ЧПУ - устройства с числовым программным управлением, предназначенные для управления сложными станками, обрабатывающими центрами, токарными станками оборудованными следящими приводами подач. Устройство разработано в середине 70-х годов, однако до сих пор широко используется в России и странах ближнего зарубежья. В то же время, в связи с глобальным развитием промышленной автоматизации принципы управления, заложенные в модель тех годов, устарели, и поэтому идет постоянная работа по модификации этой конструкции.

Одной из задач из этой обширной работы является организация сетевого взаимодействия ЧПУ с устройствами более высокого уровня (в частности с PLC - программируемыми логическими контроллерами или IPC - промышленными компьютерами) с применением новейших протоколов обмена информацией.

Одним из таких протоколов является протокол CAN - Controller Area Network (ISO/DIS 11898) и ряд основанных на нем протоколов - CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System).

Для организации сетевого взаимодействия необходима разработка сетевых адаптеров как для ЧПУ, так и для PLC или IPC. Сетевой адаптер представляет собой устройство, управляемое микропроцессором PLC, IPC или ЧПУ, которое обеспечивает формирование и обмен пакетов по сети.

К сожалению, шина управления для подключения таких устройств, как сетевой адаптер в ЧПУ отличается от одной из стандартных шин - ISA, в основном используемой в PLC и IPC. Поэтому сетевой адаптер для PLC или IPC будет отличатся от адаптера для ЧПУ. В данной работе предполагается разработка сетевого адаптера для PLC или IPC с шиной управления ISA.

Данная работа содержит 70 листов, в том числе 2 приложения.

Ключевые слова: Промышленные протоколы, CAN протокол, шина ISA, сетевой адаптер.

Оглавление

Введение

I. Теоретические сведения о промышленных сетях

1. Организация промышленных систем и сетей

2. Семиуровневая модель описания сетевых протоколов

3. Основные топологии сетей

3.1 Структура "звезда"

3.2 Структура "кольцо"

3.3 Структура "шина"

4. Описание CAN протокола

4.1 Физический уровень

4.1.1 Представление битов

4.1.2 Время прохождения одного бита

4.1.3 Механизм восстановления синхронизации

4.1.4 Параметры физической среды и сигналов

4.2 Уровень передачи данных

4.2.1 Принципы обмена информацией между узлами

4.2.2 Структура кадра данных

4.2.3 Структура кадра запроса

4.2.4 Обнаружение и обработка ошибок

4.2.5 Дополнительные режимы

5. Обзор существующих уровней приложений для CAN протокола

5.1 CAL/CANopen

5.2 CAN Kingdom

5.3 DeviceNet

5.4 SDS (Smart Distributed System)

II. Практическая реализация ISA CAN сетевого адаптера

1. Структурная схема и назначение отдельных блоков

2. Описание работы устройства

2.1 Общее описание

2.2 Чтение и запись информации из CAN адаптера

2.3 Логика работы прерываний

3. Установка адаптера на IBM PC совместимый компьютер

4. Описание программы testCAN

Заключение

Литература

Приложение 1. Технические характеристики ISA CAN сетевого адаптера

Приложение 2. Листинг прошивки ПЛУ на языке WinCUPL

Введение

ЧПУ - устройства с числовым программным управлением, предназначенные для управления сложными станками, обрабатывающими центрами, токарными станками оборудованными следящими приводами подач. Устройство разработано в середине 70-х годов, однако до сих пор широко используется в России и странах ближнего зарубежья. В то же время, в связи с глобальным развитием промышленной автоматизации принципы управления, заложенные в модель тех годов, устарели, и поэтому идет постоянная работа по модификации этой конструкции.

Одной из задач из этой обширной работы является организация сетевого взаимодействия ЧПУ с устройствами более высокого уровня (в частности с PLC - программируемыми логическими контроллерами или IPC - промышленными компьютерами) с применением новейших протоколов обмена информацией.

Одним из таких протоколов является протокол CAN - Controller Area Network (ISO/DIS 11898) и ряд основанных на нем протоколов - CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System). Общее число CAN-сетей, которые установлены в мире за последнее время, по данным ассоциации CiA (CAN in Automation, www.can-cia.de) превышает 125 млн. Среди многочисленных факторов, обеспечивших взлет популярности CAN в последние годы, следует отметить разнообразие элементной базы CAN (от десятков ведущих производителей полупроводников - Intel, Philips, Siemens, Motorola и др.), ее дешевизну (простейшие устройства ввода/вывода - CAN SLIO (2.0А) стоят менее доллара), гарантированную доступность в течение не менее 10 лет. Это высокая степень и надежности, и "живучести" сети благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок (одна незамеченная ошибка за тысячу лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 кбит/с), повтору ошибочных сообщений, самоизоляции неисправных узлов, иммунитету к электромагнитным помехам. А ряд оригинальных механизмов сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с) способствуют эффективной реализации режима реального времени в системах распределенного управления.

Для организации сетевого взаимодействия необходима разработка сетевых адаптеров как для ЧПУ, так и для PLC или IPC. Сетевой адаптер представляет собой устройство, управляемое микропроцессором PLC, IPC или ЧПУ, которое обеспечивает формирование и обмен пакетов по сети. Это устройство, как и все промышленные изделия, должно обладать повышенной термо-, вибро-, ударопрочностью.

К сожалению, шина управления для подключения таких устройств, как сетевой адаптер в ЧПУ отличается от одной из стандартных шин - ISA, в основном используемой в PLC и IPC. Поэтому сетевой адаптер для PLC или IPC будет отличатся от адаптера для ЧПУ. В данной работе предполагается разработка сетевого адаптера для PLC или IPC с шиной управления ISA.

