Физический уровень. 
Шины ASI, CAN, CANopen, WorldFIP

Физический уровень модели OSI обеспечивает надежную передачу битов, игнорируя содержание передаваемой информации. Основными понятиями физического уровня являются линии передачи (в большинстве случаев это витая пара, хотя допускается использовать плоский кабель или один провод и «корпусную землю», оптоволокно, радиоканал), временные диаграммы, система синхронизации, формат данных, обеспечение достоверности передачи (контрольная сумма, методы кодирования, обнаружение и восстановление ошибок). Характеристики передатчика и приемника стандартом не устанавливаются, поскольку они могут быть выбраны для каждого конкретного случая исходя из требований применения.

Таблица 2.1 — CAN в соответствии с моделью OSI.

Электрические соединения в сети CAN

Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы.

Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Длину отвода можно рассчитать по формуле.

где — длительность переднего фронта передатчика.

Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.

Выводы «земли» всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.

Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два — с гнездами.

Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй — с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа DSub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле — со штырьками. Цоколевка разъемов показана в таблице Таблица 2.2.

Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при «горячей» замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания.

Отметим, что в основанном на CAN стандарте CANopen предусмотрено гораздо большее разнообразие вариантов разъемов, в том числе для плоского кабеля, RJ-10, RJ45, разъемный винтовой клеммник, и еще около десяти вариантов специальной конструкции. Допускается применение и других разъемов.

Таблица 2.2 Цоколевка разъема D-sub для CAN.

Примечание. В каждом модуле контакты 3 и 6 должны быть соединены Стандарт устанавливает следующие скорости обмена: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500 кбит/с, 250 кбит/с, 125 кбит/с, 50 кбит/с, 20 кбит/с. CAN-модули могут поддерживать не все скорости, но желательно, чтобы их количество было наибольшим.

Трансивер CAN

Типовая структура трансивера CAN (на примере микросхемы LT1795 фирмы Linear Technology) приведена на рисунке.

Рисунок 2.1- Структурная схема трансивера CA.

При подаче уровня логического нуля на вход (вход является инвертирующим) оба транзистора выходного каскада передатчика открываются и через нагрузку (два резистора по 120 Ом) течет ток, создающий в линии состояние, соответствующее логической единице. При этом потенциал вывода всегда будет выше, чем вывода (рисунокРисунок 2.2). Значения потенциалов, предусмотренные стандартом, приведены в таблицеТаблица 2.3. При логической единице на входе передатчика его выход переходит в высокоомное состояние и дифференциальное напряжение на линии становится равным нулю.

Рисунок 2.2 — Пояснение понятий рецессивного и доминантного состояния.

Таблица 2.3 — Значения потенциалов на линии передачи CAN.

Отметим, что наличие терминальных резисторов в CAN необходимо не только для согласования линии (как в случае RS-485), но даже для создания пути протекания тока.

CAN передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй — логическую единицу, то это состояние не является аварийным, как в сети на основе интерфейса RS-485, поскольку сквозного тока не возникает. В случае CAN линия остается в состоянии логической единицы. Иначе говоря, логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие «доминантное состояние» (доминирующее) состояние линии для обозначения состояния линии с током, и понятие «рецессивное состояние» как противоположное доминантному (рисунокРисунок 2.2http://www.bookasutp.ru/Chapter2₆.aspx — рис. 2.21).

Это свойство CAN обеспечивает возможность получения доступа к линии, сравнивая посылаемые в линию логические уровни с тем уровнем, который фактически устанавливается в ней: если передатчик посылает в линию рецессивное состояние, а в ней при этом остается доминантное, значит линия занята. Доступ получает тот узел сети, который может предоставить ей доминантный уровень сигнала. Узлы с рецессивным уровнем покидают линию и ждут следующего случая. Этот метод доступа справедлив и при использовании оптоволоконного канала или беспроводной сети — в этих случаях наличие света или электромагнитной волны всегда будет доминировать над их отсутствием.

Вывод на рисункеРисунок 2.1 позволяет установить пороговое напряжение для входа и уровень синфазного напряжения в линии, когда она находится в рецессивном состоянии. Обычно. Чтобы установить уровень синфазного напряжения на линии, терминальные сопротивления делят на два по 60 Ом, соединяют их последовательно, а к точке соединения подключают вывод. При симметричной форме импульсов и относительно рецессивного состояния уменьшается уровень излучаемых помех, поскольку приращения токов в каждом из проводов витой пары при переключении логических уровней (см. рисунок Рисунок 2.2) оказываются равными по величине, но обратными по знаку и поэтому компенсируют друг-друга.

