Шина данных CAN — диагностика, описание

Шина данных CAN - диагностика, описание

К современным автомобилям предъявляются всё более высокие требования. Требования к безопасности езды, комфорту во время езды, экологической безопасности и экономичности постоянно возрастают.

Новые технические разработки появляются всё быстрее, цели разработчиков становятся всё более амбициозными. Это и есть прогресс, и это хорошо. Прогрессу мы благодарны за такие изобретения как, например, ABS, подушка безопасности, полностью автоматическая установка искусственного климата; это только малая доля примеров из огромного количества технических новинок, которые за последнее десятилетие были внедрены в конструкцию автомобиля.

Благодаря этому развитию растёт также доля электронных систем. В современных автомобилях, в зависимости от класса и оснащения автомобиля, применяется от 25 до 60 электронных систем, которые должны быть все связаны между собой проводной связью.

В обычных видах проводных соединений проводники, кабели разъёмы и предохранительные колодки имели огромные размеры, следствием чего были очень затратные производственные процессы. Не говоря уже о тех проблемах, которые могли возникнуть при проведении диагностики для поиска неисправностей в таких автомобилях. Для механиков начинался утомительный и долгий поиск неисправности, за который платил клиент и платил дорого. Обмен данными между различными управляющими устройствами при такой технологии также сталкивался с границами возможного.

История шины CAN

Поэтому в 1983 году автомобильной промышленность заявила о своей потребности иметь такую коммуникационную систему, которая была в состоянии связать управляющие устройства между собой в единую сеть, и обеспечить необходимый обмен данными. Система должна была удовлетворять следующим требованиям:

  • невысокая стоимость в серийном производстве
  • способность работать в режиме реального времени для быстродействия
  • высокая надёжность
  • высокая степень защищённости от электромагнитных помех

Самая распространённая система обмена данными — CAN-bus

  • 1983 Начало разработки CAN (Бош)
  • 1985 Начало кооперации с Интел по разработке чипа
  • 1988 Первый серийный тип CAN от компании Intel Мерседес — Бенц начинает внедрение CAN для грузовых автомобилей
  • 1991 Первое применение CAN в серийном автомобиле (S-класс)
  • 1994 Вводится международный стандарт для CAN (ISO 11898)
  • 1997 Первое использование CAN в салоне (С-класс)
  • 2001 Использование CAN в малолитражных автомобилях (Опель Корса) в приводе и кузове

Что означает CAN ?

CAN означает Controller Area Network

Преимущества передачи данных CAN-BUS

  • обмен данными происходит во всех направлениях между несколькими управляющими устройствами
  • возможность многократного использования сигналов сенсорных датчиков
  • очень высокая скорость передачи данных
  • низкий процент ошибок, благодаря различным видам контроля при передаче данных
  • для расширения возможностей обычно достаточно лишь внести изменения в программное обеспечение
  • система CAN стандартизована во всём мире, это значит, что возможен обмен данными между управляющими устройствами разных производителей

Что такое CAN-BUS ?

Систему передачи данных CAN-бус можно представить в виде автобуса. Так же, как и автобус предназначен для перевозки множества пассажиров, так и
система CAN-бус передаёт множество информации. Без системы CAN-бус всю информацию надо было бы передавать к управляющим устройствам по огромному количеству проводных соединений. Это означает, что для каждой информации должен быть один проводной канал.

помощи передачи данных CAN-бус число управляющих устройствами заметно уменьшается. Весь обмен информацией между управляющими устройствами происходит максимум через два проводника. В области автомобилестроения существуют различные технологии соединений (сетей). Коротко рассмотрим особенности некоторых из них.

Схема «звезда»

can-bus-1

  • по схеме «звезда» все элементы обмена данными замыкаются на один центр (блок управления)
  • если блок управления выходит из строя, то соединение нарушается

Схема «кольцо»

can-bus-2

  • по схеме «кольцо» все элементы обмена данными самостоятельны.
  • чтобы поступить с устройства А на устройство В, информация должна пройти по меньшей мере ещё через одно устройство.
  • если одно устройство выходит из строя, то выходит из строя система в целом.
  • обновление данных производится очень легко, но для этого надо временно прекратить эксплуатацию.

Линейная схема

can-bus-3

  • сигнал передатчика распространяется по линии в обоих направлениях.
  • если одно устройство выходит из строя, остальные продолжают обмен данными между собой.

Устройство системы обмена данными

Линейная схема применяется в автомобилях чаще всего, в настоящей статье рассматривается преимущественно эта схема системы CAN-бус.