I. Теоретические сведения о промышленных сетях

1. Организация промышленных систем и сетей

Автоматическое управление начиналось с простых релейных схем, но теперь уровень сложности задач предполагает опору на цифровую обработку информации с использованием практически всех современных компьютерных технологий.

В качестве примера можно взять систему управления ректификационной колонной, которая отделяет легкие химические фракции от тяжелых при перегонке бензина из нефти. В такой системе компьютер получает информацию об уровнях и скоростях течения различных жидкостей, о температуре и давлении. Основываясь на текущих значениях, он выдает команды на регулировку параметров, и тем самым определяет объемы и качественные показатели конечных продуктов. Подобная система управления обычно нацелена на минимизацию энергетических затрат.

На этом примере можно рассмотреть основные части промышленной системы. Центральным элементом в ней служит вычислительный блок, который в зависимости от решаемой задачи может быть либо простейшей микроплатой, либо многопроцессорным комплексом с внешней памятью большого объема, базой данных и средствами сетевого взаимодействия. Вычислительный блок решает две задачи. Первая - это собственно программное управление на основе модели реального процесса. Вторая - организация интерфейса с обслуживающим персоналом. Здесь визуализируется состояние объекта управления путем вывода его параметров и статистических данных, а также содержатся средства для ручного управления. Информация об объекте, как правило, аналоговая, собирается датчиками. Некоторые из датчиков пассивны: управляющая система сама периодически их опрашивает. Другие датчики самостоятельно прерывают работу системы, передавая ей информацию. Воздействие на регулируемый процесс осуществляется с помощью электрических или электромеханических исполнительных механизмов. Например, это может быть включение/выключение вентилятора с целью регулирования температуры. Между датчиками и исполнительными устройствами, с одной стороны, и устройствами цифровой обработки - с другой ставятся алфавитно-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Кроме того, для управления исполнительными устройствами применяются программируемые логические контроллеры (ПЛК).

В развитии промышленных систем автоматизации в основном просматривались общие тенденции компьютерной индустрии, однако, можно указать несколько принципиальных особенностей, которые требуют специализированных решений.

1. Промышленные системы функционируют в тяжелых для электронной техники условиях внешней среды, поэтому по сравнению с обычными компьютерами они должны иметь повышенную термо-, вибро-, ударопрочность.

2. Требуется подключать гораздо более широкую номенклатуру внешних устройств.

3. Время реакции системы на изменения параметров объекта управления определяется внешними реальными временными интервалами - такие системы называются системами реального времени. Для особо ответственных приложений, например при управлении самолетом, реакция должна быть практически мгновенной. Это, в частности, предполагает повышенную надежность и аппаратной, и программной частей.

Традиционный подход выделяет в системах промышленной автоматизации пять уровней: ввод/вывод (В/В), управление В/В, диспетчерское управление и сбор данных (SCADA), управление производством (MES) и планирование ресурсов предприятия (MRP). Таким образом, при разработке подобных систем решаются и аппаратные, и программные задачи: первый и частично второй уровень составляют аппаратную базу для программного обеспечения верхних слоев.

В условиях реального производства необходимо еще наладить взаимодействие центрального управляющего блока с пространственно распределенным оборудованием системы автоматизации - датчиками, исполнительными механизмами, передаточными устройствами, приводами и программируемыми контроллерами.

Такую связь можно было бы реализовать, например, с помощью сети Ethernet, но к промышленным сетям предъявляются особые требования по надежности и помехоустойчивости. Для связи с удаленными цифровыми устройствами промышленного назначения принято использовать последовательные промышленные или полевые шины (bit serial Fieldbus).

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на три уровня:

Уровень датчиков/приводов (Sensor/actuator level). Задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов. Эти сети самые простые и дешевые по сравнению с остальными. В основном, в таких сетях все узлы используют питание от шины и это питание обычно 24 вольта. Обмен информацией между узлами обычно циклический.

Полевой уровень (Field level). Промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению периферийных устройств, как, например, I/O модули, измерительные, компьютерные устройства, клапаны и терминалы оператора. Передача данных процесса производится циклически. В случае возникновения сигнала тревоги, необходимые параметры и диагностические данные передаются нециклическим способом.

Уровень контроллеров сбора информации (Cell level). На этом уровне, программируемые контроллеры как, например, PLC и IPC сообщается с друг другом. Основным требованием к протоколам данного уровня является высокая скорость обмена пакетами информации и большое число функций управления связью.

К типичным представителям открытых промышленных сетей относятся несколько европейских (PROFIBUS (DIN 19245), FIP (UTE-C46-6xx), Bitbus (IEEE 1118), CAN (ISO/DIS 11898), Interbus-S (DIN 9258)) и американских (Foundation, HART) конкурирующих стандартов. Ведется разработка общеевропейского стандарта EN 50170, объединяющего PROFIBUS и FIP.

Как уже отмечалось выше, понятие "field" определяет область, связанную непосредственно с производственной зоной, где работают контроллеры, датчики (давления, температуры, уровня и т.д.) и исполнительные механизмы (клапаны, реле и т.д.). Задача "fieldbus" (или полевой шины, или промышленной сети) состоит в организации физической и логической связи датчиков с системным интеллектом, роль которого выполняют PLC или промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информационной системе.

Промышленные сети должны полностью удовлетворять запросам потребителей по модульности, надежности, защите от внешних помех, простоте в построении, монтаже и программировании логики работы.

Сегодня говорить о некоей универсальной промышленной сети не приходится. Однако требования к ней уже сегодня проглядываются и понятны классы прикладных задач, которые надо решать с ее помощью:

Автоматизация на общезаводском уровне. Здесь необходимы следующие качества: высокая скорость передачи, короткое время реакции на события, длина линий до 300 метров. На этом уровне для большинства приложений понятие взрывозащищенность не является обязательным.

Автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами. Здесь необходимы следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина линий связи до 1500 м с реализацией механизмов внутренней защиты (intrinsically safe).

2. Семиуровневая модель описания сетевых протоколов

Существуют два типа систем автоматизации: закрытые и открытые системы. К Закрытым системам (closed/proprietary systems) относят системы, являющиеся уникальными (их делает и поддерживает только один производитель) и работающие по уникальным протоколам связи. Большинство таких систем зародилось во времена, когда проблема интеграции изделий других производителей не считалась актуальной. Открытые системы (open systems) приводят в соответствие специфические требования интересам всех. Только при использовании принципов открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть может быть решена без особых проблем.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена "Описательная модель взаимосвязи открытых систем" (OSI-модель, ISO/OSI Model или семиуровневая модель). OSI модель делит коммуникационный процесс на иерархию функциональных уровней, которые зависят друг от друга (Табл. 1).

Таблица 1. Уровни модели ISO/OSI.

Уровень	Название (Рус.)	Название (Англ.)
7	Прикладной	Application
6	Представление данных	Data presentation
5	Сеансовый	Session
4	Транспортный	Transport
3	Сетевой	Network
2	Передачи данных	Data link
1	Физический	Physical



Каждый уровень имеет встроенный интерфейс для связи с примыкающими уровнями. Уровень 2 может передавать данные на Уровень 1 или Уровень 3, но Уровень 1 не может напрямую связываться с Уровнем 3. Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах.

Идея семиуровневого открытого соединения состоит не в попытке создания универсального множества протоколов связи, а в обеспечении "модели", в рамках которой могут быть использованы уже существующие различные протоколы.

3. Основные топологии сетей

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

режим доступа к сети;

средства контроля передачи и восстановления данных;

возможность изменения числа узлов сети.

Основные топологии - это звезда, кольцо и шина. Сравнение этих топологий представлено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики основных топологий

Сравнительные характеристики	Звезда	Кольцо	Шина
Режим доступа	Доступ и управление через центральный узел	Децентрализованное управление. Доступ от узла к узлу	Возможен центра- Лизованный и децентрализованный доступ
Надежность	Сбой центрального узла - сбой всей системы	Разрыв линии связи приводит к сбою всей сети	Ошибка одного узла не приводит к сбою всей системы
Расширяемость	Ограничено числом физических портов на центральном узле	Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается	Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается

3.1 Структура "звезда"

В данной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел, так называемый обрабатывающий компьютер. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи. Один собственник управляет и владеет ею.

С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

3.2 Структура "кольцо"

В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. То есть, они позволяют включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы.



3.3 Структура "шина"

В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников.

Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда".

Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существует два метода регулирования такого доступа, известного еще под термином "шинный арбитраж":

"фиксированный мастер" (централизованный контроль шины);

"плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины);

В случае централизованного контроля за доступом к шине выделяется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к шине для всех других участников. Если вдруг Мастер "сломался", то и циклы обмена по шине останавливаются.

Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее внимание и развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Во всем мире широко приняты и используются две модели децентрализованного доступа:

модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3;

модель с передачей маркера как стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model).

Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так называемый межсетевой шлюз.

Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). Наиболее широко известная реализация этого метода - спецификация Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой из участников сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии), и тогда все "претенденты снимают свою заявку". Затем каждый из участников включает некий случайный генератор, который задает случайный интервал ожидания до следующего момента запроса шины. Метод CSMA/CD получил широкое распространение в офисных системах и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30%).

В условиях большей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера (The Token Passing Method). В этом методе маркер, то есть право на доступ к шине, передается в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы.

Этот метод предлагает каждому участнику сети "справедливое" разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.



4. Описание протокола CAN

CAN протокол родился как сетевое решение для увязки многочисленных датчиков в автомобилях, но на сегодня - это один из лидеров в области промышленных коммуникаций (fieldbus). Премьера промышленного применения CAN шины состоялась в 1990 году в рамках проекта автоматизации текстильных станков. Сегодня существует большой спектр интересных приложений на базе этого коммуникационного протокола. Одно из последних - проект "InterCity train", в котором на базе контроллеров фирмы PEP Modular Computers и сети CAN создается система "жизнеобеспечения" для междугородного пассажирского поезда.

В требованиях, предъявляемых к шинным системам управления транспортными средствами и к промышленным сетям, очень много общего. Системы обоих типов должны быть дешевыми и работать в условиях больших электрических помех. И там, и там нужна работа в реальном масштабе времени и простота обслуживания.

От внимания пользователей, работающих в промышленности, не ускользнуло стандартное применение сети CAN в автомобилях Мерседес-Бенц класса S и принятие этой сети производителями серийно выпускаемых транспортных средств в США. Свой выбор на CAN уже остановили производители сельскохозяйственного и морского оборудования; к ним присоединились некоторые компании-производители медицинского оборудования, ткацких станков, оборудования специального назначения и устройств управления лифтами. Эта последовательная шина прекрасно подходит для объединения в сеть в пределах конструкции станка или агрегата не только датчиков и исполнительных устройств, но и интеллектуальных устройств ввода/вывода.

Одним из пионеров в области применения CAN является промышленность по производству ткацкого оборудования. Некий производитель оснастил свои ткацкие станки модульной системой управления реального времени на базе сети CAN ещё в 1990г. Затем несколько производителей ткацкого оборудования объединились в Группу пользователей сети CAN в текстильной промышленности, которая, в свою очередь, является членом Международной группы пользователей и производителей CAN in Automation (CiA).

