III. Retele Can

REŢELE DE SISTEME Î NCORPORATE NCORPORATE III. Retele CAN (Controller Area Network) Protocolul CAN 2.0B

Cuprins

Reţele de sisteme î ncorporate ncorporate Conf.dr.ing. Conf.dr.ing. Mihai Postolache

I. Introducere II. Modele de comunica ție III. Rețele CAN (Controller Area Network) IV. Controlerul CAN SAE 81C9x

V. Rețele CANopen VI. Rețele LR WPAN - ZigBee

10.10.2016 20:34

2

III. Reţele CAN (Controller Area

Network)


Obiective: 1. Sa cunoasca principiul de functionare al retelei CAN 2. Sa cunoasca implementarea protocolului CAN la nivel fizic 3. Sa cunoasca diferite variante de implementare implementare a protocolului CAN in hardware

10.10.2016 20:34

3


Network)


CAN – protocol de comunicatie, standardizat, extrem de robust

A fost dezvoltat dezvoltat de firma Bosh Bosh in anii ’80 ’80 Scop: reducerea costului cablarii pentru interconectarea unitatilor electronice de control (ECU) in autovehicule Principala utilizare in prezent a retelelor bazate pe protocolul CAN in automobile in aplicatii de control industriale

10.10.2016 20:34

4


Network)


Rețeaua CAN - descriere general ă O retea CAN este formata dintr-un grup de noduri (nodes) Fiecare nod poate comunica direct cu celelalte noduri Comunicatia se realizeaza prin mesaje sau cadre (frames) Rata de comunicatie - pana la 1 Mbit/sec

10.10.2016 20:34

5


Network)

Reţele de sisteme î ncorporate Conf.dr.ing. Mihai Postolache

Nod – orice sistem incorporat conectat la magistrala CAN Un nod poate fi foarte simplu sau foarte complex Un nod poate transmite mesaje: periodic (nod de control a vitezei motorului) atunci cand apare un eveniment critic (nod de monitorizare a temperaturii) Un nod poate efectua o actiune atunci cand un alt nod ii cere acest lucru (nod de comanda a valvelor electromagnetice)

10.10.2016 20:34

6


Network)


Protocolul CAN defineste portiuni din primele doua niveluri din cele 7 ale modelului de referinta OSI

Niveluri OSI

LLC – Logical Link Control - Filtrare mesaje - Semnalizare supraincarcare

Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Link

MAC - Medium Access Control - Incapsulare / extragere date - Codificare cadre - Detectare / semnalizare erori PLS – Physical Signalling - Codificare / decodificare / temporizare bit PMA – Physical Medium Attachment - Caracteristici emitator / receptor MDI – Medium Dependant Interface - Conectori

10.10.2016 20:34

7



Network)

Protocolul CAN in aplicatii

Aplicatie specifica nodului

DeviceNet, J1939, CANopen, CANKingdom, SDS, etc. Protocolul CAN

Application Network CAN Physical

Mediul fizic, transceiver, cabluri, conectori etc.

10.10.2016 20:34

8


Accesul la mediu –

Network)


cu competiţie;

Tehnica de acces: CSMA/CD-CR (sau CSMA/BA) CS – Carrier Sense – fiecare nod monitorizeaza (asculta) magistrala CAN si transmite doar dupa ce detecteaza o perioada de inactivitate MA – Multiple Access – de indata ce s-a detectat o perioada de inactivitate pe magistrala CAN, orice nod poate sa transmita un mesaj CD – Collision Detection – daca doua sau mai multe noduri transmit simultan, apare o coliziune CR – Collision Resolution – foloseste o metoda de arbitrare nedistructiva, la nivel de bit (BA – Bitwise Arbitration) pentru a rezolva coliziunile

10.10.2016 20:34

9


Network)


Arbitrarea accesului la mediu

Prelucrare date în timp real – transmisie date cu viteză mare. Mediu de comunicaţie adecvat. Schemă rapidă de atribuire a accesului la mediu atunci când mai multe noduri doresc să transmită date simultan. O variabilă care se modifică rapid, cum ar fi de exemplu încărcarea motorului, trebuie să

fie transmisă mai frecvent şi de aceea cu o mai mică întârziere decât alţi parametri, cum ar fi temperatura motorului, care se modifică relativ lent. Prioritatea cu care un mesaj este transmis este codificată în identificator Identificatorul cu valoarea binară minimă are prioritatea cea mai mare. Aceste priorităţi (coduri de identificare) sunt specificate în faza de proiectare şi sunt fixe Conflictele de acces la magistrală - rezolvate printr-o arbitrare la nivel de bit în cadrul câmpului de identificare al nodurilor.

