Istuit autoosi, painoit käynnistyspainiketta, ja moottori heräsi hetkessä eloon, mutta kuinka autosi päätti, pitäisikö sen käynnistyä vai ei?
No, jotta auto käynnistyi, useat antennit ja elektroniset ohjausyksiköt kommunikoivat avaimenperän kanssa. Controller Area Network (CAN) -protokolla varmistaa, että avaimenperän, antennien ja ECU: iden välinen tiedonsiirto tapahtuu asianmukaisesti autosi sisällä.
Mikä sitten on CAN-protokolla, ja miten se auttaa ajoneuvosi järjestelmien laitteita toimimaan yhdessä? No, otetaanpa selvää.
Mikä on CAN-protokolla ja miksi sitä tarvitaan?
Aikoinaan autoissa ei ollut paljon elektroniikkaa. Itse asiassa, jos halusit käynnistää ajoneuvosi 1900-luvun alussa, sinun täytyi nousta ulos ajoneuvosta ja käynnistää moottori käsin.
Nykyautoissa sen sijaan on useita elektronisia antureita, ja elektroniset laitteet valvovat kaikkea matkustamon lämpötilasta kampiakselin kierroksiin.
Näistä antureista saaduilla tiedoilla ei kuitenkaan ole arvoa ennen kuin ne on käsitelty. Tämän tietojenkäsittelyn suorittavat tietokonelaitteet, jotka tunnetaan nimellä Electronic Control Units (ECU).
Toisin kuin tietokoneessa, jossa on yksi prosessori, autossa on useita ECU: ita, joista jokainen vastaa tietyn tehtävän suorittamisesta. Vaikka nämä ECU: t voivat suorittaa yhden tehtävän tehokkaasti, niiden on toimittava yhdessä varmistaakseen ominaisuudet, kuten ABS ja POISTU työskentele asiallisesti.
Tästä johtuen kaikki auton ECU: t on kytkettävä. Näiden kytkentöjen tekemiseen voitaisiin käyttää point-to-point-topologiaa, jossa jokainen ECU on kytketty suoraan jokaiseen toiseen ECU: hun. Tämä arkkitehtuuri tekisi järjestelmästä kuitenkin monimutkaisen. Itse asiassa nykyaikaisessa ajoneuvossa on yli 70 ecua, ja niiden yhdistäminen yksitellen lisäisi johdotuksen painoa eksponentiaalisesti.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi Bosch loi yhdessä Mercedes-Benzin ja Intelin kanssa Controller Area Network -protokollan vuonna 1986. Tämä protokolla mahdollisti ECU: iden kommunikoinnin toistensa kanssa käyttämällä jaettua tietoväylää, joka tunnetaan nimellä CAN-väylä.
Miten CAN toimii?
CAN-protokolla on viestipohjainen viestintämenetelmä, joka perustuu tiedonsiirtoon kierrettyjen parikaapelien joukkoon. Nämä johdot tunnetaan nimellä CAN high ja CAN low.
Tiedonsiirron mahdollistamiseksi näillä johtimilla niiden jännitetasoja muutetaan. Nämä jännitetasojen muutokset muunnetaan sitten loogisiksi tasoiksi, joiden avulla auton ECU: t voivat kommunikoida keskenään.
CAN-väylällä logiikan lähettämiseksi molempien linjojen jännite on asetettu 2,5 volttiin. Tämä tila tunnetaan myös resessiivisenä tilana, mikä tarkoittaa, että CAN-väylä on kaikkien ECU: n käytettävissä.
Päinvastoin, logiikka 0 lähetetään CAN-väylällä, kun CAN-ylälinja on jännitteellä 3,5 volttia ja CAN-matala linja on 1,5 volttia. Tätä väylän tilaa kutsutaan myös hallitsevaksi tilaksi, joka kertoo jokaiselle järjestelmän ECU: lle, että toinen ECU on lähettämässä, joten heidän tulee odottaa, kunnes lähetys on ohi, ennen kuin he alkavat lähettää viestiään.
Näiden jännitteen muutosten mahdollistamiseksi auton ECU: t on kytketty CAN-väylään CAN-lähetin-vastaanottimen ja CAN-ohjaimen kautta. Lähetin-vastaanotin on vastuussa CAN-väylän jännitetasojen muuntamisesta tasoille, joita ECU voi ymmärtää. Rekisterinpitäjä puolestaan hallitsee vastaanotettuja tietoja ja varmistaa, että protokollan vaatimukset täyttyvät.
Kaikki nämä CAN-väylään liitetyt ECU: t voivat lähettää dataa kierretyllä kaapelilla, mutta siinä on salaisuus, vain korkeimman prioriteetin viesti voidaan lähettää CAN-väylällä. Ymmärtääksemme kuinka ECU lähettää tietoja CAN-väylällä, meidän on ymmärrettävä CAN-protokollan sanomarakenne.
CAN-protokollan viestirakenteen ymmärtäminen
Aina kun kaksi ECU: ta haluaa kommunikoida, alla olevan rakenteen mukaiset viestit lähetetään CAN-väylällä.
Nämä viestit siirretään muuttamalla CAN-väylän jännitetasoja, ja CAN-johtojen kierretty parirakenne estää tiedon korruptoitumisen lähetyksen aikana.
- SOF: Lyhenne sanoista Start Of Frame, SOF-bitti on yksi hallitseva bittidatakehys. Solmu lähettää tämän bitin, kun se haluaa lähettää dataa CAN-väylällä.
- Tunniste: CAN-protokollan tunniste voi olla joko 11- tai 29-bittinen. Tunnisteen koko perustuu käytettävän CAN-protokollan versioon. Jos käytetään CAN: n laajennettua versiota, niin tunnisteen koko on 29 bittiä ja muissa tapauksissa tunnuksen koko on 11 bittiä. Tunnisteen päätavoite on tunnistaa viestin prioriteetti.
- RTR: Solmu käyttää etälähetyspyyntöä tai RTR: ää, kun tietoja on pyydettävä toiselta solmulta. Tätä varten solmu, joka haluaa dataa, lähettää tarkoitetulle solmulle viestin, jossa on resessiivinen bitti RTR-kehyksessä.
- DLC: Datan pituuskoodi määrittää datakentässä siirrettävän tiedon koon.
- Tietokenttä: Tämä kenttä sisältää datan hyötykuorman. Tämän hyötykuorman koko on 8 tavua, mutta uudemmat protokollat, kuten CAN FD, kasvattavat tämän hyötykuorman koon 64 tavuun.
- CRC: Lyhenne sanoista Cyclic Redundancy Check, CRC-kenttä on virheentarkistuskehys. Sama on kooltaan 15 bittiä ja sen laskevat sekä vastaanotin että lähetin. Lähettävä solmu luo datalle CRC: n, kun se lähetetään. Vastaanotettuaan datan vastaanotin laskee vastaanotetun datan CRC: n. Jos molemmat CRC: t täsmäävät, tietojen eheys vahvistetaan. Jos ei, tiedoissa on virheitä.
- Kuittauskenttä: Kun data on vastaanotettu ja siinä ei ole virheitä, vastaanottava solmu syöttää hallitsevan bitin kuittauskehykseen ja lähettää sen takaisin lähettimelle. Tämä kertoo lähettimelle, että tiedot on vastaanotettu ja että niissä ei ole virheitä.
- Kehyksen loppu: Kun tiedonsiirto on valmis, lähetetään seitsemän peräkkäistä resessiivistä bittiä. Tämä varmistaa, että kaikki solmut tietävät, että solmu on suorittanut tiedonsiirron, ja ne voivat lähettää dataa väylällä.
Yllä olevien bittien lisäksi CAN-protokollassa on muutama bitti varattuna tulevaa käyttöä varten.
CAN: n yksinkertaistaminen esimerkin avulla
Nyt kun meillä on perusymmärrys siitä, miltä CAN-väylällä oleva viesti näyttää, voimme ymmärtää, kuinka dataa siirretään eri ECU: iden välillä.
Yksinkertaisuuden vuoksi sanotaan, että autossamme on 3 ECUa: Node 1, Node 2 ja Node 3. Kolmesta ECU: sta solmu 1 ja solmu 2 haluavat kommunikoida solmun 3 kanssa.
Katsotaanpa, kuinka CAN-protokolla auttaa varmistamaan viestinnän tällaisessa tilanteessa.