В настоящее время в Соединенных Штатах на производственных линиях и оборудовании целого ряда предприятий в качестве внутренней шины для объединения датчиков и исполнительных устройств используется сеть CAN. Некоторые пользователи в секторе медицинского машиностроения также сделали выбор в пользу сети CAN, так как это позволило им обеспечить необходимый уровень надежности. Аналогичные проблемы по обеспечению надежности и безопасности стоят и перед производителями такого вида механизмов, как роботов и транспортных систем.

Дополнительными решающими аргументами в пользу сети CAN, кроме высокой коммуникационной надежности, являются низкая стоимость подключения узла сети и доступность CAN-микросхем от разных производителей. Для таких приложений, как низковольтные коммутационные устройства, важна и компактность контроллерных микросхем.

В сети CAN основные узлы (контроллеры, датчики и приводы) соединяются через последовательную шину. Используемый протокол соответствует первому и второму уровню эталонной модели ISO/OSI открытых систем. В отличие от древовидной кабельной иерархии данный протокол обнаруживает и исправляет коммуникационные ошибки, вызванные электромагнитными помехами. Сеть относительно легко конфигурируется и позволяет производить обмен данными между любыми двумя узлами без перегрузки центрального компьютера.

Ниже приведено подробное описание CAN протокола, согласно стандартной модели описания протоколов ISO/OSI.



4.1 Физический уровень

4.1.1 Представление битов

Рис. 1. Представление битов

В протоколе CAN информация кодируется при помощи битов, каждый из которых может принимать так называемое приоритетное (dominant) и не приоритетное (recessive) значение. Сущность этих названий показана на рис. 1. В случае, если два узла передадут в линию приоритетный и не приоритетный биты одновременно, то в линии в результате этого отразится приоритетный бит.

Битовый поток в CAN протоколе представляется способом NRZ (без возврата к нулю). Это означает, что в течение промежутка времени, выделенного для передачи, одного бита, уровень напряжения в линии равен либо приоритетному, либо не приоритетному значению (см. рис. 1).

Отрицательная особенность способа NRZ в том, что информационный сигнал не обеспечивает синхронизацию при передаче большого числа однотипных битов. Для этого в CAN протоколе предусмотрена процедура вставки синхронизирующего бита противоположного типа. Этот бит вставляется в информационный поток в случае, если в нем подряд идут шесть одинаковых бит (см. рис. 2). В этом случае в выходной последовательности количество одинаковых битов будет не более пяти.

Процедура вставки бита синхронизации осуществляется для Стартового поля, Арбитражного поля, Управляющего поля, поля Данных и поля Контрольной суммы (см. уровень передачи данных).

Количество битов синхронизации, вставленных в информационный поток, для кадров стандартного формата в самом худшем случае, вычисляется следующим образом:

s_max = (34 + 8 dlc - 1)/4 = 8 + 2 dlc,

где dlc длина поля данных.

На первый взгляд отношение информационных и синхронизирующих битов должно быть равно 5/1. Но в худшем случае максимальное количество синхронизирующих битов вычисляется следующим образом:

s_max = (n-1)/4

где n - количество информационных битов.

Таблица. 3. Оценка количества синхронизирующих битов

Размер поля данных	Максима-льная оценка	Количество существующих CAN фреймов с:
Dlc	s_max	s_max	S_max-1	s_max-2	s_max-3
0	8	0	0	1	13
1	10	0	0	0	30
2	12	0	0	0	32
3	14	0	0	5	444
4	16	0	0	2	>171
5	18	0	0	0	>82
6	20	0	0	1	>175
7	22	0	1	124	>15205

Поскольку поле управления кадра данных содержит два зарезервированных бита приоритетного значения и длину поля данных, на практике, максимальное количество синхронизирующих битов отличается от теоретически вычисленного. Таблица 3 получена в результате рассмотрения всех возможных CAN-кадров стандартного формата. Из нее видно, что кадра с теоретически вычисленным максимальным количеством синхронизирующих битов не существует. CAN кадры с длиной поля данных 7 содержат синхробиты в среднем больше, чем другие. Поэтому DLC имеет величину 0111 (0 = приоритетный, 1 = не приоритетный).

4.1.2 Время прохождения одного бита

Рис. 3. Время прохождения одного бита

Время прохождения одного бита показано на рис.3. Из рисунка видно, что промежуток времени, выделенный для передачи одного бита, состоит из четырех не перекрывающихся сегментов (см. рис. 3). Продолжительность каждого сегмента определяется временем, кратным некоторому времени tq, которое является минимальной единицей времени, используемой в CAN узле для синхронизации потока данных. Эта величина определяется следующим образом:

t_q=mt_g ,

где t_g - период системного генератора;

m - программируемая величина и изменяется от 1 до 32.

Сегмент SYNC_SEG предназначен для синхронизации в целом. Его продолжительность равна t_q и программно изменятся не может.

Сегмент PROP_SEG предназначен для компенсации физической задержки распространения сигнала в линии сети. Его величина может быть программно изменена от t_q до 8t_q с шагом, кратным t_q.

Сегмент PHASE_SEG1 предназначен для компенсации смещения фазы сигнала. Его величина может быть программно изменена от t_q до 8 t_q с шагом, кратным t_q. При смещении фазы величина этого сегмента увеличивается до достижения синхронизации.

Сегмент PHASE_SEG2 также предназначен для компенсации смещения фазы сигнала. Его величина равна максимальному из величин PHASE_SEG1 и первоначальному значению PHASE_SEG2. При смещении фазы величина этого сегмента уменьшается до достижения синхронизации.

Точка SAMPLE_POINT представляет собой точку времени, с которой начинается считывание значения бита с линии. Ее местонахождение в конце сегмента PHASE_SEG1. Промежуток времени, в течение которого происходит считывание с линии, меньше, либо равен 2t_q.

