ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 

CAN - CONTROLLER AREA NETWORK

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ CAN

Материал подготовлен на основе следующих документов:

  1. Presentation from CiA "CAN Physical Layer" (pdf)
  2. PCA82C250 DataSheet(pdf)
  3. PCA82C251 DataSheet(pdf)
  4. UC5350 Data Sheet (pdf)
  5. Si9200EY Data Sheet (pdf)
  6. L9615 Data Sheet (pdf)
  7. MC33388 Data Sheet (pdf)
  8. TJA1054 Data Sheet(pdf)
  9. TLE6252G Data Sheet(pdf)

Способы организации физической среды передачи данных
CAN-интерфейса


         Физическая среда передачи данных CAN-интерфейса, характеристики приемопередатчиков, разводка разъемов, свойства кабелей, топология сети не оговариваются CAN спецификацией BOSCH v.2.0 A/B. Физический уровень является предметом различных интернациональных, национальных, промышленных и даже внутрифирменных спецификаций. Для организации проводного соединения на CAN-шине наиболее широкое распространение получили два типа приемоперадатчиков(трансиверов):

  • "High Speed" приемопередатчики (ISO 11898-2),
  • "Fault Tolerant" приемопередатчики

         Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом "High-Speed" (ISO11898-2), наиболее просты, дешевы и дают возможность передавать данные со скоростью до 1 Мбит/c. "Fault-Tolerant" приемопередатчики (не чувствительные к повреждениям на шине) позволяют построить высоконадежную малопотребляющую сеть со скоростями передачи данных не выше 125 кбит/c.
         Для организации CAN-шины также возможно использовать такие не стандартизованные решения, как применение оптоволоконного или беспроводного соединения.
         Передача питания через CAN интерфейс не противоречит CAN-стандарту, но реально не используется из-за высокой стоимости передатчиков.
         Все перечисленные выше способы организации физической среды передачи данных должны удовлетворять набору обязательных требований, продиктованных способами арбитража и синхронизации, принятыми для САN-интерфейса.


Способность обеспечивать "доминантные" и "рецессивные"
логические уровни

         Арбитраж на CAN-шине (non-destructive bit-wise arbitration) заключается в том, что несколько узлов могут одновременно начать передачу своего идентификатора. При этом на шине для каждого бита должна выполняться операция "ИЛИ по нулям". Каждое устройство, передавая очередной бит идентификатора, одновременно прослушивает шину и проверяет, совпало ли переданное в шину логическое значение с тем, которое действительно установилось в линии. Если совпадения не произошло, устройство считает, что проиграло арбитраж и прекращает дальнейшую передачу идентификатора. Только одно устройство с наименьшим значением идентификатора сможет полностью передать его. Это устройство получает доступ к шине и продолжает передачу данных.
         Таким образом, физическая среда передачи данных должна иметь возможность находиться в двух состояниях - рецессивном (логическая "1") и доминантном (логический "0"). CAN-шина находится в рецессивном состоянии, если ни один узел не передает доминантный бит, и CAN-шина находится в доминантном состоянии, если хотя бы один узел установил доминантный бит. Другими словами на шине не должно происходить конфликта, если одновременно несколько устройств выставили различные логические уровни. На шине в этом случае должно установиться доминантное состояние.


Временные соотношения на шине

         Как показано на рисунке 1, интервал передачи одного бита на CAN-шине разделяют на четыре временных сегмента: SYNC_SEG, PROP_SEG, PHASE_SEG1, PHASE_SEG2. В свою очередь каждый сегмент состоит из целого числа "временных квантов"( Time Quantum). "Временной квант" - наименьший дискретный интервал, различимый CAN-узлом. Его длительность устанавливается программно в CAN-контроллере. Также программно устанавливается количество "временных квантов" для каждого битового сегмента.

  • SYNC_SEG имеет длительность 1 "временной квант" и используется для синхронизации различных узлов на шине.

  • PROP_SEG может иметь длительность 1, 2 :8 "временных квантов" и используется для компенсации задержек распространения сигнала в сети.

  • PHASE_SEG1 программируется на длительность 1, 2 :8 "временных квантов" и необходим для устранения возможных фазовых сдвигов между приемниками и передатчиками. Этот сегмент может быть удлинен во время ресинхронизации.

