Цифровые шины передачи данных CAN-BUS

Лекция: шина CAN (Controller Area Network)

1. Введение

CAN (Controller Area Network) — это стандарт последовательной связи для объединения в сеть электронных устройств, обеспечивающий надёжную передачу данных в условиях сильных электромагнитных помех.

2. История создания

• 1983 г. — компания Bosch начинает разработку протокола для автомобильной промышленности.
• 1986 г. — официальная презентация CAN на конгрессе SAE (Society of Automotive Engineers).
• 1987 г. — Intel выпускает первый CAN‑контроллер (82526).
• 1991 г. — стандарт CAN 2.0 (разделение на части A и B).
• 1993 г. — принятие ISO 11898 как международного стандарта.
• 2000‑е гг. — развитие CAN FD (Flexible Data‑rate) для увеличения пропускной способности.

Ключевые мотивы разработки:

• необходимость заменить громоздкие проводные соединения в автомобилях;
• требование высокой надёжности в условиях электромагнитных помех;
• потребность в децентрализованной архитектуре (отсутствие главного контроллера).

3. Сферы применения

Основное применение

• Автомобильная промышленность:
  управление двигателем;
  системы безопасности (ABS, ESP);
  бортовые сети комфорта;
  приборные панели;
  телематика.
• Промышленная автоматизация:
  станки и роботы;
  конвейерные линии;
  системы управления зданиями.
• Медицинское оборудование:
  аппараты ИВЛ;
  диагностические комплексы;
  инфузионные системы.

Другие области

• железнодорожный транспорт;
• сельскохозяйственная техника;
• морские суда;
• аэрокосмическая отрасль;
• умные дома.

4. Технические характеристики

• Скорость передачи: от 10 кбит/с до 1 Мбит/с (стандарт), до 5 Мбит/с (CAN FD);
• Максимальная длина линии: до 1 км (при 50 кбит/с), до 40 м (при 1 Мбит/с);
• Количество узлов: до 127 (теоретически), обычно 32–64;
• Топология: общая шина с терминальными резисторами (120 Ом);
• Разрядность данных: 0–8 байт в стандартном кадре;
• Контроль ошибок: CRC, контроль битовых полей, подтверждение приёма.

5. Архитектура и принцип работы

Физический уровень

• двухпроводная дифференциальная линия (CAN_H, CAN_L);
• доминирующее состояние (логический «0») — разница потенциалов ~2 В;
• рецессивное состояние (логическая «1») — разница потенциалов ~0 В;
• терминальные резисторы 120 Ом на концах шины.

Канальный уровень

Формат кадра:

1. Начало кадра (SOF);
2. Идентификатор (11 или 29 бит);
3. Контроль доступа;
4. Длина данных (0–8 байт);
5. Данные;
6. CRC (15 бит);
7. Подтверждение (ACK);
8. Конец кадра (EOF).

Механизм арбитража:

• узлы «слушают» линию при передаче;
• при коллизии продолжает передачу узел с меньшим идентификатором;
• гарантирует доставку высокоприоритетных сообщений.

6. Преимущества CAN

• Надёжность:
  дифференциальная передача сигналов;
  встроенный контроль ошибок (CRC, битовый контроль);
  автоматическое повторение при ошибке.
• Реальное время:
  детерминированная задержка доставки;
  приоритезация сообщений через идентификатор.
• Экономичность:
  минимум проводных соединений;
  низкая стоимость компонентов.
• Масштабируемость:
  лёгкое добавление новых узлов;
  отсутствие перенастройки сети.
• Устойчивость:
  работа при сильных электромагнитных помехах;

за счёт витой пары защита от наведённых ЭМ помех

• 
  отказоустойчивость (отключение неисправных узлов).

7. Недостатки CAN

• Ограниченная пропускная способность:
  максимум 1 Мбит/с в классическом CAN;
  малый объём данных в кадре (до 8 байт).
• Сложность диагностики:
  необходимость специализированного оборудования;
  трудности локализации неисправностей.
• Ограниченное число узлов:
  практические ограничения при большом количестве устройств.
• Жёсткие требования к топологии:
  строго «общая шина»;
  точное соблюдение длины линий и терминации.
• Высокая стоимость разработки:
  требуется глубокое понимание протокола;
  затраты на сертификацию.

8. Методы диагностики CAN‑сети

1. Визуальный осмотр

• проверка целостности кабелей;
• контроль подключения терминальных резисторов (120 Ом);
• осмотр разъёмов на наличие окислов.

2. Измерение физических параметров

• Сопротивление шины: между CAN_H и CAN_L должно быть ~60 Ом (два резистора 120 Ом параллельно);
• Напряжение:
  рецессивное состояние: CAN_H ≈ 2,5 В, CAN_L ≈ 2,5 В;
  доминирующее состояние: CAN_H ≈ 3,5 В, CAN_L ≈ 1,5 В;
• Волновое сопротивление: должно быть 120 Ом ±10 %.

3. Анализ сигналов осциллографом

• форма сигналов CAN_H и CAN_L;
• длительность битового интервала;
• амплитуда дифференциального сигнала (должно быть ~2 В);
• наличие помех и отражений.

4. Программная диагностика

• CAN‑анализаторы (например, CANalyzer, CANoe):
  захват и декодирование кадров;
  статистика ошибок;
  симуляция узлов.
• Логирование трафика:
  выявление «молчащих» узлов;
  анализ частоты сообщений;
  поиск коллизий.

5. Встроенные механизмы самодиагностики

• счётчики ошибок передачи (TEC) и приёма (REC);
• автоматический переход в «пассивный» режим при критических ошибках;
• сигнализация о перегрузке шины.

6. Типовые неисправности и их признаки

• Обрыв линии: отсутствие трафика, высокое сопротивление (>240 Ом);
• Короткое замыкание: нулевое дифференциальное напряжение;
• Неправильная терминация: отражения сигнала, ошибки CRC;
• Конфликт идентификаторов: потеря сообщений, высокие счётчики ошибок;
• Перегрузка шины: задержки, пропущенные кадры.

9. Инструменты диагностики

• Осциллограф — анализ формы сигналов;
• Мультиметр — измерение сопротивления и напряжения;
• CAN‑интерфейс (USB‑CAN, PCI‑CAN) — захват трафика;
• Специализированное ПО (CANalyzer, Wireshark с плагином CAN);
• Тестовые генераторы CAN — имитация узлов и нагрузок.

10. Практические рекомендации

1. При проектировании:
   соблюдайте максимальную длину линии для заданной скорости;
   устанавливайте терминальные резисторы на обоих концах;
   используйте экранированную витую пару (STP).
2. При монтаже:
   избегайте резких изгибов кабеля;
   обеспечивайте надёжный контакт разъёмов;
   разделяйте CAN‑линию и силовые цепи.
3. При диагностике:
   начинайте с измерения сопротивления шины;
   проверяйте напряжение в рецессивном и доминирующем состояниях;
   анализируйте трафик с помощью CAN‑анализатора.