Что такое CAN-шина в автомобиле (устройство и схема подключения)
Автомобили давно уже стали не просто компьютерами на колёсах, а скорее компьютерными сетями. Передача механических, гидравлических или пневматических усилий между узлами и механизмами со временем превратилась в обмен электрическими сигналами, а сейчас и в информационное взаимодействие.
Наряду с массовым внедрением дешёвых электронных комплектующих, потребовалось разработать достаточно сложное и надёжное сетевое физическое и программное обеспечение.
Зачем нужна в машине CAN-шина
По мере усложнения автомобильной электроники, производители столкнулись с некоторыми проблемами, которые всё больше проявлялись с ростом рыночной конкурентоспособности новых моделей.
Далее наращивать объём оборудования простым добавлением управляющих и исполнительных устройств стало невозможно:
- количество проводов в жгутах, их масса, объёмы и расход дорогостоящей меди стали превышать разумные пределы;
- многие узлы, особенно датчики и первичные преобразователи, многократно дублировались, что необоснованно увеличивало затраты;
- сложнейшие автомобили, особенно премиального класса, стали совершенно неподъёмными в обслуживании и диагностике даже для профильных сервисов из-за отсутствия стандартизации технических решений;
- надёжность машин падала по мере роста количества заключённого в них оборудования, как по чисто объективным законам связи сложности и безотказности, так и из-за отсутствия времени на отработку многочисленных уникальных систем.
Решение должно было быть радикальным, и этот качественный скачок в развитии автомобильной электроники произошёл.
Электросхемы машин стали делать по принципам, заложенным в основах вычислительной техники и к тому времени уже достаточно устоявшимся и понятным.
Автомобиль стал представлять собой сеть из микрокомпьютеров, каждый из которых обслуживал свою систему или отдельный узел.
Например, двигатель, коробку передач, узлы трансмиссии, блок климата и даже отдельные фонари наружного освещения или стеклоподъёмники. Уже не надо было тянуть к каждому устройству медные провода в огромном количестве через весь автомобиль.
Причём до появления единой информационной шины некоторые узлы были обвешаны сразу несколькими однотипными датчиками, электронными блоками и жгутами проводки.
CAN-шина обходится единственной витой парой, то есть скрученными между собой двумя тонкими проводками, которые обходят все устройства, имея ответвления на каждое из них.
По схеме получается, что все блоки соединены параллельно через данную шину. Последовательный способ передачи информации делает это возможным, отдельных проводов данных, адресов, синхронизации и назначения приоритета не требуется.
Более того, системе не нужен единый обрабатывающий и управляющий сервер, все ресурсы распределены по микроконтроллерам.
Схема и место расположения КАН-интерфейса
Сеть имеет выход наружу через диагностический OBD разъём, где на этот счёт стандартом чётко определена пара контактов.
Точнее, две пары, из дальнейшего рассмотрения станет понятно, что через диагностику можно подключаться к двум CAN-шинам различного вида и назначения.
Обеспечивающий совместную работу шлюз в разных автомобилях может быть выполнен в виде отдельного блока, входить в состав контроллера управления двигателем, но чаще – приборной панели.
Принцип работы
Работа CAN-шины определяется физическим и логическим протоколами, которые достаточно чётко стандартизованы, хотя и имеют целый ряд исполнений.
Физически это витая пара, каждый из проводов которой является сигнальным. Работают они в противофазе, один поэтому называется CAN-High, второй – CAN-Low.
Сделано так с целью обеспечить максимальную помехоустойчивость при большой скорости передачи данных. Сигнал с пары снимается по дифференциальному принципу, то есть парой встречно включённых компараторов.
На концах витой пары имеется волновое согласование двумя терминальными резисторами по 120 Ом. Хотя встречаются и другие номиналы, но редко.
Активным уровнем считается низкий, он же логический ноль. Это общий принцип в работе устройств с открытым коллектором, разве что тут не применяется инвертирование уровней. Отсюда и логический принцип работы – инициируется линия любым устройством, открывшим свой выходной транзистор и сформировавшим первый нулевой бит.
Далее идёт идентификация приоритетного устройства, которое должно передать свою информацию первым в случае конфликта во времени. Протокол стандартный, каждый бит посылки расписан в даташитах ISO.
Все устройства одновременно передают и считывают информацию чётко соблюдая протокол, зашитый в памяти их контроллеров. Ненужные или ошибочные данные определяются и игнорируются.
Виды CAN-шин
Обычно используют две шины – высокоскоростную и низкоскоростную (не желая использовать этот компрометирующий термин, некоторые производители говорят о среднескоростных устройствах).
Первая применена для связи наиболее важных устройств, агрегатов двигателя, трансмиссии, тормозов, подвесок, систем безопасности. Вторая обслуживает второстепенные функции комфорта и сервиса.
Это не значит, что системы автономны. Они связаны между собой через шлюз, обычно находящийся в приборной панели. Низкоскоростная линия также имеет свои контакты в диагностическом разъёме, записанные в стандарт.
Сделано так, чтобы системы низшего уровня важности не мешали максимально быстрому обмену приоритетных устройств. А большое быстродействие, например, регулировке сидений ни к чему.
На низшем уровне могут работать ещё более простые шины, однопроводные и низкоскоростные. Они подключаются к общей CAN через свой контроллер.
Например, в двери могут стоять стеклоподъёмники, блок кнопок управления, различные датчики, всё это нет необходимости выводить на общую шину. Но и плодить множество проводов тоже. Используются простейшие контроллеры и однопроводная сеть.
Как подключиться и сделать диагностику автомобиля
Сканеры могут внедряться в протокол шины и анализировать её состояние, а также проходящую информацию. Можно использовать виртуальные устройства, эмулирующие отдельные блоки, а также создавать и передавать тестовые команды отдельным участникам сети.
Для связи используются специальные адаптеры USB-CAN, более сложные устройства и программное обеспечение.
До появления профессиональных CAN-анализаторов и тестеров пользовались скоростным запоминающим осциллографом и логическим анализатором.
Эти приборы тоже способны сохранять и предоставлять для изучения отдельные фреймы CAN, но в работе неудобны, требуют больших затрат времени.
Неисправности
Отказы шины обычно сводятся к нескольким типовым случаям:
- пропадание питания отдельных устройств;
- повреждения проводки и разъёмов;
- отказ контроллеров.
Базой всей сетевой периферии является современная микроэлектроника и большие интегральные контроллеры серийного производства, поэтому надёжность оборудования в целом достаточно высока. Но поиски проблемного блока иногда бывают долгими из-за параллельного их подключения и размещения по всему автомобилю.
Плюсы и минусы встроенных шин
Сейчас уже трудно представить себе автомобиль с достойным набором современных опций без информационной шины, а конкурентоспособность требует ещё и высокого быстродействия.
CAN-шина всё это обеспечивает:
- имеется автоматический контроль проходящей информации на ошибки;
- дифференциальная передача сигналов и использование витой пары даёт хорошую скорость и защиту от помех;
- стандартизация протоколов упрощает диагностику и поиск неисправностей;
- построение системы приоритетов упрощает проектирование;
- все устройства функционально закончены и универсальны.
Но со временем усугубляются и недостатки. Так, усложнение автомобилей привело к тому, что быстродействия даже самых последних версий уже не хватает.
Поэтому в настоящее время эту самую распространённую автомобильную шину уже можно считать устаревшей, новые проекты обладают значительно более высоким быстродействием.