emner:
- introduktion
- Flere netværk i én bil
- KAN netværke med noderne
- Forskellige typer CAN-hastigheder
- CAN bus signaler
- Hastigheder og spændingsniveauer
- Struktur af CAN-bus-meddelelsen af en (standard) 11 bit identifikator
- Struktur af CAN-bus-meddelelsen af en (udvidet) 28 bit identifikator
- Fejlgenkendelse ved hjælp af Bitstuffing og CRC & ACK afgrænsere
- Parsnoede ledninger
- Afslutningsmodstande
- Gateway
- Måling på CAN-bussen
Forord:
Moderne køretøjer er spækket med elektronik. Styreenhederne indsamler og behandler data fra sensorer og styreaktuatorer. Forskellige ECU'er bruger ofte de samme data: dGaspedalens positionssensor registrerer gaspedalens position. Dette signal sendes direkte til motorens ECU via ledningerne. Motorens ECU er ikke den eneste ECU, der bruger dette signal:
- Motorens ECU bruger signalet fra gaspedalens positionssensor til at styre gasspjældet, når der accelereres for accelerationsberigelse ved at aktivere injektorerne i længere tid, justere tændingstidspunktet og evt. styre wastegate- eller VGT-justeringen af turboen;
- Automatgearets ECU bruger gaspedalens position til at bestemme skiftetiderne for koblingerne i automatgearet. Hvis der trykkes lidt på speederen, vil automatgearet geare op med en lavere hastighed, end når speederen trædes halvt ned. Ved pludselig at træde hurtigt på speederen, vil "nedsparket" ske ved at skifte til et lavere gear og lade motoren køre mere;
- Graden af acceleration i et sving kan være en årsag til, at ESP-ECU'en får ESP'en til at gribe ind ved at reducere motorkraften og evt. at aktivere bremsen på et roterende hjul.
Under ESP-intervention falder motoreffekten ved (delvist) at lukke gasspjældet og indsprøjte mindre brændstof. En indikatorlampe vil også lyse eller blinke i instrumentpanelet for at advare føreren om, at ESP'en kører.
Ovenstående viser tydeligt samarbejdet mellem forskellige ECU'er. CAN bus sikrer, at ECU'er kommunikerer med hinanden og kan derfor udveksle data med hinanden. CAN er en forkortelse af: Controller Area Network.
I 80'erne modtog biler mere og mere tilbehør, og producenterne begyndte at installere kontrolenheder. Hver funktion havde en separat ledning. Dette resulterede i en kraftig stigning i ledningstykkelse og antallet af stikforbindelser.
Tykke ledningsnet har den ulempe, at det er vanskeligt at skjule dem bag indvendig beklædning, og risikoen for funktionsfejl stiger betydeligt.
Med CAN-bus kommunikerer ECU'er kun med to ledninger: CAN-høj og CAN-lav. Al kommunikation mellem ECU'erne leveres via disse to ledninger. jegDe næste to billeder viser tydeligt, at antallet af ledninger på én dør allerede er væsentligt reduceret ved brug af CAN-bus.
Dusinvis af styreenheder kan tilsluttes til de to CAN-bus-ledninger på CAN-bussen. Alle tilsluttede styreenheder kan udveksle data med hinanden.
Billedet nedenfor viser et køretøj med elleve kontrolenheder (angivet med de røde blokke). Disse kontrolenheder er alle forbundet med hinanden med to ledninger; en orange og en grøn ledning. Disse ledninger repræsenterer CAN-høj og CAN-lav. Hver styreenhed har sin egen funktion og kan kommunikere med enhver anden styreenhed i netværket via CAN-bus. Mere indholdsmæssig information om styreenhederne kan findes på siden styreenheder.
1. Styreenhed til installation af anhængertræk
2. Dørkontrolenhed RA
3. Dørkontrolenhed RV
4. Gateway
5. Komfortkontrolenhed
6. Alarmsystem kontrolenhed
7. Instrumentpanel
8. Styreenhed for ratstammeelektronik
9. Dørkontrolenhed LV
10. Dørkontrolenhed LA
11. Kontrolenhed til parkeringsafstandskontrol
Med ankomsten af CAN bus er det også muligt EOBD mere omfattende. EOBD står for European On Board Diagnosis. EOBD har med emissioner at gøre. Forskellige sensorer i motoren og udstødningen sender information til ECU'en. Hvis der er forkerte værdier (på grund af f.eks. dårlig forbrænding), vil en MIL (Engine Indication Light) lyse. Det er et tegn på, at bilen skal læses op. Der skal derefter tilsluttes en diagnostisk tester til OBD-stikket for at udlæse fejlene. Baseret på fejlen har ECU'en gemt en hexadecimal fejlkode, som vises af den diagnostiske tester som en P-kode eller en fejl med tekst (sidstnævnte er mere mærkespecifik). Klik her for mere information om OBD1, OBD II og EOBD.
Flere netværk i en bil:
Der kan være flere netværk i en bil. Billedet nedenfor viser en oversigt med forklaring af styreenheder i flere netværk af en BMW 3-serie E90.
K-CAN, PT-CAN og F-CAN netværkene i ovenstående billede falder ind under CAN bus. Forskellene er hastighederne, spændingsniveauerne og applikationerne. Selvom PowerTrain-CAN og F-CAN har samme højhastighedshastighed og spændingsniveauer, er forskellen, at PT-CAN bruges til motor- og transmissionsstyring, og F-CAN indeholder chassiskontrolenhederne.
KAN netværke med styreenhederne
CAN-bus-netværket består af styreenheder, der er udstyret med hardware og software til at modtage, behandle og sende beskeder. En CAN-høj ledning og en CAN-lav ledning bruges til dataoverførsel. På billedet nedenfor er CAN-High farvet rød og CAN-Low er farvet blå.
Styreenhederne (også kaldet kontrolenheder eller knudepunkter) er forbundet til disse ledninger. Alle styreenheder kan både sende og modtage information. Et eksempel på et netværk er CAN-bussystemet i bilens indre; Her kan forskellige styreenheder tilsluttes ét bussystem.
Som eksempel tager vi et bakkamera (node 5), der er eftermonteret. Dette kamera er monteret i nærheden af nummerpladeholderen eller håndtaget. CAN-ledningerne er tilsluttet hvor som helst i interiøret. Betingelsen er, at kameraknudepunktet indeholder den korrekte identifikator (forprogrammeret af producenten), fordi de andre styreenheder skal genkende den. Hvis kameraet er registreret på den understøttede radio, er billedet umiddelbart synligt.
Efter programmering af softwaren modtager radioen et signal fra gearkassen om, at der er valgt bakgear. I det øjeblik skifter radioen til billedet af bakkameraet. I det øjeblik første gear (frem) vælges, slukker billedet igen. Alt dette takket være CAN-bussystemets dataoverførsel.
Ikke-understøttet udstyr (f.eks. med en forkert identifikator) kan forårsage problemer. Hvis den sender meddelelser, der ikke genkendes af andre kontrolenheder, vil der blive genereret en fejlmeddelelse. Denne type udstyr kan også sikre, at CAN-bussen forbliver aktiv, efter at tændingen er slået fra. Bilen vil så ikke gå i "sleep mode", hvilket ville få batteriet til at aflade hurtigt. Så er der en hemmelig forbruger.
CAN bus signaler:
CAN-bussystemet bruger broadcast-princippet; en sender sætter en besked på CAN-bussen. Hver knude på den samme bus modtager beskeden. Afsenderen angiver dog i beskeden, hvilke noder beskeden er beregnet til. Alle noder modtager beskeden og giver feedback (mere om det senere). De noder, som meddelelsen ikke er beregnet til, genkender dette og ignorerer det.
Et CAN-bussignal består af en CAN-høj- og CAN-lavspænding. Billedet nedenfor viser CAN-høj rød og CAN-lav blå. De høje og lave signaler er identiske, men spejlet fra hinanden. Når bussen bliver dominerende, stiger spændingen på CAN-høj fra 2,5 til 3,5 volt og CAN-lav falder fra 2,5 til 1,5 volt. I recessiv tilstand (i hvile) er begge spændinger 2,5 volt.
Billedet ovenfor viser et eksempel på en måling med et oscilloskop. Det kan tydeligt ses, at begge spændinger er identiske med hinanden, kun i spejlbillede. I sidste ende er spændingsforskellen i den aktive (dominerende) region 2 volt. Dette refererer til forskellen mellem 1,5 og 3,5 volt. Forskellen på 2 volt betragtes som 0 (dominerende), og forskellen på 0 volt betragtes som 1 (recessiv).
Hvis en (sende) node ønsker at sende den binære kode "0 0 1 0 1 1 0 1", vil den anvende de nævnte spændinger til CAN-Høj og CAN-Lav (se eksemplet ovenfor). Den modtagende node vil igen se disse spændinger som en binær kode og derefter konvertere dem til en hexadecimal kode. Den nævnte binære kode vil blive konverteret fra hexadecimal til 2D.
For at konvertere binær til hexadecimal er det nemt at tegne en tabel med 8 kasser med en tyk streg i midten. Navngiv boksene til højre 1, 2, 4 og 8 (se de røde tal på billedet). Så gør dette også i venstre side. Skriv tallene ned med et 1 i den binære kode over dem. Til venstre er det kun 2, til højre er det 8, 4 og 1. Læg alt til højre sammen (13) og gør det samme til venstre (2). Hexadecimale ændringer fra 10 til A, 11 = B, 12 = C, 13 = D. Det gør i sidste ende 2D.
Mere information om konvertering fra binær til (hexa)decimal og omvendt kan findes på siden Binær, decimal og hexadecimal. Her er tydelige eksempler beskrevet i detaljer.
Hastigheder og spændingsniveauer:
I køretøjer kan vi støde på CAN-bus-netværk med forskellige hastigheder:
- Høj hastighed: ECU'er relateret til drevet, inklusive motorelektronik, transmission, ABS/ESP, EBS (kommercielle køretøjer);
- Mellem eller lav hastighed: indvendig elektronik såsom instrumentpanel, radio, klimaanlæg, parkeringsbremse, anhængertræk.
De to billeder nedenfor viser CAN-høj- og CAN-lav-signalerne for højhastigheds-CAN-bussen. I hvile er spændingen af begge signaler 2,5 volt. For at sende en besked øges CAN-højden fra 2,5 til 3,5 volt, og CAN-laven falder fra 2,5 til 1,5 volt.
Herunder kan du igen se signalet fra CAN højhastigheden, som nu er zoomet ind (50 mikrosekunder pr. division), hvor scopet for ovenstående signal var sat til 200 mikrosekunder pr. division.
I komfortelektronik er den høje kommunikationshastighed mindre vigtig. Karakteristisk for mellem- eller lavhastigheds CAN-bussen er spændingsniveauerne i hvile og ved generering af en meddelelse som følger:
- CAN-høj er 5 volt i hvile og falder til 1 volt;
- CAN-low er 0 volt i hvile og stiger til 4 volt.
Under målingen, hvor nullinjerne i kanal A og B er sat i samme højde, kan det ses, at spændingerne er blevet "glidet ind i hinanden". Dette gør det vanskeligt at læse renheden af CAN høje og lave signaler.
For at vurdere meddelelsernes renhed anbefales det at flytte nullinjerne. På billedet nedenfor er kanal A's nullinje blevet flyttet ned, og kanal B'er er blevet flyttet op. Det betyder, at de afbildede signaler er blevet adskilt, og en klarere progression af spændingerne kan ses.
Struktur af CAN-bus-meddelelsen for en (standard) 11 bit identifikator:
Strukturen af en CAN-bus-meddelelse er altid baseret på billedet nedenfor. Der er forskelle i strukturen; for eksempel er ARB- og CTRL-feltet for en 11-bit identifikator og en 29-bit identifikator forskellige. Oplysningerne nedenfor vedrører 11bit identifikatoren. Til din orientering har en 29 bit identifikator plads til flere data end de 11 bit. Mere om dette senere.
Strukturen af meddelelsen er nu ganske enkelt opsummeret og beskrevet i detaljer senere:
SOF:
Hver CAN-meddelelse starter med en SOF (start af ramme). Når en node ønsker at sende en besked, vil en dominerende bit blive placeret på bussen. CAN-bussen er altid recessiv i hvile (en 1, så både CAN-High og CAN-Low er 2 Volt). Den dominerende bit (en 0) angiver, at andre noder skal vente med at sende en besked, indtil hele beskeden er blevet postet. Først efter IFS (Interframe Space) får den næste node lov til at sende sin besked. Selvom det er et vigtigt budskab, kan det ikke overses.
Når 2 noder ønsker at sende en besked på samme tid (som de ikke kender til hinanden) og dermed sammen gør bussen dominerende ved at sætte et 0, afgør ARB (arbitration) hvilken besked der har forrang.
Fra her af vil hver del af CAN-bus-meddelelsen, der diskuteres, have den del tilføjet til dette grå billede. På den måde forsøger jeg at bevare overblikket. Beskeden startede med SOF.
ARB:
Voldgiftsfeltet for en 11 bit identifikator består af 2 dele; identifikatoren og RTR-bitten.
Identifikator:
Antag, at 2 noder samtidigt gør CAN-bussen dominerende, så vil noden med den mindst vigtige besked vente, indtil den vigtige besked er blevet postet (indtil efter IFS). Meddelelsens identifikator indeholder en række etere og nuller. Disse numre er bevidst tildelt en besked af programmøren. Identifikationen med 0 i meddelelsen (dominerende) har højere prioritet end den med 1 i meddelelsen (recessiv). Beskeden med 0 vil fortsætte, og meddelelsen med 1 må vente.
Begge identifikatorer begynder at sende en besked på 11 bit. Med SOF placeres den dominerende bit. Så er de første 5 bit af begge identifikatorer ens (0 1 1 0 1). Den 6. bit er et 2 for identifikator nummer 0 og et 1 for den første identifikator. Dominant dominerer, så identifikator 2 opretter den endelige CAN-meddelelse.
Identifikator 1 placerede et 6 som bit 1. Noden, der sender identifikatoren, genkender kun, at 0 noder sender en besked på samme tid, når en anden node placerer et 2 på bussen. På dette tidspunkt stopper identifikator 1 med at sende og opfører sig nu som en modtager. Selvom beskeden, der begynder med 0 1 1 0 1, oprindeligt var beregnet til at være den besked, denne node ønskede at sende, vil den nu behandle den som den modtagne besked. Noden lytter derefter til hele beskeden og bestemmer, om der skal gøres noget ved den.
Det grå billede af SOF'en er nu udvidet med ARB'en, som består af 2 dele, nemlig identifikatoren og RTR-bitten:
RTR bit:
Den sidste bit af 11 bit identifikatoren kaldes en RTR; dette er en Remote Transmit Request bit. Denne RTR-bit angiver, om det er en dataramme eller en fjernramme.
0 = Dataramme
1 = Fjernstyret ramme
En dataramme indeholder data, der videresendes til de noder, der har brug for informationen. En node kan også anmode om information; eks. hvad kølevæsketemperaturen er på et bestemt tidspunkt. Noden vil derefter sætte en 1 som RTR-bit, fordi den beder om dataene.
CTRL:
Kontrolfeltet består af IDE (Identifier Extension), en R-bit og DLC. IDE-bitten angiver, om det er en standard (11 bit) eller en udvidet (29 bit) identifikator:
0 = Standard-id (11 bit)
1 = Udvidet identifikator (29 bit)
R-bitten er reserveret til fremtiden og er nu altid recessiv.
Så kommer DLC'en: Et CAN-bus-netværk kan maksimalt sende 8 bytes. Der er 1 bits i 8 byte, så der kan sendes i alt 64 bits i henhold til standardprotokollen. Kontrolfeltet angiver, hvor meget data der sendes. Det ville være meningsløst at sende en stor besked med alle tomme datafelter til en bekræftelsesbit (1 for tændt eller 0 for slukket). Antallet af bytes er angivet i den relevante DLC (Data Length Code). DLC er en funktion i programmeringssoftwaren og er derfor en forudbestemt værdi af programmøren.
Antag, at der er angivet 1 byte i DLC'en, så sendes 8 bits. For korte bekræftelsesmeddelelser er dette tilstrækkeligt.
For meget omfattende beskeder vil DLC'en indeholde en værdi på op til 8 databytes.
Eksemplet er blevet udvidet igen. IDE, R og DLC er blevet tilføjet.
DATA:
De endelige data, der skal sendes, placeres i datafeltet. Størrelsen afhænger af værdien af DLC (Data Length Code). Det er allerede blevet indikeret, at DLC'en er på maksimalt 8 bytes. Hver byte består af 8 bit, så i alt kan datafeltet bestå af 64 bit.
CRC:
Det cykliske redundanstjek består af en matematisk beregning, som sendes med beskeden. Afsendernoden beregner den samlede CAN-meddelelse indtil videre; SOF, ARB, CTRL og DATA. Så CRC er beregningen. Når den modtagende node har modtaget beskeden til og med CRC, vil den udføre den matematiske beregning op til DATA og sammenligne den med beregningen i CRC. Hvis dette ikke stemmer overens (pga. en dårlig bit/fejl) accepteres beskeden ikke, og der anmodes om at sende beskeden igen (med et vist maksimalt antal forsøg). Eksemplet er blevet udvidet til at omfatte CRC.
ACK:
Bekræft feltet tjener til bekræftelse af modtagelsen. Når afsenderen har sendt beskeden til CRC, indsættes en slags pause; senderen gør bussen recessiv (med et 0) og venter indtil en eller flere knudepunkter gør bussen dominerende (1). Det er ligegyldigt, om en eller flere noder modtog beskeden, for hvis en node modtog den, blev den sendt med succes. Efter at bussen er gjort dominerende med et 1, genoptages meddelelsestransmissionen.
EDF:
End Of Frame består af 7 recessive bits (1 1 1 1 1 1 1). Dette er et tegn for alle kontrolenheder, at meddelelsen er afsluttet.
IFS:
For at forhindre forstyrrelser bruges der altid et Inter Frame Space efter EDF. IFS består af 11 recessive bits. Alle noder venter på, at disse 11 recessive bits passerer, før de sender en besked. Efter disse 11 recessive bit kan f.eks. 2 noder sende en besked på samme tid. ARB (arbitration) ses derefter på igen for at bestemme, hvilken meddelelse der har den højeste prioritet. Hele cyklussen starter derefter igen.
Struktur af CAN-bus-meddelelsen for en (udvidet) 28 bit identifikator:
11-bit identifikatoren blev designet på et tidspunkt, hvor biler endnu ikke havde så mange kontrolenheder (knudepunkter). Programmørerne opdagede hurtigt, at 11-bit identifikatoren ikke var nok for dem. Dette har kun (2^11) = 2048 muligheder. Af disse er der 2032 unikke kombinationer af den binære kode tilbage. Moderne biler bruger nu mange flere koder takket være den udvidede 28 bit identifikator. Dette kaldes den udvidede identifikator.
Det betyder, at ikke færre end (2^29) = 536870912 kombinationer er mulige. Dette er mere end nok for fremtiden.
En række ting vil ændre sig i CAN-bus-meddelelsen. Begge identifikatorer (standard og udvidet) bruges i flæng. CAN-meddelelsen angiver derfor, hvilken art det drejer sig om, hvorefter der følger en lang besked.
Grundlaget for 11 bit identifikatoren bruges og fungerer også som forberedelse, før det læses igennem; nu er kun de ændringer, som meddelelsen gennemgår, når den er en 29 bit identifikator, der er angivet.
SOF (Start Of Frame) forbliver den samme. Afsendernoden gør den dominerende, når den begynder at sende en besked.
Dette efterfølges af ARB og CTRL, hvor forskellene ligger.
ARB:
Under voldgift vises en standard 11-bit identifikator først (dvs. en del af de 29 bit). RTR-bitten flyttes (som den er med de 11 bit) til enden af ARB'en. RTR er nu erstattet af SRR: (Substitute Remote Request). Denne bit er altid recessiv (1) for en udvidet identifikator.
Efter SRR-bitten kommer IDE-bitten, som er i 11-bit-identifikationen i CTRL (kontrolfeltet). Denne fjernes nu fra kontrolfeltet og placeres bag SRR-bitten i den udvidede identifikator.
For klarhedens skyld viser billederne nedenfor standard- (11-bit) og udvidede (29-bit) identifikatorer.
IDE-bitten står for Identifier Extension. IDE-bitten bestemmer, om det er en standard- eller udvidet identifikator.
