CAN kopnes pamati: fiziskais slānis, kadru struktūra un kļūdu noteikšana
CAN kopne, ko 1986. gadā izstrādāja Bosch un standartizēja kā ISO 11898, ir plaši izmantota lauka kopne HVAC iekārtām, dzesētājiem, frekvenču pārveidotājiem un ēku automatizācijas kontrolleriem. Tās diferenciālā signalizācija, aparatūras arbitrāža un piecu līmeņu kļūdu noteikšana padara to izturīgāku nekā RS485 Modbus elektriski trokšņainās tehniskajās telpās – šo pamatu izpratne ir būtiska pirms jebkuras CANopen ierīces uzstādīšanas.
ISO 11898-2 fiziskais slānis un diferenciālā signalizācija
ISO 11898-2 definē ātrgaitas CAN – variantu, ko izmanto gandrīz visās ēku automatizācijas un rūpniecības lietojumprogrammās. Fiziskais slānis izmanto diferenciālo pāri: CAN_H (CAN High) un CAN_L (CAN Low), abi atsaucoties uz GND. Recesīvajā stāvoklī (loģiskais 1) abas līnijas peld aptuveni 2,5V un diferenciālais spriegums ir 0V. Dominējošajā stāvoklī (loģiskais 0) CAN_H tiek virzīts uz aptuveni 3,5V un CAN_L uz aptuveni 1,5V, nodrošinot 2V diferenciāli, kas ir imūna pret kopējā režīma troksni līdz ±30V.
Izmantojiet ekranētu vītā pāri ar raksturīgo pretestību 120Ω – Belden 9841 (viena pāra, 24AWG) vai ekvivalentu. Pievienojiet ekrānu tikai vienā galā (parasti panelī), lai izvairītos no zemes cilpām. Abi kopnes segmenta gali jānoslēdz ar 120Ω rezistoru starp CAN_H un CAN_L. Sadalītā terminācija (divi 60Ω rezistori ar 4,7nF kondensatoru pret zemi viduspunktā) uzlabo EMC veiktspēju augsta trokšņa vidē.
CAN kopnes vadu savienojums – 3 vadu savienojums
CAN kopnes kabelis (Belden 9841 vai ekvivalents, 120Ω STP): CAN_H CAN_H spailes uz visiem mezgliem CAN_L CAN_L spailes uz visiem mezgliem GND GND spailes uz visiem mezgliem (atsauce, nevis signāla zeme) Terminācijas rezistori: 1. mezgls (pirmais mezgls kopnē): 120Ω starp CAN_H un CAN_L N. mezgls (pēdējais mezgls kopnē): 120Ω starp CAN_H un CAN_L Visi starpmezgli: NAV terminācijas Mērīt termināciju (kopne izslēgta): CAN_H pret CAN_L pretestībai jābūt ~60Ω (Divi 120Ω rezistori paralēli = 60Ω) Vērtības ārpus 54–66Ω norāda uz trūkstošu vai papildu termināciju
Brīdinājums: Zvaigžņu topoloģija un koku topoloģija nav atļauta CAN kopnē. Visiem mezgliem jāpievienojas vienam lineāram maģistrālajam kabelim – atzaru stieņi jātur zem 0,3 m, lai novērstu signāla atstarojumus. Gari stieņi izraisa dominējošo bitu kļūdas pie augstiem bitu ātrumiem.
Bitu ātrums pret kabeļa garumu
CAN kopnes bitu ātrumu ierobežo izplatīšanās aizkave – laiks, kas signālam nepieciešams, lai sasniegtu vistālāko mezglu un atgrieztos pirms bitu perioda beigām. ISO 11898-2 nosaka standarta bitu ātruma un kabeļa garuma kombinācijas. Ēku automatizācijas sistēmās reti nepieciešams 1 Mbit/s; 125 kbit/s vai 250 kbit/s ir tipisks HVAC iekārtām ar kabeļu posmiem 100–500 m starp tehniskajām telpām.
| Bitu ātrums | Maks. kabeļa garums | Maks. atzara garums | Tipisks pielietojums |
|---|---|---|---|
| 1 Mbit/s | 40 m | 0,3 m | Mašīnu vadība, īss iekšpaneļa |
| 500 kbit/s | 100 m | 0,3 m | Rūpnieciskās piedziņas, kompakta tehniskā telpa |
| 250 kbit/s | 250 m | 0,3 m | HVAC vairāku dzesētāju, stāva tehniskā telpa |
| 125 kbit/s | 500 m | 0,3 m | Ēkas mugurkauls, starpstāvu posmi |
| 50 kbit/s | 1000 m | 0,3 m | Gari kabeļu posmi, lielas vietas |
| 20 kbit/s | 2500 m | 0,3 m | Kampusa mēroga, reti izmantots |
Piezīme: Visiem mezgliem vienā CAN segmentā jādarbojas ar vienādu bitu ātrumu. Sajaukt 250 kbit/s un 125 kbit/s ierīces vienā kopnē nav iespējams – izmantojiet CAN atkārtotāju vai atsevišķus segmentus, kas savienoti caur vārteju, ja nepieciešami dažādi ātrumi.
CAN kadru struktūra
Standarta CAN datu rāmis (ISO 11898-1) sastāv no septiņiem laukiem. Izpratne par arbitrāžas ID lauku ir būtiska CANopen konfigurācijai – COB-ID (Communication Object Identifier), ko izmanto CANopen, ir 11 bitu standarta CAN ID. Paplašinātie rāmji izmanto 29 bitu ID un tiek izmantoti CANopen ar 4 baitu COB-ID (paplašinātās adresācijas režīms).
| Lauks | Biti | Apraksts |
|---|---|---|
| SOF | 1 | Rāmja sākums – dominējošais bits, kas sinhronizē visus uztvērējus |
| Arbitrāžas ID (standarta) | 11 | Ziņojuma identifikators – zemāka vērtība = augstāka prioritāte kopnē |
| Arbitrāžas ID (paplašinātais) | 29 | Paplašinātā rāmja formāts – ietver 11 bitu bāzi + 18 bitu paplašinājumu |
| RTR | 1 | Remote Transmission Request – 1 = pieprasījums pēc datiem no cita mezgla |
| IDE | 1 | Identifier Extension bits – 0 = standarta rāmis, 1 = paplašinātais rāmis |
| DLC | 4 | Datu garuma kods – datu baitu skaits: 0 līdz 8 |
| Dati | 0–64 biti | Datu slodze: 0 līdz 8 baiti klasiskajam CAN; līdz 64 baitiem CAN FD |
| CRC | 15 + 1 | 15 bitu cikliskais atkārtojuma pārbaude plus CRC atdalītājs (recesīvais bits) |
| ACK | 2 | Apstiprinājuma slots (dominējošais) + ACK atdalītājs (recesīvais) |
| EOF | 7 | Rāmja beigas – 7 recesīvie biti |
Kļūdu noteikšanas mehānismi
CAN ir pieci neatkarīgi kļūdu noteikšanas mehānismi, kas darbojas vienlaicīgi. Katra atklātā kļūda liek visiem mezgliem atmest pašreizējo rāmi un raidītājam to atkārtoti nosūtīt. Mezgls, kas atkārtoti izraisa kļūdas, pāriet no kļūdu aktīvā uz kļūdu pasīvo un pēc tam uz kopnes atslēgšanas stāvokli, aizsargājot tīklu no bojāta mezgla.
| Kļūdas veids | Noteikšanas metode | Biežākais cēlonis |
|---|---|---|
| CRC kļūda | Uztvērējs pārrēķina CRC un salīdzina ar nosūtīto vērtību | Bojāti datu biti no EMI vai gara kabeļa |
| Bitu kļūda | Raidītājs uzrauga kopni un atklāj sava bita līmeņa neatbilstību | Īssavienojums, kopnes konkurence, vadu defekts |
| Rāmja kļūda | Fiksētā formāta lauki (EOF, CRC atdalītājs) tiek pārbaudīti pareizam līmenim | Bitu pildījuma kļūme, bojāta rāmja struktūra |
| ACK kļūda | Raidītājs pārbauda, vai vismaz viens uztvērējs nosūta dominējošo ACK | Trūkstošs mezgls, nepareizs bitu ātrums, nav terminācijas |
| Pildījuma kļūda | Pēc 5 secīgiem vienāda līmeņa bitiem jāseko komplementāram bitam | EMI izraisa vienāda līmeņa rindu, kas pārsniedz 5 bitus |
Neiznīcinošā bitu arbitrāža
Kad divi vai vairāki mezgli mēģina vienlaicīgi pārraidīt, CAN atrisina konfliktu, izmantojot bitu arbitrāžu, neiznīcinot nevienu ziņojumu. Katrs mezgls uzrauga kopni pārraides laikā – ja mezgls pārraida recesīvu bitu (1), bet nolasa dominējošu bitu (0), tas nekavējoties pārtrauc pārraidi un pārslēdzas uz uztvērēja režīmu. Mezgls ar zemāko skaitlisko arbitrāžas ID vienmēr uzvar.
