Can state error active

Всех приветствую, сегодняшняя статья будет целиком и полностью посвящена обзору протокола CAN. А в одной из следующих статей мы реализуем обмен данными по CAN на практике. Но не буду забегать вперед…

CAN (Controller Area Network) — это промышленный стандарт, позволяющий осуществить объединение в единую сеть различных узлов, механизмов, датчиков и т. п. Протокол является широковещательным, это значит, что все устройства в CAN-сети принимают все передаваемые по шине сигналы. Режим передачи данных — последовательный, при этом байты сообщений формируют кадры определенного вида. Структуру этих кадров данных мы также обязательно разберем в этой статье.

Основные характеристики протокола CAN:

• очень высокая надежность и защищенность
• каждое сообщение имеет свой собственный приоритет
• реализован механизм обнаружения ошибок
• автоматическая повторная отправка сообщений, которые были доставлены с ошибкой
• уже упомянутый широковещательный характер передачи данных
• возможность присутствия нескольких ведущих (master) устройств в одной сети
• широкий диапазон скоростей работы
• высокая устойчивость интерфейса к помехам
• кроме того, есть механизм обнаружения «сбойных» узлов с последующим удалением таких узлов из сети.

Первоначально стандарт был разработан для автомобильной промышленности. И занималась этим компания Bosch в 1980-х годах. Основная идея заключалась в том, чтобы уйти от использования огромного количества проводов, соединяющих многочисленные узлы автомобиля. И протокол CAN позволил этого достичь. С тех пор CAN является основным механизмом соединения устройств, узлов и датчиков автомобиля между собой. Помимо этого, интерфейс CAN активно используется в промышленной автоматизации, а также в системах «умного дома».

Давайте перейдем к физическому уровню протокола. В интернете можно найти много противоречивой информации на этот счет, но истина тут одна ) Стандарт CAN компании Bosch не регламентирует физический уровень передачи данных, поэтому могут использоваться абсолютно разные варианты, например, оптоволокно. На практике же чаще всего используется соединение посредством двухпроводной дифференциальной линии (витой пары). Ориентировочная максимальная длина линии для разных скоростей передачи данных составляет:

Важным условием работоспособности шины является наличие на концах витой пары согласующих резисторов, которые также называют терминаторами, с сопротивлением 120 Ом:

В отличие от многих других протоколов в CAN не рекомендуется описание битов данных как «логического нуля» и «логической единицы». Здесь используются понятия доминантный и рецессивный бит.

Важнейшим свойством является то, что если один из узлов сети хочет выставить на линии рецессивный бит, а другой доминантный, то в итоге на линии окажется доминантный бит. В общем-то отсюда и следует его название, от слова «доминировать» ) Очень хорошо этот процесс иллюстрирует пример с оптоволоконной линией. Как вы помните, в оптоволокне для передачи данных используется «свет», либо он есть (единица), либо его нет (ноль). При использовании в CAN-сети «свет» — доминантный бит, соответственно, отсутствие света или «темнота» — рецессивный.

Вспоминаем про важнейшее свойство передачи данных в сети. Пусть один узел выставляет на линии рецессивный бит, то есть «темноту». Второй узел, напротив, выставляет доминантный бит — «свет». В итоге на линии будет «свет», то есть доминантный бит, что в точности соответствует требованиям сети:

При использовании электрического сигнала устройство, желающее передать в линию доминантный бит, может подтянуть линию к земле. Это и приведет к тому, что на линии будет доминантный бит независимо от того, что выдают на линию другие участники коммуникации.

Это свойство используется для арбитража в сети CAN. Пусть несколько устройств хотят передать данные. Каждый из этих передатчиков сравнивает значение, которое он передает, со значением, фактически присутствующим на линии. В том случае, если передаваемое значение совпадает со считанным, устройство продолжает высылать свои данные. Если значения совпали у нескольких устройств, то все они продолжают передачу как ни в чем не бывало.

Продолжается это до того момента, когда значения станут различными. Если несколько устройств хотят передать рецессивный бит, а одно — доминантный, то в соответствии с правилом, которое мы обсудили выше, на линии окажется доминантный бит. В таком случае отправленные и считанные значения для устройств, пытающихся выдать на линию рецессивное состояние, не совпадут. В этом случае они должны прекратить передачу. А тот узел, который в этот момент передавал доминантный бит, продолжит свою работу. Доминирование в чистом виде )

Сигналы, которые передаются по витой паре, получили название CAN_H и CAN_L (High и Low). Доминантное состояние соответствует случаю, когда потенциал сигнала CAN_H выше потенциала CAN_L. Рецессивное — когда потенциалы равны (разница потенциалов не превышает допустимого отклонения, 0.5 В).

С этим вроде бы разобрались, давайте двигаться дальше! Пришло время определить, как биты объединяются в кадры. Протокол CAN определяет 4 вида кадров:

• Кадр данных (data frame)
• Кадр удаленного запроса (remote frame)
• Кадр перегрузки (overload frame)
• Кадр ошибки (error frame)

Для кадра данных возможны два варианта — базовый формат и расширенный. Вот так выглядит структура базового формата:

А это структура расширенного:

Результирующий идентификатор получается в результате объединения полей «Идентификатор A» и «Идентификатор B«.

Кадр удаленного запроса (remote frame) представляет из себя кадр данных, описанный выше, но без поля данных и с рецессивным битом RTR. Он используется в случае, когда один узел хочет запросить данные у другого узла.

Кадр ошибки (error frame) передает устройство, обнаружившее ошибку в сети. Фрейм ошибки имеет наивысший приоритет и принимается всеми устройствами сети в обязательном порядке.

Кадр перегрузки (overload frame) используется очень редко. Его идея и назначение заключаются в том, что с его помощью устройство, которое в данный момент не может принять данные, запрашивает повторную передачу этих же данных.

Давайте вернемся чуть назад, к арбитражу данных, и рассмотрим, что это может означать на практике. Итак, несколько устройств начинают передачу сообщения, а точнее кадра данных. Передается бит начала кадра и затем начинается передача идентификатора сообщения. Как вы помните, приоритет будет у того устройства, которое будет передавать доминантный бит, в тот момент, когда все остальные будут передавать рецессивный. То есть чем «позже» среди битов идентификатора появится «рецессивный бит», тем выше будет его приоритет. Другими словами: более высокий приоритет при использовании интерфейса CAN имеют сообщения с меньшим значением идентификатора.

Первые два типа кадров — кадр данных и кадр удаленного запроса — отделяются от других кадров специальным межкадровым промежутком (паузой). А для фреймов ошибки и перегрузки предусмотрена передача без пауз, чтобы обеспечить их скорейшую обработку узлами сети.

Итак, что у нас на очереди теперь? Конечно же контроль ошибок — важнейший аспект работы протокола CAN. Стандарт предусматривает несколько механизмов:

• Во-первых, это контроль передачи битов — уровень сигнала в сети сравнивается с передаваемым для каждого бита.
• Второй механизм заключается в использовании дополнительных битов (stuffing bit). После передачи любых пяти одинаковых битов автоматически добавляется передача бита противоположного значения. Таким образом, при передаче шести одинаковых битов диагностируется ошибка stuffing’а. Этот механизм используется для кодирования всех полей фреймов данных и запроса. Исключением являются только поля промежутка подтверждения, разграничителя контрольной суммы и EOF.
• Стандартная процедура проверки контрольной суммы. Передатчик вычисляет контрольную сумму для текущего кадра и передает ее в линию. В свою очередь, приемник также вычисляет контрольную сумму для принимаемых данных и сравнивает ее с тем значением, которое было отправлено передатчиком. В случае не совпадения значений диагностируется ошибка CRC.
• Также выполняется контроль битов фрейма, которые должны иметь заранее определенное значение. В случае, если реальное значение не совпадает с тем, которое ожидается, возникает ошибка.

Благодаря всем этим механизмам, вероятность необнаружения ошибки является очень низкой, что, конечно же, не может не радовать 👍

Кроме того, если один из узлов обнаружил ошибку в сообщении, он сообщает об этом в сеть CAN при помощи фрейма ошибки. А поскольку сеть у нас широковещательная, то о возникновении ошибки становится известно всем участникам коммуникации. И если в сообщении была обнаружена ошибка, его передача будет осуществлена еще раз.

И на этом еще не все! Каждый узел может находиться в одном из трех состояний:

• Error Active
• Error Passive
• Bus Off

Протокол CAN предусматривает, что изначально, после старта, узел находится в первом из этих состояний — Error Active. Каждое устройство имеет два счетчика ошибок:

• Счетчик ошибок передачи
• Счетчик ошибок приема

Существуют определенные правила обслуживания этих счетчиков, которые сводятся к следующему. Передатчик, обнаруживший ошибку, увеличивает свой счетчик ошибок передачи быстрее, чем приемники увеличивают свои счетчики ошибок приема. Это связано с предположением, что при ошибке, вероятность того, что сбой произошел именно в передатчике, а не в приемнике, достаточно велика. На практике ошибка передачи увеличивает соответствующий счетчик на 8, а ошибка приема лишь на 1. При приеме или передаче корректного сообщения как счетчик ошибок передачи, так и счетчики ошибок приема уменьшаются на 1.

Если значение любого из этих двух счетчиков узла превысит значение 127, то узел переходит в состояние Error Passive. А если величина одного из счетчиков превысит 255, то узел перейдет в состояние Bus Off.

Разница между этими состояниями заключается в действиях узла при диагностировании ошибки:

• Узел в состоянии Error Active при обнаружении ошибки передает в шину Active Error Flags — 6 доминантных бит. Поскольку биты доминантные, то это сообщение нарушает обычную работу шины и поэтому все устройства сети также фиксируют возникновение ошибки.
• Узел в состоянии Error Passive при обнаружении ошибки передает в шину Passive Error Flags — 6 рецессивных бит, которые игнорируются всеми другими участниками обмена. Поэтому увеличивается только величина счетчика ошибок одного конкретного узла.
• И, наконец, узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть — ни фреймы ошибок, ни фреймы данных, ни какие-либо другие.

Как видите, протокол CAN крайне интересен для изучения, надежен, безопасен, и удобен в использовании. И на этой позитивной ноте на сегодня заканчиваем, скоро займемся практической реализацией протокола, также поговорим о микросхемах и устройствах, обеспечивающих работу с CAN. Так что подписывайтесь на обновления, буду рад снова видеть вас на нашем сайте 🤝

What are Error Active, Error Passive, and Bus off of CAN Bus?

Just to give a little background to the answer:

In order to prevent malfunctioning nodes from disturbing, or even blocking, an entire system, the CAN protocol implements a sophisticated fault confinement mechanism. The CAN protocol is intended to be orthogonal, i.e. all nodes address faults in the same manner. Fault confinement is provided where each node constantly monitors its performance with regard to successful and unsuccessful message transactions. A Transmit Error Counter (TEC) and a Receive Error Counter (REC) create a metric for communication quality based on historic performance. Each node will act on its own bus status based on its individual history. As a result, a graceful degradation allows a node to disconnect itself from the bus i.e. stop transmitting. This means that a permanently faulty device will cease to be active on the bus (go into Bus Off state), but communications between other nodes can
continue unhindered. If the bus media is severed, shorted or suffers from some other failure mode the ability to continue communications is dependent upon the condition and the physical interface used.