10.10.2016 20:34

10



Network)

Protocolul CAN - arbitrarea accesului la mediu

S O F

Nodul 1

Identificator 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

R T R

Control Field

Data Field

Continuă doar să asculte

Continuă doar să asculte

Nodul 2

Nodul 3

Magistrala CAN (ŞI – cablat)

10.10.2016 20:34

Inactivitate

11


Network)


Arbitrarea accesului la mediu

Eficienţă ridicată - mediul de comunicaţie este utilizat numai de către nodurile care au ceva de transmis Mesajele sunt transmise în ordinea importanţei lor pe ansamblul sistemului

Deosebit de avantajos în condiţii de încărcare mare a reţelei Se garantează un timp de răspuns mic în sistemele de timp real Control descentralizat al magistralei Schema de adresare prin conţinut Protocolul CAN nu necesită ca nodurile să aibă adrese fizice.

Noi noduri receptoare pot fi introduse în reţea fără ca aceasta să atragă vreo modificare hardware sau software pentru nodurile deja existente.

10.10.2016 20:34

12


Network)


Servicii de comunicaţie Write object

Producător mesaj

0÷8 octeţi

Consumator(i) semnalizare

Data Frame

semnalizare

Read object

cereri

Remote Frame Server

Client(i)

răspuns

confirmare 0÷8 octeţi Data Frame

10.10.2016 20:34

13


Network)


Formatul mesajelor CAN (CAN frames) Tipuri de cadre CAN Data Frame – cadru de date Transfera date de la nodul sursa la celelalte noduri din retea Standard – identificator de 11 biti (CAN 2.0a) Extins – identificator de 29 de biti (CAN 2.0b) Remote Frame – cadru de cerere Solicita transmisia unui cadru de date de catre unul din celelalte noduri Standard sau extins Error Frame – cadru de eroare Indica detectarea unei erori la un cadru de date sau de cerere Intrerupe cadrul de date sau de cerere eronat, in curs de transmisie

10.10.2016 20:34

14



Network)

Formatul unui cadru de date (Data Frame)

≤

10.10.2016 20:34

≤

15



Network)

SOF - Start Of Frame - nivel 0 (dominant) Apare dupa cel putin 3 biti de inactivitate a magistralei Inactivitate - nivel 1 (recesiv) (Intermission sau Interframe Space) Semnalul de tact nu se transmite pe magistrala CAN SOF - Sincronizare hardware Resincronizare – pe fiecare front descrescator (recesiv

dominant)



Bit stuffing – dupa 5 biti consecutivi de acelasi tip se insereaza un bit de polaritate opusa – se forteaza aparitia de fronturi descrescatoare

10.10.2016 20:34

16


Network)


IDE – Identifier Extension (0 – standard format; 1 – extended format) RTR – Remote Transmission Request (0 – Data Frame; 1 - Remote Frame) SRR – Substitute Remote Request (=1 si apare numai in Extended Data Frame)

10.10.2016 20:34

17


Network)


Control field r0, r1 - rezervati d – dominant – 0 r – recesiv – 1

10.10.2016 20:34

18


Network)


Data field

0 … 8 octeti de date lungimea e specificata de campul DLC – Data Length Code din Control field

10.10.2016 20:34

19


Network)


CRC field codul CRC - 15 biti + 1 bit delimitator (pe nivel 1) Polinomul generator este BCH Adecvat pentru cadre de maximum 127 de biti Distanta Hamming = 6

pot fi detectate:



maximum 5 erori aleator distribuite in campurile SOF, de arbitrare, de control si de date erori succesive de pana la 15 biti

10.10.2016 20:34

20


Network)


ACK field un slot de 1 bit pus de transmitator pe nivel recesiv fortat de un receptor pe nivel dominant, daca a primit corect mesajul pana in acel moment transmitatorul se asigura ca exista cel putin un receptor care a primit corect mesajul mesajul este confirmat inainte de testul de acceptare un bit delimitator, pe nivel recesiv