  • Сетевой узел: В него входят микроконтроллер, CAN-контроллер и бусдрайвер
  • Микроконтроллер: Предназначен для непрерывного управления CAN-контроллером и обработки передаваемых и принимаемых данных.
  • CAN-контроллер: Предназначен для обеспечения режимов передачи и приёма.
  • Бусдрайвер: Обеспечивает уровень передачи, а также приёма.
  • Канал связи: Представляет собой двухжильный проводник(для обоих видов сигналов: CAN-High и CAN-Low). Для уменьшения электромагнитных помех проводники экранированы.
  • Перемычка бус: Нагрузочный резистор в 120 В предотвращает появление эхо-сигнала на концах проводника и устраняют искажение сигнала.

Как работает бус?

Передача данных с помощью CAN-бус происходит по принципу телефонной конференции. Участник (блок управления) «высказывает» свою информацию (данные) в линию передачи, в то время, как остальные участники «слушают» эту информацию. Некоторые участники находят эту информацию интересной и используют её. Другие попросту игнорируют её.

Пример:

Автомобиль начинает движение, но дверь со стороны водителя закрыта неплотно. Чтобы предупредить водителя о этом, модулю чек-контроля необходимы две информации:

  • автомобиль движется.
  • дверь со стороны водителя открыта.

Информацию воспринимают сенсорного датчик дверного контакта / сенсорного датчик числа оборотов, и она преобразуется в электрические сигналы. Эти электрические сигналы снова преобразуются, теперь в цифровую информацию, и в виде двоичного кода пересылаются по каналу передачи данных, пока не поступят на приёмное устройство. Что же касается сигнала о вращении колёс, то этот сигнал необходим также и другим управляющим устройствам, например, управляющему устройству ABS. Относится это также и к некоторым другим автомобилям, которые оснащены системой активного управления ходовой частью. В зависимости от скорости движения в этом случае изменяется клиренс для того, чтобы оптимизировать положение автомобиля на дороге. Вся информация проходит через бус данных, и может быть проанализирована каждым участником.

Система передачи данных CAN-бус представляет собой систему мультимастер – систему множественного доступа, что означает следующее:

  • все сетевые узлы (управляющие устройства) равнозначны.
  • все они в равной мере имеют доступ к системе бус, обработке неисправностей и контролю отказов.
  • каждый сетевой узел имеет возможность самостоятельно и без помощи другого сетевого узла получить доступ к каналу передачи данных.
  • если отказывает один сетевой узел, то это не вызывает выхода из строя всей системы в целом.

В системе множественного доступа доступ к передаче является неконтролируемым, то есть, пока канал передачи данных открыт, доступ к нему получают
многие сетевые узлы. Если бы случилось так, что одновременно была послана вся информация от всех источников, то наступил бы полный хаос

Это могло бы привести к «столкновению» данных. Следовательно, нужно следить за порядком. Поэтому в системе CAN-бус существует чёткая иерархия — кто должен послать свою информацию самым первым, а кто должен подождать. При программировании сетевых узлов была определена очерёдность, в зависимости от важности тех или иных данных. Согласно очерёдности, данные с более высоким приоритетным правом первенствуют по отношению к данным с более низким приоритетным правом. Если идёт отправка данных с сетевого узла с высоким приоритетом, то остальные сетевые узлы автоматически.

Как действует иерархия (логика передачи) в системе CAN-бус ?

Пример:
Сообщение, которое приходит с управляющего устройства, отвечающего за техническую безопасность как, например, с блока управления ABS, всегда
будет иметь более высокий приоритет по сравнению с сообщением с блока управления приводом.

В системе CAN определяется различие между доминантными и рецессивными уровнями передачи. Рецессивный уровень имеет значение 1, а доминантный
уровень имеет значение 0. Теперь, если многие блоки управления одновременно посылают передачи доминантного и рецессивного уровня, то управляющее
устройство с доминантным уровнем имеет право отправить своё сообщение в первую очередь.

can-bus-4

На этом примере можно ещё раз объяснить доступ к передаче данных. В данном случае три сетевые узла хотят передать по системе свои данные. Во время процесса арбитражной оценки — выбора очерёдности — блок управления S1 прервёт свою попытку передачи в пункте А, так его рецессивный уровень преодолевается доминантными уровнями других управляющих устройств S2 и S3.

Управляющее устройство S2 прервёт свою попытку передачи в пункте В по той же самой причине, что была указана ранее. Таким образом верх одерживает управляющее устройство S3, оно может теперь передать своё сообщение.

Что такое протокол данных ?

Передача данных происходит по протоколу данных в очень короткие промежутки времени. Протокол состоит из огромного количества бит информации, расположенных в определённом порядке. Число бит зависит от величины поля данных. Бит является наименьшей единицей информации, восемь бит образуют байт = послание. Это послание имеет цифровую форму, и может выражаться значениями 0 или 1.

Передача данных CAN-бус в легковом Автомобиле

В наши дни в современных автомобилях находят применение 2 системы CAN-бус:
Высокоскоростная передача данных – High=Speed-Bus (ISO 11898)

  • SAE CAN Class C.
  • передача данных 125 Кбит/сек – 1Мбит/сек.
  • протяжённость передачи до 40 метров при 1 Мбит/сек.
  • выходной ток передачи > 25 мА.
  • система устойчива к короткому замыканию .
  • низкое потребление тока.
  • до 30 сетевых узлов.

Благодаря своей высокой скорости передачи данных (передача критической информации в режиме реального времени за миллисекунды), эта бус-система
нашла применение в агрегатах привода, где связаны между собой в единую сеть блоки управления двигателем, трансмиссией, ходовой частью и тормозами.

Низкоскоростная передача данных – Low-Speed-Bus (ISO 11519-2)

  • SAE CAN Class В.
  • передача данных 10 Кбит/сек – 125 Кбит/сек.
  • максимальная протяжённость передачи зависит от объёма передачи.
  • выходной ток передачи < 1 мА.
  • система устойчива к короткому замыканию.
  • низкое потребление тока.
  • до 32 сетевых узлов.

Эта система находит своё применение в салоне, где связаны между собой в единую сеть компоненты электронных узлов кузова бортовой электроники,
отвечающей за комфорт.

 Диагностика системы CAN-BUS

Возможные неисправности системы CAN-бус:

  • обрыв проводников.
  • замыкание на массу.
  • замыкание на батарею
  • замыкание CAN-High / CAN-Low..
  • cлишком низкое напряжение питания / разряжен аккумулятор.
  • отсутствие резисторных перемычек.
  • напряжения помех, например, неисправная катушка зажигания, что вызывает искажение сигнала.

Поиск неисправности:

  • проверить работу системы.
  • запросить банк неисправностей.
  • ознакомиться с перечнем измеренных характеристик.
  • вывести сигнал на экран осциллоскопа.
  • проверить пороговое напряжение.
  • измерить сопротивление проводников.
  • измерить сопротивление резисторных перемычек.

Поиск причин несиправностей

Перед началом поиска причины неисправности необходимо нет ли в данном автомобиле дополнительных устройств, которые имеют

в системе передачи доступ к информации системы передачи данных. Может случиться, что в результате проникновения в систему она была нарушена. Возможности поиска неисправностей в системе передачи данных зависят от многих факторов. Решающим является то, какие возможности предоставил производитель. Это может быть поиск неисправности с помощью прибора для диагностики, если в Вашем распоряжении находится подходящий прибор, или Вы располагаете «только» тестером и осциллоскопом. Также очень важно иметь в своём распоряжении специальные данные по автомобилю (электрические схемы, подробное описание системы передачи данных и т.д.), во избежание разрыва сетевого единства автомобиля.

Во время поиска неисправности, всё равно, с помощью тестера или осциллоскопа, необходимо действовать по операциям, использовать структурный подход. Это означает, что неисправность можно локализовать простым «прощупыванием», то есть опробовать в работе, чтобы ограничиться в дальнейшем только самыми необходимыми измерениями. Для того, что Вы могли себе это представить нагляднее, возьмём в качестве примера поиска неисправности конкретный автомобиль. В нашем случае это будет Мерседес- Бенц Е-класса (кузов W210).

Было заявлено о следующей неисправности:

Стеклоподъёмник со стороны пассажира не работает.

Проверка работоспособности:

1. Можно ли воздействовать на стеклоподъёмник с места водителя?

Да:

В этом случае оба устройства управления дверями, проводники системы CAN- бус и электродвигатель стеклоподъёмника находятся в рабочем состоянии. Неисправность заключается, вероятно, в поломке выключателя стеклоподъёмника со стороны пассажира.

Нет:

Можно ли воспользоваться другими функциями (например, изменить положен­ие зеркала)?

Если можно воспользоваться другими функциями, то нужно исходить из того, что устройство управлениями дверями и система CAN-бус находятся в рабочем состоянии. Возможной причиной неисправности является поломка выключателя стеклоподъёмника со стороны водителя или электродвигателя стеклоподъёмника со стороны пассажира. Это можно выяснить, если проверить эту функцию с места пассажира. Если стеклоподъёмник работает, то электродвигатель можно исключить. Для поиска неисправности нужно сосредоточиться на выключателе со стороны водителя.

Если с места водителя нельзя привести в действие ни одну из функций оборудования, находящегося на стороне пассажира, то вполне возможно, что причиной неисправности является неисправность системы CAN-бус или неисправность управляющего устройства.

Сравнение правильного и неправильного изображений осциллоскопа

can-bus-5

can-bus-6

 

Для подключения осциллоскопа к системе CAN-бус нужно найти подходящее место для подключения. Как правило, оно находится на разъёмном соединении между управляющим устройством и проводником данных CAN-бус. В нашем примере со стороны пассажира, в кабельном канале под швеллерной планкой (смотри рисунок), находится распределитель потенциалов.

can-bus-7

 

Здесь отдельные проводники CAN-бус от управляющих устройств сходятся вместе. К распределителю потенциалов можно подключить осциллоскоп безовсяких трудностей.

can-bus-8

Если на подключённом осциллоскопе не наблюдается никакого сигнала, то налицо нарушение передачи данных CAN-бус. Для того, чтобы определить, в каком именно месте находится неисправность, теперь нужно отсоединить отдельные разъёмы. При этом наблюдать за показаниями осциллоскопа. Если после отключения разъёма на экране осциллоскопа появляется сигнал, то система CAN-бус снова работает. Неисправность находится в системе, связанной с штепсельным разъёмом. Все отключённые ранее разъёмы нужно поставить на место. Следующая задача состоит в том, чтобы определить, какому именно управляющему устройству принадлежит разъём, который относится к неисправной системе. Здесь производитель никаких данных не приводит.

Для того, чтобы упростить поиск и сделать его более эффективным, нужно снова методом проб выяснить, какие именно системы не работают. При наличии характеристик и иных данных автомобиля, об электрическом соединении и размещении отдельных блоков управления, неисправную систему можно определить безо всякого труда. Отключая разъём CAN-бус на управляющем устройстве, и подключая разъём на распределителе потенциалов, можно определить, находится ли причина неисправности в кабельном соединении или в управляющем устройстве. Если на осциллоскопе можно распознать сигналы, то система CAN-бус находится в рабочем состоянии и кабельное соединение также находится в рабочем состоянии. Если после подключения управляющего устройства сигналы на осциллоскопе распознать невозможно, то причина неисправности заключается в неисправности самого управляющего устройства. Если установлен факт неисправности кабельного соединения, то, измеряя сопротивление и напряжение, можно определить замыкание на массу или на плюс, или замыкание между проводами.

can-bus-9

В автомобилях, не имеющих распределителя потенциалов, поиск неисправности потребует значительно больших усилий. Осциллоскоп придётся подключать к проводам CAN-бус в подходящем для этого месте (например, на разъёмном соединении блока управления). Затем нужно по очереди снимать все управляющие устройства, и разъёмные соединения CAN-бус отсоединять непосредственно от блоков управления. В этом случае также необходимо иметь техническую документацию с данными об автомобиле, чтобы определить, какие управляющие устройства и где расположены. Перед отключением разъёмов и после отключения разъёмов необходимо наблюдать за изображением на экране осциллоскопа. Последующие действия ничем не отличаются от тех, которые мы осуществляли на примере нашего автомобиля.

Для проверки резисторных перемычек нужно, чтобы CAN-бус находился в состоянии покоя (Sleepmode). Управляющие устройства при проведении измерений должны быть подключены. Общее сопротивление, которое складывается параллельно включённых одинаковых резисторов по 120 Ом, составляет 60 Ом. Это сопротивление измеряется между проводниками CAN- High и CAN-Low.

Установка дополнительных устройств

Установка дополнительных устройств, например, систем навигации, для работы которых необходимо получение сигналов из системы CAN-бус, является сложной проблемой. Она заключается, в первую очередь, в том, чтобы найти удобное место для доступа, например, к получению сигнала скорости автомобиля, а сделать это, не имея под рукой технической документации автомобиля, очень сложно.

Во всемирной сети существуют сайты, где можно найти информацию о способах и местах подключения и установки различных устройств. Эти сведения, разумеется, не дают никаких гарантий, поэтому в любом случае весь риск на себя берёт авторемонтная мастерская, если решится использовать такие данные. Однако в любом случае самый надёжный способ — это ознакомиться с технической документацией производителя автомобиля. Для того, чтобы познакомиться со всеми возможными системами CAN-бус, изучить передачу данных, устройство, работу и поиск неисправностей, далее — как можно устанавливать дополнительные устройства — мы в любом случае советуем пройти специальное обучение.