Področno vodilo CAN - Laboratorij za obdelavo signalov in daljinska ...

Fakulteta za elektrotehniko,računalništvo in informatikoInštitut za avtomatikoLaboratorij za obdelavo signalov in daljinska vodenjaPodročno vodilo CAN (Controller Area Network)Iztok MajcenMaribor, marec 2007

CAN (Controller Area Network – področno omrežje krmilnikov)CAN (Controller Area Network – področno omrežje krmilnikov) je razvilo inpatentiralo podjetje Robert BOSCH GmbH v Stuttgardtu v Nemčiji leta 1987. V zelomočni konkurenci serijskih vodil je CAN sprejelo zelo veliko proizvajalcev. Dandanes jeCAN glavni omreži sistem v skoraj vseh avtomobilističnih proizvodnjah. Najnovejšiizdelki uporabljajo CAN kot dopolnilo z drugimi omrežnimi sistemi, kot so npr.: LIN(nizko cenovno serijsko omrežje za elektroniko), MOST (za uporabo zabavne elektronikev avtomobilih) in FLEXRAY (za uporabo zaščitenih komunikacij). Ker ima CAN zelovisok in zanesljiv prenos podatkov, integrirano detekcijo napak in cenovno ugodnekrmilnike, se dandanes uporablja že zelo na široko tudi izven avtomobilistične industrije(BMW, VolksWagen, Porsche, Daimler-Chrysler,…) v avtomatiki. Je standard zaindustrijske aplikacije, kot so npr.: Field Bus, ki se uporablja za krmiljenje procesov.Tudi veliko število distribuiranih krmilnih sistemov za mehanske naprave danesuporabljajo CAN za njihovo »hrbtenico« (backbone). Konkurenti CAN-u so VAN(Francija), J1850 (ZDA) in PALMNET (Japonska).Glavne lastnosti CAN:• Dostopnost več nadzornih naprav na vodilo (multi-master)• Naključni dostop na vodilo s postopkom izogibanja trkom (collision avoidance)• Kratka sporočila (do 8 zlogov podatkov na sporočilo)• Prenos podatkov od 100 kbit/s do 1 Mbit/s pri sukanih parih (do 2 Mbit/s prisvetlovodnikih)• Velike dolžine komunikacijskega vodila (do 1 km)• avtomatska-sinhronizacija• optimizirano EMC (electromagnetic compatibility) obnašanje• implementirana toleranca napak• fizična plast – različne implementacije (RS485, ISO high-speed (diferenčnenapetosti), ISO low-speed (enojna napetost), svetlovodniki, galvanska ločitev,…CAN je torej področno serijsko komunikacijsko omrežje, namenjeno zaupravljanje, povezavo krmilnih modulov, senzorjev in aktuatorjev, ter nadzor indiagnosticiranje porazdeljenih procesov, ki delujejo v realnem času.Poznamo dve različni implementaciji CAN v integrirani obliki:• osnovni CAN (Basic CAN)• popolni CAN (Full CAN)Slika 2.1: CAN v integrirani obliki

Večinoma vsi današnji procesorji z integriranimi CAN moduli ponujajo obenastavitvi delovanja modula. Značilnosti osnovnega CAN modula so naslednje:• jedro procesorja in CAN modul sta integrirana v neposredni bližini• samo en sklad za pošiljanje• samo dva sklada za sprejemanje• samo en filter za dohodna sporočila• potreben je programski postopek za izbiro med dohodnimi sporočiliZnačilnosti popolnega CAN modula pa so:• izveden strežnik (server) za sporočila• razširjeno filtriranje dohodnih sporočil• prostor za sporočila (mailbox) je odvisen od proizvajalcev• uporabniško nastavljivi »poštni nabiralniki« mailbox-i• razširjena prepoznava napakCAN zagotavlja trpežno in cenovno ugodno omrežje, ki pomaga veliko CANnapravam pri medsebojni komunikaciji. Največja prednost CAN vodila je v tem, da imaprocesor en sam vmesnik (CAN), ki omogoča komunikacijo z ostalo periferijo (senzorji,aktuatorji, drugi moduli,…) in ne uporablja svojih I/O enot (analognih in digitalnih) zakomunikacijo z vsemi ostalimi napravami v nekem sistemu. V avtomobilski industriji topomeni tudi zmanjšanje stroškov in teže v avtomobilih.2.1 CAN standardSlika 2.2: Prednost CAN pred ostalimi vodiliCAN je ISO (International Standardization Organization) definirano serijskokomunikacijsko vodilo, ki je bilo sprva načrtovano in razvito za avtomobilsko industrijo,z namenom zmanjšanja kompleksnega ožičenja in ga nadomestiti z samo dvo-žičnimvodilom.CAN komunikacijski protokol ISO 11898 opisuje, kako informacija potuje mednapravami v omrežju in je v skladu z OSI (Open System Interconnection) modelom, ki jeplastno definiran. Dejanska komunikacija med napravami, ki jih povezuje fizični medij(vodilo), je definirana z fizično plastjo ISO/OSI referenčnega modela.

