Механизмы социально-ориентированной модели рыночной экономики

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ "Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Радиотехнический институт - РтФ

Кафедра "Радиоэлектроники информационных систем"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по схемотехнике

Интерфейс полевой шины CAN

Руководитель Дядьков Н.А.

Студент Бакеркин О.С.

Группа Р-300402

Екатеринбург 2013

Оглавление

Введение

1. Controller Area Network

1.1 Описание стандарта

1.2 Общие сведения

1.3 Рецессивные и доминантные биты

1.4 Виды кадров

1.5 Формат кадра

1.6 Формат кадра запроса

1.7 Арбитраж доступа

1.8 Контроль ошибок

1.9 Диапазон скоростей

1.10 Предельная длина сети

1.11 Протоколы высокого уровня

2. MCP2551 - приёмопередатчик CAN

2.1 Основная работа MCP2551

2.2 Режимы работы

2.3 Обнаружение постоянного доминанта на передатчике

2.4 Сброс при включении питания и защита от кратковременного снижения питания

2.5 Смещения земли

2.6 Оконечная нагрузка шины

2.7 Стандартная оконечная нагрузка

2.8 Разделённая оконечная нагрузка

2.9 Смещённая разделённая оконечная нагрузка

2.10 Схема подключения микроконтроллера к шине CAN с помощью MCP2551

Заключение

Список литературы

Введение

Полевая шина CAN (Controller Area Network) характеризуется высокими скоростью передачи данных и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. Не удивительно, что благодаря этому CAN сегодня широко используется в таких областях, как автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленная автоматика, авиация, системы доступа и контроля. По данным ассоциации CiA (CAN in Automation, www.can-cia. de), в настоящее время в эксплуатации находится около 300 млн CAN-узлов по всему миру. В Германии CAN-шина занимает первое место по популярности среди остальных полевых шин.

Общая тенденция в области автоматизации состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностики ошибок и проблемами с надежностью. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для многоконтроллерных систем.

Протокол CAN активно используется уже более 20 лет, что очень важно для таких консервативных областей как железнодорожный транспорт или судостроение. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений. Низкая стоимость определяется хорошим соотношением цена/производительность, также широкой доступностью CAN-контроллеров на рынке. Надежность определяется линейной структурой шины и равноправностью ее узлов, так называемой мультимастерностью (Multi Master Bus), при которой каждый узел CAN может получить доступ к шине. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Одновременный прием очень важен для синхронизации в системах управления. Отказавшие узлы отключаются от обмена по шине.

Высокая помехоустойчивость достигается благодаря подавлению синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком, работе встроенных механизмов обнаружения ошибок (одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), повтору ошибочных сообщений, отключению неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.

Гибкость достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов не лимитировано протоколом нижнего уровня. Адресная информация содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом, по которому осуществляется арбитраж. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует также отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала и арбитраж, не разрушающий структуру сообщений при конфликтах. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от дешевой витой пары до оптоволоконной линии связи.

Работа в реальном времени становится возможной благодаря механизмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с), быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной сообщения от 0 до 8 байт.

интерфейс полевая шина стандарт

1. Controller Area Network

CAN (англ. 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-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях "умного дома", автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

1.1 Описание стандарта

Непосредственно стандарт CAN от Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня - он может быть каким угодно, например, радиоканалом или оптоволокном. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии "шина" с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети.

1.2 Общие сведения

Синхронная шина, с типом доступа Collision Resolution (CR), который в отличие от Collision Detect (CD) сетей (Ethernet - это CD) детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения, что особо ценно для промышленных сетей управления (fieldbus). Передача ведётся кадрами. Полезная информация в кадре состоит из идентификатора 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.

1.3 Рецессивные и доминантные биты

Для 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 внутренним сопротивлением), доминантное - низкое напряжение (один из узлов сети "коротит" 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).