10.10.2016 20:34

21


Network)


End Of Frame sir de 7 biti succesivi pe nivel recesiv o eroare CRC detectata trebuie semnalizata inainte de terminarea cadrului in care a aparut, adica pe durata acestui camp

10.10.2016 20:34

22


Network)


Formatul unui cadru de cerere (Remote Frame) lipseste campul de date RTR = 1 Daca un cadru de cerere este transmis simultan cu un cadru de date cu acelasi identificator, castiga cadrul de date (care are RTR=0)

10.10.2016 20:34

23



Network)

Formatul unui cadru de eroare (Error Frame)

≤

10.10.2016 20:34

≤

24



Network)

Globalizarea erorii Un cadru trebuie primit corect de toate nodurile sau de nici unul

≤

10.10.2016 20:34

≤

25


Network)


Cadrul de eroare intrerupe un cadru de date sau de cerere atunci cand un nod detecteaza o eroare in acest caz, delimitatorul de eroare (8 biti de 1) inlocuieste campul End Of Frame

10.10.2016 20:34

26


Network)


Detectarea erorilor Exista 5 mecanisme de detectare a erorilor: 3 la nivel de mesaj Cyclic Redundancy Check – verificare camp CRC Frame Check – verificarea incadrarii ACK bit – bitul de confirmare 2 la nivel de bit Bus monitoring – ascultarea magistralei CAN Bit stuffing – insertia de biti

10.10.2016 20:34

27


Network)


Cyclic Redundancy Check – verificare camp CRC flagul de eroare este transmis imediat dupa campul ACK codul CRC este folosit numai pentru detectia, nu si pentru corectia erorilor

10.10.2016 20:34

28

III. Reţele CAN (Controller Area Network)


Frame Check – verificarea incadrarii verificarea structurii cadrului la transmisie: pe baza formatului fix pe baza lungimii cadrului

delimitatorii CRC şi ACK, EOF

10.10.2016 20:34

29


Network)


ACK bit – bitul de confirmare

Dacă transmiţătorul nu detectează nici o confirmare: ACK bit – bitul de confirmare

a apărut o eroare detectată numai de către nodurile receptoare bitul ACK a fost perturbat

nu există nici un receptor al cadrului se transmite un flag de eroare incepand cu bitul imediat urmator

10.10.2016 20:34

30


Network)


Bus monitoring – ascultarea magistralei CAN

Un nod poate monitoriza propriul său semnal în timpul transmisiei Nodul transmiţător detectează diferenţa care poate să apară între bitul transmis şi cel

recepţionat. Aceasta permite detectarea erorilor globale, precum şi a celor la nivelul transmiţătorului.

10.10.2016 20:34

31


Network)


Bit stuffing – insertia de biti CAN - reprezentarea NRZ în codificarea biţilor Nivelul semnalului rămâne acelaşi pe întreaga durată a bitului. La transmisie - d upă 5 biţi consecutivi de acelaşi tip, se inserează automat un bit de

valoare complementară. La recepţie - dacă se detectează 6 biţi consecutivi de aceeaşi valoare, atunci se consideră că a apărut o eroare.

10.10.2016 20:34

32


Network)


Dacă cel puţin un nod receptor descoperă una sau mai multe erori Transmite un flag de eroare – globalizarea erorii Determină abandonarea transmisiei mesajului.

Se evită astfel acceptarea mesajului de către alte staţii Se asigură păstrarea consistenţei datelor în cadrul reţelei.

După ce transmisia unui mesaj eronat a fost abandonată, transmiţătorul încearcă în mod automat retransmisia

10.10.2016 20:34

33


Un nod defect -

Network)


poate face ca toate mesajele (inclusiv cele corecte) să fie abandonate

Se blocheaza astfel magistrala, dacă nu sunt luate măsuri de auto -monitorizare. CAN - mecanism - distincţia între erori ocazionale şi erori sistematice permite localizarea defectelor la nivelul nodurilor. Analiza statistică a erorilor apărute Detectarea defectiunilor la propriul nod Intrarea într -un mod de operare in care restul reţelei să nu fie afectată negativ.

Aceasta poate duce până la auto-deconectarea nodului defect pentru a preveni abandonarea mesajelor considerate în mod greşit ca fiind eronate.