  • PHASE_SEG2 используется для передачи собственно информации и так же, как и предыдущий сегмент, для устранения возможных фазовых сдвигов между приемниками и передатчиками. Длительность интервала опроса шины (Information Processing Time) составляет от 1 до 2 "временных квантов". Полная длительность сегмента PHASE_SEG2 должна быть равна максимуму из двух величин: PHASE_SEG1 и Information Processing Time, и может уменьшаться во время ресинхронизации.

Таким образом, интервал передачи одного бита может
содержать от 8 до 25 "временных квантов".

Рис.1 Разбиение интервала передачи бита на временные сегменты

         Программирование выше перечисленных временных параметров на шине непосредственно связано с характеристиками физической среды передачи данных. Разработчик должен обеспечить, чтобы удвоенное суммарное время распространения сигнала через контроллер, возможный узел гальванической развязки, приемопередатчики и собственно CAN- шину было бы меньшим, чем длительность сегмента PROP_SEG интервала передачи одного бита.

tpropagation= 2( tcable+tcontroller+toptoucoupler+ttransceiver ) (1)

         Если подставить в формулу (1) типовые значения задержек (CAN-контроллер - 50-62нс; оптопара - 40-140нс, приемопередатчик- 120-250нс и кабель - 5 нс/м), то оказывается, что при максимальной для "high speed" стандарта скорости 1 Мбит/c длина кабеля не должна превышать 9 метров. При снижении скорости передачи данных длина линии связи может быть существенно увеличена. Так, при снижении скорости передачи данных до 50 кбит/c длину кабеля можно увеличить до 1 км. Также длина линии связи зависит от затухания сигнала, вызванного активным сопротивлением кабеля и конечным значением входных сопротивлений узлов.
         В таблице 1 приведены рекомендуемые СiA (The CAN in Automation international users and manufacturers group) соотношения скорости передачи и длины линии связи в случае отсутствия гальванической развязки и использования "high speed" трансиверов.

Таблица 1
Скорость передачи Время передачи бита Длина линии связи
1 Мбит/c 1 мкс 30 м
800 кбит/c 1,25 мкс 50 м
500 кбит/c 2 мкс 100 м
250 кбит/c 4 мкс 250 м
125 кбит/c 8 мкс 500 м
62,5 кбит/c 20 мкс 1000 м
20 кбит/c 50 мкс 2500 м
10 кбит/c 100 мкс 5000 м

         При необходимости передавать данные на большие расстояния рекомендуется использовать узлы-ретрансляторы.


"High speed" приемопередатчики (ISO11898-2)

         "High Speed" трансиверы стандарта ISO 11898-2 получили наиболее широкое распространение. Они соединяются с CAN-шиной так, как показано на рис.2. Напряжение питания трансиверов составляет 5В.


Рис.2 Соединение с CAN-шиной "high-speed" трансиверов

         Уровни напряжений, соответствующие "доминантному 0" и "рецессивной 1" для стандарта ISO 11898-2 ("high speed") показаны на рис.3. Приемники имеют дифференциальную схему включения и воспринимают состояние шины как рецессивное, если разность напряжений VCAN_H - VCAN_L < 0,5 В. Если VCAN_H - VCAN_L > 0,9В, то детектируется доминантное состояние CAN-шины. Номинальные значения напряжений на линиях при доминантном состоянии составляют 3,5 В и 1,5 В соответственно для линии CAN_H и CAN_L.


Рис.3 Физические уровни "high speed" трансиверов (ISO 11898-2)

        В таблице 2 представлены приемопередатчики различных производителей, выполненные в соответствии со спецификацией ISO11898-2.
         Классическими "high speed" приемопередатчиками считаются трансиверы PCA82C250 фирмы PHILIPS. Они преобразуют уровни сигналов контроллера CAN-протокола к уровням CAN-шины (рис.3) и имеют, кроме этого, следующие функциональные возможности:

  • Обеспечивают возможность регулирования скорости нарастания входного сигнала изменением тока на входе RS.

  • Встроенная схема ограничения тока защищает выходы передатчиков от повреждения при возможных замыканиях линий CAN_H и CAN_L с цепями питания , а также от кратковременного повышения напряжения на этих линиях.

  • Внутренняя тепловая защита запрещает работу обоих передатчиков в случае, если температура достигает примерно 150°C.

  • Имеется режим пониженного энергопотребления, в котором приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении на шине информационных сигналов он мог вывести приемопередатчики в нормальный режим работы.

        Трансиверы PCA82С251 выдерживают более высокие перенапряжения на шинных выводах.
        Приемопередатчики UC5350 фирмы Texas Instruments (Unitrode) совпадают по функциональным возможностям, большинству характеристик и разводке выводов с PCA82С250 (отличается только ток потребления в режиме пониженного энергопотребления).