Fault confinement is a checking mechanism that makes it possible to distinguish between short disturbances (e.g. switching noise from a nearby power cable couples into the transmission media) and permanent failures (e.g. a node is malfunctioning and disturbs the bus).

Manipulation of the error counters is asymmetric. On a successful transmission, or reception, of a message, the respective error counter is decremented if it had not been at zero. In the case of a transmit or receive error the counters are incremented, but by a value greater than the value they would be decrement by following a successful message transaction.

If a node detects a local error condition (e.g. due to local conducted noise, application software, etc.), its resulting error flag (primary error flag) will subsequently cause all other nodes to respond with an error flag too (secondary error flags). It is important that a distinction is made between the nodes that detected an error first and the nodes which responded to the primary error flag. If a node transmits an active error frame, and it monitors a dominant bit after the sixth bit of its error flag, it considers itself as the node that has detected the error first. In the case where a node detects errors first too
often, it is regarded as malfunctioning, and its impact to the network has to be limited. Therefore, a node can be in one of three possible error states:

Error active
Both of its error counters are less than 128. It takes part fully in bus communication and signals an error by transmission of an active error frame.This consists of sequence of 6 dominant bits followed by 8 recessive bits, all other nodes respond with the appropriate error flag, in response to the violation of the bit stuffing rule.

Error passive
A node goes into error passive state if at least one of its error counters is greater than 127. It still takes part in bus activities, but it sends a passive error frame only, on errors. Furthermore, an error passive node has to wait an additional time (Suspend Transmission Field, 8 recessive bits after Intermission Field) after transmission of a message, before it can initiate a new data transfer. The primary passive error flag consists of 6 passive bits and thus is “transparent” on the bus and will not “jam” communications.

Bus Off
If the Transmit Error Counter of a CAN controller exceeds 255, it goes into the bus off state. It is disconnected from the bus (using internal logic) and does not take part in bus activities anymore. In order to reconnect the protocol controller, a so-called Bus Off recovery sequence has to be executed. This usually involves the re-initialization and configuration of the CAN controller by the host system, after which it will wait for 128 * 11 recessive bit times before it commences communication.

• When a receiver detects an error, the REC will be increased by 1, except when the detected error was a Bit Error during the sending of an Active error Flag or an Overload Flag.

• When a receiver detects a dominant bit as the first bit after sending an Error Flag, the REC will be increased by 8.

• When a transmitter sends an Error Flag, the TEC is increased by 8. Exception 1: If the transmitter is Error Passive and detects an ACK Error because of not detecting a dominant ACK and does not detect a dominant bit while sending its Passive Error Flag. Exception 2: If the transmitter sends an Error Flag because a Stuff Error occurred during arbitration, and should have been recessive, and has been sent as recessive but monitored as dominant.

• If the transmitter detects a Bit Error while sending an Active Error Flag or an Overload Frame, the TEC is increased by 8.

• If a receiver detects a Bit Error while sending an Active Error Flag or an Overload Flag, the REC is increased by 8.

• Any node tolerates up to 7 consecutive dominant bits after sending an Active Error Flag, Passive Error Flag or Overload Flag. After detecting the fourteenth consecutive dominant bit (in case of an Active Error Flag or an Overload Flag) or after detecting the eighth consecutive dominant bit following a Passive Error Flag, and after each sequence of additional eight consecutive dominant bits, ever y transmitter increases its TEC by 8 and every receiver increases its REC by 8.

• After successful transmission of a frame (getting ACK and no error until EOF is finished), the TEC is decreased by 1 unless it was already 0.

• After the successful reception of a frame (reception without error up to the ACK Slot and the successful sending of the ACK bit), the REC is decreased by 1, if it was between 1 and 127. If the REC was 0, it stays 0, and if it was greater than 127, then it will be set to a value between 119 and 127.

• A node is Error Passive when the TEC equals or exceeds 128, or when the REC equals or exceeds 128. An error condition letting a node become Error Passive causes the node to send an Active Error Flag.

• A node is Bus Off when the TEC is greater than or equal to 256.

• An Error Passive node becomes Error Active again when both the TEC and the REC are less than or equal to 127.

• A node which is Bus Off is permitted to become Error Active (no longer Bus Off) with its error counters both set to 0 after 128 occurrence of 11 consecutive recessive bits have been monitored on the bus.

CAN Error Detection and Confinement

One of the most important and useful features of CAN is its high reliability, even in extremely noisy environments. CAN provides a variety of mechanisms to detect errors in frames. This error detection is used to retransmit the frame until it is received successfully. CAN also provides an error confinement mechanism used to remove a malfunctioning device from the CAN network when a high percentage of its frames result in errors. This error confinement prevents malfunctioning devices from disturbing the overall network traffic.

Error Detection

Whenever any CAN device detects an error in a frame, that device transmits a special sequence of bits called an error flag. This error flag is normally detected by the device transmitting the invalid frame, which then retransmits to correct the error. The retransmission starts over from the start of frame, and thus arbitration with other devices can occur again.

CAN devices detect the following errors, which are described in the following sections:

• Bit error
• Stuff error
• CRC error
• Form error
• Acknowledgment error

Bit Error

During frame transmissions, a CAN device monitors the bus on a bit-by-bit basis. If the bit level monitored is different from the transmitted bit, a bit error is detected. This bit error check applies only to the Data Length Code, Data Bytes, and Cyclic Redundancy Check fields of the transmitted frame.

Stuff Error

Whenever a transmitting device detects five consecutive bits of equal value, it automatically inserts a complemented bit into the transmitted bit stream. This stuff bit is automatically removed by all receiving devices. The bit stuffing scheme is used to guarantee enough edges in the bit stream to maintain synchronization within a frame.

A stuff error occurs whenever six consecutive bits of equal value are detected on the bus.

CRC Error

A CRC error is detected by a receiving device whenever the calculated CRC differs from the actual CRC in the frame.

Form Error

A form error occurs when a violation of the fundamental CAN frame encoding is detected. For example, if a CAN device begins transmitting the Start Of Frame bit for a new frame before the End Of Frame sequence completes for a previous frame (does not wait for bus idle), a form error is detected.

Acknowledgment Error

An acknowledgment error is detected by a transmitting device whenever it does not detect a dominant Acknowledgment Bit (ACK).

Error Confinement

To provide for error confinement, each CAN device must implement a transmit error counter and a receive error counter. The transmit error counter is incremented when errors are detected for transmitted frames, and decremented when a frame is transmitted successfully. The receive error counter is used for received frames in much the same way. The error counters are increased more for errors than they are decreased for successful reception/transmission. This ensures that the error counters will generally increase when a certain ratio of frames (roughly 1/8) encounter errors. By maintaining the error counters in this manner, the CAN protocol can generally distinguish temporary errors (such as those caused by external noise) from permanent failures (such as a broken cable). For complete information on the rules used to increment/decrement the error counters, refer to the CAN specification (ISO 11898).

With regard to error confinement, each CAN device may be in one of three states: error active, error passive, and bus off.

Error Active State

When a CAN device is powered on, it begins in the error active state. A device in error active state can normally take part in communication, and transmits an active error flag when an error is detected. This active error flag (sequence of dominant 0 bits) causes the current frame transmission to abort, resulting in a subsequent retransmission. A CAN device remains in the error active state as long as the transmit and receive error counters are both below 128. In a normally functioning network of CAN devices, all devices are in the error active state.

Error Passive State

If either the transmit error counter or the receive error counter increments above 127, the CAN device transitions into the error passive state. A device in error passive state can still take part in communication, but transmits a passive error flag when an error is detected. This passive error flag (sequence of recessive 1 bits) generally does not abort frames transmitted by other devices. Since passive error flags cannot prevail over any activity on the bus line, they are noticed only when the error passive device is transmitting a frame. Thus, if an error passive device detects a receive error on a frame which is received successfully by other devices, the frame is not retransmitted.

One special rule to keep in mind: When an error passive device detects an acknowledgment error, it does not increment its transmit error counter. Thus, if a CAN network consists of only one device (for example, if you do not connect a cable to the National Instruments CAN interface), and that device attempts to transmit a frame, it retransmits continuously but never goes into bus off state (although it eventually reaches error passive state).

Bus Off State

If the transmit error counter increments above 255, the CAN device transitions into the bus off state. A device in the bus off state does not transmit or receive any frames, and thus cannot have any influence on the bus. The bus off state is used to disable a malfunctioning CAN device which frequently transmits invalid frames, so that the device does not adversely affect other devices on the network. When a CAN device transitions to bus off, it can be placed back into error active state (with both counters reset to zero) only by manual intervention. For sensor/actuator types of devices, this often involves powering the device off then on. For NI-CAN network interfaces, communication can be started again using an API function.

Controller Area Network или, как более привычно звучит для автомобильной диагностики — CAN шина 

* Что такое  CAN? 

* Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI)) 

* Controller Area Network (CAN) 

* Основные принципы CAN 

* Как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии 

Парк автомобилей на наших улицах стремительно омолаживается и вместе с этим приходится осваивать и решать новые задачи связанные с диагностикой и ремонтом. Всё чаще и чаще сталкиваешься в своей повседневной работе с проблемами коммуникации между различными бортовыми системами автомобиля. Если ещё несколько лет назад  приезжающие на диагностику автомобили с ошибками по CAN шине (первый символ в классификации диагностического кода неисправности — U) были редкими гостями, то сейчас это практически повседневная практика. Информация на эту тему в принципе доступна и её достаточно много, даже очень много — что с одной стороны хорошо, а с другой представляет собой определённую сложность в поиске необходимой информации. Этой статьёй хотелось бы в первую очередь дать общее представление о системе CAN (Controller Area Network) тем, кто только начинает с ней знакомство, и тем, кто желает в этом поглубже разобраться. 

Что такое CAN?

Controller Area Network — это понятие вошло в обиход после того, как в начале 1980-х годов в Robert Bosch GmbH разработали стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Одно их первых внедрений в автомобильной промышленности было осуществлено на нескольких моделях автомобилей  Mercedes-Benz в 1992 году. До этого момента электронное управление исполнительными функциями строилось по системе — один блок управления принимал электронные сигналы с различных датчиков и после их обработки посылал соответствующие команды на исполнительные устройства (такие как бензонасос, форсунки, катушки зажигания и прочие…).  Увеличение объёма функций управления автомобилем,  передаваемое электронике, привело к появлению таких дополнительных систем как ABS, SRS, AT, Immobilaser и других… Совмещение этих функций в одном ЭБУ привело бы к его громоздкости и чрезмерной сложности, а так же к потере надёжности, когда выход из строя одной системы мог бы привести к потере управляемости всего автомобиля.  Поэтому автопроизводители пошли по пути разделения функций управления и выделения всех систем в отдельные блоки. А  для того,  чтобы увязать все системы в единое целое для решения общих задач управления автомобилем, на помощь пришёл коммуникационный стандарт CAN от Robert Bosch GmbH и это всё шире и шире стало применяться в автомобилестроении.  На сегодняшний день практически каждый новый автомобиль оснащён этой системой. 

Всё в принципе просто и понятно, но как устроена CAN шина и на чём основывается принцип её работы? Вот один из примеров взаимосвязи электронных блоков управления и устройств завязанных в единую бортовую коммуникационную сеть автомобиля,- рис. 1 

Здесь мы рассматриваем только блоки, связанные в проводную сеть, но в автомобилях 21 века находит всё большее применение и беспроводная передача информации. К примеру, система навигации, слежение за местонахождением автомобиля (защита от угона), контроль за давлением в шинах, удалённая диагностика и многие другие. В ближайшем будущем можно ожидать, что слияние воедино в бортовой сети автомобилей внутренних и внешних информационных потоков выведет управление транспортным средством на новый уровень безопасности и комфорта прежде всего в таких направлениях, как отображение информации предупреждения об опасных ситуациях на дорогах и даже активного смягчения последствий возможных столкновений автомобилей, а так же более рационального распределения транспортных потоков.

Немного предыстории — Взаимосвязь открытых систем (Open System Interconnection (OSI)).

Это очевидно, что если два или более микропроцессора взаимосвязаны в одну систему, то должен использоваться стандартный протокол который определяет, каким образом данные должны быть переданы между сетевыми блоками. Наиболее распространенным примером такого протокола является TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), который используется для подключения хостингов в сети Интернет. Предшественником TCP/IP был протокол — Open System Interconnection (OSI). Этот протокол был разработан в 1982 году Международным бюро по стандартизации International Organization for Standardization (ISO 7498-1:1994 (E)). OSI протокол иногда называют как «семиуровневая» модель, поскольку он состоит из семи независимых элементов, которые определяют требования к взаимосвязи на различных уровнях взаимодействия. 

Вот эти семь уровней: 

1) Уровень приложений (Application Layer) — этот уровень определяет какие приложения (программы) имеют доступ к сети. Например — электронная почта, передача файлов, терминалы удалённого доступа и веб-браузеры. 

2) Уровень представления данных (Presentation Layer) —  этот уровень определяет такие моменты, как стандарты сжатия данных и их шифрования. 

3) Уровень передачи данных (Transport Layer) — этот уровень обеспечивает стандарты передачи данных между адресатами, осуществляет контроль ошибок и безопасности. 

4) Сетевой уровень (Network Layer) — этот уровень отвечает за вопросы маршрутизации сетевого трафика данных. 

5) Уровень каналов связи (Data Link Layer) — этот уровень обеспечивает синхронизацию передачи данных и контроль ошибок. 

6) Уровень контроля за сеансами связи (Session Layer) — этот уровень обеспечивает стандартизацию начала и завершения сеансов связи между различными приложениями и сетевыми блоками. 

7) Физический уровень (Physical Layer) — этот уровень определяет стандарты физических характеристик устройств в сети, в том числе типы соединений и разъёмов, электрические характеристики кабелей, уровня напряжения, силы тока и тд. 

Но задачи, решаемые протоколом OSI не в полной мере отвечали нуждам автомобильной электроники, и как следствие этого, инженерами Robert Bosch GmbH был разработан, в развитие протокола OSI, специальный протокол CAN, который определял стандарты физического и канального уровней модели OSI в кремнии для  осуществления последовательной передачи информации между двумя или более устройствами. 

Controller Area Network (CAN)

CAN был разработан Robert Bosch GmbH для автомобильной промышленности в начале 1980-х годов и официально публично выпущен в пользование в 1986 году. Эта разработка CAN от Bosch была принята в качестве стандарта ISO (ISO 11898), в 1993 переименована в CAN 2.0A, и расширена в 1995 году, чтобы позволить идентифицировать большее  количество сетевых устройств в CAN 2.0B. Как правило, CAN шина соединяет в сеть модули (или узлы), используя два провода, витая пара. Многие компании и не только автомобильные, внедряют CAN протокол в свои разработки для взаимосвязи различных электронно-управляемых устройств. В неофициальной классификации устройства связанные протоколом CAN и имеющие процессоры серии MPC 5xx, называются TouCAN модули;  имеющие процессоры серии MPC 55xx  называются FlexCAN модули. CAN — последовательный, мульти-отправляющий, многоадресный протокол,  это означает, что, когда шина свободна, любой узел, может отправить сообщение (мульти-отправляющее устройство), и все узлы могут получить и отреагировать на сообщение (многоадресно передано). Узел, который инициирует сообщение, называют передатчиком, любой узел не отправляющий сообщение называют получателем. Всем сообщениям присвоены статические приоритеты, передающий узел остаётся передатчиком до тех пор пока шина не станет неактивной или пока в сети не появилось сообщение от другого узла с более высоким приоритетом, процесс который определяет приоритет сообщений и называется —  арбитраж. Сообщение по CAN шине может содержать до 8 байтов данных. Идентификатор сообщения описывает контент данных и используется получающими узлами для определения места назначения в сети (другими словами — адресата, узел которому это сообщение адресовано). В коротких сетях (≤ 40 м), скорость передачи сообщений может достигать до 1 Мбит/с. Более длинные сетевые расстояния уменьшают доступную скорость передачи, например до 125 Кбит/с в сети длиной до 500м. Высокоскоростной CAN  (“High speed” CAN) сетью, считается сеть со скоростью передачи данных более 500 Кбит/с. 

Основные принципы CAN 

Детали спецификации CAN протокола полностью описаны в Robert Bosch GmbH, “CAN Specification 2.0,” 1991. Ознакомиться с документом в формате PDF можно по следующему адресу. Далее я дам максимально возможно краткое описание того как данные передаются по CAN, как структурированы сообщения CAN и как обрабатываются ошибки передачи сообщений.

Есть четыре типа сообщений CAN, или фреймы (frames): фрейм данных (Data Frame), удаленный фрейм (Remote Frame), ошибочный фрейм (Error Frame) и фрейм перегрузки (Overload Frame). 

Data Frame — стандартное сообщение CAN, широковещательно передаваемые данные от передатчика на другие узлы сети. 

Remote Frame — широковещательно передаваемое передатчиком сообщение, на запрос данных от конкретного узла сети. 

Error Frame — может быть передан любым узлом, который обнаруживает ошибку в сети. 

Overload Frame — используются как запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными (Data Frame) или запросами на получение данных (Remote Frame). 

Начало сообщения (Start of Frame (SOF)) — 1 бит, должен быть доминантным. 

Идентификатор (Identifier) — 11 бит, уникальный идентификатор, указывает приоритет. 

Удаленный запрос на передачу (Remote Transmission Request (RTR)) — 1 бит, доминантный в сообщении и рецессивный в запросе на передачу сообщения. 

Резерв (Reserved) — 2 бита, должны быть доминантными. 

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)) — 4 бита, количество байтов данных (0-8). 

Поле передаваемых данных (Data Field) — от 0 до 8 байт, размер определен в поле DLC. 

Контрольный циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check (CRC)) — 15 бит. 

Разделитель CRC — 1 бит, должен быть рецессивный. 

Подтверждение (Acknowledge (ACK)) — 1 бит, передатчик отправляет рецессивный; получатель подтверждает доминантным. 

Разделитель ACK — 1 бит, должен быть рецессивным. 

Идентификатор стандартного и расширенного форматов (Identifier) — 11 бит, уникальный идентификатор, соответствует базовому ID в расширенном формате. 

Идентификатор расширенного формата (Identifier – Extended Format) — 29 бит, состоит из 11 бит базового ID и 18 бит расширенного ID. 

Удаленный запрос на передачу (Remote Transmission Request (RTR)) стандартный и расширенный форматы — 1 бит, доминантный в сообщении и рецессивный в запросе на передачу сообщения. В стандартном формате 11 бит идентификатора следуют за битом RTR. 

Замещение удалённого запроса (Substitute Remote Request (SRR)). Для расширенного формата — 1 бит, должен быть рецессивный. SRR передаются в расширенных форматах сообщений на позиции бита RTR в стандартном сообщении. В арбитраже между стандартными и расширенными сообщениями, рецессивные SRR обеспечивает приоритет стандартным сообщениям. 

Поле IDE – для стандартного и расширенного форматов — 1 бит, должен быть рецессивным для расширенного формата и доминантным для стандартного. 

Резерв (Reserved r0) для стандартного формата — 1 бит, должен быть доминантным. 

Резерв (Reserved r1, r0) для расширенного формата — 2 бита, должны быть рецессивными. 

Длина кода данных (Data Length Code (DLC)) — 4 бита, количество байтов данных (0-8). 

Поле передаваемых данных (Data Field) — от 0 до 8 байт, размер определен в поле DLC. 

Контрольный циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check (CRC)) — 15 бит. 

Разделитель CRC — 1 бит, должен быть рецессивный. 

Подтверждение (Acknowledge (ACK)) — 1 бит, передатчик отправляет рецессивный; получатель подтверждает доминантным. 

Разделитель ACK — 1 бит, должен быть рецессивным. 

Завершение сообщения (End of Frame (EOF)) — 7 бит, должны быть рецессивными. 

Фрейм данных CAN 

Фрейм данных CAN состоит из семи полей: Начало фрейма (SOF), арбитраж, управление, данные, цикличные, проверка по избыточности (CRC), подтверждение (ACK) и конец фрейма (EOF). Биты сообщения CAN обозначены как «доминирующие» (0) или «рецессивные» (1). Поле SOF состоит из одного доминирующего бита. Все сетевые узлы синхронно ожидают команды разрешения на передачу сообщений и начинают передавать одновременно. Арбитражная схема определяет, какой из узлов, пытающихся передавать сообщения имеет главный приоритет и фактически будет управлять шиной. 

Арбитраж (Arbitration)

Контрольное поле и поле данных в сообщении (Control and Data Fields) 

Поле управляющее длиной кода данных (DLC) состоит из 6 бит (из которых используются только 4 младших бита), они показывают количество данных в сообщении. Поскольку только до 8 байт данных может быть отправлено в одном сообщение, поле DLC может принимать значения в диапазоне от 000000 до 000111. Данные которые должны быть переданы содержатся только в поле данных. В первую очередь передается наиболее значимый байт (Most significant byte (MSB)) из байтов данных. 

Обработка ошибок (Error Handling) 

В протоколе CAN реализовано пять уровней обнаружения ошибок. На уровне сообщений, выполняется циклическая проверка избыточности (Cyclic Redundancy Check (CRC)), проверки сообщения и обязательное подтверждение проверок (Acknowledge (ACK)). Бит проверки уровней состоит из монитора и наполнения. 

Циклические ошибки избыточности обнаруживаются, используя код CRC размером 15 битов, вычисленный передатчиком из контента сообщения. Каждый получатель, принимающий сообщение, повторно вычисляет код CRC и сравнивает его с переданным значением. Несоответствие между этими двумя вычислениями заставляет установить флаг (flag) ошибки. Проверяемые сообщения, в которых будет установлен флаг ошибки, это обнаружение получателем недопустимого бита в разделителе CRC, разделителе ACK, в завершении сообщения EOF или в 3-х битном разделяющим сообщения пространстве. В конечном итоге каждый принимающий узел записывает доминантный бит в ячейку разделителя ACK, которая затем читается отправившим это сообщение узлом. И если приём сообщения получателем не подтверждён (возможно потому что получающий узел перестал работать) то устанавливается флаг ошибки подтверждения (ACK).

На уровне битов мы уже отметили, что каждый переданный бит считывается снова передатчиком этого сообщения при контроле подтверждения о получении сообщения, присланного получателем. Если контролируемое значение отличается от отправленного, значит на уровне битов обнаружена ошибка. Дополнительно, ошибки на уровне битов обнаруживаются при помощи «вставок»: После пяти последовательных идентичных битов, которые передаются в сообщении следует «вставка», бит противоположной полярности вставляется передатчиком в поток передаваемых битов (биты «вставки» вставляются в сообщение от поля SOF до поля CRC). Получатели автоматически проверяют сообщение на наличие «вставок». Если любой из принимающих узлов сети обнаруживает в полученном сообщении шесть последовательных идентичных битов, то фиксируется ошибка (отсутствия «вставки»). В дополнение для обнаружения ошибок, «вставки» гарантируют, что есть достаточно не нулевых окончаний в потоке битов (non-return to zero (NRZ)), чтобы поддержать синхронизацию. 

Сообщение об ошибке (The CAN Error Frame)

Если передающий или принимающий узел обнаруживает ошибку, он немедленно прерывает приём или передачу текущего сообщения. Сообщение об ошибке называемое «флаг» ошибки, составляется из шести доминантных битов и разделителя сообщения об ошибке состоящего из восьми рецессивных битов. Так как эта строка битов нарушает правило «вставок», все другие узлы также передают сообщение об ошибке. После критичного количества обнаруженных ошибок, узел в конце концов само-отключается. Надежность, особенно в производстве и автомобильной электронике, где применяется технология CAN, требует, чтобы сеть могла отделять случайные ошибки (из-за скачков напряжения, шумов или других временных причин) от постоянных, являющихся причиной неисправности узла из-за дефектов в оборудовании. Следовательно, узлы хранят и отслеживают число обнаруженных ошибок. Узел может быть в одном из трех режимов в зависимости от количества зафиксированных ошибок: 

Если количество зафиксированных ошибок в каждом буфере передачи или приёма соответствующего узла, больше чем нуль и меньше чем 128, узел считается «активным с ошибкой» (“error active”), указывая  на то, что несмотря что узел остается полностью функциональным, по крайней мере одна ошибка была обнаружена. 

Если количество зафиксированных ошибок между 128 и 255, то узел переходит в «пассивный с ошибками» (“error passive”) режим. В «пассивном с ошибками» режиме узел будет передавать на более медленном уровне, отправляя 8 рецессивных битов прежде чем снова отправить сообщение, распознав что шина свободна. 

Если количество зафиксированных ошибок более 255, то узел переходит в режим «отключен от сети» (“busoff”), отключив себя самостоятельно. 

Ошибка при получении добавляет в общее количество учтённых ошибок 1, ошибка при передаче добавляет в общее количество учтённых ошибок 8. Последующие безошибочные сообщения постепенно уменьшают количество учтённых ошибок на 1, за каждое безошибочное сообщение. Если общее количество учтённых ошибок возвращается к нулю, узел возвращается в нормальный режим функционирования. Узел в находящийся режиме “busoff” может перейти в режим “error active” после 128 входов в сеть из 11 последовательных рецессивных битов, которые были проконтролированы. Сообщение считается безошибочным, если передающий узел не нашёл в нём ошибок вплоть до поля EOF. Повреждённые сообщения отсылаются повторно сразу как только шина становится свободной. 

Запрос данных от конкретного узла сети (The CAN Remote Frame) 

Узел, которому необходимы данные от другого узла сети, может запросить передачу таких данных, отправив соответствующий запрос на получение данных (Remote Frame). Например, микропроцессору управления центральным замком на вашем автомобиле необходимо знать положение селектора коробки передач от ЭБУ трансмиссии (является ли он в положении «паркинг»). Структура запроса на получение данных аналогична структуре стандартного сообщения только без поля данных (data field) и с рецессивным RTR битом. 

Запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными и свободное пространство между сообщениями (Overload Frames and Interframe Space)

Если какой-либо узел сети будет получать сообщения быстрее, чем он может их обработать, то будет сгенерирован запрос на предоставление дополнительной паузы между получаемыми данными (Overload Frames) чтобы обеспечить дополнительное время между принимаемыми данными или запросами на получение сообщений (Remote Frame). Подобно сообщению об ошибке, Overload Frame имеет два поля с битами: flag перегрузки состоящий из шести доминирующих битов и разделитель перегрузки, состоящий из восьми рецессивных битов. В отличие от сообщений об ошибке, суммарный подсчёт Overload Frames не ведётся. 

Пространство между сообщениями состоит из трех рецессивных битов так же, как и время простоя шины между сообщениями или удаленными запросами на передачу. Во время перерыва никакому узлу не разрешают инициировать передачу (если доминирующий бит будет обнаружен во время Перерыва, то Overload Frame будет сгенерирован). Время простоя шины длится, пока у узла нет чего-то для передачи, а когда начинается передача, то в этот момент появление доминирующего бита на шине сигнализирует о начале передачи сообщения SOF. 

Загрузка шины (Bus Loading) 

CAN обеспечивает устойчивое, простое и гибкое сетевое решение для производственных, автомобильных и многих других приложений. Главный недостаток протокола CAN — что задержка сообщения не является определённой (из-за существования Error Frames, Overload Frames и повторных передач), и увеличения задержки ведёт к увеличению сетевого трафика. В целом использование шины не должно превышать 30% от максимальной мощности шины и гарантировать, что низкоприоритетные сообщения не испытывают недопустимую задержку. Использование шины определено как деление двух величин — общее количество использованных для передачи битов поделённое на общее максимально доступное количество для передачи битов , и вычисляется следующим образом:

Шаг 1 — Выбирается единица времени ≥ самого медленное зафиксированного периодического сообщение в сети (обычно 1 секунда). 

Шаг 2 — Определяются все периодические сообщения. 

Шаг 3 — К каждому из этих сообщений приблизительно одинакового размера, добавляются 47 служебных бит (размер служебных полей данных —  SOF + Arbitration + RTR + Control + CRC + Acknowledgment + EOF + 

Interframe Space = 1 + 11 + 1 + 6 + 16 + 2 + 7 + 3 = 47 bits). 

