Sieci CAN cz. 2.
Ważną rolę, jaką spełnia magistrala danych CAN w samochodowych instalacjach elektrycznych, podkreśla fakt, że jest ona odpowiedzialna za przepływ informacji między kluczowymi sterownikami pojazdu. Struktura sieci CAN umożliwia wymianę danych w czasie rzeczywistym, w obszarze zdefiniowanych sterowników. Każdy ze sterowników otrzymuje jednakowy pakiet danych, a w przypadku zakłócenia lub uszkodzenia transmisji informacja zwrotna o awarii trafia do wszystkich podłączonych sterowników. W celu zapewnienia wysokiego stopnia bezpieczeństwa i wiarygodności przesyłu danych magistrala CAN posiada zaawansowany system identyfikacji usterek.
Sterownik (silnika, skrzyni biegów, ESP/ABS, klimatyzacji itd.) podłączony do sieci CAN ma wyodrębniony obszar zarezerwowany do realizacji przesyłu oraz odbioru informacji z magistrali. Głównym zadaniem sterownika jest przetwarzanie sygnałów z czujników danego układu (np. układ sterujący pracą jednostki napędowej: czujnik temperatury, czujnik prędkości obrotowej silnika, czujnik położenia pedału gazu itd.), obróbka sygnałów oraz przesłanie ich do elementów wykonawczych nadzorowanego układu (cewka zapłonowa, zawór EGR, elektroniczna przepustnica itd). Sygnały wejściowe i wyjściowe są przechowywane w blokach pamięci wejścia i wyjścia danego sterownika (ilustracja 1).
Ponadto, aby zapewnić obróbkę informacji dostarczanych i odbieranych magistralą CAN, sterowniki wyposażono w banki pamięci zarezerwowane specjalnie dla danych sieci CAN. Przepływ danych z magistrali CAN do danego sterownika zapewnia bufor odbiorczy i nadawczy zintegrowany ze sterownikiem. Za pośrednictwem przewodów TX i RX następuje przesył informacji pomiędzy sterownikiem a magistralą CAN. Przewód odbiorczy RX wraz z przewodem nadawczym TX pełnią funkcję nadajnika-odbiornika, tworząc tzw. transceiver. Realizuje on również proces transformacji strumienia danych, przekształcając ich logiczną formę na napięcie doprowadzane do przewodu nadawczego TX oraz wykonując operację odwrotną polegającą na zamianie elektrycznego sygnału napięcia w strumień logicznych danych (przewód odbiorczy RX).
W celu bardziej obrazowego zrozumienia istoty wymiany danych pomiędzy sterownikami za pośrednictwem magistrali danych CAN niezbędne będzie posłużenie się uproszczonym schematem tego procesu. Na ilustracji 2 przedstawiono sytuację wymiany danych pomiędzy sterownikami silnika, układu ESP/ABS oraz sterownikiem zestawu wskaźników.
Do sterownika układu ESP/ABS za pośrednictwem czujników prędkości obrotowej kół pojazdu (czujników ABS) przesyłany jest sygnał rejestrujący ich zróżnicowaną prędkość obrotową (czerwona strzałka z indeksem N). Analiza sygnału wykonana przez procesor sterownika ESP/ABS pozwala na zidentyfikowanie sytuacji dotyczącej poślizgu kół przednich (kół napędzanych). Wówczas sterownik ESP/ABS wysyła informację o zbyt dużej prędkości obrotowej przednich kół z żądaniem zmniejszenia momentu obrotowego silnika. Informacja z mikroprocesora zostaje przygotowana przez kontroler CAN, trafiając przewodem nadawczym TX sterownika do przewodu magistrali CAN podłączonego do innych sterowników. Na ilustracji 3 zobrazowano proces odbioru strumienia danych poprzez sterowniki: silnika i zestawu wskaźników przewodami odbiorczymi RX tych sterowników.
Po przetworzeniu sygnału napięciowego na strumień logicznych danych mikroprocesor sterownika silnika wysterowuje elementy wykonawcze (elektroniczną przepustnicę, wtryskiwacze paliwa itd.) celem obniżenia wartości momentu obrotowego generowanego przez silnik, co skutkuje zmniejszeniem prędkości obrotowej kół napędzanych (czerwona strzałka z indeksem Nm).
Równolegle strumień danych trafia przewodem odbiorczym RX do sterownika zestawu wskaźników i po wstępnej analizie aktywuje kontrolkę ESP. W ten sposób kierujący pojazdem jest informowany o ingerencji układu ESP (czerwona strzałka z indeksem ESP). Oczywiście powyższy przykład bazuje na wielu uproszczeniach skomplikowanego procesu wymiany danych. Transmisja danych magistralą CAN wymaga jeszcze uwiarygodnienia sygnałów nią przesyłanych, co pozwala na osiągnięcie wysokiego poziomu bezpieczeństwa danych i zminimalizowania wskaźnika usterek. Ponadto sterowniki dokonują selektywnej analizy przydatności informacji, które do nich docierają, pozwalając na przepływ istotnych danych niezbędnych do ich prawidłowego działania. Aby nie doszło do „kolizji danych”, możliwej w przypadku wysyłania danych przez kilka sterowników w tym samym czasie, stosowana jest zasada priorytetu informacji. Każdy ze sterowników biorący udział w procesie transmisji strumienia informacji wysyła specjalny identyfikator, który jednoznacznie pozwala określić stopień ważności przesyłanych danych. Największy priorytet posiadają dane sterowników układów bezpieczeństwa oraz układów napędowych. Drugorzędny charakter danych przyporządkowany jest dla układów komfortu oraz multimediów. Dodatkowo stosuje się zróżnicowane prędkości transferu danych, co pozwoliło na podział magistrali danych CAN na szybką (high speed) oraz wolną (low speed). Dane wysyłane przez sterowniki, np. wartość kąta skrętu koła kierownicy, tworzą tzw. ramki danych (ilustracja 4).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
.jpg)
Ramka danych zbudowana jest z ośmiu specjalnych pól (o pojemności od 1 do 64 bitów) – taka forma jest niezbędna do właściwego przekazu informacji. Pole o indeksie (1) to obszar pola startowego definiującego początek komunikatu (zajmuje ono 1 bit). Pole statusu (2) określa priorytet komunikatu oraz jego identyfikator (pojemność tego pola uzależniona jest od standardu CAN i zawiera się pomiędzy 11 a 29 bitów). Pole kontrolne (3) decyduje, czy dany sterownik wysyła czy też odbiera informacje oraz (7 bitów pojemności) definiuje liczbę informacji w polu danych (4). Pole danych (4) o pojemności 64 bitów mieści wszelkie dane konieczne do pracy określonych urządzeń. Pole zabezpieczeń (5) identyfikuje wszystkie zakłócenia transmisji (pole ma pojemność 16 bitów). Kolejne pole to pole potwierdzenia (6) odpowiedzialne za autoryzację odbioru komunikatu przez sterownik (2 bity zarezerwowanej pojemności).
Ramka danych zakończona jest polem końcowym (7) o pojemności 7 bitów. Pole to określa koniec komunikatu. Dodatkowo przewody magistrali CAN zabezpieczone są przed zakłóceniami wynikającymi ze środowiska pracy, w jakim się znajdują. Część wiązki przewodów sieci CAN przebiega w obszarze komory silnika, gdzie narażone są na wyładowania układu zapłonowego i zwarcie z napięciem akumulatora. Zminimalizowanie zakłóceń wywołanych powyższymi czynnikami możliwe jest dzięki zastosowaniu specjalnego wzmacniacza różnicowego, który przefiltrowuje sygnały biegnące w magistrali CAN. Pozwala to na znaczne zmniejszenie zakłóceń występujących podczas uruchamiania jednostki napędowej, a wynikających z chwilowych spadków napięcia.