10.10.2016 20:34

34


Network)


Două numărătoare de erori: TEC si REC Incrementate la detectarea erorilor în timpul transmisiei / recepţiei Decrementate la transmisia, respectiv recepţia corectă a cadrelor.

10.10.2016 20:34

35


Network)


Starea Error Active Nodul poate transmite flaguri de eroare ACTIVE ERROR FLAG (6 biti dominanti). Starea Error Pasive Nodul poate transmite flaguri de eroare PASSIVE ERROR FLAG ( 6 biti recesivi). Un nod receptor n u poate întrerupe transmisia cadrului curent (cu un cadru de eroare pasiv, format din biti recesivi)

Un nod transmiţător îşi poate întrerupe transmisia pentru a transmite flagul de eroare pasiv. Dacă unul dintre nodurile receptoare este în starea Error Pasive, atunci nu se mai poate garanta consistenţa datelor din reţea O eroare locală detectată doar de noduri pasive nu mai poate fi globalizată. Starea Bus OFF Nodul se deconecteaza total de la magistrala CAN

10.10.2016 20:34

36


Network)


Starea Error Passive Un nod care încearcă fără succes, în mod repetat, să transmită un mesaj cu prioritate ridicată – blochează magistrala CAN Solutie: o întârziere după spaţiul obligatoriu de 3 biţi dintre cadre In acest timp, alte noduri pot iniţializa propriile transmisii.

10.10.2016 20:34

37



Overload frame (Cadru de supraîncărcare) - întârzie transmisia următorului cadru de date sau de cerere. Este similar cu un cadru de eroare

Poate fi transmis în una din următoarele 3 situaţii: Datorită unor condiţii interne, receptorul nu este pregătit să înceapă primirea cadrului următor. Pe durata Interframe Space este detectat un nivel dominant în unul din primii doi biţi. Ultimul bit din EOF este găsit dominant. Un mesaj este valid pentru receptor.

Totuşi, formatul fix al cadrului nu este respectat şi este posibil să fi apărut o desincronizare De asemenea - în cazul în care ultimul bit al delimitatorului unui cadru de eroare sau de

supraîncărcare este recepţionat pe nivel dominant.

10.10.2016 20:34

38


Network)


Overload frame

Nu afectează numărătoarele de erori Nu determină retransmisia mesajului Numărul maxim de cadre de supraîncărcare consecutive care pot fi transmise de un nod este limitat la 2.

10.10.2016 20:34

39


Network)


Receptorul consideră mesajul valid cu un bit înaintea transmiţătorului. În cazul în care transmiţătorul detectează un nivel dominant în ultimul bit din EOF, atunci va retransmite mesajul.

Astfel, este posibil ca acelaşi mesaj să fie primit şi validat de două ori de către nodurile receptoare.

Datorită acestui fenomen de dublare a mesajelor, nu se recomandă: utilizarea de mesaje care să comande bascularea unor stări utilizarea de mesaje care poartă valori relative care să se adauge la valori absolute cunoscute de către receptor. Dacă un nod transmiţător are un mesaj care aşteaptă să fie transmis detectează în cel de-al 3-lea bit al delimitatorului dintre cadre un bit dominant considera că a apărut un bit SOF si începe transmisia mesajului direct cu primul bit al identificatorului, fără a mai transmite SOF .

10.10.2016 20:34

40


Network)


Protocolul CAN la nivel fizic

Rata nominală de transfer – numărul de biţi pe secundă transmişi în lipsa resincronizării de către un transmiţător ideal. Durata nominală a unui bit = 1 / rata nominală de transfer Durata nominală a unui bit - 4 segmente disjuncte, fiecare avand un număr întreg de cuante de timp (tq).

10.10.2016 20:34

41


Network)


O cuantă de timp - perioada semnalului de tact folosit de controlerul CAN Provine de regulă prin divizare din semnalul de tact al nodului. Durata unui bit - programabilă - între 8 şi 25 tq. Este determinată de tq şi de numărul de cuante din fiecare din cele 4 segmente.