1.4 Виды кадров

§Кадр данных (data frame) - передаёт данные;

§Кадр запроса передачи (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.

1.5 Формат кадра

1.6 Формат кадра запроса

Совпадает с кадрами данных стандартного или расширенного формата за двумя исключениями:

§В поле RTR рецессив вместо доминанты.

§Отсутствует поле данных.

1.7 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 отличиe, например, от Ethernet в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения - вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

1.8 Контроль ошибок

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 4,7×10-11.

1.9 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.

1.10 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:

1 Мбит/с40 м 500Кбит/с100 м125 Кбит/с500 м10 Кбит/с5000 м

Использование оптопар для защиты устройств от высоковольтных помех в сети ещё больше сокращает предельную длину. Например, сильно разветвлённые сети (паутина) также снижают скорость из-за множества отражений сигнала.

1.11 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

§DeviceNet

§CAN Kingdom

§J1939

§SDS

2. MCP2551 - приёмопередатчик CAN

Микросхема MCP2551 - приёмопередатчик CAN, который реализует физический уровень, описанный в спецификации ISO-11898-2. Он поддерживает скорость передачи данных до 1 Мбит/с и подходит для систем с напряжениями питания 12 В и 24 В. MCP2551 обеспечивает защиту от короткого замыкания до ±40 В и защиту от кратковременных напряжений до ±250 В.

Дополнительно, будучи совместим с ISO-11898-2, MCP2551 обеспечивает сброс при включении питания (power-on reset - POR) и защиту от кратковременного падения напряжения (brown-out protection), а также обнаружение постоянного доминанта (permanent dominant detection), чтобы гарантировать, что обесточенный или неисправный узел не будет мешать работе шины. Устройство реализует настраиваемую наклонную регулировку усиления (slope control) на выводах шины для уменьшения излучения радиопомех (RFI). На Рис.1 представлена блок-схема MCP2551.

Рис. 1. Блок-схема MCP2551

2.1 Основная работа MCP2551

Передача:

Контроллер протокола CAN выдаёт поток последовательных данных на логический вход TXD MCP2551. Соответствующее рецессивное или доминантное состояние выдаётся на выводы CANH и CANL.

Приём:

MCP2551 принимает доминантное или рецессивное состояния на те же выводы CANH и CANL, с которых осуществляется передача. Эти состояния выдаются в виде соответствующих логических уровней на вывод RXD, чтобы контроллер протокола CAN принял кадр CAN.

Рецессивное состояние:

Логическая "1" на входе TXD отключает драйверы от вводов CANH и CANL, и выводы "подтягиваются" к номиналу 2.5 В через резисторы смещения.

Доминантное состояние:

Логический "0" на входе TXD включает драйверы выводов CANH и CANL. На CANH подаётся на ~1 В больше, чем номинал рецессивного состояния 2.5 В, таким образом увеличивая напряжение до ~3.5 В. На CANL подаётся на ~1 В меньше, чем номинал рецессивного состояния, таким образом уменьшая напряжение до ~1.5 В.

2.2 Режимы работы

Существует три режима работы, которые управляются извне через вывод RS:

. Высокоскоростной режим.

. Режим наклонной регулировки усиления.

. Режим ожидания (Standby)

Высокоскоростной режим:

Высокоскоростной режим выбирается подключением вывода RS к VSS. В этом режиме выходные драйверы имеют быстрое время нарастания и спада, что обеспечивает наивысшие скорости передачи до 1 Мбита/с и/или максимальную длину шины, а также обеспечивая минимальные циклические задержки приёмопередатчика.

Режим наклонной регулировки усиления:

Если требуется уменьшить излучаемые драйвером электромагнитные помехи, MCP2551 можно установить в режим наклонной регулировки усиления подключением резистора (REXT) от вывода RS на общий минус. В режиме наклонной регулировки усиления скорость нарастания выходного напряжения на одном проводе (на CANH или CANL) в основном пропорциональна выходному току на выводе RS. Ток должен быть в диапазоне от 10 мкА < IRS < 200 мкА, который соответствует напряжению на выводе в диапазоне 0.4·VDD < VRS < 0.6·VDD соответственно (или обычно 0.5·VDD).

Уменьшение скорости нарастания выходного напряжения приводит к уменьшению скорости передачи данных CAN при заданной длине шины, либо к сокращению длины шины при заданной скорости передачи данных.

Режим ожидания:

Режим ожидания (или спящий режим (sleep)) устанавливается подключением вывода RS к VDD. В спящем режиме передатчик отключен, а приёмник работает в режиме пониженного энергопотребления. Принимающий вывод (RXD) по-прежнему функционирует, но на более низкой скорости.

Режим ожидания можно использовать для установки устройства в режим низкого энергопотребления и выключения передатчика в случае, если контроллер CAN неисправен и выдаёт на шину непредсказуемые данные.

2.3 Обнаружение постоянного доминанта на передатчике

Если на передатчике обнаруживается состояние постоянного доминанта, MCP2551 отключает передатчик от CANH и CANL. Эта возможность предотвращает постоянное разрушение шины CAN неисправным узлом (контроллером CAN или самим MCP2551).

Драйверы отключаются, если низкий уровень присутствует на TXD в течение более чем ~1.25 мс (минимум) (см. Рис.2).

Драйверы остаются отключенными всё время, пока на TXD остаётся низкий уровень. Появление нарастающего фронта на TXD сбросит логику таймера и включит драйвер.

Рис. 2. Обнаружение постоянного доминанта на TXD

2.4 Сброс при включении питания и защита от кратковременного снижения питания

имеет способность сброса при включении питания (Power-On Reset - POR) и обнаружения кратковременного снижения напряжения питания (Brown-Out Detection - BOD) (см. Рис.3).

Сброс при включении питания (POR)

Когда на MCP2551 подаётся питание, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока VDD не достигнет высокого напряжения POR (POR high voltage - VPORH). Кроме того, если при включении питания на выводе TXD низкий уровень, выводы CANH и CANL остаются в высокоимпедансном состоянии до тех пор, пока на TXD не установится высокий уровень. После чего драйвер будет функционировать нормально.

Обнаружение кратковременного снижения напряжения питания (BOD)

BOD происходит, когда VDD опускается ниже низкого напряжения сброса при включении питания (power-on reset low voltage - VPORL). В этой точке выводы CANH и CANL входят в высокоимпедансное состояние и остаются в нем, пока не будет достигнуто напряжение VPORH.

Рис. 3. Сброс при включении питания и обнаружение кратковременного снижения напряжения питания

2.5 Смещения земли

Поскольку не требуется обеспечивать общую землю между узлами, то возможно возникновение смещений земли между ними. То есть каждый узел может наблюдать разные однопроводные напряжения шины (напряжения синфазного сигнала шины), в то же время поддерживая одинаковое дифференциальное напряжение. В то время как MCP2551 предусмотрен для управления смещениями земли от - 12 В до +12 В, спецификация ISO-11898 требует только от - 2 В до +7 В. На Рис.9 и 10 показано, как между узлами возникают смещения земли.

Рис.4 показывает передающий узел с положительным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANH = +12 В. Максимальное выходное напряжение доминанта CAN (VO (CANH)) от передающего узла составляет 4.5 В. Вычитание этого максимума даёт смещение земли (относительно принимающего узла) в 7.5 В для передающего узла. В рецессивном состоянии каждый узел пытается притянуть выводы CANH и CANL к их основным уровням (обычно 2.5 В). Однако результирующее напряжение синфазного сигнала в рецессивном состоянии принимает значение 6.25 В для принимающего узла и - 1.25 В для передающего.

