Общие сведения о шине CAN часть 1.

02.06.2016

Общие сведения о шине CAN часть 1.

В этом разделе будут рассмотрены следующие вопросы:

• История шины CAN
• Технология шины CAN
• Шина CAN и помехоустойчивость

История шины CAN

Протокол CAN регламентирует сообщения, с помощью которых устройства в сети обмениваются данными. Он был первоначально разработан для применения в автомобильной промышленности.

Разработка шины CAN была запущена в начале 80-х годов. В 1986 г. система последовательной шины Controller Area Network (CAN) была представлена на  конгрессе Ассоциации инженеров автомобилестроения (SAE), что ознаменовало появление одного из самых успешных когда-либо созданных сетевых протоколов.

Сегодня протокол CAN, позволяющий объединять в единое целое различные контрольные блоки и системы управления, используется во всех современных автомобилях и в других транспортных средствах, от поездов до кораблей, а также в промышленных системах управления (где он называется DeviceNet).

Шина CAN, адаптированная для применения на морских судах, известна как сеть NMEA 2000.

Протокол CAN является сегодня одним из доминирующих и возможно даже основным во всем мире инструментом системы последовательной шины, используемым для соединения всех видов приборов и оборудования в одной сети.

Технология

CAN -- это широковещательный стандарт последовательной шины для соединения нескольких ведущих электронных устройств. Этот тип соединения известен как multi-master, что означает отсутствие центрального узла управления.

Каждый узел (электронное устройство) шины может отправлять и получать сообщения, но не одновременно. Сообщение состоит, прежде всего, из идентификатора (ID), который обычно выбирается для определения типа сообщения или отправителя и включает до восьми байтов данных. Он передается в шину последовательно. Все узлы  (устройства) имеют процессор узла и интерфейс CAN, через который они подключаются к шине. Если шина свободна, любой узел может начать передачу. Если два и более узлов начнут отправку сообщений одновременно, сообщение с более доминирующим ID (который имеет больше доминирующих битов, то есть нулей) переписывает менее доминирующие ID других узлов. Таким образом, в конечном счете (после ID-арбитража) остается только доминирующее сообщение, которое получается всеми узлами. Приемные узлы затем определяют, представляет ли значение идентификатора какой-либо интерес для них или нет.

После завершения передачи доминирующего сообщения все «проигравшие стороны» в арбитражном процессе пытаются отправить свои сообщения еще раз. Это так называемый недеструктивный арбитраж, при котором сообщение с самым высоким  приоритетом не уничтожается.

Протокол CAN является событийно-управляемым в противоположность протоколу с инициацией по времени. Архитектура шины не предполагает ограничений в отношении того, когда узлы могут отправлять сообщения в сеть.

Помехоустойчивость

Информация передается по шине как разность потенциалов между двумя сигнальными линиями CAN_H и CAN_L. Если обе линии имеют одинаковое напряжение, сигналом является рецессивный бит. Если потенциал линии CAN_H выше, чем потенциала линии CAN_L на 0,9 В, сигнал линии является доминантным битом. Никакой независимой опорной точки заземления для этих двух линий не существует. Таким образом, шина оказывается неуязвима для любых фоновых шумов.

Сигналы двух линий CAN подвергаются тем же самым электромагнитным наводкам, следовательно, разность потенциалов между этими двумя линиями будет оставаться неизменной. Поэтому шина неуязвима также для электромагнитных помех.

NMEA 2000 Network

В этом разделе будут рассмотрены следующие вопросы:

• Топология сети NMEA 2000
• Кабели сети NMEA 2000 и их длина
• Соединители сети MNEA 2000 и терминальные согласующие устройства
• Питание и заземление сети NMEA 2000

Сетевая топология

В кабельной системе  NMEA 2000 используется топология магистрали с отводами и линиями снижения. 

Кабели

Чтобы сетевые кабели можно было использовать в качестве линии передачи данных и для питания постоянного тока, они должны отвечать определенным требованиям в отношении  волнового сопротивления, задержки распространения и сечения провода.

В сетях NMEA 2000 должен использоваться отдельный водонепроницаемый кабель, включающий одну витую пару сигнальных проводов, одну витую пару проводов питания и провод заземления. Провод заземления экранирует сигнальные провода и провода питания от внешних радиочастотных помех, а также снижает собственное радиоизлучение кабеля.

Допускается использование трех видов кабелей: мини-кабель (Mini cable), который обычно используется для сетевой магистрали из-за способности выдерживать токи до 8 A, средний кабель (Mid cable), обычно используемый в качестве магистрали в малых сетях, и микро кабель (micro cable), обычно используемый в качестве кабельных отводов для подключения устройств к магистрали (оба последних кабеля выдерживают токи до 4 A). Чем тоньше кабель, тем большей гибкостью он обладает при установке.

Длина сетевых кабелей

Поскольку все устройства в сети должны получать одни и те же биты данных в те же самые интервалы времени, максимальной длина сети  NMEA 2000 между двумя конечными точками не должна превышать 200 м, что теоретически соответствует максимальный скорости передачи данных 250 кб/с.

Ограничения проводов питания по току могут, однако, еще больше снизить максимальную длину кабеля.

Поскольку устанавливать терминальные резисторы на устройствах, подключенных к сети не требуется, длина линии снижения не должна превышать 6 м, чтобы не вызвать отражения сигналов в сеть. К сети можно подключать до 50 устройств, однако совокупная длина линий снижения в сети не может превышать 78 м.
Для подключения устройств к магистрали используются тройниковые соединители.
Объединение устройств в гирляндную цепь не допускается!

Соединители

Для подключения кабелей к устройствам или другим компонентам сети стандарта NMEA2000 используются 5-контактные промышленные соединители, превращающие сеть в систему plug.and-play.

Разводка контактов соединителя и цветовая маркировка проводов показаны ниже.

Цвет	Наименование	Назначение
Модель	FCV-295	CVS-1410
Белый	CAN_H	Сигнал
Синий	CAN_L	Сигнал
Оголенный	SHIELD	Экран/заземление
Черный	Power-C	Общий провод питания
Красный	Power-S	Питание

Cетевые оконечные устройства

Чтобы уменьшить отражения сигналов в сети, необходимо установить согласованную нагрузку
на каждом конце соединительной линии. Если сеть не будет оборудована терминальными резисторами, она не будет работать должным образом.

Терминальный резистор обычно подключается к последнему тройниковому соединителю магистрали как внутренний резистор линии, то есть резистор встраивается в разъем и подключается непосредственно к тройнику.
Терминальный резистор можно также установить в устройстве, подключенном к последнему тройнику магистрали.

Подключение питания

Рабочий диапазон напряжения питания для совместимых узлов в сети NMEA 2000 составляет 9-16 В постоянного тока.

Подключение питания к сети обычно выполняется через отвод питания. Если сеть запитывается в середине (или в любой точке, кроме концевой), кабельная система может выдерживать нагрузку, превышающую максимально допустимое значение для кабеля, при условии что максимальный ток не превышается ни в одном сегменте магистрали.

Сети с концевым питанием обычно используются при наличии в них малого числа устройств.
Подключение питания в середине применяется тогда, когда число подключенных устройств требует более высокого тока, чем в конфигурации с концевым питанием.

Заземление

Сеть NMEA 2000 должна заземляться только в одном месте, чтобы избежать возникновения петель заземления, которые могут вызвать проблемы со связью в сети. Провод заземления/экран должен подключаться только к заземлению источника питания.

Общие сведения о шине CAN часть 2.