Шаг 4 — Рассчитывается количество бит используемых в сообщениях путем умножения размера сообщения в битах на количество передач выполняемых в единицу времени. 

Шаг 5 — Суммирование всех битов используемых в переданных сообщениях для оценки общего объёма сетевого трафика. Умножение этой величины на страховочный коэффициент 1.1 для получения наихудшего прогноза сетевого трафика. 

Шаг 6 — В завершении, поделите общее количество использованных для передачи битов на общее максимально доступное количество для передачи битов (например, 125 Кбит/с или 500 Кбит/с умножаются на единицу времени) для получения предполагаемого процента загрузки шины,- рис. 6

Протоколы синхронизированные по времени (Time-triggered Protocols)

Для контроля над сетью в реальном времени было бы желательно реализовать такой протокол связи, который гарантирует, что для сообщений выбираются крайние временные параметры независимо от нагрузки на шину. Пример такого протокола, который контролирует временной уровень связи CAN данных, это “time-triggered CAN,” или TTCAN (ISO 11898-4). TTCAN сообщения имеют два специальных типа, называемые «окна времени» (time windows): привилегированные окна времени (exclusive time windows), и арбитражные окна времени (arbitrating time windows). Еxclusive time windows прикреплены к специальным сообщениям, которые передаются периодически. Таким образом, Еxclusive time windows не конкурируют за доступ к шине. Аrbitrating time windows используются для сообщений не имеющих строгих ограничений по времени. 

Аrbitrating time windows, как нормальные сообщения CAN, конкурируют за доступ к шине на основе приоритета через арбитраж. Тime-triggered CAN протокол, требует наличия в сети «главного узла» (master node), который периодически широковещательно передает сигнал времени сети (называемый глобальным временем (global time)) в специальном информационном сообщении. Для повышения отказоустойчивости в сети должны быть несколько потенциальных главных узлов. Если главный узел перестал работать (обнаружено отсутствие специального информационного сообщения), другие потенциальные главные узлы конкурируют за статус «главного узла» при помощи арбитража и новым «главным узлом» становится узел с самым высоким приоритетом. После этого новый главный  узел начинает широковещательно передавать специальные информационные сообщения —  global time. Тime-triggered CAN протокол не ретранслирует повреждённые сообщения, и при этом это не вызывает Error Frames. 

У протокола TTCAN есть конкурирующий протокол FlexRay, разработанный консорциумом автомобильных производителей и поставщиков. Коммуникационное сообщение (фрейм) FlexRay состоит из периодических синициированных «статических» и «динамических» частей. Статический сегмент составлен из одинаковой длины временных интервалов, соответствующих соединенным в сеть узлам. Каждый узел передает свои сообщения синхронно в его зарезервированном слоте. Статический сегмент также передает «синхронизирующий» кадр, чтобы обеспечить глобальную переменную (timebase) для сети. В отличие от CAN, нет никакого арбитража для шины. Динамический сегмент — по существу механизм «опроса» где каждому узлу дают возможность поместить инициированное событие или асинхронное сообщение в шину в порядке приоритетов, используя механизм синхронизации «миниразделения на слоты». Для повышения отказоустойчивости, узлы сети использующей протокол FlexRay, могут быть связаны двумя шинами или каналами одновременно. 

Ну вот, в принципе, вся основная информация о протоколе CAN, а теперь немного о том, как выглядит CAN шина на примере автомобилей произведённых в Японии. Сразу хочу отметить, что без надлежащего диагностического оборудования проводить диагностику и ремонт неисправностей CAN шины можно в очень ограниченном диапазоне. Всё сведётся к проверке физической целостности проводов, проверки состояния соединительных разъёмов, проверки сопротивления проводки и Terminal resistor,  проверки соответствующего уровня напряжения на CANlow и CANhigh линиях. Применение в диагностике дилерского оборудования тоже лишь облегчит проверку и сузит круг поиска неисправности, с очень большой неохотой автопроизводители допускают контакт с программным обеспечением, своей интеллектуальной собственностью. В случае проблем на программном уровне возможно только перепрограммирование или замена соответствующего ЭБУ. 

Удачных всем ремонтов и беспроблемного обслуживания своих автомобилей. 

Задать вопрос или обсудить статью вы можете  на форуме Легион-Автодата (нажать)

Боровиков Игорь Александрович
© Легион-Автодата
(ник на форуме Легион-Автодата  – semirek)
СОЮЗ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИАГНОСТОВ 

Автосервис «Япония Авто»
г. Калининград, ул.Портовая, 45
+7 [4012] 63 12 55, 65 60 99, +7(911) 475 9493
japanauto.ru / 

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Рис. 1. Топология сети CAN.

CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии — CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы. Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица — в случае когда сигналы CAN_H и CAN_L одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В). Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях. Логический ноль — называется доминантным битом, а логическая единица — рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Типы сообщений сети CAN.

Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:

• Data Frame
• Remote Frame
• Error Frame
• Overload Frame

Data Frame — это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей:

• поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть. Поле арбитража состоит в свою очередь из:
  • для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
  • для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

  Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал).

• поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных
• поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок
• слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.

Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.

Remote Frame — это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 — рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра — это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Error Frame — это сообщение которое явно нарушает формат солобщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame — повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).

Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, каждый из них сравнивает, бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.

Методы обнаружения ошибок.

CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:

• Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement Check
• CRC Check

Bit monitoring — каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.

Bit stuffing — когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.

Frame Check — некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.

ACKnowledgement Check — каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.

CRC Check — каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение). Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок: Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.

Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.

Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют. Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).

Адресация и протоколы высокого уровня

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP — Higher Layer Protocols). Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

• DeviceNet
• CAL/CANopen
• SDS
• CanKingdom

Физичекий уровень протокола CAN

Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898. ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах — CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик — Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети. Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице:

Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.