Таблица 2
Производитель Philips Semicond. Philips Semicond. STMicroelectr. Vishay Texas Instrum.
Тип 82C250 82C251 L9615 Si9200EY UC5350
Мах. скорость передачи, Мбит/c 1 1 0,5 1 1
Задержка распространения сигнала, нс 170 170 150 120 115
Допустимый диапазон синфазного сигнала, В -7...+12 -7...+12 -2...+7(1) -2...+7 -7...+12
Скорость нарастания сигнала регулируемая регулируемая вкл./выкл. контроль отсутствует регулируемая
Нагрузочная способность 110 110 32 32 110
Защита, отключающая передатчики, реагирует на Т>150°C T>150°C К.з. или перенапряжение в линии T>150°C T>150°C
Макс. допустимое постоянное напряжение на выводах CANH, CANL, В -8...+18 -40...+40 -5...+36 -3...+16 -8...+36
Макс. допустимое кратковр. напряжение на выводах CANH, CANL, В -150...+100 -200...+200 -200...+200 -60...+60 -150...+100
Макс. допустимое электрост. напряжение на выводах CANH, CANL, кВ 2 2,5 2 2 2
Ток потребления, мА 70 80 80 70 70
Режим пониженного потребления (Stand-by mode) + + - - +
Ток потребления в режиме Stand-by , мкА 170 250 - - 1200
Корпус SO-8,DIP-8 SO-8,DIP-8 SO-8 SO-8 SOIC-8,DIL-8
(1) измеренное значение доп. синфазного сигнала - -12...+18В.

         Благодаря тому, что трансиверы PCA82С250 и UC5350 обеспечивают возможность регулировать скорость нарастания выходного сигнала, они являются универсальными и могут быть использованы как для скоростной CAN-сети со скоростью передачи 1 Мбит/c, так и для более медленных приложений, в которых важно ограничивать генерируемые радиочастотные помехи.
         Трансиверы Si9200EY фирмы Vishay (Temic) и L9615 фирмы STMicroelectronics не являются универсальными по скорости. Анализируя характеристики, приведенные в таблице 2, можно сделать вывод, что Si9200EY предназначены для использования в скоростных CAN-сетях, а L9615 - в сетях с ограничением скорости нарастания сигнала. Si9200EY и L9615 не имеют режима пониженного энергопотребления и, соответственно, имеют меньшую стоимоть.
         Для того, чтобы уменьшить отражения в линии, стандарт ISO 11898-2 предписывает использовать линейную топологию шины (рис. 4, a), при которой длина ответвлений к каждому узлу должна быть минимальной (не больше 0,3 м при скорости передачи 1Мбит/c).



а)


б)


в)


г)

Рис.4 Топология CAN-шины.

         На концах шины должны быть включены оконечные сопротивления порядка 120 Ом. На рис. 4, б показано, что оконечные сопротивления можно разбить на пару сопротивлений. Тогда напряжение в точке соединения сопротивлений, составляющих пару, будет соответствовать постоянному синфазному сигналу в линии. Поэтому эту точку можно через конденсатор соединить с землей, уменьшив тем самым сопротивления линий CAN_H и CAN_L по переменному току относительно земли для того, чтобы снизить влияние помехи общего вида.
         В случае, когда необходимо отойти от линейной топологии, следует использовать большее количество оконечных сопротивлений (рис.4, в), которые при этом должны иметь такие номинальные значения, чтобы эквивалентное сопротивление линии соответствовало нагрузочной способности драйверов.
         На рис. 4, г показана звездообразная топология, запатентованная фирмой Daimler-Benz. Эта топология позволяет уменьшить резонансные проблемы в линии.

"Fault-Tolerant" приемопередатчики

         "Fault-Tolerant" приемопередатчики первоначально были предназначены для применений в легковых автомобилях, где не требовалась высокая скорость передачи данных (до 125 кбит/с), но большое значение имели такие качества шины, как высокая надежность и минимальное потребление.
         "Fault-Tolerant" трансиверы, как видно из схемы их включения (рис.5), имеют два входа питания: основное VDD=5В и резервное VBAT=6...12В. Микроконтроллер при помощи управляющих сигналов EN, STB может переводить трансивер в режимы пониженного потребления (Standby и Sleep). При переходе в режим Sleep приемопередатчик формирует на своем выходе INH управляющий сигнал, при помощи которого можно выключать источник питания всего устройства VDD. При этом сам приемопередатчик продолжает питаться от резервного батарейного питания VBAT, потребляя очень маленький ток - 15-30 мкА. Этого питания трансиверу достаточно для того, чтобы при обнаружении активности на шине или при поступлении перепада на входе WAKE включить источник VDD и сообщить микроконтроллеру о необходимости возвращаться в нормальный режим работы.
         При использовании "fault-tolerant" трансиверов так же, как и в случае "high speed" приемопередатчиков, рекомендуется использовать линейную топологию шины.