Slika 2.1.1: ISO/OSI modelISO 11898 arhitektura definira dve najnižji plasti od sedmih plasti ISO/OSImodela. Ti dve plasti sta podatkovno povezovalna plast (data-link layer) in fizična plast(physical layer).Slika 2.1.2: ISO11898 arhitektura2.2 Fizična plastFizična plast je najnižja plast v ISO/OSI referenčnem modelu, kot tudi v ISO11898 standardu. Fizično plast moramo razdeliti v dve podplasti. V prvi podplasti so

določila in standardi o lastnostih fizičnih medijev (od medija odvisna določila, npr. oblikain vrsta signalov, mehanski priključki na medije,…). Druga podplast (od medijaneodvisna določila) pa vsebuje procedure povezovanja računalnikov na omrežja,sinhronizacijo, zaščitno kodiranje,… Glavne lastnosti CAN fizične plasti so naslednje:• diferenčno dvo-žilno vodilo ali sukani par z ali brez oklopa• oddajno/sprejemna CAN naprava (CAN transceiver)• možnost kodiranja (oblikovanje in razpoznava bita): PWM (pulzno-širinskamodulacija), NRZ, Manchester kodiranje,…• sinhronizacijaNRZ (Non-Return-to-zero) je zaporedje binarnih znakov, katere »1« sopredstavljene z enim pomembnim stanjem (npr. +3V) in »0« z drugim pomembnimstanjem (npr. -3V) brez vmesnega ali nevtralnega stanja (npr. 0V). Ti pulzi imajoveč energije kot pulzi RZ (Return-to-Zero). Uporabiti moramo sinhronizacijski signal.NRZ uporablja samo polovico pasovne širine, ki jo uporablja Manchester koda. Vasinhronih komunikacijah odsotnost nevtralnega stanja pomeni uporabo drugih sredstevza sinhronizacijo (uporaba start in stop bitov podatkovnih okvirjev).Slika 2.2.1: NRZ kodiranjeManchester kodiranje (Manchester code) ali tudi bi-fazno kodiranje podatkov jeprav tako zaporedje binarnih znakov. Bi-fazno pa pomeni, da je vsak bit sestavljen izprehoda iz enega stanja v drugo, in sicer iz »1« v »0« pomeni bit z vrednostjo 1, ter iz»0« v »1« pomeni bit z vrednostjo 0.Slika 2.2.2: Manchester kodiranje2.2.1 Sinhronizacija

Na bitnem nivoju (OSI fizična plast) CAN uporablja sinhroni prenos podatkov. Tosicer pomeni stopnjevanje zmožnosti prenosa, vendar to pomeni tudi uvajanje drugačnemetode bitne sinhronizacije. Medtem ko je bitna sinhronizacija pri znakovno orientiranihprenosih (asinhronskih) določena z startnim bitom pri vsakem pripadajočem znaku, je zasinhronski prenos potreben le en startni bit na začetku podatkovnega okvirja. Vsak član(postaja) CAN omrežja ima svoj generator ure, ponavadi so to qvarc oscilatorji.Frekvence teh oscilatorjev ponavadi niso stabilne. Razlike nastanejo zaradi spremembetemperature ali napetosti ali pa motenj drugih naprav. Dokler spremembe ostajajo znotrajneke specifične oscilatorske tolerance (df) so CAN postaje zmožne kompenzirati terazlične bitne hitrosti s resinhronizacijo bitnega okvirja.Vsak bit na CAN vodilu ima neko določeno strukturo, ki jo imenujemo tudi bitniinterval (čas bita). To strukturo bitnega intervala lahko razdelimo v štiri fazne segmente(phase segment). Fazni segmenti so naslednji:• sinhronizacijski segment (Sync_segment)• segment časa razširjanja (Prop_segment)• fazni segment 1 (Phase_seg1)• fazni segment 2 (Phase_seg2)in si sledijo v vrstnem redu, ki ga prikazuje spodnja slika.Slika 2.2.1.1: Bitni interval (čas bita)Vsak segment je sestavljen iz specifičnega in programirljivega števila časovnihkvantov. Časovni kvant je osnovna časovna enota bitnega intervala (časa bita). Dolžinačasovnega kvanta (t q ) je definirana s sistemsko uro f sys CAN krmilnika in BRP-jem (BoudRate Prescaler).t =qBRPfsysfoscTipične sistemske ure so fsys= foscali pa fsys= . Da sprejemniku omogočimo2pravilno branje sporočila moramo zagotoviti kontinuirano resinhronizacijo. Kontinuirano

