Spis treści:
Zažívají sběrnice CAN renesanci? Ne tak docela, protože ve skutečnosti se nikdy nepoužívaly. Podívejte se, jak přesně vypadají jejich technologické specifikace a k čemu se používají.
Každý zná jméno jejich původce. V únoru 1986 představila společnost Robert Bosch GmbH na kongresu Society of Automotive Engineers systém sériové sběrnice CAN (Controller Area Network). Tím se zrodil jeden z nejúspěšnějších síťových protokolů v historii. Od té doby uplynulo téměř 40 let a dnes je řada osobních automobilů vyráběných v Evropě vybavena alespoň jednou sítí CAN.
Sběrnice CAN - kde se vzala?
Sběrnice CAN významně změnily automobilový průmysl. Dnes se celosvětově používají jako základ sítí vestavných systémů v mnoha oblastech, nejen v automobilové technice. První řídicí čipy CAN od společností Intel a Philips Semiconductors se objevily v roce 1987 a již v roce 1991 byla zveřejněna specifikace CAN 2.0 od společnosti Bosch. Tato norma kromě protokolu CAN standardizovala také fyzickou vrstvu pro přenosové rychlosti až 1 Mbit/s. Ačkoli byl CAN původně vyvinut pro použití v osobních automobilech, první pokusy o využití této technologie se uskutečnily v jiných segmentech trhu. Průkopníky v tomto odvětví se stali Skandinávci.
Ve Finsku sběrnici CAN zavedl výrobce výtahů KONE a švédská strojírenská firma Kvaser navrhla CAN jako komunikační protokol v zařízeních pro výrobce textilních strojů. Poté se k uživatelům sběrnice CAN přidali Nizozemci – tamní společnost Philips Medical Systems se rozhodla použít CAN pro vnitřní síť rentgenových přístrojů. Technologie sériové sběrnice stále nachází úžasné nové aplikace.
Sběrnice CAN - co to je?
Sběrnice CAN je jako nervový systém, který umožňuje nepřetržitou komunikaci. Propojuje všechny elektronické řídicí jednotky (ECU) a umožňuje výměnu informací. Přeloženo do odbornějšího jazyka, Controller Area Network je popsána vrstvou datového spoje a fyzickou vrstvou. Fyzická vrstva sběrnice CAN definuje komponenty, jako jsou typy kabelů a jejich impedance, úrovně elektrických signálů a požadavky na uzly.
Sběrnice CAN vs. ISO
Sběrnice CAN má své normy obsažené v normách ISO. Pro vysokorychlostní síť CAN popisuje norma ISO 11898-1 vrstvu datového spoje a norma ISO 11898-2 fyzickou vrstvu. Jakých parametrů se týká ukazatel fyzické vrstvy?
- Přenosová rychlost – uzly CAN musí být propojeny dvouvodičovou sběrnicí s přenosovou rychlostí až 1 Mbit/s (klasická CAN) nebo 5 Mbit/s (CAN FD).
- Délka kabelu – maximální délka kabelu CAN by měla být 500 metrů (propustnost až 125 kbit/s) nebo 40 metrů (propustnost až 1 Mbit/s).
- Terminace – sběrnice CAN musí být řádně ukončena, v tomto případě pomocí 120 Ohmového zakončovacího odporu sběrnice CAN na každém konci sběrnice.
Sběrnice CAN - jak funguje a k čemu se používá?
Systém sběrnice CAN umožňuje každé řídicí jednotce komunikovat se všemi ostatními řídicími jednotkami bez složitého speciálního zapojení. Prostřednictvím CAN mohou připravovat a distribuovat informace, například údaje ze senzorů. Sběrnice se skládá ze dvou vodičů – CAN low a CAN high. Vyslaná data přijímají všechny ostatní ECU v síti CAN. Každá ECU pak může data zkontrolovat a rozhodnout, zda je přijme, nebo bude ignorovat.
V automobilovém systému sběrnice CAN může být ECU například řídicí jednotkou motoru, airbagů nebo zvukového systému. Moderní automobil může mít až desítky elektronických řídicích jednotek, z nichž každá je zodpovědná za informace, které musí být dostupné ostatním částem sítě. To umožňuje například automatické vypínání airbagů nebo plnou funkčnost systému ABS.
Sběrnice CAN je jedním z protokolů používaných v palubní diagnostice (OBD). V současné době je OBD2 povinná ve všech novějších osobních a lehkých nákladních automobilech na celém světě.