Таким образом, промежуток времени, в течение которого происходит передача одного бита, может быть равен от 8t_q до 25t_q с шагом t_q.

При передаче информационного сигнала между узлами по линии необходимо учитывать возникающие при этом задержки распространения сигнала. Результирующее время задержки складывается из времен задержек, возникающих в контроллере, гальванической развязке, приемопередатчике и в шине. Этот промежуток времени должен быть меньше, чем длительность сегмента PROP_SEG.

Длительности этих задержек зависят от конкретных компонентов и приблизительно равны следующим значениям: CAN контроллер (от 50 нс до 62 нс), гальваническая развязка (от 40 нс до 140 нс), приемопередатчик (от 120 нс до 250 нс) и кабель (около 5 нс/м). Полученное время задержки нужно умножить на два, так как учитывается время прохождения сигнала в обе стороны. В итоге получаем формулу:

T_{распространения} = 2 (t_кабеля + t_{контроллера} + t_{гальв.развязки} + t_{передатчика})

При использовании компонентов стандарта ISO 11898, можно достигнуть скорости передачи 1 Мбит/с для длины кабеля 9 метров. Зависимость скорости передачи от длины линии показана на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость скорости передачи от длины линии

В стандарте ISO 11898 длина шины ограничена 1 км. Если же использовать мост или повторитель, то расстояние между узлами может быть увеличено. В Таблице 4 показаны скорости, используемые в CAN сетях и соответствующие им длины линий и номинальные времена прохождения одного бита.



Таблица. 4. Практическая длина кабеля в зависимости от скорости обмена

Скорость обмена	Длина кабеля	Среднее tq
1 Мбит/с	30 м	1 мкс
800 Кбит/с	50 м	1.25 мкс
500 Кбит/с	100 м	2 мкс
250 Кбит/с	250 м	4мкс
125 Кбит/с	500 м	8мкс
62.5 Кбит/с	1000 м	20 мкс
20 Кбит/с	2500 м	50 мкс
10 Кбит/с	5000 м	100 мкс

Максимальные длина и скорость в CAN сети ограничена следующимифизическими эффектами:

Внутренние задержки узла шины и задержки в кабеле;

Отличие t_q разных узлов CAN сети из-за погрешностей тактового генератора;

Падение амплитуды сигнала благодаря сопротивлению кабеля и входному сопротивлению узлов.

4.1.3 Механизм восстановления синхронизации

Рис. 5. Восстановление синхронизации в первом случае

CAN сеть состоит из узлов, каждый из которых имеет индивидуальный тактовый генератор. Из-за это, при передаче информации могут произойти сдвиги фазы сигнала. Каждый CAN контроллер имеет механизм восстановления синхронизации, чтобы скомпенсировать эти сдвиги.

Рассмотрим два случая восстановления синхронизации. Пусть в первом случае синхроимпульс передатчика длиннее, чем приемника (см. рис. 5). Тогда перепад напряжений будет в области сегмента PROP_SEG. Приемник в ответ на это увеличивает сегмент PHASE_SEG1 на величину, которая программно может быть установлена от t_q до min(4t_q, PHASE_SEG). Во втором случае, синхроимпульс передатчика короче, чем приемника (см. рис. 6). Тогда перепад напряжений будет в области сегмента PHASE_SEG2. Приемник на этот раз, уменьшает длину сегмента PHASE_SEG2 на величину, аналогичную первому случаю.

Рис. 6. Восстановление синхронизации во втором случае

Процесс восстановления синхронизации применяется лишь один раз в пределах одного синхроимпульса.

4.1.4 Параметры физической среды и сигналов

Существует несколько разновидностей CAN стандартов, отличающихся физическими характеристиками (скорость обмена, номиналы выходных напряжений, среда распространения сигнала). Эти стандарты приведены в Таблице 5. Далее будет рассматриваться стандарт ISO 11898-2 , так как этот стандарт используется в универсальных приложениях, а также рассмотрятся параметры сигналов стандарта ISO 11992, обладающего повышенной устойчивостью к ошибкам.

Таблица 5. Разновидности CAN стандартов

Название	Стандарт
Высокоскоростная CAN сеть	ISO 11898-2
Низкоскоростная CAN сеть	ISO 11519-1
Ошибкоустойчивый приемопередатчик	ISO 11898-3
Приемопередатчик для Грузовиков/Прицепов	ISO 11992
Однопроводная связь	SAE 2411
Волоконно-оптическая связь	-
Связь с передачей питания узлам	-
Инфракрасная связь	-
Радиосвязь	-

Стандарт ISO 11898-2 характеризует сеть, близкую по структуре с однопроводной линией, однако в ней задействованы две информационные лини для того, чтобы минимизировать интерференционные эффекты в шине. На концах шина ограничивается терминатором, который представляет собой резистор с сопротивлением равным волновому сопротивлению шины.

Рис. 7. Сетевой узел стандарта ISO 11898-2

Согласно стандарту ISO 11898-2 каждый узел сети включает в себя микроконтроллер и CAN контроллер, который подключается к приемопередатчику через последовательную линию передачи (Tx) и последовательную линию приема (Rx) данных (Рис. 7). С выхода Vref на приемопередатчик подается напряжение, равное половине номинального напряжения. Кроме того, приемопередатчику требуется напряжение питания +5В.

Рис. 8. Номинальные уровни напряжений в шине для стандарта ISO 11898-2

Дифференциальное входное напряжение узла сети определяется током, протекающим через дифференциальное входное сопротивление этого узла. При передаче преобладающего бита выходные транзисторы передающего узла включаются, вызывая тем самым протекание тока в шине. В случае передачи не преобладающего бита, выходные транзисторы приемопередатчика выключаются.