esinhronizacija pa dosežemo prav z vstavitvijo teh štirih faznih segmentov v bitniinterval in sicer pred in po nominalni točki vzorčenja (sample point). Nominalna točkavzorčenja je točka tipanja v kateri določimo vrednost bita. CAN protokol reguliraaktivnosti vodila z bitno arbitražo. Širjenje signala od oddajnika do sprejemnika in nazajse mora končati v enem bitnem intervalu. V času sinhronizacijskega segmenta, ki je dolg1 časovni kvant, se sinhronizirajo vozlišča v omrežju. Ko se spremeni stanje vrednosti navodilu, se bo zgodila stopnična sprememba vrednosti bita. Pričakuje se, da se bosprememba stanja (fronta) na CAN vodilu zgodila prav v sinhronizacijskem segmentu.Segment časa razširjanja je sestavljen iz časa razširjanja signala (fizična zakasnitev) ododdajnika do sprejemnika in obratno po vodilu in internih zakasnitev posameznih CANpostaj. Trajanje segmenta časa razširjanja je nastavljivo in sicer od 1 do 8 časovnihkvantov.2.2.1.2: Parametri bitnega intervala (časa bita)Na spodaj prikazanem primeru sta obe postaji oddajnika, ki izvajata arbitražo naCAN vodilu. Postaja A je poslala svoj startni bit za manj kot celoten bitni interval prejkot postaja B. Postaja B se zato sinhronizira z sprejeto fronto iz recesivnega vdominantno stanje. Medtem ko je postaja B sprejela to zakasnitev fronte (A_to_B) sočasovni segmenti postaje B premaknjeni v odvisnosti od postaje A. Postaja B pošlje sedajidentifikator z višjo prioriteto in tako zmaga na arbitraži v specifičnem bitu, ko le tapošlje dominanten bit, medtem ko pošlje postaja A recesiven bit. Dominanten bit poslaniz postaje B bo prispel do postaje A po zakasnitvi B_to_A.2.2.1.3: Segment časa razširjanja in fazni skok med dvema CAN postajamaFazna segmenta 1 in 2, ter SJW (Synchronization Jump Width) služijo zakompenzacijo oscilatorskih toleranc (faznih napak). Do sinhronizacij pride na frontah

(prehodih) iz recesivnega v dominantno stanje. Namen sinhronizacij je krmiljenje razdaljmed frontami in točkami vzorčenja. Fronto zaznamo z vzorčenjem trenutnega stanjavodila v vsakem kvantu, ki ga nato primerjamo z prejšnjim stanjem vodila. Dosinhronizacije pride le v primeru, če je bilo prejšnje stanje vodila ob vzorčenju recesivno,trenutno stanje vodila ob vzorčenju pa je dominantno. Fronta je sinhronizirana, če sepojavi znotraj sinhronizacijskega segmenta. Drugače pa razdalja med fronto in koncemsinhronizacijskega segmenta pomenita fazno napako. Če se fronta pojavi predsinhronizacijskim segmentom je fazna napaka negativna, če pa se fronta pojavi zasinhronizacijskim segmentom pa je fazna napaka pozitivna. Napaka faze nam torej povesamo odmik prednje fronte bita od sinhronizacijskega segmenta.Resinhronizacija omogoča podaljševanje in skrajševanje faznih segmentov.Trajanje faznega segmenta 1 je nastavljivo od 1 do 8 časovnih kvantov. Trajanje faznegasegmenta 2 je seštevek maksimalnega trajanja faznega segmenta 1 in časa obdelavepodatka.CAN uporablja dva tipa sinhronizacije:• Trda sinhronizacija (Hard synchronization) – se zgodi na začetku okvirja (startbit). Po trdi sinhronizaciji je čas bita (interval) ponovno zagnan na koncusinhronizacijskega segmenta v odvisnosti fazne napake fronte (čas bita seponovno nastavi točno na spremembo stanja). Fronta bita, ki je povzročila trdosinhronizacijo, sedaj leži znotraj sinhronizacijskega segmenta. S trdosinhronizacijo torej prisilimo prednjo fronto bita, da leži znotrajsinhronizacijskega segmenta.• Resinhronizacija (Resynchronization) – podaljšuje ali skrajšuje čas bita tako, dase točka tipanja bita premika na fronto (podaljševanje in skrajševanje obeh faznihsegmentov). Ko je fazna napaka fronte, ki povzroči resinhronizacijo pozitivna, sefazni segment 1 podaljša. Ko je fazna napaka fronte, ki povzroči resinhronizacijonegativna, se fazni segment 2 skrajša. Pri resinhronizaciji torej popravljamo faznonapako bita za vrednost širine sinhronizacije (npr. vrivanje bitov pri daljšanjusegmenta).Primeri na spodnji sliki prikazujejo uporabo faznih segmentov za kompenzacijo faznihnapak. Prikazana so vsa tri možna stanja: sinhronizacija pozne fronte, sinhronizacijazgodnje fronte in stanje brez potrebne sinhronizacije.

2.2.1.4: Sinhronizacija možnih stanj frontV prvem primeru (slika zgoraj, prvi primer) se pojavi fronta iz recesivnega vdominantno stanje na koncu segmenta časa razširjanja. Fronta je pozna saj se pojavi posinhronizacijskem segmentu. Reakcija na pozno fronto je podaljšanje faznega segmenta 1tako, da je razdalja od fronte do točke vzorčenja enaka, kot bi bila od sinhronizacijskegasegmenta do točke vzorčenja. V drugem primeru (slika zgoraj, tretji primer) se fronta izrecesivnega v dominantno stanje pojavi v faznem segmentu 2. fronta je zgodnja, ker sepojavi pred sinhronizacijskim segmentom. Reakcija na zgodnjo fronto je krajšanjefaznega segmenta 2 in sinhronizacijski segment je izpuščen, tako da je razdalja od frontedo točke vzorčenja enaka kot bi bila od sinhronizacijskega segmenta do točke vzorčenja.Tretji primer možnega stanja je srednji primer na zgornji sliki in je primer, kosinhronizacija ni potrebna (fronta iz recesivnega v dominantno stanje se pojavi vsinhronizacijskem segmentu).Fazni segmenti so podaljšani ali skrajšani le začasno. V naslednjem bitnemintervalu se stanja segmentov vrnejo v njihovo programirano nominalno stanje.2.2.2 Standardi fizične plasti• ISO 11898-2 (visoka hitrost) – je najbolj uporabljen standard fizične plasti.Opisuje funkcijski dostop do vodila (implementiran kot visoko hitrostnaoddajno/sprejemna CAN naprava). Podatkovna hitrost standarda je definirana do1 Mbit/s (teoretično 1 Mbit/s do dolžine vodila 40m). Karakteristična impedancavodila je 120 Ω. Pogosti napetostni nivoji segajo od -2V na CAN_L do +7V naCAN_H.• ISO 11898-3 (neobčutljiv na napake) – ta standard se najbolj uporablja zaelektroniko v avtomobilski industriji in ima možnost uporabe le ene linije.Uporabljajo se lahko gonilniki z manjšo porabo moči. Topologija vodila sedaj niveč limitirana z linearno strukturo. Možen je prenos podatkov tudi asimetričnopreko le ene linije vodila v primeru napake ene od linij. Definirana hitroststandarda je 125 kbit/s. Specifičnih vozlišč je 32 na omrežje. Pogosti napetostninivoji so v razponu med -2V in +7V. Napajalna napetost je definirana z 5V.• SAE J2411 (enojna linija) – standard je namenjen CAN omrežjem z aplikacijami,katere zahteve po hitrosti prenosa in dolžini vodila niso visoke (komunikacijasamo preko ene linije z nominalno vrednostjo prenosa podatkov 33,3 kbit/s ali pa83,3 kbit/s v hitrejšem režimu z namenom diagnosticiranja). Standard definira do

32 vozlišč na vodilo. Uporablja se predvsem v omrežjih v zvezi z elektronikomotorjev.• ISO 11992 (p2p, od točke do točke) – standard definira komunikacijo od točke dotočke (point-to-point). Uporablja se predvsem pri vozilih vlačilcih in prikoličarjih.Za vozilo z eno prikolico je definirana p2p komunikacija, pri vozilih z dvema aliveč prikolicami pa verižna komunikacija (daisy-chain). Nominalna vrednostprenosa podatkov je 125 kbit/s z maksimalno dolžino vodila do 40m. Napajalnanapetost je definirana z 12V ali 24V. Kot medij vodila se uporablja sukani parbrez oklopa.• ISO 11519-2 (CAN)• ISO 11519-3 (VAN)• ISO 11519-4 (J1850)• ostali standardi2.2.3 Podatkovno povezovalna plastNaloga podatkovno povezovalne plasti je zagotavljanje varne in transparentneizmenjave podatkov med napravami, ki komunicirajo preko enake fizične plasti. Pri temrazrešuje tri funkcije:• Ugotavlja in odpravlja napake pri prenosu• Opravlja nadzor nad oddajanjem in sprejemanjem• Omogoča in upravlja dostop do prenosnega medijaPodatkovno povezovalno plast delimo na dve podplasti:• LLC (Logical Link Control, krmilna logična povezava) – katere naloga jefiltriranje sporočil, javljanje preobremenitev in upravljanje oživetja (wake-up). Tapodplast skrbi za prvi dve funkciji.• MAC (Media Access Control) – katere naloga je okvirjanje podatkov, krmiljenjedostopa do vodila, odkrivanje napak, javljanje napak, potrjevanje sporočil inserijsko-paralelna pretvorba. Ta plast skrbi za nadzor dostopa do prenosnegamedija. MAC je osrednji protokol v komunikacijski strukturi CAN in temelji namehanizmu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance;zaznava nosilca,večkratni dostop ter izogibanje trkom).2.2.3.1 Zaznava nosilca,večkratni dostop ter izogibanje trkom (CSMA/CA)CSMA se uporablja pri omrežjih, ki postaje povezujejo paralelno. Oddajanje enepostaje na prosto vodilo slišijo vse ostale postaje vezane na vodilo. Če pa oddaja večnaprav hkrati pa pride do trka podatkov (signalov). Postaje ves čas spremljajo dejavnostina vodilu (poslušajo). Če je vodilo prosto, lahko katerakoli postaja prične z oddajanjemoziroma komuniciranjem.

Torej če dve ali več postaj oddaja hkrati pride do trka signalov (kolizije podatkov)in v tem času je vodilo neuporabno. Postopek CSMA/CD temelji na mehanizmurazreševanja problema kolizije po naključnem izboru (ni garancije, da se bo razreševanjekolizije kdaj končalo). Zato je smiselna uporaba TT-CAN-a (Time Triggered CAN,časovno proženi-voden CAN) v izogib čim večjemu številu kolizij.Slika 2.2.3.1.1: CSMA/CD postopekDruga tehnika v izogib kolizijam je CSMA/CA (Collision Avoidance, izogibanjetrkom) postopek. Postopek temelji na posebnem arbitražnem polju, ki ga dodamo nazačetek podatkovnega okvirja. Arbitražno polje predstavlja identiteto posamezne postajeID (vsaka postaja ima svoj unikatni ID oziroma arbitražno polje). Na vodilu moramodefinirati dve logični stanji in sicer dominantno in recesivno stanje.Slika 2.2.3.1.2: Dominantno in recesivno stanje CAN vodila

Dogovor je, da prevladujejo dominantni biti (če postaja pošle dominanten bit»povozi« oziroma izloči postajo, ki je poslala recesivni bit) na vodilu. Na spodnji slikiimamo prikazan primer možne arbitraže. Postaja 1 izgubi prva arbitražo (v 5 bitu izgubiarbitražo proti dominantnima stanjema druge in tretje postaje). Na koncu zmaga drugapostaja, ki dobi arbitražo proti tretji postaji (prišlo je sicer do kolizije, ampak postaja dvaima naslednjo bitno stanje dominantno stanje in je zato zmagovalec arbitraže, terzavzame vodilo).Slika 2.2.3.1.3: Postopek arbitražeČe pobližje pogledamo fizično plast ugotovimo, da arbitražna procedura temeljina nekakšnem »ožičenim IN« (wired AND) princpu. Če pogledamo spodnjo sliko lahkovidimo, da samo v primeru, če so napetosti na vseh treh postajah enake 1 (recesivnostanje) je napetost na vodilu enaka Vcc (recesivno stanje). Če je samo ena napetostkatere od postaj enaka 0 (dominantno stanje) prisilimo napetost na vodilu v dominantnostanje (vrednost 0). Na izhodih oddajnikov so tranzistorji. Dominantno stanje torejpredstavlja prevajanje tranzistorja.Slika 2.2.3.1.4: Ožičen IN principVsi CAN moduli s postopkom CSMA/CA so prisiljeni ves čas »poslušati« vodilo(tipanje napetosti). Posluša se prav tako faza arbitraže podatkovnega okvirja. Velika

verjetnost obstaja, da bo do kolizije prišlo in bo torej neka postaja izgubila arbitražo. Vtem primeru je zelo pomembno, da ta postaja takoj preklopi v stanje sprejemanja. Tako sponovnim poslušanjem spet dobimo takojšnjo informacijo o stanju vodila in s teminformacijo o zasedenem ali prostem vodilu.Slika 2.2.3.1.5: Invertirana logika CAN vodilaVeliko CAN sistemov uporablja oddajno/sprejemno napravo (transceiver) zaimplementacijo fizične plasti CAN protokola.Slika 2.2.3.1.6: Električni princip oddajno/sprejemne napraveTorej naštejmo še enkrat glavne prednosti arbitražnega postopka CSMA/CA:• dostopno krmiljenje z bitno arbitražo• pri koliziji »zmagovalec« arbitraže zavzame vodilo• sporočilo z višjo prioriteto ni zakasnjeno (ovirano)• nižji je identifikator, večja je prioriteta2.2.4 Aplikacijska plastAplikacijska plast ustvari komunikacijsko povezavo z specifičnim aplikacijskimprotokolom višjega nivoja. To pa pomeni, da aplikacijska plast vsebuje programe, ki sozadolženi za izmenjavo podatkov med aplikacijami in komunikacijo (služi kot vmesnikmed lokalnimi uporabniškimi programi in procesi ter po omrežju porazdeljenimiinformacijskimi viri). Aplikacijska plast v ISO 11898 ni definirana (ni standardizirana).Ko se aplikacijska plast pričela širiti iz avtomobilske industrije v druga področja, kot je

npr. avtomatizacija v industriji, je nastala potreba po standardizaciji aplikacijske plasti.Specifikacije aplikacijske plasti so imenovali CAL (CAN Application Layer, CANaplikacijska plast). Specifikacije so zasnovane na osnovi ISO/OSI referenčnega modelaaplikacijske plasti. Obstaja kar nekaj industrijskih standardov aplikacijske plasti:1. CAN Application Layer (CAL)• Originalna zamisel CAL pri družbi Philips Medical Systems (1993), ki ga jekasneje integrirala evropska CAN uporabniška skupina in ga poimenovalaCAN v avtomatiki (CiA, CAN in Automation). CiA je torej organizacija, kirazvija in podpira višje ležeče protokole, ki bazirajo na CAN.• CiA uporabniki razvijajo specifikacije, ki jih kasneje ponudijo kot CiAstandarde.

• CiA CAL specifikacije DS-201 in DS-207.• Protokoli DBT (Dynamic attachment of identifiers)• Protokoli za inicializacijo, konfiguracijo in uporabo omrežij (NMT)• Protokoli za parametrično nastavitev fizične in podatkovne plasti (LMT)• Uporaba v avtomatiki, medicini, potniški industriji,…2. CAN Kingdom• Sistemskim dizajnerjem daje maksimalno prostost pri oblikovanju svojegasistema. Ni vezan na CSMA/AMP multi-master protokol, ampak lahko ustvarivirtualni sistem.• Standard je bil razvit na Švedskem pri Kvaser-ju.3. OSEK/VDX• Uporablja ga evropska avtomobilska industrija.• Vključuje naloge standardiziranega realno-časovnega operacijskega sistema.4. CANopen• Razvit je bil za standardizacijo vgradnih (embedded) omrežij z visoko stopnjonastavljive fleksibilnosti.• Evropska skupnost ustanovi projekt »ESPRIT«.• 1995 : CANopen profile ; specifikacija CiA DS-301

• 1996 : CANopen device profile for I/O ; specifikacija CiA DS-401• 1997 : CANopen drive profile• Uporaba v industrijskih krmiljih in numeričnih krmiljih v Evropi.5. DeviceNet• Začetek razvoja pri Allen-Bradley, kasneje prevzel in sedaj razvija skupinaODVA ( Open DeviceNet Vendor Association).• Se predvsem uporablja v industrijskih aplikacijah in sicer v tovarniškihavtomatizacijah. Je nizko cenovna komunikacijska povezava za priklopindustrijskih naprav (senzorjev, aktuatorjev, nadzornih naprav).• Možnost master-slave komunikacije ali pa komunikacije točke do točke.• Uporaba za industrijska krmilja predvsem v ZDA.6. Smart Distributed Systems (SDS)• Razvilo podjetje Honeywell v ZDA.• Samo štiri komunikacijske funkcije in manjše število strojniških virov.• Uporaba v industrijskih krmiljih (US-food industry), PC bazirana krmilja,…• Tudi v integrirani obliki (Motorola 68HC05 z SDS).7. ostali:• J1939 : US truck and bus industry• LBS : Agricultural bus system , Nemčija (DIN)• M3S : Evropski proizvajalci invalidskih vozičkov2.3 CAN podatkovni okvirPodatkovni CAN okvir je v osnovi sestavljen iz štirih osnovnih segmentov (polj) :1. Arbitražni segment2. Podatkovni segment3. CRC segment4. »Konec okvirja« segmentSlika 2.3.1: CAN podatkovni okvirCAN protokol podpira dva različna podatkovna okvirja. Razlika je le v dolžiniidentifikatorja (identifikacijsko polje). Standardni CAN podpira 11-bitni identifikator inje znan pod imenom CAN 2.0A.

Slika 2.3.2: CAN 2.0 ARazširjeni CAN okvir podpira 29-bitni identifikator in je znan pod imenom CAN2.0B. Na CAN vodilo lahko pošiljamo tako standardni kot tudi razširjeni podatkovniokvir iz različnih modulov, kar omogoča programska nastavitev nadzornih modulov.Slika 2.3.3: CAN 2.0BPomen posameznih bitov v podatkovnem okvirju je sledeč:• SOF ( Start Of Frame) – zastava za začetek sporočila (1 bit). Pri prehodu izneaktivnega stanja (idle) v aktivno stanje sinhroniziramo vse sprejemnikepriključene na skupno vodilo.• Identifikator (Identifier) – označuje ime sporočila in njegovo prioriteto (11 bit-ov,standardni CAN okvir).• SRR (Substitute Remote Request) – zamenjava RTR bit-a v standardnih okvirjih(1 bit, samo pri razširjenem CAN okvirju).• IDE (Identifier Extension) – če je IDE = 1, potem pošiljamo razširjen CAN okvir(1 bit)• Identifikator (Identifier) – označuje ime sporočila in njegovo prioriteto (18 bit-ov,samo pri razširjenim CAN okvirju).• RTR (Remote Transmission Request) – če je RTR = 1, potem zahteva ododdajnika po sporočilu (1 bit).• r1 – rezerviran bit (1 bit).• r0 – rezerviran bit (1 bit).

• DLC (Data Lenght Code) – določamo število zlogov (4 bit-i). Dovoljeno ještevilo od 0-8 ( prepovedana pa so števila 9-15).• Podatki (Data) – podatki sporočila ( 0-8 zlogov, 64 bit-ov).• CRC (Cyclic Redundancy Code) – samo za detekcijo napak (kontrolna vsota) inbrez korekcije (15 bit-ov). Hammingova razdalja je 6 (do 6 enojnih bitnih napak).• ACK (ACKnowledge) – vsaka naprava, ki sprejeme sporočilo brez napak (tudiCRC) mora poslati potrditev sprejema sporočila (2 bit-a).• EOF (End Of Frame) – označuje konec podatkovnega okvirja (7 bit-ov). Izklopivrivanje bitov. Po petih zaporednih recesivnih bitih se vrine bit nasprotne logičnevrednosti.• IFS, Int (Inter frame space) – definira čas, ki je potreben, da pravilno prenesesprejete podatke od opravljalca vodila v pomnilnik (3 bit-i).2.4 Upravljanje CAN napak in izjemVečina napak naj bi bila zaznana in korigirana s pomočjo CAN procesorja(modula). CAN protokol ne uporablja potrditvenega sporočila, kot ostali sistemi vodil,ampak namesto tega uporablja signalizacijo napak takoj ko te nastopijo. Obravnavonapak delimo v tri segmente in sicer detekcija (zaznava) napak, upravljanje napak inomejevanje napak (slika spodaj).Slika 2.4.1: Upravljanje CAN napak in izjemCAN protokol uporablja pet metod (mehanizmov) za detekcijo napak (errordetection). Te metode se potem delijo na dva nivoja detekcije napak. Prvi nivo detekcijenapak so trije mehanizmi, ki temeljijo na nivoju sporočil. Druga dva mehanizma zadetekcije napak pa temeljita na bitnem nivoju. Mehanizmi detekcije napak, ki temeljijona nivoju sporočil so naslednji:• CRC napaka (CRC Error) – (CRC, Ciklično preverjanje podatkov, CyclicRedundancy Check) – ta metoda preverja pravilnost prenosa podatkov s

dodajanjem testnega polinoma oziroma okvirja preveritvene sekvence (FCS,Frame Check Sequence) znotraj podatkovnega okvirja (CRC polje). Na sprejemnistrani se FCS vsota znova preračuna in primerja s sprejeto FCS vsoto. Če se vsotine ujemata je nastopila CRC napaka.• Napaka oblike (Format-Error) – ta mehanizem preverja strukturo sprejetegaokvira tako, da preveri (primerja) sprejeta bitna polja z fiksnim formatom indolžino okvirja.• Potrditvena napaka (Acknowledgment (ACK)-Error) – sprejemniki sporočilapotrdijo sprejeti okvir. Če oddajnik ne sprejme potrditve, pride do potrditvenenapake (sprejemnik ne prejme dominantnega bita za potrditev).Mehanizma detekcije napak, ki temeljita na bitnem nivoju sta naslednja:• Bitna napaka (Bit-Error) – poslani bit se ne ujema z enakim digitalnim nivojem(vrednost bita na vodilu se razlikuje od poslanega). Možnost, da oddajnik zaznanapako bazira na neprestanem poslušanju - monitoringu (tipanju signala) navodilu. Vsaka postaja, ki pošlje sporočilo, preklopi v stanje poslušanja in takozazna razlike v poslanem in sprejetem okvirju.• Napaka pri vrivanju bita (Bit Stuffing-Error) – biti uporabljeni za CAN kodiranjeso ponavadi v obliki NRZ. Sinhronizacijski konci okvirjev so definirani zvrivanjem bitov. To pomeni, da po petih zaporednih enakih bitih oddajnik vrinebit v okvir. Ta vrinjen bit ima komplementarno vrednost, ki jo odstranijosprejemniki.Če katera od postaj zazna eno ali več napak s pomočjo zgoraj naštetihmehanizmov detekcije napak, pride do prekinitve prenosa sporočila. Postaja pošljeposebni okvir »napaka« (error-frame). Okvir napaka je zgrajen iz dveh različnih polj.Prvo polje je namenjeno superpoziciji zastavic napak (superposition of error-flags).Drugo polje pa je namenjeno razmejevanju napak (Error-delimiter). Polje razmejevanjanapak sestavlja osem recesivnih bitov. Po oddaji zastavice napaka vsaka postaja pošljerecesiven bit in posluša vodilo dokler ne zazna recesivnega bita. Nato začne z pošiljanjemše ostalih sedmih recesivnih bitov.Slika 2.4.2: Okvir napakaČe je bil poslan okvir napake, to posledično pomeni, da ostale postaje prenehajosprejemat sporočilo in tako zagotovimo nemoteno delovanje pretoka podatkov po vodilu.Po uspešni prekinitvi sprejema in obdelave okvarjenega podatkovnega okvirja oddajnapostaja spet nato avtomatsko ponovi s pošiljanjem sporočila. Po uspešnem prenosu jevodilo spet prosto za novo arbitražo.