Рис.5 показывает передающий узел с отрицательным смещением земли относительно принимающего узла. Приёмник MCP2551 может работать с CANL = - 12 В. Минимальное выходное напряжение доминанта CAN (VO (CANL)) из передающего узла составляет 0.5 В. Вычитание этого минимума даёт фактическое смещение земли относительно принимающего узла в - 12.5 В. Напряжение синфазного сигнала для рецессивного состояния составляет - 6.25 В для принимающего узла и 6.25 В для передающего.

Поскольку все узлы работают как передатчики для части каждого сообщения (то есть каждый приёмник должен подтверждать (ACK) правильные сообщения в течение временного интервала ACK), наибольшее смещение земли, допускаемое между узлами составляет 7.5 В, как показано на Рис.9.

Работа системы CAN с большим смещением земли может привести к увеличению электромагнитных излучений. Если система чувствительна к излучениям, нужно предпринять меры для устранения смещений земли.

Рис. 4. Земля принимающего узла ниже земли передающего

Рис. 5. Земля принимающего узла выше земли передающего

2.6 Оконечная нагрузка шины

Оконечная нагрузка шины (bus termination) используется для минимизации отражения сигнала в шине. ISO-11898 требует, чтобы шина CAN имела номинальную характеристику входного полного сопротивления линии передачи в 120 Ом. Поэтому обычное значение согласующего резистора для каждого конца шины составляет 120 Ом. Есть несколько различных способов реализации оконечной нагрузки, используемых для увеличения электромагнитной совместимости (EMC) (см. Рис.6):

. Стандартная оконечная нагрузка.

. Разделённая оконечная нагрузка.

. Смещённая разделённая оконечная нагрузка.

Примечание: электромагнитная совместимость определяется не только передатчиком и методом оконечной нагрузки, но также и тщательным анализом всех компонентов и топологии системы.

2.7 Стандартная оконечная нагрузка

Как подразумевает название, эта оконечная нагрузка состоит из одинарных резисторов номиналом в 120 Ом на каждом конце шины. Этот метод приемлем во многих системах CAN.

2.8 Разделённая оконечная нагрузка

Разделённая оконечная нагрузка приобретает всё большую популярность, так как позволяет легко добиваться снижения излучения. Разделённая оконечная нагрузка - модификация стандартной оконечной нагрузки, в которой один резистор номиналом 120 Ом на каждом конце шины разделяется на два резистора по 60 Ом с развязывающим конденсатором, присоединенным между резисторами и подключенным к земле. Номиналы этих резисторов должны как можно меньше отличаться друг от друга.

2.9 Смещённая разделённая оконечная нагрузка

Этот метод оконечной нагрузки используется для поддержания синфазного напряжения рецессивного сигнала на постоянном значении, таким образом увеличивая EMC. Эта схема аналогична схеме разделённой оконечной нагрузки, но добавлена дополнительная схема делителя напряжения для достижения напряжения VDD/2 между двумя резисторами по 60 Ом (см. Рис.6).

Примечание: Номиналы резисторов смещения на Рис.6, также как и резисторов разделённой оконечной нагрузки, должны как можно меньше отличаться друг от друга.

Рис. 6. Схемы оконечной нагрузки

2.10 Схема подключения микроконтроллера к шине CAN с помощью MCP2551

Схема подключения микроконтроллера к шине CAN с помощью популярного приёмопередатчика CAN типа MCP2551 приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Схема подключения микроконтроллера

Заключение

В ходе выполнения данной работы были изучены преимущества и недостатки протокола CAN.

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.

Список литературы

1. "CAN Specification", Robert Bosh, Postfach 300240, D-7000 Stuttgart 30.

. Hans-Christian Reuss "Extended Frame Format. A New Option of the CAN Protocol",

. #"justify">. #"justify">. www.mikroe.com.

. www.microchip.com.

7. Вальпа О. Современная среда разработки mikroC для программирования микроконтроллеров на языке высокого уровня Си. Современная электроника. 2010. № 6. с.64

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ "Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Рад

Больше работ по теме: