can bus

CAN. Filiberto Pla (Universitat Jaume I) 1

CANControl Area Network

Bus de ComunicacionesSerie en Tiempo Real


ndice Introduccin

Historia Aplicaciones

Caractersticas del bus CAN Implementacin:

Niveles OSI Arquitectura de controladores CAN

Capa fsica Codificacin de bits Enganche al medio

Capa de enlace de datos Broadcasting Formato de mensajes Peticin remota Acceso mltiple al bus Deteccin de errores

Protocolos CAN de alto nivel Bibliografa


Introduccin

Historia: Desarrollado en los aos 80 por

Bosch. originalmente para aplicaciones en

automocin. Idea inicial: comunicar entre si varios

microcontroladores para: control de motores, control de transmisin automtica y sistemas de frenos antideslizantes.

Desde 1992 se utiliza en coches, y lamayora de las compaas deautomocin europeas lo utilizan.

La industria automovilstica ocupa el80% de la utilizacin de CAN.

Se ha extendido a otros muchoscampos en los ltimos aos.


Introduccin

Aplicaciones:

Industria automovilstica: control de motor, mecnica, etc. control de sistemas de

entretenimiento.


Introduccin

Aplicaciones (continuacin) Control de trfico y transporte pblico:

Trenes y autobuses. Semforos. Sistemas de informacin

conductor/pasajeros.

Maquinas mviles: Aviones, helicpteros. Maquinara agrcola, ...


Introduccin

Aplicaciones (continuacin): Sistemas de control industrial:

Sistemas de control de plantas. Sistemas de control de maquinara. Sistemas de control de robots. Redes entre mquinas. Sistemas de supervisin.


Introduccin

Aplicaciones (continuacin): Automatizacin de edificios:

Control de ascensores y elevadores. Aire acondicionado. Sistemas de

calefaccin y refrigeracin. Control de la iluminacin.

Campos de aplicacin especiales: equipamiento mdico. simuladores de vuelo, ...


Introduccin

Aplicaciones (continuacin)

Redes empotradas: electrodomsticos, maquinas expendedoras, copiadoras. Algunas compaas lo utilizan como:

interconexin de dispositivos bus entre dispositivos.

En general: cualquier aplicacin que precise de

control distribuido en tiempo real: comunicacin entre controladores.

Comunicaciones en tiempo real conescaso flujo de datos:

comunicacin entre dispositivos.


Caractersticas

Bus serie. Transmisin en tiempo real:

asegura tiempos de latencia. Sigue el estndar ISO 11898. Multimaestro:

todos los nodos CAN puedentransmitir y

Multicast con sincronizacin:

varios pueden acceder al bus dedatos simultneamente.

NODO 1Controlador

CAN

NODO 3

ControladorCAN

Bus CAN

NODO 2Controlador

CAN

NODO nControlador

CAN


Caractersticas

No hay sistema de direccionamiento de losnodos en el sentido convencional.

Los mensajes se envan con una prioridad: Un nodo emisor enva el mensaje a

todos los nodos de la red (broadcasting). Cada nodo, segn el identificador del

mensaje, lo filtra y decide si debeprocesarlo o no.

El identificador determina tambin laprioridad del mensaje.

La prioridad del mensaje determina qumensaje accede al bus.

NODO 1Controlador

CAN

NODO 3

ControladorCAN

Bus CAN

NODO 2Controlador

CAN

NODO nControlador

CAN


Caractersticas

Flexibilidad. Se pueden aadir nodos, sinque ellos perturbe el funcionamiento delos dems nodos.

Gran fiabilidad en la transmisin: deteccin de errores. sealizacin y envo de errores. re-envo automtico de mensajes

corruptos cuando el bus est activode nuevo.

distincin entre errores temporales yfallos permanentes de nodos.

desconexin automtica de nodosdefectuosos.

Puede operar en ambientes concondiciones extremas de ruido einterferencias.

Los mecanismos de verificacin deerrores garantizan que las tramascontaminadas sean detectadas.


Caractersticas

Cada red puede alcanzar 1000 metrosde longitud: ampliables con el uso de repetidores.

Velocidad de transmisin: depende de la longitud de la red:

Longitud del bus Velocidad enbits/s

Tiempo mximode transmisin*

Hasta 25 m 1 Mbit/s 129 sHasta 100 m 500 Kbit/s 258 sHasta 500 125 Kbit/s 1032 ms

Hasta 1000 m 50 Kbit/s 2580 ms* mensajes de 129 bits de longitud


Implementacin

Implementacin de los niveles OSI(Open System Interconection, ISO 7498):

Arquitectura de capas del CAN


Implementacin

Arquitecturas de controladores CAN


Capa fsica

Physical Interface Layer

Physical Signaling (PLS)

Implementada dentro del controladorCodificacin/Descodificacin de bitsTemporizacin de los bitsSincronizacin

Physical Medium Attachment (PMA)

Caractersticas del transceiver

Medium Dependent Interface (MDI)

Cable/Conector


Capa fsica

Codificacin de bits:

Mtodo NRZ (Non-Return-to-Zero):

No hay flanco de subida o bajada paracada bit.

Durante el tiempo de bit hay bitsdominantes (Low) y recesivos (High).

Disminucin de la frecuencia de laseal respecto a otras codificaciones(Manchester coding).


Capa fsica

Bit-Stuffing Rule:

NRZ no proporciona flancos para re-sincronizacin: transmisin de varios bits

consecutivos de la misma polaridad. Se utiliza para asegurar la re-

sincronizacin. Cada 5 bits de misma polaridad, se

inserta uno de polaridad opuesta.


Capa fsica

Enganche al medio:

Existen varios estndares oficiales yen la industria.

CAN High-Speed (ISO 11898-2), es el

ms importante.

Con un solo cable (SAE 2411) Transmisin por fibra ptica. Transmisin sin cables.


Capa fsica

Transceivers tolerantes a fallos (ISO

11898-3).

Originalmente diseados paravelocidades bajas, 125 kbit/s.

Se utilizan en automviles conpasajeros.

Proporciona transmisin diferencial (2cables) y en caso de error en la lneapuede pasar a modo detransmisin/recepcin en un solocable.


Capa fsica

Conector estndar CiA DS-102:

DB9. La asignacin de pines se utiliza

tambin por otros protocolos demayor nivel (CANopen, SmartDistributed System, ...)


Capa de enlace de datos

Data Link Layer

LLC (Logical Link Control)

Filtrado de aceptacinNotificacin de sobrecargaGestin de recuperacin

MAC (Medium Access Control)

Encapsulacin / Desencapsulacin de datosCodificacin del frame (Stuffing, Destuffing)Gestin de acceso al medioDeteccin de erroresSealizacin de erroresAcknowledgmentSerializacin / Deserializacin



Especificaciones del Protocolo CAN: CAN Protocol Specification 2.0 A:

controladores que solo manejamensajes estndar con identificadorde 11 bits.

CAN Protocol Specification 2.0 Bpassive:

controladores que solo transmitenmensajes estndar con identificadorde 11 bits, pero comprueba si recibemensajes estndar y mensajesextendidos con identificadores de 29bits.

CAN Protocol Specification 2.0 Bactive:

controladores que transmiten yreciben mensajes estndar con ymensajes extendidos.



Broadcasting El nodo emisor transmite a todos los

nodos de la red. Sin especificar un destino. Todos los nodos escuchan a la red. Cada nodo debe filtrar aquellos

mensajes que les interesan.



Formato mensaje de datos Start of Frame

(SOF): parasincronizacin con otros nodos.

Arbitration Field, que contiene laprioridad del mensaje.

Control Field, que especifica elnmero de bytes que hay en elmensaje.

Cyclic Redundancy Check (CRC) para

deteccin de posibles errores. Campo de datos, hasta 8 bytes.



Formato mensaje de datos(continuacin): Acknowledgment Field

(ACK): El nodo transmisor pone este bit como

recesivo. Cualquier nodo que reciba el mensaje

lo pone como dominante, paracomunicar que se ha recibido por almenos un nodo.

End of Frame (EOF) entre dos tramas

debe haber 3 bits recesivos.



Formato del campo de arbitraje:

En formato estndar: 11 bits, seguido por el RTR bit

(Remote Transmision Request). En tramas de datos, el RTR es

dominante. IDE (Identifier Extension) que es

dominante, por lo que hace prevalecersobre mensajes de formato extendido.



Formato del campo de arbitraje (cont.):

En formato extendido: 11 bits de identificador base y 18 de

extendido. El bit SSR (Substitute Remote

Request) sustituye al STR y esrecesivo.



Peticin remota: Peticin de mensaje a un nodo. Son como preguntas de un nodo a

otro. El nodo que tiene la respuesta la

comunica en una segundacomunicacin.

La respuesta puede ser recibida porms de un nodo, si estn interesados.



Formato del mensaje de peticin remota: Se enva una trama con el

identificador del nodo requerido. El nodo enviar un mensaje de datos

respondiendo. Diferencias con el mensaje de datos.

El bit RTR se enva como dominante. No hay campo de datos.

En caso de que se enve un mensajede datos y de peticin remota con elmismo identificador: el de peticin gana el acceso al bus

(RTR dominante).



Acceso mltiple al bus: El protocolo CAN permite acceder a

varios nodos simultneamente al bus. Si ms de un nodo quiere acceder al

bus, se utiliza un proceso de arbitraje(CSMA/CA+AMP): No destructivo. Al nivel de bit. Deteccin de colisiones.

Basado en prioridades: Prioridad especificada en el

identificador del mensaje.



Arbitraje de acceso al bus: En redes como ethernet:

CMSA/CD (Carrier Sensor MultipleAccess - Collision Detection).

Cuando varios nodos accedensimultneamente, se detecta unmensaje de contencin.

La transmisin se interrumpe. Despus de un tiempo de espera,

diferente para cada nodo, se intentade nuevo el acceso.

La cancelacin durante la contencindisminuye la capacidad detransferencia.

En picos de trfico, puede inclusollegar a bloquearse la red.

No conveniente para aplicaciones entiempo real.



Arbitraje de acceso al bus Token Passing:

Cada nodo esta en posesin de la reddurante un tiempo dado.

El derecho de acceso se pasa a losdems nodos de forma cclica.

El tiempo de latencia para un mensajees como mximo el tiempo de ciclo.

P(tlat)

tciclo tlat

1/tciclo

Distribucin deprobabilidad del tiempode latencia



Arbitraje de acceso al bus: CSMA/CA+AMP

La contencin se realiza al nivel de bit(bitwise contention).

Conflictos de accesos se evitanmediante la asignacin de unaprioridad a cada mensaje.

El mensaje de mayor prioridadsiempre accede al bus.

Tiempos de latencia dependen de laprioridad.

Por razones de cooperacin con losdems nodos de la red:

Se determina un tiempo de ciclo(similar a Token Passing).

Solo se transmite un mensaje de lamisma prioridad cada ese tiempo deciclo.



Acceso CSMA/CA+AMP Cada nodo enva los bits del

identificador del mensaje. Cada nodo emisor monitoriza la red

comprobando lo que emitie. El nodo de mayor prioridad (con bits

dominantes) gana el bus sin perdida de tiempo sin tener que repetir el mensaje.

Los dems nodos enviarn mensajescuando haya terminado la transmisin.



Deteccin de errores Mtodos de chequeo de bit Mtodos de chequeo de trama

Chequeo de bit Monitorizacin en la transmisin:

el emisor comprueba en el medio quelo que transmite corresponde a lo queall aparece.

Bit stuffing.

Cada 5 bits consecutivos del mismovalor, se inserta un bit de valorinverso.

Si se detecta una trama con 6 o msbits consecutivos del mismo valor, latrama no es vlida.



Chequeo de trama: Campo CRC

Informacin adicional a la trama Se calcula mediante un polinomio

generador. Permite detectar errores aleatorios en

hasta 5 bits o una secuencia seguida de 15 bits

corruptos. El receptor calcula el CRC de la

misma forma que el emisor.



Chequeo de trama: ACK

El emisor lo enva como un bitrecesivo.

Cualquier receptor lo sobrescribecomo dominante.

El emisor, en la monitorizacin,comprueba que el mensaje ha sidoescuchado.

Hay ciertos campos de la trama quedeben tener ciertos valoresdeterminados: Si no los tiene, la trama est corrupta.



Comunicacin de errores: Todas las comprobaciones se hacen

por todos los nodos del bus. Si uno de ellos detecta un error

Envia a los dems nodos un flag deerror, compuesta por 6 bitsdominantes y 6 bits recesivos.

Flag de error se propaga en toda lared (6 bits dominantes viola la reglade bit stuffing).

Todos los nodos descartan elmensaje.

El emisor lo reenva de nuevo.



Estados de error de un nodo CAN: Contadores de errores internos en los

controladores: uno para emisin (TEC) uno para recepcin (REC)

Se incrementan cuando se detectanerrores.

Se decrementan despus detransmisiones o recepcionescorrectas.



Estados de error de un nodo CAN: Error Active: el nodo puede enviar

mensajes (flags) de error. Error Passsive:

el nodo cambia de formato demensajes de error (6 bits recesivos enlugar de domiantes)

los dems nodos no detectan estosmensajes y as no ralentiza lascomunicaciones.

Bus off: el nodo se auto-desconectadel bus.


Protocolos CAN de alto nivel

El protocolo CAN especifica: La forma de transmitirse la

informacin En que condiciones se realiza. Estandar ISO 11898

Se precisa protocolo adicional de msalto nivel: Para especificar la estructura de la

informacin que se transmite. Otros mecanismos para dotar de

funcionalidad especfica a los nodos.

Ejemplos de protocolo de ms alto nivel: CANopen MCNet protocol


Bibliografa CAN Application Fields, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de CAN Implementation, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de CAN Physical Layer, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de CAN Data Link Layer, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de CANOpen, CiA (CAN in Automation),

http://www.can-cia.de CAN Specification 2.0 Part A, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de CAN Specification 2.0 Part B, CiA (CAN in

Automation), http://www.can-cia.de Kiencke, U. ; Controller Area Network, 1st

ICC Conference, 1991. Tindell, K. And Burns, A. ; Guaranteeing

Message Latencies on Control Area Network(CAN), 1st ICC Conference, 1991.

Innformacin CAN (artculos, etc.)http://www.kvaser.se/can/info/index.htm

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