- Bussin tilan tunnistaminen: Kaikki auton ECU: t on kytketty CAN-väylään. Esimerkkimme tapauksessa solmu 1 ja solmu 2 haluavat lähettää dataa toiseen ECU: hun; ennen kuin teet sen, molempien ECU: iden on tarkistettava CAN-väylän tila. Jos väylä on hallitsevassa tilassa, ECU: t eivät voi lähettää tietoja väylän ollessa käytössä. Toisaalta, jos väylä on resessiivisessä tilassa, ECU: t voivat lähettää dataa.
- Kehyksen alun lähettäminen: Jos erojännite CAN-väylällä on nolla, sekä solmu 1 että solmu 2 muuttavat väylän tilan hallitsevaksi. Tätä varten CAN high -jännite nostetaan 3,5 volttiin ja CAN low -jännite lasketaan 1,5 volttiin.
- Päättäminen, mikä solmu voi käyttää väylää: Kun SOF on lähetetty, molemmat solmut kilpailevat pääsystä CAN-väylään. CAN-väylä käyttää Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) -protokollaa päättääkseen, mikä solmu saa pääsyn. Tämä protokolla vertaa molempien solmujen lähettämiä tunnisteita ja antaa pääsyn korkeamman prioriteetin omaavaan.
- Lähetetään tietoja: Kun solmu pääsee väylään, datakenttä yhdessä CRC: n kanssa lähetetään vastaanottimelle.
- Viestinnän tarkistaminen ja lopettaminen: Vastaanottaessaan datan solmu 3 tarkistaa vastaanotetun datan CRC: n. Jos virheitä ei ole, solmu 3 lähettää CAN-sanoman lähettävälle solmulle dominoivalla bitillä kuittauskehyksessä yhdessä EOF: n kanssa tiedonsiirron lopettamiseksi.
Erilaiset CAN-tyypit
Vaikka CAN-protokollan käyttämä sanomarakenne pysyy samana, tiedonsiirron nopeutta ja databittien kokoa muutetaan suuremman kaistanleveyden siirtämiseksi.
Näistä eroista johtuen CAN-protokollalla on erilaisia versioita, joista on yleiskatsaus alla:
- Nopea CAN: CAN-johtojen tiedot välitetään sarjassa, ja tämä siirto voidaan tehdä eri nopeuksilla. Nopeilla CAN-verkoilla tämä nopeus on 1 Mbps. Tästä suuresta tiedonsiirtonopeudesta johtuen nopeaa tölkkiä käytetään ECU: issa, jotka ohjaavat voimansiirtoa ja turvajärjestelmiä.
- Hidas CAN: Hitaiden CAN-verkkojen tapauksessa tiedonsiirtonopeus pienenee 125 kbps: iin. Koska alhainen nopeus voi tarjota alhaisempia tiedonsiirtonopeuksia, sitä käytetään matkustajan mukavuutta ylläpitävien ECU: iden, kuten ilmastointi- tai infotainment-järjestelmän, liittämiseen.
- Voiko FD: Lyhenne sanoista CAN joustava datanopeus, CAN FD on CAN-protokollan uusin versio. Se kasvattaa datakehyksen koon 64 tavuun ja sallii ECU: n lähettää dataa nopeudella 1 Mbps - 8 Mbps. ECU: t voivat hallita tätä tiedonsiirtonopeutta reaaliajassa järjestelmävaatimusten perusteella, mikä mahdollistaa tiedonsiirron suuremmilla nopeuksilla.
Mikä on autoviestinnän tulevaisuus?
CAN-protokollan avulla useat ECU: t voivat olla yhteydessä toisiinsa. Tämä tiedonsiirto mahdollistaa turvaominaisuudet, kuten elektronisen ajonvakautusjärjestelmän ja edistykselliset kuljettajaa avustavat järjestelmät, kuten kuolleen kulman tunnistuksen ja mukautuvan vakionopeudensäätimen.
Edistyneiden ominaisuuksien, kuten autonomisen ajamisen, myötä CAN-väylän lähettämän tiedon määrä kasvaa kuitenkin eksponentiaalisesti. Näiden ominaisuuksien mahdollistamiseksi markkinoille on tulossa uudempia CAN-protokollan versioita, kuten CAN FD.