Рис.5. Пример соединения с CAN-шиной "fault-tolerant" трансиверов.

         При этом номинальные значения сопротивлений R1, R2 и RT должны выбираться так, чтобы выполнялись следующие соотношения:


R1=R2=R, 500Ом < R < 16кОм;
RT=R/N> 133Ом,

где N-количество узлов на шине.
         Например, если используются оконечные сопротивления RT=500 Ом, то CAN-сеть может состоять из 32 узлов, имеющих R1=R2=16 кОм.
        "Fault-Tolerant" трансиверы являются более интеллектуальными приемопередатчиками, чем "high speed". В нормальном режиме работы они используют дифференциальный режим передачи данных , но, если они обнаруживают на шине повреждение (обрыв или замыкание одного из проводов), то приемопередатчики переходят в режим однопроводной передачи по той линии, которая сохранила работоспособность и предпринимают необходимые переключения для ограничения тока, вызванного произошедшим повреждением в линии. При этом трансиверы все время продолжают следить за состоянием шины, и, если обнаруживают, что повреждение устранено, автоматически переходят к нормальному дифференциальному режиму передачи данных, который имеет более высокую помехоустойчивость.
         Ниже перечислены виды повреждений на линии, которые могут детектировать "fault-tolerant" транcиверы:

  1. Обрыв провода CAN_H
  2. Обрыв провода CAN_L
  3. Замыкание CAN_H и цепи VBAT
  4. Замыкание CAN_L и цепи GND
  5. Замыкание CAN_H и цепи GND
  6. Замыкание CAN_L и цепи VBAT
  7. Замыкание CAN_H и CAN_L
  8. Замыкание CAN_H и цепи VDD

         При помощи выхода NERR "fault-tolerant" приемопередатчики сообщают микроконтроллеру о том, что на шине обнаружено повреждение.
         По уровням напряжений (рис. 6), соответствующим логическим состояниям, "fault-tolerant" трансиверы отличаются от "high speed" приемопередатчиков. Доминантное состояние представляется значением дифференциального сигнала, равным 2,2В (CAN_H=3,6В и CAN_L=1,4В), а рецессивное - значением - -5В(CAN_H=0В и CAN_L=5В). Порог срабатывания дифференциального приемника имеет значение- -2,9В.
         В таблице 3 представлены "fault-tolerant" приемопередатчики, выпускаемые различными производителями, и их основные характеристики. Все они выпускаются в корпусе SO-14 .



Рис.6 Физические уровни "fault-tolerant" трансиверов.

Таблица 3
Производитель Motorola Philips Semicond. Infineon
Тип MC33388 TJA1054 TLE6252G
Макc. скорость передачи данных, кбит/c 125 125 125
Ток потребления в режиме Sleep, мкА 15 30 15
Время распространения сигнала от TXD к RXD, мкс 1 2,5 1,2
Контроль скорости нарастания сигнала + + +
Тепловая защита + + +
Диапазон рабочих температкур -40 ... +125°С -40 ... +125°С -40 ... +125°С


Назначение выводов разъема для присоединения узлов к CAN-шине

         Международная организации CiA (The CAN in Automation international users and manufacturers group) рекомендует в своем стандарте CiA DS-102 для соединения отдельных узлов c CAN-шиной использовать представленную на рис. 7 разводку выводов 9- контактного разъем D-Sub. В [1] сообщают, что данное соглашение используют некоторые протоколы более высоких уровней CAN (CANopen, Smart Distributed System).


Контакт Цепь Примечание
1 -
2 CAN_L Низкий уровень-доминантн. сост.
3 CAN_GND Земля



5 (CAN_SHLD) Экран (необязательный)
6 GND Земля(необязтельный)
7 CAN_H Высокий уровень-доминантн. сост.
8 -
9 (CAN_V+) Питание(необязательный)

Рис.7 Назначение выводов CAN-разъема согласно стандарта CiA DS-102


© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация