Просмотр исходного текста страницы Controller Area Network

{{Значения|Can}}
'''CAN''' ({{lang-en|Controller Area Network}} — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

CAN разработан компанией [[Robert Bosch GmbH]] в середине [[1980-е|1980-х]] и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «[[умный дом|умного дома]]», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

== Описание стандарта ==

Непосредственно [[стандарт]] CAN компании Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня — он может быть каким угодно, например, радиоканалом или [[оптоволокно]]м. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «[[Шина (топология компьютерной сети)|шина]]» с [[сетевая модель OSI#Физический уровень (Physical layer)|физическим уровнем]] в виде [[LVDS|дифференциальной пары]], определённым в стандарте [[ISO 11898]]. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине выпускаются специализированные микросхемы — [[драйвер (электроника)|драйверы]] CAN-шины.

=== Общие сведения ===

CAN является синхронной шиной с типом доступа Collision Resolving ('''CR''', разрешение коллизии), который, в отличие от Collision Detect ('''CD''', обнаружение коллизии) сетей ([[Ethernet]]), детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения, что особо ценно для промышленных сетей управления (fieldbus).
Передача ведётся [[кадр данных|кадрами]]. Полезная [[информация]] в кадре состоит из [[идентификатор]]а длиной 11 бит (стандартный формат) или 29 бит (расширенный формат, надмножество предыдущего) и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификатор говорит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами.

=== Рецессивные и доминантные биты ===

Для [[абстракция|абстрагирования]] от среды передачи спецификация CAN избегает описывать двоичные значения как «0» и «1». Вместо этого применяются термины «рецессивный» и «доминантный», при этом подразумевается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим доминантного, принят будет доминантный бит. Например, при реализации физического уровня на радиоканале отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а наличие — доминантный; тогда как в типичной реализации проводной сети рецессив бывает при наличии сигнала, а доминант, соответственно, при отсутствии. Стандарт сети требует от «физического уровня», фактически, единственного условия: чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать «свет», а рецессивному — «темнота». В электрическом проводе может быть так: рецессивное состояние — высокое напряжение на линии (от источника с большим [[внутреннее сопротивление|внутренним сопротивлением]]), доминантное — низкое напряжение (доминантный узел сети «подтягивает» линию на землю). Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести её в доминантное может любой узел сети (включив свет в оптоволокне или закоротив высокое напряжение). Наоборот — нельзя (включить темноту нельзя).

=== Виды кадров ===

* '''Кадр данных''' (data frame) — передаёт данные;
* '''Кадр удаленного запроса''' (remote frame) — служит для запроса на передачу кадра данных с тем же идентификатором;
* '''Кадр перегрузки''' (overload frame) — обеспечивает промежуток между кадрами данных или запроса;
* '''Кадр ошибки''' (error frame) — передаётся узлом, обнаружившим в сети ошибку.

Кадры данных и запроса отделяются от предыдущих кадров ''межкадровым промежутком''.

=== Формат кадра ===

==== Базовый формат кадра данных ====

{| class="standard"
|-
! Поле !! Длина (в битах) !! Описание
|-
| Начало кадра || 1 || Сигнализирует начало передачи кадра
|-
| Идентификатор || 11 || Уникальный идентификатор
|-
| Запрос на передачу (RTR) || 1 || Должен быть доминантным
|-
| Бит расширения идентификатора (IDE) || 1 || Должен быть доминантным (определяет длину идентификатора)
|-
| Зарезервированный бит (r0) || 1 || Резерв
|-
| Длина данных (DLC) || 4 || Длина поля данных в байтах (0-8)
|-
| Поле данных || 0-8 байт ||Передаваемые данные (длина в поле DLC)
|-
| Контрольная сумма (CRC)|| 15 || [[CRC|Контрольная сумма]] всего кадра
|-
| Разграничитель контрольной суммы || 1 || Должен быть рецессивным
|-
| Промежуток подтверждения (ACK)|| 1 || Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
|-
| Разграничитель подтверждения || 1 || Должен быть рецессивным
|-
| Конец кадра (EOF) || 7 || Должен быть рецессивным
|}

Первые 7 бит идентификатора не должны быть все рецессивными.

==== Расширенный формат кадра данных ====

{| class="standard"
|-
! Поле !! Длина (в битах) !! Описание
|-
| Начало кадра || 1 || Сигнализирует начало передачи кадра
|-
| Идентификатор A || 11 || Первая часть идентификатора
|-
| Подмена запроса на передачу (SRR) || 1 || Должен быть рецессивным
|-
| Бит расширения идентификатора (IDE) || 1 || Должен быть рецессивным (определяет длину идентификатора)
|-
| Идентификатор B || 18 || Вторая часть идентификатора
|-
| Запрос на передачу (RTR) || 1 || Должен быть доминантным
|-
| Зарезервированные биты (r1 и r0) || 2 || Резерв
|-
| Длина данных (DLC) || 4 || Длина поля данных в байтах (0-8)
|-
| Поле данных || 0-8 байт || Передаваемые данные (длина в поле DLC)
|-
| Контрольная сумма (CRC) || 15 || [[CRC|Контрольная сумма]] всего кадра
|-
| Разграничитель контрольной суммы|| 1 || Должен быть рецессивным
|-
| Промежуток подтверждения (ACK)|| 1 || Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
|-
| Разграничитель подтверждения || 1 || Должен быть рецессивным
|-
| Конец кадра (EOF) || 7 || Должен быть рецессивным
|}

Идентификатор получается объединением частей A и B.

