автоматический доступ к шине;

приоритетное разрешение конфликтной ситуации при обращении к шине;

передачу данных;

• обнаружение ошибок;

подтверждение доставки пакетов;

• автоматическое отключение неисправных узлов.

Аппаратная поддержка

 Как и Ethernet, CAN сеть работает в режиме CSMA (Carries Sense Multiple Access). Это означает, что когда имеется кадр для передачи, CAN слушает шину (Carries Sense - контроль несущей) и если шина свободна, переходит к передаче кадра. Множественный доступ (Multiple Access) заключа- 

Неограниченно (теоретически), до 127 на сегменте (практически), просто подключаются и отключаются (plug & play)

Зависит от максимально допустимой задержки для сообщения с высоким приоритетом, реально < 120 цсек для 1 Мбит/с.

у

Обеспечивается через: обнаружение ошибки, обработку ошибки, локализацию ошибки. Расстояние Хемминга Одна не обнаруживаемая ошибка за 1000 лет. Высокий иммунитет к электромагнитным помехам.

Каждый CAN контроллер выполняет мониторинг своего передатчика и всех приемников, 15 битовая CRC, все участвуют в проверке выполнения битстаффинга и целостности фрейма

ьного

Все непосредственно участвуют в подтверждении правильности приема фрейма и маркировке неправильного фрейма

Различает ситуации между фиксированными ошибками и временной ошибкой (помеха). Фиксированная ошибка автоматически отключает CAN-узел. Возможно автоматическое подключение.

CAL, CANopen, DeviceNet, SDS, CAN Kingdom, SeleCAN, SAE J1939

ISO 11898, ISO 11519-2, SAE J2284, SAE J2411

 
Транспорт, промышленная автоматика, робототехника, медицина, авиация, морской транспорт, военная техника, космические станции и спутники.

Motorola, Philips, Siemens, NEC, Microchip, Mitsubishi, Intel, Fujitsu, Toshiba, ST Microelectronics, Thomson, Texas Instruments, Hitachi, National Semiconductor, Temic, …

ется в том, что любой CAN-узел, определив что шина свободна, может начать передачу своего сообщения.

 Различие между CAN и Ethernet происходит, когда два или более узлов одновремен-

но определяют, что шина свободна и начинают передавать свои кадры. Это ведет к конфликтной ситуации (коллизии) на шине. В Ethernet при столкновении передающие узлы обнаруживают эту ситуацию (Collision Detected) и прекращают передавать кадры, чтобы позже попытаться снова передать свои сообщения. Это ведет к потере времени и уменьшении пропускной способности сети. В принципе возможна такая ситуация, когда никто из узлов не уступает дорогу - сеть Ethernet повисает.

 CAN такую ситуацию решает по другому. Когда происходит конфликтная ситуация при обращении к шине, CAN определяет победителя на основе побитного арбитража содержимого поля Arbitration Field всех принимающих в конфликте сообщений. Побеждает узел с наивысшим приоритетом и продолжает передавать свой кадр. Другие CAN-узлы с более низкими приоритетами сообщений попытаются передать свои кадры позже. Такой метод определения победителя называется Collision Arbitration (арбитраж столкновения). 

 Поэтому говорят, что Ethernet работает в режиме доступа к шине по алгоритму CSMA/ CD, а CAN - CSMA/CA (в литературе иногда встречается CSMA/CD+CA).

 Данный режим CAN обеспечивается тем, что все CAN узлы подключены к шине по схеме «монтажное И», где узел, передающий «0» доминирует над всеми узлами, передающие «1». CAN выполняет данный побитный арбитраж только над содержимым поля Arbitration Field. Поэтому при проектировании необходимо, чтобы содержимое этого поля - идентификатор -   было уникально для каждого 

кадра. Никакая пара CAN-узлов не может послать сообщение с одинаковыми идентификаторами. Аналогичным образом, никакой CAN-узел не может принять сообщения разных типов, но с одинаковыми идентификаторами.

 
Обнаружение и обработка ошибки

 CAN протокол имеет мощные средства обнаружения ошибок. В отличие от других шинных систем, в CAN протоколе нет подтверждающих сообщений. Вместо этого он сигнализирует о возникновении ошибок передачи. В CAN реализовано пять механизмов проверки на наличие ошибки (отметим, что все они реализованы аппаратным способом):

• Bit Error (ошибка на уровне бита). Одна из уникальных особенностей CAN состоит в том, что любой CAN-узел при передаче своего сообщения может контролировать свой собственный сигнал на шине. Это позволяет CAN надежно определять глобальные ошибки и ошибки, связанные с передатчиком.
• Stuff Error (ошибка битстаффинга). При передаче сообщения работает алгоритм битстаффинга (вставка дополнительного бита после пяти подряд идущих бит с одинаковым значением). Если приемниками будет получено шесть последовательных бит с одним и тем же значением, то CAN считает это сообщение ошибочным.
• CRC Error (ошибка контрольной суммы). CRC последовательность содержит результат CRC всего сообщения, передаваемого передатчиком. Все (именно все) приемники, принимая сообщение, вычисляют CRC и сравнивают ее с полученной. При несовпадении контрольных сумм (полученной в кадре в поле CRC Field и вычисленной) сообщение считается ошибочным.
• Form Error (ошибка формата). Все CAN узлы проверяют соответствие структуры принимаемого сообщения его фиксированному формату и его размеру (формат CAN строго фиксирован).

