Вступление. В середине восьмидесятых, когда фирма Robert Bosch GmbH предложила собственный вариант сети контроллеров для решения проблемы угрожающе разраставшейся тогда

В середине восьмидесятых, когда фирма Robert Bosch GmbH предложила собственный вариант сети контроллеров для решения проблемы угрожающе разраставшейся тогда проводки автомобилей, вероятно, никто, включая самих разработчиков, не предполагал, что спустя несколько лет короткая и звучная аббревиатура CAN (Controller Area Network) станет широко известна далеко за пределами автомобильной отрасли. Сегодня CAN-сети активно применяются в самых, казалось бы, неожиданных устройствах и механизмах — от стиральных машин до томографов и ракет: аттракционы, штамповочное, фрезерное и типографское оборудование, морские суда, промышленные роботы. Одно лишь перечисление областей человеческой деятельности, где сегодня успешно трудится Controller Area Network, способно занять целую журнальную страницу. Можно припомнить хорошо известные в России телескопы Carl Zeiss, упаковщики TetraPak, томографы Siemens, не говоря уже о множестве марок европейских грузовых и легковых автомобилей: BMW, Mercedes-Benz, Renault, Fiat,Volvo, Saab, Audi, в которых CAN-сеть является нервной системой, центром управления жизненно важными узлами.

Ряд оригинальных и эффективных технических решений, положенных в основу CAN-протокола фирмой Bosch, а также последующие годы «проверки на прочность» CAN-сетей в самых разных, как правило, очень непростых условиях эксплуатации — поистине, во всех трех стихиях: на земле, в небесах и на море — обеспечили CAN мировое признание, закрепленное в 1993 году в международном стандарте ISO 11898. На сегодняшний день стандарт ISO 11898 наряду с современной спецификацией Bosch CAN 2.0A/B является базовым документом разработчиков CAN-устройств — от трансиверов до модулей и сетей. Координацию усилий производителей, разработчиков и пользователей CAN-систем и технологий осуществляет международная некоммерческая организация CiA (CAN in Automation), объединяющая более 300 компаний во всем мире. Среди многочисленных достоинств CAN-сетей можно выделить следующие.

§ Невысокая стоимость как самой сети, так и ее разработки. На рынке существует большой выбор CAN-контроллеров по цене до $10, а простейшие устройства вводавывода — CAN SLIO (CAN 2.0A) стоят менее доллара. Следует отметить доступность и широкий выбор готовых CAN-модулей и недорогих инструментальных средств.

§ Высокая степень надежности и «живучести» сети, благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок (одна незамеченная ошибка за более чем триста лет круглосуточной работы сети на скорости 500 кбит/с), повтору ошибочных сообщений, самоизоляции неисправных узлов, иммунитету к электромагнитным помехам.

§ Простота конфигурирования и масштабирования сети, отсутствие теоретических ограничений на количество узлов.

§ Поддержка разнотипных физических сред передачи данных, от витой пары до оптоволокна и радиоканала.

§ Эффективность реализации режима реального времени, благодаря мультимастерности, широковещанию, побитовому арбитражу и высокой скорости передачи данных (до 1 Мбит/с).

§ Промышленный стандарт — десятки производителей CAN-компонентов и оборудования, включая практически всех электронных гигантов: Intel, Philips, Siemens, Motorola. Гарантированная доступность элементной базы в течение, как минимум, 10 лет.

Однако действующий стандарт CAN ограничивается спецификацией только двух самых нижних уровней эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO — физического и канального (рис. 1).

Описываются физические параметры среды передачи данных (только в ISO 11898), форматы сообщений, процессы передачи данных длиной до 8 байт, механизмы обнаружения ошибок и др. Но за рамками стандарта остаются решения таких важных при разработке вопросов, как адресация узлов, распределение между ними CAN-идентификаторов, интерпретация содержимого фрейма данных, передача данных длиной более 8 байтов и др., то есть все то, что обычно рассматривается на более высоких уровнях, вплоть до 7-го прикладного. Разумеется, сервисов двух нижних уровней может оказаться вполне достаточно, когда речь идет о разработке сравнительно простой сети, не планируемой к расширению и вдобавок состоящей из созданных под нее узлов-модулей. Или, к примеру, стоит задача создать «закрытую» сеть на основе оригинального протокола. Но в подавляющем большинстве случаев практических CAN-разработок двух «стандартных» уровней оказывается явно мало, а изобретение «велосипеда протоколов» для конкретной задачи — слишком дорогое, долгое и, следовательно, малоэффективное занятие. Поэтому с самого начала опубликования CAN-спецификаций и выпуска первых CAN-компонентов как независимыми компаниями, так и ассоциациями по промышленной автоматизации непрерывно велась и продолжается до сих пор работа над созданием спецификаций протоколов верхнего уровня — HLP (Higher Level Protocol) для CAN-сетей.

Уже разработанные и существующие в настоящее время спецификации протоколов CAN HLP, как правило, имеют сжатую трехуровневую архитектуру (рис. 1), включающую в себя два базовых уровня CAN-протокола, иногда дополняемых спецификациями физического уровня (соединители, кабели и т. п.), и прикладной уровень. Сервисные функции промежуточных уровней либо отсутствуют, либо включены в прикладной. Соблюдение полной иерархии уровней эталонной модели OSI/ISO в системах управления не требуется, кроме того, наличие дополнительных изолирующих межуровневых интерфейсов привело бы к потере производительности системы в режиме реального времени и сделало бы существенно менее предсказуемыми задержки прохождения сообщений в сети.

Преимущества использования стандартных HLP при разработке CAN-сетей очевидны и немалочисленны. Во-первых, в отличие от использования только сервисов ISO 11898 или Bosch 2.0A/B, вместе с тем или иным HLP разработчик получает в руки уже готовые механизмы передачи данных любой длины, процедуры начальной инициализации, распределения идентификаторов и т. п., а кроме этого, часто впридачу и конкретную спецификацию физической среды: длина и топология шины, скорости передачи, типы кабелей, соединителей и т. п. — для своей области применения (например гидравлика, общественный транспорт), на подготовку и тестирование которой в реальных условиях уже потрачены силы большого числа разработчиков и экспертов. Во-вторых, появляется возможность интегрирования модулей сторонних производителей и простого наращивания сети в будущем, применения широкого спектра имеющихся на рынке инструментальных средств для того или иного HLP, что значительно снижает время и стоимость разработки и положительно сказывается на показателях надежности. В-третьих, протоколы HLP позволяют максимально эффективно задействовать многие преимущества CAN, особенно при работе в режиме реального времени. И, наконец, немалое число всевозможных групп пользователей и производителей оборудования для тех или иных HLP способны если не решить за разработчика его задачу, то уж, во всяком случае, значительно облегчить ему жизнь.

Многочисленность существующих CAN-протоколов прикладного уровня — на сегодня их уже более четырех десятков — наряду с наличием метапротоколов (например CAN Kingdom) в известной мере снимает проблему, связанную с оборотной стороной любой стандартизации и заключающуюся в ограничении свободы системного разработчика. Среди многообразия CAN HLP, представленных на современном рынке CAN-технологий, особого внимания заслуживают четыре поддерживаемых ассоциацией CiA и получивших наибольшее распространение в последнее время. Это CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System).

Поиск по сайту: