Какие форматы сообщений используются в интерфейсе?

7. Как реализуется протокол обмена по интерфейсу?

8. В каких случаях используется кадр удаленного доступа? кадр ошибки? Кадр перегрузки?

9. Как используется межкадровое расстояние в процессе обмена?

10. Как организуется взаимодействие между устройствами с различным быстродействием?

11. Как реализуется синхронизация?

12. Каким образом осуществляется защита магистрали от неисправного устройства?

13. Как оценить скорость передачи, если требуется передать блок данных (например, 32 байта)?

14. Какие способы повышения достоверности используются в интерфейсе?

15. В чем отличие контроллеров Basic CAN(CAN V20.A) и Full-CAN(CAN V20.B)?

16. Какие характеристики CAN –контроллеров необходимо анализировать в ОМК?

17. Какая пропускная способность магистрали? Время доступа?

1. В каких случаях целесообразно использование интерфейса?

Канбас получил широкое распространение в автомобильной индустрии. Цель разработки CAN заключалась в замене громоздких пучков проводов (до 7, 5 сантиметров в диаметре!) единственным кабелем, призванным соединить все основные компоненты управления автомобилем: аварийные и сигнальные огни, подушки безопасности, фары, электроприводы стекол, дверные замки и т.д. При возникновении в пучке проводов какой-либо неисправности порою дешевле весь автомобиль отправить на свалку, чем искать эту неисправность. В сетевой же системе вся кабельная разводка может быть выполнена в виде программных взаимосвязей; затраты на дополнительные устройства при этом с лихвой окупаются экономией на техобслуживании. То же самое справедливо и в отношении автоматизированного производственного оборудования.

2. Основные характеристики интерфейса.

Этот интерфейс отличается повышенной надёжностью, относительно высокой скоростью, отсутствием атоконфигурации на которую требуется больше времени, но с возможностью конфигурации сети, относительно быстрое реакции на запрос (125-130 мкс), повышенная эксплуатационная надёжность (1 не обнаруженная ошибка за 1000 лет), высока скорость обмена (1Мбит/40 м, 5Кбит/1км), разнообразные топологии (шина, звезда), использование радиоканалов, использование линий связи (оптоволокно, витая пара, ИК), базовый электрический сигнал – дифференциальный, допускается потенциальный сигнал. Развитый механизм анализа ошибок.

3. Какова его топология?

В любой реализации CAN - носитель (физическая среда передачи данных) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик, передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений. CAN сеть предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU). CAN контроллеры соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L, по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции: Регулировка скорости нарастания входного сигнала путем изменением тока на входе.

4. Какая среда передачи может быть использована?

Среда передачи: обычные провода, витая пара, оптоволокно и т.д. Возможна передача по одному проводу, используя корпусную землю.

5. Как реализуется арбитраж? В интерфейсе используется арбитраж CSMA/CA (неразрушающий арбитраж). В процессе арбитража идентификатор побитно передается по сети. Устройство с максимальным приоритетом захватывает магистраль, а пассивные устройства записывают передаваемый идентификатор в свой буфер.

6. Какие форматы сообщений используются в интерфейсе?

Заголовком сообщения служит идентификатор, который предназначен для одного утройства или группы устройств. Кадр ошибки представляет собой сообщение, состоящее из 6 нулей или 6 единиц.

7. Как реализуется протокол обмена по интерфейсу?

Протокол обмена - синхронный, с сообщениями 4 типов: фрейм данных, фрейм удаленного запроса, ошибки и перегрузки. Структура фреймов (рисунок 96 - 100).170. Среда передачи: обычные провода, витая пара, оптоволокно и т.д. Возможна передача по одному проводу, используя корпусную землю.

8. В каких случаях используется кадр удаленного доступа? кадр ошибки? Кадр перегрузки?

Remote Frame - это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 - рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется). Error Frame - это сообщение которое явно нарушает формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag. Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

9. Как используется межкадровое расстояние в процессе обмена?

Каждый кадр разделен 7-ми битной флаговой последовательностью, этот конец фрейма (EOF) был введен, потому что кадр ошибки CRC должен быть передан внутри длины кадра данных или удалённого кадра.

10. Как организуется взаимодействие между устройствами с различным быстродействием?

Многие механизмы спецификации CAN работают благодаря тому, что все CAN контроллеры принимают сигналы с шины одновременно. Т.е. в одно и то же время один и тот же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны такое положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, а с другой стороны ограничивает длину CAN bus. Сигнал распространяется по CAN bus со скоростью света и для правильной работы CAN нужно, чтобы все контроллеры < услышали> его почти одновременно. Почти, потому что каждый контроллер принимает бит в течении определённого промежутка времени, отсчитываемого системным часам. Т.о. чем быстрее тикают системные часы (чем выше скорость передачи данных), тем меньшая длинна CAN bus возможна.

11. Как реализуется синхронизация? - Покадровая синхронизация обеспечивается битом синхронизации (перепад из 1 в 0). Стартовый из 1 в 0. Стоповый - 7 единичных повторяющихся бит. - Побитовая синхронизация аппаратная, в процессе передачи стартового бита выделяется определенный интервал времени, в течение которого осуществляется автоподстройка частоты.