 - Acknowledgement Error (ошибка подтверждения). Ошибка подтверждения обнаруживается передатчиком, если хотя бы один CAN приемник не подтвердил получение правильного сообщения (или приемников на шине нет вообще).

 При приеме кадра все CAN-узлы выполняют механизмы обнаружения ошибки и если какой-либо узел обнаруживает ошибку, он генерирует кадр ERROR Field, который прерывает передаваемый кадр DATA Field или REMORE Field. При этом передатчик, сообщение которого прервано, автоматически ап-паратно повторит передачу сообщения.

 Применяемые методы позволяют CAN гарантировать, что сообщение либо правильно принято всеми, либо его не принял никто.

 Каждый CAN-узел поддерживает два внутренних счетчика ошибок: счетчик ошибок при передаче и счетчик ошибок при приеме. CAN использует сложный механизм статистической оценки сбойных ситуаций на узле для распознавания неисправности самого узла. Тем самым в CAN невозможна ситуация, когда неисправный узел блокирует работу всей сети (CAN сеть «подвесить» невозможно).

 Важнейшая характеристика - вероятность остаточной ошибки (вероятность того, что данные будут искажены и это искажение останется незамеченным) - для CAN крайне мала. Так, если CAN сеть работает со скоростью 1Мбит в сек. при средней загрузке 50 %, общем времени функционирования 4000 часов и средней длиной сообщения 80 бит, то общее количество переданных сообщений составляет 9*10¹⁰. Статистическое число необнаруженных ошибок передачи данных в течение этого времени работы менее 10^-2. Другими словами, при эксплуатации системы 8 часов в день в течение 365 дней и частоте появления ошибок 0,7 в секунду одна не обнаруженная ошибка будет появляться в сети CAN в среднем один раз в тысячелетие.

Протокол CAN определяет вероятность необнаружения искаженного сообщения, как q < 4.7 * 10 ¹¹ * error rate 

 где error rate - частота появления ошибки.

Физический уровень CAN

Физический уровень определяет уровни и схему передачи битовых сигналов на шине. CAN спецификация не определяет тип физической среды CAN сети. Протокол CAN работает и на витой паре, и на оптоволокне, и на высоковольтной линии 220 В, и радиоканале, и на ИК-канале.

Максимальная скорость CAN шины, соглас 
но стандарта, - 1Мбод. При этой скорости мо 
жет использоваться максимальная длина ка 
беля около 40 метров. Соотношение величи 
ны длины кабеля и скорости работы CAN: 
1000 кбит/сек. 40 метров 
500 кбит/сек. 130 метров

250 кбит/сек. 270 метров

125 кбит/сек. 530 метров

100 кбит/сек. 620 метров

50 кбит/сек. 1300 метров

20 кбит/сек. 3300 метров

10 кбит/сек. 6700 метров

5 кбит/сек. 10000 метров

 Теоретически возможная максимальная скорость CAN - 1,6 Мбит/сек. на 10 метрах (величина в стандарт не входит). Некоторые CAN контроллеры поддерживают скорости выше 1 Мбит/сек.

Почему выбирают CAN?

 Зрелый стандарт. Протокол CAN активно используется уже более 18 лет. Сейчас на рынке представлено много различных CAN изделий и инструментальных средств для него.

Аппаратная поддержка протокола.

Протокол CAN реализован в одном кристалле, что позволяет быстро и легко строить высокоэффективные высокоскоростные высоконадежные системы.

 Различная среда передачи. Основная среда передачи - витая пара. CAN система может также работать только на одном проводе. Име-

ются системы, использующие в качестве среды передачи - силовые линии, оптоволокно, ИК-канал, радиоканал и др.

 Превосходная обработка ошибок. Протокол CAN имеет механизм, позволяющий отключать дефектный узел и не допускать блокирование сети.

 Хорошая поддержка систем реального времени. Использование глобальных часов и широковещательный способ передачи сообщений позволяет создавать полностью синхронные системы.

 Хорошая поддержка систем, управляемых событиями. Так как все CAN узлы слушают все сообщения, просто реализуются приложения, работающие по событийному управлению.

 Ориентирован на распределенные системы управления. Протокол CAN очень хорошо подходит для построения распределенных систем управления. Используемый метод арбитража для определения приоритета сообщения и широковещательная передача позволяют просто и оптимально проектировать такие системы. 

Промышленная автоматика:

• ПЛК (PLC)
• Роботы и манипуляторы
• Серводвигатели
• Интеллектуальные сенсоры и механизмы
• Гидравлика
• Датчики расхода воды и электричества
• Текстильная промышленность
• Медицинские приборы
• Охранно-пожарная сигнализация
• Лифты
• Стиральные машины
• Системы доступа и др.

Объекты с контурным управлением:

• Системы кондиционирования воздуха (СКВ)
• Системы автоматического регулирования давления (САРД)
• Системы автоматического регулирования температуры (САРТ)
• Мониторинг работы турбин
• Управление паровыми котлами
• Симуляторы кабины пилота

Внедрение CAN 

Военные системы: 

ры

 В настоящее время CAN находит самое широкое применение в различных областях деятельности человека. Это:

Движущийся транспорт:

• Пассажирские автобусы
• Трейлеры и грузовики
• Вагон платформы и тепловозы
• Легковые автомобили
• Планеры и самолеты
• Поезда, электрички и метро
• Морские суда и паромы
• Яхты и моторные лодки
• Сельхоз. машины (комбайны и др.)
• Экскаваторы
• Дорожные машины
• Лесные машины
• Экскаваторы и др.

Крылатые ракеты и беспилотные плане-

Истребители Военно-морской флот Управление в танках Подводные лодки Самоходный транспорт Спутники и космические станции

 Чтобы показать Вам всю мощь CAN сети, приведем далеко не полный перечень реальных изделий, где используется Controller Area Network (примеры взяты из буклета CAN Application Spotlights, изданного CiA к 5-летнему юбилею - 1997 год - образования ассоциации CAN in Automation, а также материалов доступных в Internet).

Кто координирует работы по CAN?

 В мире все работы по CAN координируются CAN in Automation (CiA) - Международной ассоциацией пользователей и производителей CAN, основанной в марте 1992 года. Ассоциация CiA обеспечивает технической, производственной и маркетинговой информацией с целью рекламы CAN технологии, способствует распространению знаний о CAN. В настоящее время более 340 компаний со всего мира присоединились к этой некоммерческой ассоциации.

 CiA разрабатывает и поддерживает различные протоколы прикладного уровня (7-й уровень модели ISO/OSI), основанные на CAN: CAN Application Layer (CAL), CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet, SDS:

1. CiA Draft Standard 102 (Ver. 2.0) CAN Physical Layer for Industrial Applications
2. CiA Draft Standard 150 (Ver. 1.5) CAN Power Management Layer
3. CiA Draft Standard 201…207 (Ver. 1.1) CAN Application Layer for Industrial Applications
4. CiA Draft Standard 301 (Ver. 4.0) CANopen Communication Profile for Industrial Systems
5. CiA Draft Standard Proposal 302 (Ver. 3.0) Framework for Programmable CANopen Devices
6. CiA Draft Standard Proposal 401 (Ver. 2.0) CANopen Device Profile for I/O Modules
7. CiA Draft Standard Proposal 402 (Ver. 1.1) CANopen Device Profile for Drives and motion Control
8. CiA Draft Standard Proposal 403 (Ver. 1.0) CANopen Device Profile for human Machine Interfaces
9. CiA Draft Standard Proposal 404 (Ver. 1.11) CANopen Device Profile for Measuring Devices and Closed-Loop Controllers
10. CiA Draft Standard Proposal 405 (Ver. 1.0) CANopen Device Profile for IEC 1131 Programmable Devices
11. CiA Draft Standard Proposal 406 (Ver. 2.0) CANopen Device Profile for Encoders
12. CiA Work Draft Standard Proposal 407 (Ver. 1.0) CANopen Application Profile for Public Transportation

13. CiA Work Draft Standard Proposal 408 (Ver. 1.0) CANopen Application Profile for Forklifts
14. CiA Work Draft Standard Proposal 409 (Ver. 0.3) CANopen Device Profile for Verhicle Door Control

 15.CiA Work Draft Standard 501 (Ver. 0.05) CAL-based Profile for Off-Road Vehicles and Truck Superconstructions

 16.CAN Kingdom Ver. 3.0 (фирма Kvaser, Швеция)

 17.DeviceNet Vol. 1 & 2, Release 2.0 (ODVA, фирма Allen-Bradley корпорации Rockwell, США)

18. Smart Distributed Systems Ver. 2.0 (SDS) (корпорация Honeywell США)Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность работы в режиме жёсткого 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

• Максимальная длина сети обратно пропорциональна скорости передачи.
• 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.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 
 
 
 
 
 
 
 

Кафедра  информационных  технологий  и  автоматизированных  систем 

Реферат на тему:

Промышленная локальная сеть CAN 
 
 
 

По дисциплине

“Сети ЭВМ” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Выполнил: Жуков А.Д.

АП-52 
 
 
 
 
 
 

Москва 2008