IDE 0 = Standard (11 bit ID)
IDE 1 = Udvidet (29 bit ID)
Efter IDE-bitten kommer resten af den udvidede identifikator. De 11 og 18 bits udgør tilsammen 29. Disse kan ikke placeres som én helhed i beskeden, fordi CAN-protokollen så ikke længere er korrekt. Grundlæggende indikerer IDE-bitten nu, at meddelelsen er blevet delt i to.
CTRL:
Kontrolfeltet er derfor blevet ændret for den udvidede identifikator. IDE-bitten er blevet flyttet til ARB.
IDE-bitten erstattes af en R-bit (reserve). Dette er som standard recessivt. Dette efterfølges af en R bit og DLC (Data Length Code), som angiver, hvor mange bytes beskeden vil bestå af.
Endnu en gang vises kontrolfelterne for både 11-bit og 29-bit identifikatorerne.
Fejlgenkendelse ved hjælp af Bitstuffing og CRC & ACK afgrænsere:
Lidt fyld:
For at opretholde optimal synkronisering mellem de afsendende og modtagende noder, anvendes bit stuffing. Bit stuffing betyder, at efter 5 identiske bit tilføjes en modsat bit. Ingen bitværdi ændres i den oprindeligt sendte besked, men en bit tilføjes.
Modtageren genkender dette. Efter 5 identiske bits vil modtageren slette den 6. bit (se billedet nedenfor).
Den oprindelige besked af kun én sendes, men afsenderen tilføjer et 6 hver 0. bit. Meddelelseslængden øges på grund af nullerne (men denne længde tæller ikke for DLC (Datalængdekode). Modtageren filtrerer de modsatte bits (nullerne) fra og læser derefter beskeden igen med kun et.
CRC- og ACK-afgrænsere:
Afgrænsningstegn placeres efter CRC-feltet og ACK-feltet. Dette er lidt med en kendt værdi for både afsender og modtager. Hvis der opstår en fejl i meddelelsen, vil denne værdi afvige. Modtageren modtager så en anden bitværdi end forventet og markerer meddelelsen som fejlagtig. Afsenderen sender beskeden igen.
Parsnoede ledninger:
Parsnoede kabler bruges som kabler til CAN-bussen. CAN-High- og CAN-Low-kablet snoes derefter sammen som vist på billedet. På denne måde undgås interferens udefra; hvis der kommer en induktion på et par tiendedele volt i det ene kabel, kommer det også ind i det andet. Spændingsforskellen mellem CAN høj og lav forbliver dog den samme. Dette vil eliminere fejlen og forhindre, at ECU'erne oplever nogen gener.
Termineringsmodstande:
Afslutningsmodstande bruges i ethvert højhastigheds CAN-busnetværk. Disse er ofte indbygget i knudepunkterne for enden af CAN-buslinjen (ledning) eller i ledningerne. Disse modstande har hver en modstand på 120Ω (Ohm). Udskiftningsmodstanden måles til 60Ω ved måling af modstand på ledningerne.
Disse afslutningsmodstande tjener til interferensundertrykkelse; Hvis disse ikke var der, ville der opstå refleksion. Spændingssignalet går gennem CAN-bus-ledningen, når enden og hopper tilbage. Sidstnævnte forhindres. Spændingen registreres i modstanden. Refleksion kan få spændingssignaler til at vende tilbage, hvilket påvirker de sendte beskeder og efterfølgende forårsage funktionsfejl i kontrolenhederne.
Gateway:
Bilen er udstyret med et netværk af kontrolenheder (knudepunkter). Gatewayen forbinder forskellige CAN-bus-netværk (såsom interiøret, motoren/transmissionen og chassiset), MOST-bussen og LIN-bussen, så alle netværk kan kommunikere med hinanden. Så det er i virkeligheden et knudepunkt mellem alle netværk. Forskellene i hastighed er ligegyldige med en gateway. Klik her for at gå til siden, hvor gatewayens betjening og funktioner er beskrevet.
Måling på CAN-bussen:
Folk bliver ofte spurgt, om det er muligt at måle CAN-bussen. Det er bestemt muligt. En diagnose kan stilles ved at måle spændingsniveauerne på ledningerne og kontrollere spændingsvisningen på oscilloskopet. Hvordan målinger kan foretages er beskrevet på siden måling på CAN-bussystemet.
Relateret side:
