Сетевой протокол CAN

Сетевой протокол CAN (локальная сеть контроллеров) разработана в 1987г для мультипроцессорных автоматических систем реального времени. CAN оптимален для работы систем, по которым передается небольшой объем информации со скоростью до 1Мбит/с.

Достоинства: высокая помехозащищенность, надежность, возможность получения сообщений всеми узлами сети с синхронизацией по времени, не разрушающий арбитраж доступа к шине, малая вероятность пропуска ошибок, низкая стоимость. Принятая в CAN интерфейсе схема передачи сообщений, позволяет ее расширять и модернизировать. Новые устройства приема данных можно добавлять к сети без изменения программных средств и нарушения работы старой системы.

Все это позволяет использовать CAN в разных областях человеческой деятельности, сейчас протокол CAN стандартизирован по ISO. Существует два стандарта для высокоскоростных и низкоскоростных приложений.

Применявшиеся до объединения в единый цифровой интерфейс аналоговые и цифровые линии не справлялись с большим потоком данных в связи с быстрым развитием бортовой электроники.

На базе CAN-протокола был разработан и использовался протокол CANopen для промышленности. Основанный на протоколе CAN он использовался в разных отраслях промышленности. Объединяя с помощью CAN технологии датчики, преобразователи, исполнительные механизмы поставщики оборудования с компьютерным управлением сократили сроки проектирования систем, т.к. рынок дает необходимые компоненты от многих производителей. Технология позволила увеличить надежность работы систем за счет уменьшения соединений. Последние версии CAN протокола позволили увеличить скорость передачи данных почти на порядок.

Рассмотрим основные причины популярности CAN интерфейса:

1. Последовательный интерфейс. Выбор последовательного метода передачи обусловлен необходимостью минимизации кабельного хозяйства. Параллельный интерфейс для мобильных систем неприемлем.

2. Помехозащитна. Для улучшения помехозащищенности была выбрана низкоомная линия обмена данными. В шинах формирующих CAN интерфейса один из логических уровней представлен высоким напряжением и малым током линии, а также высоким выходным сопротивлением выходных каскадов. Другому уровню соответствует низкое напряжение и высокий ток линии. Первый уровень – рецессивный (логическая «1»), второй – доминирующий (логический «0»).

Отметим что такой подход по сравнению с шинными формированиями на двухтактных каскадах (RS-485) проигрывает в помехозащищенности, но низкоомное сопротивление на концах линии снижают эту разницу. Такая схема была выбрана в связи с тем, что все порты CAN протокола – равноправны. Это позволило получить экономию шинного времени и числа линий.

3. Управление доступом к шине. Рассмотрим схему арбитража на управляющей схеме выходного каскада двух узлов CAN и линии обмена данными.

Достоинства CAN протокол можно эффективно реализовать, выполнив выходного каскада по схеме открытым коллектором и использовать согласующие сопротивление в качестве их нагрузки. Линия это логический элемент монтажное (проводное) напряжение. Таблица истинности:

Из таблицы видно, что уровень логической «1» формируется на выходной линии только тогда, когда логическая единица присутствует на всех входах, а уровень логического «0» на любом из входов, т.е. логический «0» на любом входе имеет однозначный приоритет. В любой момент времени, любой узел может выставить на линии логический «0» и благодаря схеме с открытыми коллекторами, не привезет к образованию опасных сквозных токов и другие электрически опасных эффектов. Все узлы CAN подключенные к линии включают узел, ведущий передачу, анализирует ведущий уровень линии. На основе этого анализа передатчик делает выводы по отношению к информации поступающих от других узлов. Этот механизм применяется в CAN интерфейсе для арбитража шины и обнаружения ошибок передачи. Рассмотрим арбитраж шины, в CAN протоколе сообщения не является адресными. В них предусмотрен идентификатор содержаний адрес регистра передачи. Важно, что наиболее приоритетным считается сообщение с численно меньшим идентификатором.

Все узлы синхронизируют работу своих ГТИ по отношения к передачи сигнала на линии. Перед передачей сообщения узел проверяет линию на незанятость. Несколько узлов могут одновременно начать передачу сообщений, передав стартовый бит с уровнем логического «0» после чего линия занята. Заняв линию, узлы приступают к передачи идентификатора начиная со старшего бита. Для случая на рисунке это делают одновременно два узла. Пока идентификаторы побитно совпадают, одновременная передача сообщения остается незамеченным для всех узлов сети, в том числе и для передающих. Когда один из узлов передает логическую «1», а другой логический «0» на линии формируется логический «0». Узел, передающий логическую «1», а зафиксировал «0» прекращает передачу. Идентификатор его сообщения численно больше идентификатора передаваемого другим узлом, который продолжает передачу более приоритетного сообщения, т.о. приоритетный узел выявляется без потери времени на арбитраж простым побитным сравнением идентификаторов непосредственно в ходе передачи.