Wyjaśnienie magistrali CAN: jak kontrolery, systemy zarządzania bateriami (BMS) i wyświetlacze ze sobą komunikują się

W nowoczesnym urządzeniu elektrycznym, elementy nie tylko wymieniają energię, ale również informacje. Sterownik musi znać stan baterii, wyświetlacz – prędkość i temperatury, a drugi sterownik – parametry pierwszego. Najpopularniejszym sposobem na to jest rozwiązanie pochodzące z branży motoryzacyjnej: złącze CAN. Ten przewodnik wyjaśnia, jak ono działa i jak prawidłowo podłączyć je, unikając błędów.

Autobus, a nie połączenie

Klasyczne połączenie szeregowe łączy dwa urządzenia. CAN, z kolei, jest szyną komunikacyjną: wszystkie urządzenia są podłączone do tych samych dwóch przewodów, a każde z nich może komunikować się z każdym innym. Aby dodać urządzenie, wystarczy podłączyć je do szyny, bez konieczności ciągnięcia nowego kabla do kontrolera. To właśnie sprawiło, że stała się ona standardem w motoryzacji, gdzie dziesiątki komputerów wykorzystują tylko kilka par przewodów.

W lekkich pojazdach elektrycznych zazwyczaj znajdują się jeden lub więcej kontrolerów, system zarządzania baterią (BMS), wyświetlacz, moduł telemetrii lub ładowarka.

Dwa przewody, jedna różnica

CAN wykorzystuje parę przewodów: CAN High i CAN Low. Informacja nie jest przesyłana za pomocą napięcia jednego przewodu w stosunku do masy, ale za pomocą różnicy między tymi dwoma przewodami:

• W stanie spoczynku (w trybie "recessive"), oba przewody mają napięcie zbliżone do połowy napięcia zasilania obwodu
• Aby wysłać bit "dominujący", nadajnik rozłącza oba przewody: przewód górny podnosi się, a przewód dolny opada.

Zakłócenia elektryczne, takie jak te generowane przez kontroler dostarczający setki amperów, wpływają na oba przewody w podobny sposób. Ich różnica, natomiast, pozostaje niezmieniona. To właśnie sprawia, że protokół CAN jest tak odporny w środowisku elektrycznym pełnym zakłóceń, pod warunkiem, że oba przewody są skręcone razem.

Rezystory końcowe

Pojemnik CAN musi mieć rezystancję 120 omów pomiędzy liniami CAN High i CAN Low na każdym ze swoich dwóch końców fizycznych. Zapobiega to odbijaniu się sygnałów na końcu kabla i przywraca magistralę do stanu spoczynku.

• Połączenie magistrali komunikacyjnej (CAN) zostało prawidłowo wykonane: mierząc napięcie między liniami CAN High i CAN Low, przy wyłączonych urządzeniach, otrzymujemy około 60 omów (co odpowiada połączeniu dwóch rezystorów po 120 omów równolegle).
• Około 120 omów: brakuje rezystora zakończeniowego.
• Wartość wyraźnie niższa niż 60 omów: oznacza to zbyt dużą liczbę podłączonych urządzeń, co często wynika z aktywacji zakończeń przez wiele urządzeń jednocześnie.

Brakujące lub nadmiarowe złącza są najczęstszą przyczyną niestabilnego połączenia.

Identyfikatory i priorytety

Każdy komunikat CAN posiada identyfikator, czyli numer, który wskazuje, o czym ten komunikat informuje (np. „stan baterii” lub „żądana prędkość silnika przedniego”). Urządzenia odczytują wszystkie komunikaty i przechowują tylko te, które są dla nich istotne.

Kiedy dwa urządzenia zaczynają transmitować jednocześnie, porównują swoje identyfikatory bit po bicie, za pomocą tego samego przewodu. Dominujący bit zastępuje bit podrzędny: urządzenie, które wysyła bit podrzędny i odbiera bit dominujący, rozumie, że przegrało i przestaje transmitować. Najmniejszy identyfikator zawsze wygrywa, a żadna informacja nie zostaje uszkodzona. Nazywa się to arbitrażem: wiadomości o krytycznym znaczeniu otrzymują najmniejsze identyfikatory.

Wbudowana niezawodność

• Każda wiadomość zawiera kod kontrolny. Uszkodzona wiadomość jest wykrywana i ponownie przesyłana.
• Każdy odbiornik potwierdza prawidłowy odbiór za pomocą pojedynczego bitu potwierdzenia.
• Urządzenie, które generuje zbyt wiele błędów, automatycznie wyłącza się, aby nie zablokować całego systemu.

Prędkość magistrali

Wszystkie urządzenia podłączone do magistrali muszą działać z tą samą prędkością. Najczęściej stosowane wartości to 250 i 500 kilobitów na sekundę, a czasami 1 megabit. Im szybsza jest magistrala, tym krótsza może być jej maksymalna długość. Jednak w przypadku lekkich pojazdów, o długości nie przekraczającej kilku metrów, długość zazwyczaj nie stanowi ograniczenia. Nowsza wersja, CAN FD, umożliwia przesyłanie większej ilości danych w każdym komunikacie przy wyższej prędkości.

Przykład: dwa kontrolery połączone

W hulajnodze z dwoma silnikami, dwa kontrolery połączone magistralą CAN działają jak jeden: ten, który odbiera sygnał z przycisku przyspieszenia, przekazuje go do drugiego, a jedno oprogramowanie do konfiguracji widzi oba. Dotyczy to kontrolerów VESC, o których mowa w naszym przewodniku „VESC – proste wyjaśnienie”.