Вывод имеет несколько назначений. Если на нем установлено состояние логической единицы, трансивер переходит в спящий режим, при котором он потребляет очень малый ток от источника питания, а на выходе устанавливается высокоомное (рецессивное) состояние. «Разбудить» его можно сигналом, поступающим в приемник из линии передачи. Подключение этого вывода к «земле» через сопротивление позволяет установить нужную длительность фронтов импульсов передатчика. Некоторые трансиверы имеют два режима: резервный и спящий, которые отличаются уровнем потребляемого тока и способом перевода в активный режим. Режим пониженного энергопотребления предусмотрен стандартом для экономии заряда аккумуляторных батарей в припаркованном автомобиле.

Если сигнал является доминирующим слишком долго (более 1 мс), генератор импульса таймаута (на рисункеРисунок 2.1 обозначен прямоугольником с импульсом) временно отключает передатчик, поскольку в противном случае модуль может быть навсегда блокирован средствами канального уровня как отказавший.

Стандартом предусмотрена возможность подключения к CAN сети любого количества устройств, однако практически оно ограничивается нагрузочной способностью передатчиков (100…200) или задержкой в повторителях.

В CAN-трансивере имеется генератор синхроимпульсов с частотой 16 МГц ±0,1%. Ширина одного бита программно устанавливается величиной от 8 до 25 импульсов синхрогенератора, обычно 8 импульсов при скорости передачи 1 Мбит/с и 16 импульсов при 20 кбит/с. Синхронизация всех узлов сети происходит в течение первого такта синхронизации. Процедура обработки битов в приемнике обеспечивает программируемую задержку импульсов синхронизации, необходимую для компенсации времени задержки прохождения сигнала в линии связи и сдвига фазы вследствие дрейфа частоты тактового генератора.

Различают два типа синхронизации: жесткую синхронизацию с помощью стартового бита в начале сообщения и ресинхронизацию во время передачи сообщения. С помощью ресинхронизации можно подстроить интервал времени от начала синхронизации до момента, в который измеряется логический уровень принимаемого импульса данных. Интервал подстройки может быть изменен на 1…4 такта.

Для определения логического состояния шины уровни принимаемых сигналов измеряются на расстоянии 6-ти тактов синхрогенератора от переднего фронта импульса (бита) при скорости 1 Мбит/с и на расстоянии 14-ти тактов при скорости 20 кбит/с (для сравнения укажем, что в стандартных UART отсчеты берутся посередине импульса). Количество отсчетов может быть 1 или 3 (устанавливается программно). CAN использует синхронную передачу битов. Это повышает пропускную способность канала связи, но требует усложненного процесса синхронизации.

Напряжение питания устройств в сети CAN должно составлять от 18 до 30 В. Выходное напряжение на 9-м контакте разъема (внешнее положительное напряжение питания) должно быть от +7 В до +13 В при токе потребления модуля не более 100 мА. Не допускается, чтобы модули были источниками тока.

CAN использует NRZ кодирование (Non Return-to-Zero — «без возврата к нулю», «потенциальное кодирование»), при котором логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения в линии (рецессивное состояние), логической единице — высокий уровень (доминантное состояние). Такой способ имеет следующий недостаток: в случае, когда через линию передачи транспортируется байт, который содержит все единицы (пауз между ними при NRZ кодировании нет), приемник не может отличить этот байт от паузы. Для устранения этой проблемы используется так называемый бит-стаффинг. Он состоит в том, что после каждой последовательности из 5-ти одинаковых символов подряд вставляется противоположный им символ. Например, после 5-ти единиц подряд вставляется логический ноль. Приемник, обнаружив 5 одинаковых символов подряд, удаляет следующий за ними символ, который является битом стаффинга.

Другими свойствами CAN-трансиверов, которые предусмотрены в стандарте, являются:

• — защита от короткого замыкания проводов интерфейса между собой, на источник питания или землю. Из этих требований автоматически следует защита от изменения полярности подключения приемника и передатчика к линии, обрывов и передавливания кабеля;
• — защита от электростатических разрядов;
• — ослабление синфазного сигнала в лини;
• — защита от перегрева выходных каскадов.