==== Формат кадра удаленного запроса ====

Совпадает с кадрами данных стандартного или расширенного формата, за двумя исключениями:
* В поле RTR рецессив вместо доминанты.
* Отсутствует поле данных.

=== Арбитраж доступа ===

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит ''арбитраж доступа'': передавая идентификатор, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный — считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом, и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от [[Ethernet]] в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения — возможность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

=== Контроль ошибок ===

CAN имеет несколько механизмов контроля и предотвращения ошибок:
* Контроль передачи: при передаче битовые уровни в сети сравниваются с передаваемыми битами.
* Дополняющие биты (bit stuffing): после передачи пяти одинаковых битов подряд автоматически передаётся бит противоположного значения. Таким образом кодируются все поля кадров данных или запроса, кроме разграничителя контрольной суммы, промежутка подтверждения и EOF.
* Контрольная сумма: передатчик вычисляет её и добавляет в передаваемый кадр, приёмник считает контрольную сумму принимаемого кадра в реальном времени (одновременно с передатчиком), сравнивает с суммой в самом кадре и в случае совпадения передаёт доминантный бит в промежутке подтверждения.
* Контроль значений полей при приёме.

Разработчики оценивают вероятность невыявления ошибки передачи как 4,7×10<sup>−11</sup>.

=== Скорость передачи и длина сети ===

==== Диапазон скоростей ====

Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяют плавно менять скорость в диапазоне, по крайней мере, от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду. Существуют решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона.

==== Предельная длина сети ====

Приведённые выше методы контроля ошибок требуют, чтобы изменение бита при передаче успело распространиться по всей сети к моменту замера значения. Это ставит максимальную длину сети в обратную зависимость от скорости передачи: чем больше скорость, тем меньше длина. Например, для сети стандарта [[ISO 11898]] предельные длины составляют приблизительно:

{| class="standard"
||1 Мбит/с || 40 м
|-
||500 кбит/с || 100 м
|-
||125 кбит/с || 500 м
|-
||10 кбит/с || 5000 м
|}
Использование [[оптопара|оптопар]] для защиты устройств от высоковольтных помех в сети ещё больше сокращает предельную длину, тем больше чем больше задержка сигнала в оптопаре. <!-- например? --> Сильно разветвлённые сети (паутина) также снижают скорость из-за множества отражений сигнала и большей [[Электрическая ёмкость|электрической ёмкости]] шины.

== Протоколы высокого уровня ==

Базовой спецификации CAN недостаёт многих возможностей, требуемых в реальных системах: передачи данных длиннее 8 байт, автоматического распределения идентификаторов между узлами, единообразного управления устройствами различных типов и производителей. Поэтому вскоре после появления CAN на рынке начали разрабатываться протоколы высокого уровня для него. В число распространённых на данный момент протоколов входят:

* [[Canopen|CANopen]]
* [[DeviceNet]]
* [[CAN Kingdom]]
* [[J1939]]
* [[SDS (вычислительная техника)|SDS]]
* [[NMEA_2000|NMEA-2000 (морской транспорт)]]
* [[:de:ARINC_825|ARINC-825 (авиация)]] {{ref-de}}
* [[UAVCAN]] (робототехника и летательные аппараты)

== Применение CAN в автомобилестроении ==

Во всех высокотехнологичных системах современного автомобиля применяется CAN-протокол для связи [[электронный блок управления|ЭБУ]] с дополнительными устройствами и контроллерами исполнительных механизмов и различных систем безопасности. В некоторых автомобилях CAN связывает [[иммобилайзер|IMMO]], приборные панели, [[подушка безопасности|SRS]] блоки и т. д.

Также протокол CAN ISO 15765-4 вошел в состав стандарта [[on-board diagnostics|OBDII]].

== Преимущества и недостатки  ==

=== Преимущества ===

* Возможность работы в режиме жёсткого [[система реального времени|реального времени]].
* Простота реализации и минимальные затраты на использование.
* Высокая устойчивость к помехам.
* Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.
* Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
* Широкий диапазон скоростей работы.
* Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

=== Недостатки ===
* Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
* Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).
* Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот). Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.

== См. также ==
* [[FMS]]

== Ссылки ==
* [http://www.canopen.org CANopen Special Interest Group]
* [http://www.can-cia.org Международная организация CAN In Automation]
* [http://www.kvaser.com/about-can/higher-layer-protocols/cankingdom/ Официальный сайт ассоциации CAN Kingdom]
* [http://www.odva.org/ ODVA — сайт ассоциации-разработчика DeviceNet]
* [http://can.marathon.ru/node/38 Литература по CAN от производителя CAN-совместимых устройств]
* [http://www.canny.ru Автомобильные CAN-адаптеры]
* [http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/01_02/stat-56.htm Автомобильный стандарт LIN]
* [http://www.kvaser.com/about-can/the-can-protocol/ Протокол CAN Тур]

{{Промышленные сети}}
{{Микроконтроллеры}}

[[Категория:Промышленная автоматика]]
[[Категория:Промышленные сети]]