Ko se v vozlišču pojavi napaka in jo zazna ena od postaj, ostale postaje oziromasprejemniki torej sprejmejo okvir napaka od postaje, ki je napako zaznala. Zgodi sekršitev pravila vrivanja bitov, kajti pošlje se 6 zaporednih dominantnih bitov. Okvirnapaka torej s kršenjem pravila prisili ostale postaje, da prepoznajo okvir napake navodilu. Postopek upravljanja napake je naslednji:• napaka je zaznana• pošlje se okvir napaka od vseh postaj, ki so zaznale napako• zadnjo sprejeto sporočilo bo izbrisano pri veh postajah• notranji hardverski števec napak bo povečal svojo vrednost• originalno sporočilo bo ponovno poslano na vodiloPoznamo tri stanja napak:• Aktivna napaka (active error) – sestavlja jo šest zaporednih dominantnih bitov.Postaja, ki zazna napako, signalizira napako ostalim postajam z oddajo aktivnezastavice napaka. Kot posledica vse ostale postaje, ki so zaznale stanje napake,začno oddajat zastavico napaka. Sekvenca dominantnih bitov je rezultatsuperpozicije različnih zastavic napak, ki jih pošiljajo posamezne postaje. Dolžinasekvence variira med minimalno šestimi in maksimalno dvanajstimi biti.• Pasivna napaka (passive error) – sestavlja jo šest recesivnih bitov. Postaja, ki jezaznala napako, signalizira napako ostalim postajam z oddajo pasivne zastavicenapaka. Postaja sedaj čaka na šest enakih zaporednih bitov.• Vodilo izklopljeno (Bus Off) – vozlišče je ločeno od CAN. Postaji ni dovoljenvpliv na vodilo (ne sme niti sprejemat, niti oddajat in ne more pošiljati okvirjanapake). To stanje postaje je mogoče zapustiti le z ob ponovnem zagonu (reset).Za nadzor in upravljanje nad napakami imamo hardversko implementirana dvaštevca CAN napak. Prehodi med različnimi stanji števca se bodo izvajali avtomatično vCAN krmilniku. Če se bo na vodilu pojavila napaka bo poslala okvir napake in uničilapromet po vodilu. Stanja napak torej upravljata dva števca (določena pravila kakoinkrementirati ali dekrementirati števce napak):• Števec napak sprejema (Recive Error Counter, REC)• Števec napak oddajanja (Transmit Error Counter, TEC)

Možno je več različnih situacij:Slika 2.4.3: Diagram stanj števca• Oddajna postaja zazna napako: TEC := TEC + 8• Sprejema postaja »vidi« napako: REC := REC + 1• Sprejemna postaja vidi napako, potem ko je že poslala okvir napake : REC :=REC + 1• Postaja, ki je v stanju aktivne napake, zazna napako pri vrivanju bita ko pošiljaokvir napake: TEC := TEC + 1• Uspešen prenos: TEC := TEC – 1• Uspešen sprejem: REC := REC – 1Pri teh algoritmih lahko vidimo, da ko bo oddajna postaja zaznala napako se njenštevec napak inkrementira bistveno hitreje, kot sprejemne naprave. Razlog pa je v velikiverjetnosti, da prav oddajna postaja ne deluje pravilno. Postaja, ki zazna napako najprejstopi v stanje aktivne napake. Ko eden od števcev napak prekorači vrednost 127 (16poizkusov) naprava prestopi v stanje pasivne napake. Razlika med aktivnim in pasivnimstanjem postaje je v stanju bitov. Če aktivni okvir napake uničuje promet na vodilu (16krat), z spremembo stanja v pasivno postajo začne pošiljat pasivne okvirje napak, kiprometa po vodilu ne uničuje več (druge postaje niso več seznanjene z problemom tepostaje). Ko pa se števec inkrementira še preko vrednosti 255 pa se postaja izključi izvodila.