10.10.2016 20:34

42


Network)


Formatul unui bit SYNC_SEG – pentru a sincroniza nodurile conectate la magistrală. PROP_SEG – pentru a compensa întârzierile de propagare a semnalului prin circuite şi pe

magistrală. PHASE_SEG1 – programabil între 1 şi 8 tq

se utilizează pentru a compensa defazajele apărute între fronturi poate fi alungit prin resincronizare. PHASE_SEG2 - maximul dintre PHASE_SEG1 şi IPT – Information Processing Time (max. 2tq). Poate fi folosit pentru a compensa defazajele

Poate fi micşorat în timpul resincronizării.

10.10.2016 20:34

43

III. Reţele CAN (Controller Area Lungimea PROP_SEG -

Network)


dată de dublul sumei duratelor de propagare a semnalului prin:

controlerul CAN (cca. 50ns), optocuplor (40÷140ns), transceiver (120÷150ns) cablu (cca. 5 ns/m).

10.10.2016 20:34

44


Network)


Mecanisme de (re)sincronizare la nivel de bit (alungire PHASE_SEG1)

10.10.2016 20:34

45


Network)


Mecanisme de (re)sincronizare la nivel de bit (scurtare PHASE_SEG2)

10.10.2016 20:34

46


Network)


Rate, dimensiuni maxime ale magistralei şi structuri de bit recomandate de CiA (CAN in Automation Society):

10.10.2016 20:34

47


Network)


Implementarea protocolului CAN in hardware Controlere CAN cu buffer intermediar (cipuri BasicCAN) Hardware - logica pentru crearea şi verificarea şirului de biţi Pot accepta toate mesajele dintr- o reţea CAN. Filtrarea mesajelor pentru testul de acceptare cade în sarcina microcontrolerului. Necesită un spaţiu mic . Pot fi realizate cu costuri scăzute.

Controlere CAN care stochează mesajele sub formă de obiecte (cipuri FullCAN)

10.10.2016 20:34

48


Network)


Controlere CAN care stochează mesajele sub formă de obiecte (cipuri FullCAN) Pot să execute şi funcţii de gestiune a protocolului. Atunci când sunt mai multe cereri de transmisie pot să determine care obiect trebuie transmis primul. Pot să se ocupe de testul de acceptare prin filtrarea obiectelor recepţionate. Degrevează microcontrolerul de o parte din activităţile aferente protocolului CAN. Necesită un spaţiu de implementare mai mare - sunt mai scumpe. Pot să administreze numai un număr limitat de obiecte. Cipuri care combină ambele tipuri de implementare. Au capacitate de stocare a obiectelor Unul dintre obiecte poate fi definit ca buffer intermediar.

10.10.2016 20:34

49



Transmisia unui mesaj CAN

Registre obiect de transmisie Identificator

Date

Modul de procesare CAN

-biţi de start/stop -generare CRC -arbitrare mesaj Mesaj Transceiver CAN

10.10.2016 20:34

Registre accesibile atât microcontrolerului, cât şi modulului CAN

Comanda “Send Message” determină preluarea informaţiilor din registre de către modulul CAN Mesajul este transmis pe magistrala CAN

50



Network)

Receptia unui mesaj CAN

Mesaj Transceiver CAN

Registre cu deplasare de recepţie Identificator

Magistrala CAN Registrele cu deplasare ale receptorului captureaza fiecare mesaj

Date Modulul de procesare CAN

Modul de procesare CAN -Verificare erori -Verificare CRC

verică dacă au apărut erori şi permite mesajului valid să treacă mai departe Filtrele sunt programate de

Filtrare mesaje

Registre de recepţie

10.10.2016 20:34

către microcontroler Microcontrolerul poate citi acum mesajul

51


Network)


Controler CAN de sine-statator (Standalone Controller)

10.10.2016 20:34

52


Network)


Controler CAN integrat (Integrated controller)

10.10.2016 20:34

53


Network)


Nod single-chip (Integrated Controller and Transceiver)

10.10.2016 20:34

54


Network)


Standardul CAN High Speed (ISO 11898-2)

10.10.2016 20:34

55


Network)


Conectarea la mediul de comunicatie High-speed CAN (ISO 11898-2) Low-speed CAN (ISO 11519-1) Single wire (SEA 2411) Adaptor pentru fibra optica Modem radio

10.10.2016 20:34

56


Network)


Transceivere CAN High Speed (ISO 11898-2) CF150B – Bosch 82C250, 82C251 – Philips L9615 – SGS Thomson

10.10.2016 20:34

57

III. Retele Can

Recommend Documents