При приеме информационного сигнала, приемопередатчик интерпретирует входной сигнал как не преобладающий бит, если напряжение на линии CAN_H меньше, чем напряжение на линии CAN_L на 0.5В. Если же напряжение линии CAN_H по крайней мере на 0.9В выше, чем напряжение линии CAN_L, то входной сигнал интерпретируется как преобладающий бит. Номинальное напряжение при передаче преобладающего бита составляет 3.5В для линии CAN_H и 1.5В для линии CAN_L.

При передаче информационного сигнала, узел CAN осуществляет так называемый мониторинг шины, то есть он сравнивает переданный бит с битом, который отразился в шине. В связи с этим, задержка на эту операцию должна быть учтена.



Рис. 9. Номинальные уровни напряжений шины, согласно стандарту ISO 11992

Приемопередатчик стандарта ISO 11992 обеспечивает проводную связь с повышенной устойчивостью к ошибкам. Этот стандарт первоначально был разработан для грузовиков и прицепов к фургонам, чтобы противостоять высоким ВЧ наводкам (более чем 100 В) и высоким потерям в силу влияния потенциала земли (около 6 В).

При обмене информацией, для преобладающего бита величина напряжений на линии CAN_H составляет 18 В, а на линии CAN_L - 9В. Для не преобладающего бита величина напряжения на линии CAN_H составляет 9В, а на линии CAN_L - 18В. То есть, и в том, и в другом случае разность напряжений между линиями CAN_H и CAN_L составляет 9В (Рис. 9).

Приемопередатчики стандарта ISO 11992 производятся фирмой Temic (B10011S).

Рис. 10. Влияние внешнего электромагнитного излучения

Благодаря дифференциальному характеру передачи сигнала CAN шина нечувствительна к воздействию электромагнитных помех (например фон 50 Гц). Электромагнитное излучение воздействует на обе информационные линии одинаково, поэтому разностный сигнал остается постоянным (V_diff - константа).

Таблица 6.Скорости обмена, согласно стандарту DS-102

Скорость Дл. Линии	Период 1 бита	Период 1 бита (в tq)	Tq	Sample Point	BTR 0 На 16Мгц (82С200)	BTR 1 На 16Мгц (82C200)
1Мб/с 25м	1мкс	8	125нс	6 tq	00h	14h
800 Кб/с 50м	1,25мкс	10	125нс	8 tq	00h	16h
500 Кб/с 100м	2мкс	16	125нс	14 tq	00h	1Ch
250 Кб/с 250м	4мкс	16	250нс	14 tq	01h	1Ch
125 Кб/с 500м	8мкс	16	500нс	14 tq	03h	1Ch
50 Кб/с 1000м	20мкс	16	1,25мкс	14 tq	09h	1Ch
20 Кб/с 2000м	50мкс	16	3,125нс	14 tq	18h	1Ch
10 Кб/с 5000м	100мкс	16	6,25нс	14 tq	31h	1Ch

Организация CiA разработала стандарт DS-102, рекомендованный для универсальных CAN приложений. Этот стандарт включает в себя определенные показатели скоростей обмена, а также максимальную длину шины для данного показателя скорости. Кроме того, рекомендуются определенные параметры битовой синхронизации для того, чтобы узлы от разных изготовителей могли быть объединенными в одну CAN сеть, и при этом каждый из них не пересчитывал бы параметры битовой синхронизации. К параметрам битовой синхронизации относится минимальная единица времени CAN сети, а также позиция точки считывания сигнала SAMPLE_POINT.

Рис. 11. Параметры битовой синхронизации согласно стандарту DS-102

Правила построения сети, определенные стандартом DS-102

Каждый модуль должен поддержать скорость обмена 20 Кбит/с, а также, по возможности, и другие показатели скорости обмена, определенные стандартом DS-102.

Для длины шины более чем 200 м рекомендуется использование гальванической развязки.

Для длины шины более чем 1 км необходимо использование моста или повторителя.

Рис. 12. Назначение выводов разъема 9Sub-D, согласно стандарту DS-102

Согласно стандарту ISO 11898-2, кабели, выбираемые для CAN сети должны иметь номинальное волновое сопротивление 120 Ом, и задержку на распространение сигнала не более 5 нс/м. Номинальное сопротивление терминатора шины составляет 120 Ом. Сопротивление проводника кабеля должно быть не более 70 мОм/м. Все эти параметры приемлемы для обмена информацией со скоростью 1 Мбит/с.

Таблица 7. Номинальные параметры кабеля

Ток	Параметр	Минимум	Номинал	Максимум
-	Сопротивление		70 мОм/м
-	Сопротивление терминатора	108 Ом	120 Ом	132 Ом
~	Волновое сопротивление	108 Ом	120 Ом	132 Ом
~	Задержка сигнала		5 нс/м

Таблица 8. Выбор кабеля и терминатора в зависимости от длины шины

Длина шины	Кабель	Сопротивление терминатора	Максимальная скорость
	Сопротивление	Площадь сечения
0..40 м	70 мОм/м	0,25..0,34 мм2 AWG23,AWG22	124 Ома (1%)	1 Мбод на 40м
40..300 м	<60 мОм/м	0,34..0,6 мм2 AWG22,AWG20	127 Ом (1%)	500 Кбод на 100 м
300..600 м	<40 мОм/м	0,5..0,6 мм2 AWG20	150..300 Ом	100 Кбод на 500 м
600..1000 м	<26 мОм/м	0,75..0,8 мм2 AWG18	150..300 Ом	50 Кбод на 1 км

В таблице приведены параметры для кабелей сети стандарта ISO 11898-2. Чтобы минимизировать падение напряжения при большой длине шины, сопротивление резистора-терминатора должно быть выше, чем по стандарту. Кроме того, должны учитываются параметры по постоянному току для разъемов. Сопротивление изоляции 9-штырькового D-Sub разъема составляет около 5-20 МОм.