CANopen tas nozīmē, ka zemākiem COB-ID ir augstāka prioritāte. Avārijas ziņojumi (EMCY, COB-ID 0x080 + mezgla ID) un sirdsdarbības ziņojumi tiek piešķirti zemākiem COB-ID nekā PDO dati – nodrošinot, ka trauksmes signāli nekad netiek aizkavēti aiz procesa datu plūsmas. Piešķiriet zemākos mezgla ID viskritiskākajām ierīcēm, piemēram, ugunsgrēka paneļu vārtejām vai dzesētāja trauksmes kontrolleriem.
CAN FD – elastīgs datu ātrums
CAN FD (ISO 11898-1:2015) paplašina klasisko CAN ar diviem uzlabojumiem: mainīgs datu fāzes bitu ātrums līdz 8 Mbit/s (salīdzinājumā ar 1 Mbit/s klasiskajam CAN) un datu slodzes izmērs līdz 64 baitiem (salīdzinājumā ar 8 baitiem). Arbitrāžas fāze joprojām darbojas ar klasisko bitu ātrumu saderībai – tikai datu fāze pārslēdzas uz augstāku bitu ātrumu pēc BRS (Bit Rate Switch) bita.
| Parametrs | Klasiskais CAN | CAN FD |
|---|---|---|
| Maks. arbitrāžas bitu ātrums | 1 Mbit/s | 1 Mbit/s (tāds pats – atpakaļsaderīgs) |
| Maks. datu fāzes bitu ātrums | 1 Mbit/s | 8 Mbit/s |
| Maks. datu slodzes baiti | 8 baiti | 64 baiti |
| CRC garums | 15 biti | 17 vai 21 bits (garāks lielākām datu slodzēm) |
| Ēku automatizācijas izmantošana | Plaši izplatīts – lielākā daļa HVAC ierīču | Jaunāks – jaunāki VFD, enerģijas skaitītāji |
Piezīme: Lielākā daļa ēku automatizācijas CAN ierīču (dzesētāji, gaisa apstrādes iekārtas, VFD) joprojām izmanto klasisko CAN ar 125 vai 250 kbit/s. CAN FD aparatūra (PEAK-System PCAN-USB FD, Vector CANalyzer FD) ir atpakaļsaderīga un var sazināties ar klasiskajiem CAN mezgliem tajā pašā segmentā, ja datu fāzes ātrums netiek iesaistīts, runājot ar klasiskajiem mezgliem.
Diagnostikas rīki
Izmantojiet CAN analizatoru nodošanas ekspluatācijā laikā, lai pārbaudītu kopnes satiksmi, uzraudzītu kļūdu rāmjus un apstiprinātu mezgla ID pirms integrācijas ar CANopen vārteju. Nozarē ir trīs standarta rīki.
| Rīks | Saskarne | Lietošanas gadījums |
|---|---|---|
| PEAK-System PCAN-USB | USB dongle, ~€100 | PCAN-View bezmaksas programmatūra – satiksmes noklausīšanās, rāmju sūtīšana, žurnāls CSV |
| PEAK-System PCAN-USB FD | USB dongle CAN FD, ~€130 | Tāpat kā iepriekš, bet atbalsta CAN FD datu fāzi līdz 8 Mbit/s |
| Vector CANalyzer | PCI/USB karte, profesionāls | Pilna protokola analīze, CANopen objektu vārdnīcas skats, skriptēšana |
| Kvaser Leaf Light v2 | USB dongle, ~€180 | Kvaser CanKing bezmaksas programmatūra – piemērota lauka nodošanai ekspluatācijā |
| PCAN-View (bezmaksas) | Programmatūra (Windows) | Izmanto ar PEAK adapteriem – filtrēšana pēc COB-ID, kļūdu skaitītāju uzraudzība |
Nepieciešams CAN kopnes panelis ar CANopen vārtejas integrāciju?
Mēs projektējam un izgatavojam zemsprieguma paneļus ar CANopen–KNX/Modbus/BACnet vārtejām, pareizu 120Ω termināciju, ekranētu CAN vadu un nodošanas ekspluatācijā dokumentāciju HVAC un rūpniecības objektiem.
Request a quote