12. Каким образом осуществляется защита магистрали от неисправного устройства?

за счет сообщений об ошибках: шина выключена, пассивная ошибка, активная ошибка. - Ошибка активная фиксируется, когда активный узел обнаруживает одну из упомянутых ошибок, он передает активный фрейм ошибки, который состоит из шести (6) последовательных доминирующих битов. Эта передача отменит любую другую передачу, проходящую в то же самое время, и заставит все другие узлы обнаружить ошибку наполнения, которая, в свою очередь, заставляет их отбрасывать текущий фрейм. Когда узел в состоянии активной ошибки обнаруживает проблему с передачей, он предотвращает получение всех других данных из пакета сообщений, передавая фрейм активной ошибки. Этот процесс выполняется независимо от того, был ли узел, обнаруживающий ошибку, получателем данных или нет. - Ошибка пассивная фиксируется, когда пассивный узел обнаруживает одну из упомянутых ошибок, — он передает фрейм пассивной ошибки, который состоит из шести (6) последовательных пассивных битов. Этот фрейм может быть наложен на передачу, которая ведется в то же самое время, при этом данные из передачи не теряются, если другие узлы не обнаруживают ошибку. - Шина выключена — узел на шине в выключенном состоянии и не откликается на любое воздействие на шине. Это логическое отключение от сети.

13. Как оценить скорость передачи, если требуется передать блок данных (например, 32 байта)?

Допустим пропускная способность 1 Мбит/с. Максимальная длина поля данных кадра 8 байт. Значит нужно передать 4 кадра информации. В каждом базовом кадре прибавляются 11 бит идентификатора и 33 бита служебной информации. Т.е. в 4х кадрах будет 44*4=176 лишних бит. Т.о. чтобы передать 256 бит (32 байта) информации нужно передать 256+176=432бит. 256/432=0.6 1Мбит/с *0.6 = 600 Кбит/с.

14. Какие способы повышения достоверности используются в интерфейсе?

Наиболее надежным является интерфейс CANbus, в котором используется бит подтверждения, мониторинг линий, бит стафффинг, сторожевой таймер, код Хемминга и поле CRC.

Достоверность передаваемых данных обеспечивается следующими механизмами:

-CRC -Контролем формата данных -Битом подтверждения. Это определенное поле в формате команды. В формате кадра выделяется бит, который при передаче устанавливается в 1, а после передачи кадра он должен быть проинвертирован. -Ошибка мониторинга. Мониторинг производится в кадре данных и удаленного запроса, но при этом не контролируется поле идентификатора и поле бита подтверждения. -Битстаффинг. -В процесс обмена используется код Хемминга с кодовым расстоянием 6 (2 ошибки исправляются, 5 обнаруживается).

15. В чем отличие контроллеров Basic CAN(CAN V20.A) и Full-CAN(CAN V20.B)?

Нигде не нашел толком. В википедии говорится про Базовый и расширенный форматы кадров. Может в тему: БАЗОВЫЙ ФОРМАТ КАДРА

Начало кадра 1 бит Сигнализирует начало передачи кадра

Идентификатор 11 бит Уникальный идентификатор

Запрос на передачу (RTR) 1 бит Должен быть доминантным

Бит расширения идентификатора (IDE) 1 бит Должен быть доминантным

Зарезервированный бит (r0) 1 бит Резерв

Длина данных (DLC) 4 бит Длина поля данных в байтах (0-8)

Поле данных 0-8 байт Передаваемые данные (длина в поле DLC)

Контрольная сумма (CRC) 15 бит Контрольная сумма всего кадра

Разграничитель контрольной суммы 1 бит Должен быть рецессивным

Промежуток подтверждения (ACK) 1 бит Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту

Разграничитель подтверждения 1 бит Должен быть рецессивным

Конец кадра (EOF) 7 бит Должен быть рецессивным

Первые 7 бит идентификатора не должны быть все рецессивными.

РАСШИРЕННЫЙ ФОРМАТ

Начало кадра 1 бит Сигнализирует начало передачи кадра

Идентификатор A 11 бит Первая часть идентификатора

Подмена запроса на передачу (SRR) 1 бит Должен быть рецессивным

Бит расширения идентификатора (IDE) 1 бит Должен быть рецессивным

Идентификатор B 18 бит Вторая часть идентификатора

Запрос на передачу (RTR) 1 бит Должен быть доминантным

Зарезервированные биты (r1 и r0) 2 бит Резерв

Длина данных (DLC) 4 бит Длина поля данных в байтах (0-8)

Поле данных 0-8 байт Передаваемые данные (длина в поле DLC)

Контрольная сумма (CRC) 15 бит Контрольная сумма всего кадра

Разграничитель контрольной суммы 1 бит Должен быть рецессивным

Промежуток подтверждения (ACK) 1 бит Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту

Разграничитель подтверждения 1 бит Должен быть рецессивным

Конец кадра (EOF) 7 бит Должен быть рецессивным

Идентификатор получается объединением частей A и B.

16. Какие характеристики CAN –контроллеров необходимо анализировать в ОМК?

17. Какая пропускная способность магистрали? Время доступа? Основное достоинство CANbus состоит в высокой надежности и скорости обмена. Время доступа около 125 мкс. Пропускная способность 1 Мб/с на 40 метрах.