Таблица 9. Зависимость параметров шины от количества узлов

Длина шины	32 узла	64 узла	100 узлов
100 м	0,25 мм2	0,25 мм2	0,25 мм2
250 м	0,25 мм2	0,50 мм2	0,50 мм2
500 м	0,75 мм2	0,75 мм2	1 мм2

Таблица показывает зависимость сечения проводника от длины шины и количества узлов. (Испытано на микросхемах фирмы Филипс AN96116 и PCA82C250/1). Таблица основана на следующих предположениях:

Для 32 узлов: Rпровода < 21 Ом,

Для 64 узлов: Rпровода < 18.5 Ом,

Для 100 узлов: Rпровода < 16 Ом.

Сдвиги потенциала в силу воздействия потенциала земли не должны привести к падению напряжения более чем на 2 В.

Рис. 13. 11898-2 Повторитель

Повторители стандарта ISO 11898-2 используются для гальванической развязки секций CAN сети, либо для объединения большого количества узлов, на сколько позволяют приемопередатчики, либо при использовании шины, длиной более чем 1 км. С помощью повторителей можно построить любую сетевую топологию.

Рис. 14. ISO 11898-2 Топология



Топология CAN сети должна быть как можно ближе к структуре с одной линией, то есть длины проводов L_d должны быть как можно меньше. По существу, уровень паразитных отражений в шине зависит параметров битовой синхронизации, длины кабеля L_t и длины кабеля L_d. На практике, для того, чтобы соединить устройство с линией бывает необходим кабель L_d. Длина этого кабеля должна быть по возможности короткой, особенно на высоких скоростях обмена информацией. Например, на скорости 1 Мбит/с длина этого кабеля не должна превышать 0.3 м.

Опытным путем были получены следующие формулы для вычисления максимально возможных длин кабелей L_d и L_t:

Пример:

Рис. 15. Альтернативная схема терминаторов шины

Существует способ улучшения характеристики шины по переменному току, не изменяя при этом характеристики по постоянному току на концах шины. Для этого каждый из резисторов-терминаторов разбивается на два резистора равной величины, то есть два резистора по 62 Ом вместо одного резистора 124 Oма. На отводе от центрального соединения резисторов присутствует результирующее напряжение выводов CAN_L и CAN_H относительно общего провода, и в идеальном случае величина этого напряжения должна быть постоянной. Для осуществления этого отвод от центра должен быть заземлен через конденсатор.

Таблица 10. Неисправности в шине

№	Неисправность
1	Обрыв линии CAN_H
2	Обрыв линии CAN_L
3	Линия CAN_H шунтирована напряжением питания
4	Линия CAN_H шунтирована общим проводом
5	Линия CAN_L шунтирована общим проводом
6	Линия CAN_L шунтирована напряжением питания
7	Замыкание линий CAN_L и CAN_H
8	Обрыв линий CAN_H и CAN_L в одном и том же месте
9	Неисправность терминаторов линии

Во время нормального функционирования шины в ней могут возникнуть ряд неисправностей, влекущих к сбою ее работоспособности. В различных приложениях, в частности в электронике автомобилей, необходимо автоматическое отслеживание дефектов, возникающих в шине. В таблице перечислены возможные неисправности в шине. Все неисправности, за исключением 8-й, приемопередатчик обнаруживает и передает в микроконтроллер в виде флага ошибки. Этот сигнал может использоваться для диагностических целей.

4.2 Уровень передачи данных

Уровень передачи данных CAN протокола описан стандартом ISO 11898. На этом уровне описываются принципы обмена сообщениями между узлами, форматы передаваемых данных, методы обнаружения ошибок, оповещение о возникших ошибках, подтверждения о приеме полученных данных, а также механизм оповещения в случае возникновения переполнения данных.

4.2.1 Принципы обмена информацией между узлами

CAN протокол основан на так называемом принципе “Широкого вещания”. Это значит, что каждая станция сети может прослушивать сообщения с передающей станции. После получения сообщения каждый узел определяет, предназначено ли ему это сообщение или нет. Такая фильтрация сообщений должна существовать в каждом CAN узле.

В CAN протоколе существует два способа обмена информацией. В первом случае узел-передатчик передает кадр данных узлам-приемникам независимо от того, нужны ли эти данные им или нет. Этот случай - классический способ обмена информацией в CAN сети.

Во втором случае, узлы-приемники передают узлу-передатчику так называемый Кадр Запроса (Remote Transmission Requests), и в ответ на это узел-передатчик передает требуемый кадр данных.

В CAN протоколе реализован децентрализованный доступ к шине. То есть, каждый узел имеет равные права на доступ к шине. В связи с тем, чтобы два узла одновременно не смогли занять шину, необходим механизм регламентации доступа к шине. В данном случае применен модернизированный вариант модели вариант модели CSMA/CD (см. выше). Отличие заключается в механизме разрешения коллизий. В CAN протоколе каждый кадр данных (запроса) содержит 11-битный идентификатор, который является, по сути, приоритетом данного сообщения. Чем меньше значение идентификатора, тем приоритетнее передаваемое сообщение. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений; право на работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом.

Рис. 16. Принцип регламентации доступа к шине

Принцип регламентации доступа к шине проиллюстрирован на рис. 16. Допустим, что три узла начали передавать кадр сообщения одновременно, после того, как шина освободилась. Сначала передается так называемый стартовый бит. Далее начинает передаваться идентификатор сообщения, притом этот идентификатор передается старшим разрядом вперед. Во время передачи сообщения, второй узел на 5-ом бите идентификатора обнаружил, что переданный им бит не совпадает с битом, отразившемся в шине. Это значит, что другой узел передает более приоритетное сообщение. Поэтому, второй узел прекращает передачу и осуществляет только прослушивание шины. Аналогично происходит на 2-ом бите с первым узлов. В результате доступ к шине получил третий узел, так как у него было самое приоритетное сообщение.