Výhody sběrnice CAN
Cílem protokolu CAN je umožnit rychlou komunikaci mezi elektronickými zařízeními a moduly a zároveň snížit chybovost, hmotnost zařízení a náklady. Jednou z hlavních výhod sběrnice CAN je redukce kabeláže a účinná prevence kolizí zpráv. K bezpečnosti významně přispívají mechanismy detekce chyb, jako jsou bit stuffing, bitové monitorování, kontrola rámců, kontrola potvrzení a kontrola cyklické redundance.
Systém CAN je základem trvalé sítě, která pomáhá mnoha zařízením vzájemně komunikovat. Výhodou je, že elektronické řídicí jednotky (ECU) mohou mít místo analogových a digitálních vstupů pro každé zařízení v systému jediné rozhraní CAN. Tím se snižují celkové náklady a hmotnost vozidel, strojů a dalších zařízení. Každé zařízení v síti má řídicí čip CAN, a je tedy inteligentní. Všechny moduly v síti vidí odesílané zprávy a mohou se rozhodnout, zda jsou relevantní nebo zda by měly být filtrovány. Tato struktura umožňuje úpravy sítě CAN s minimálním dopadem – do celku lze snadno integrovat další komponenty. Další nevysílající uzly lze přidávat bez úpravy sítě.
Každá zpráva má svou vlastní prioritu, takže pokud se dva uzly pokusí odeslat zprávu současně, odešle se ta s vyšší prioritou a ta s nižší prioritou se zpozdí. Taková arbitráž je nerušivá a vede k nepřerušenému přenosu zprávy s nejvyšší prioritou. Umožňuje také sítím splnit deterministická časová omezení.
Specifikace CAN obsahuje cyklický redundanční kód (CRC), který kontroluje obsah každého rámce na přítomnost chyb. Rámce s chybami jsou všemi uzly ignorovány a mohou být předány do sítě jako signál chyby. Globální a lokální chyby rozlišuje řídicí jednotka, a pokud je zjištěno příliš mnoho chyb, mohou je jednotlivé uzly přestat vysílat nebo se zcela odpojit od sítě.
Sběrnice CAN - kde se používá?
Používání sběrnice CAN v automobilovém průmyslu je standardní. Nejčastějším použitím sběrnice je vytváření elektronických sítí ve vozidlech.
V uplynulých desetiletích začala spolehlivá komunikační řešení zavádět i další průmyslová odvětví a začala využívat mnoha výhod sběrnice CAN. Sériovou komunikační sběrnici využívají například i tramvaje, metro, lehké železnice a dálkové vlaky. Zařízení CAN propojují mj. dveře, řídicí jednotky brzd, jednotky pro počítání cestujících na různých úrovních sítě v těchto vozidlech. CAN se používá také v letadlech se snímači letového stavu, navigačními systémy a výzkumnými počítači v pilotní kabině. Kromě toho jsou sběrnice CAN umístěny v přístrojích letadel a jsou zodpovědné za analýzu dat za letu a také za řídicí systémy motorů letadel.
Výrobci zdravotnických zařízení používají CAN jako vestavěnou síť pro zdravotnické přístroje. Některé nemocnice používají sběrnici k řízení celých operačních sálů, kde se ovládají například světla, stoly, kamery, rentgenové přístroje a lůžka pacientů. Kromě toho nemocnice používají protokol CANopen k propojení a ovládání zdvihacích zařízení, jako jsou panely, ovladače, dveře a světelné závory. CANopen se používá i v neprůmyslových odvětvích, jako jsou laboratorní zařízení, sportovní kamery, teleskopy, automatické dveře a dokonce i kávovary.
Sběrnice CAN - kterou zvolit?
Výběr správného zařízení závisí na jeho zamýšleném použití. Sériové komunikační sběrnice, jako je CAN, mohou podporovat palubní systém ABS, řízení motorů v projektech pokročilé elektroniky a robotiky a v automatizaci v širším slova smyslu, například v tandemu s nepostradatelným Arduino.
Moduly a překryvné moduly CAN, které jsou k dispozici v sortimentu prodejny Botland, již mají potřebné konektory nebo schopnost OBD pro provoz. Z tohoto důvodu jsou ideálními zařízeními pro ty, kteří se zabývají mechanikou nebo mechatronikou.