4.2.2 Структура кадра данных

Кадр данных передается CAN узлом в случае, если с другого узла придет кадр запроса. При передаче одного кадра данных передается до 8 байт информационных данных.



Рис. 17. Формат кадра данных

Существует два формата кадра сообщений. Это стандартный и расширенный формат. Эти форматы отличаются длиной идентификатора сообщения. Для стандартного формата длина идентификатора 11 бит, а для расширенного - 29 бит. О конкретном отличии будет указано ниже.

Кадр данных начинается с так называемого стартового поля. Это поле представляет собой один преобладающий бит и предназначен для синхронизации всех узлов в сети. Следующее поле называется Арбитражным и имеет длину - 12 бит для стандартного формата и 32 бита для расширенного формата. Это поле задает приоритетность передаваемого сообщения. После поля арбитража следует управляющее поле. Управляющее поле имеет размер 6 бит и задает количество передаваемых информационных данных в байтах. Следующее поле называется полем данных, где непосредственно располагаются информационные данные. Длина этого поля может изменятся от 0 до 8 байт. Далее идет поле контрольной суммы. Это поле предназначено для обнаружения ошибок, возникших при передаче кадра, и имеет длину 16 бит. После поля контрольной суммы идет так называемое поле подтверждения. Это поле предназначено для подтверждения получения кадра данных и имеет размер 2 бита. Последнее поле в кадре данных - конец кадра. Это поле имеет размер 7 бит.

Межкадровое расстояние равно 3 битам.

Стартовое поле (SOF) представляет собой один преобладающий бит и предназначено для аппаратной синхронизации сообщений в шине. Аппаратная синхронизация в CAN протоколе осуществляется при каждом переходе сигнала в линии с не преобладающего на преобладающий уровень. Стартовый бит может быть передан во время нахождения шины в свободном состоянии, в конце межкадрового поля или во время прохождения поля дополнительной задержки.

Рис. 18. Арбитражное поле

Арбитражное поле стандартного формата состоит из одинадцатибитного идентификатора и бита RTR (Remote TRansmit). Если передается кадр данных, то бит RTR имеет преобладающее значение. В случае передачи кадра запроса, бит RTR имеет не преобладающее значение. Бит IDE (IDentifier Extension), следующий за RTR битом, имеет преобладающее значение в случае передачи стандартного кадра и имеет не преобладающее значение, в случае передачи расширенного фрейма. При разрешении вопроса коллизии во время одновременной передачи расширенного кадра и стандартного кадра, приоритет отдается узлу, передавшему стандартный кадр.

В арбитражном поле расширенного формата идентификатор делится на две составляющие - одиннадцатибитную и восемнадцатибитную. Поле начинается с одиннадцатибитной части идентификатора. За ней следует бит SRR (Substitute Remote Request) и бит IDE. Бит SRR обычно имеет не преобладающее значение, но если он будет иметь преобладающее значение, приемник проигнорирует это. Значение этого бита учитывается при арбитраже доступа к шине. Таким образом, SRR бит принимается перед IDE битом, и приемник во время приема этого бита не знает какой это бит RTR или SRR. Только битом IDE определяется, какой передается кадр - стандартный или расширенный, и только на основе этого можно определить SRR и RTR биты.

После бита IDE передается восемнадцатибитная часть идентификатора и заканчивается арбитражное поле битом RTR.

Рис. 19. Управляющее поле

Управляющее поле имеет размер шесть бит. Назначение первого бита управляющего поля зависит от формата кадра. Если формат кадра стандартный, то первый бит управляющего поля имеет преобладающее значение и показывает, что передается кадр стандартного формата (бит IDE). Если же кадр имеет расширенный формат, то первый бит управляющего поля, также как и второй бит, является резервным битом и обычно имеет преобладающее значение. Приемник примет кадр при любых комбинациях резервных битов.

Следом за вторым резервным битом следуют четыре бита, показывающие длину передаваемых информационных данных в байтах. Для длины от 0 до 7 байт существуют определенные комбинации рассматриваемых бит. Все остальные комбинации означают, что передается 8 байт данных, и эти комбинации могут использоваться приложениями.

Рис.20. Поле данных

Длина поля данных может меняться от 0 до 8 байт с кратностью в один байт. Длина 0 байт может применятся в случае, когда сам кадр данных сигнализирует о каком-либо процессе, и передача данных не требуется.

Рис. 21. Поле контрольной суммы

Поле контрольной суммы имеет размер 16 бит и состоит из контрольной последовательности, длиной 15 бит, и одного бита - делимитора. Контрольная последовательность определяется следующим способом:

Поля SOF, Арбитражное, Управляющее и поле Данных представляются в виде полинома, коэффициенты при степенях которого - есть значения битов полей.

Этот полином делится на полином x¹⁵+x¹⁴+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁴+x³+1.

Остаток от деления полиномов и есть контрольная последовательность.

Приемник сообщения в процессе приема проделывает аналогичные вычисления для принимаемого сообщения и после приема поля контрольной суммы сравнивает свой результат с полученной контрольной последовательностью. В случае несовпадения, приемник генерирует так называемый кадр ошибки, после которого текущее сообщение будет передано повторно.

Контрольная последовательность используется только для обнаружения ошибки. Расстояние по Хэммингу для кода, используемого в данном случае, равно 6. Это значит, что возможно обнаружить 5 одиночных ошибок и пакетные ошибки длинной до 15 бит.

Рис. 22. Поле подтверждения