CAN – Controller Area Network (Sieć Sterowników Szeregowych)

CAN – Controller Area Network (Sieć Sterowników Szeregowych)

Sieć CAN, czyli Controller Area Network, to protokół komunikacyjny szeroko stosowany w elektronice przemysłowej i motoryzacji do wymiany danych między sterownikami (ECU) w czasie rzeczywistym. Dziś wyjaśnię Ci, jak działa CAN, dlaczego jest tak ważny w systemach wbudowanych oraz gdzie i jak się go stosuje. Ten protokół powstał, by umożliwić niezawodną i szybką komunikację między modułami sterującymi, bez potrzeby stosowania skomplikowanych i kosztownych połączeń przewodowych. W miarę omawiania tematu zwrócimy też uwagę na podstawowe elementy warstwy fizycznej i protokołu oraz jego zastosowania w praktyce.

Podstawy działania sieci CAN

CAN to magistrala komunikacyjna pracująca na zasadzie przesyłania ramek danych (frames) między urządzeniami (nodes) podłączonymi do jednej wspólnej linii danych. Każdy node może nadawać i odbierać dane, a sieć jest oparta na zasadzie broadcastu – to znaczy, że przesłane dane są widoczne dla wszystkich podłączonych urządzeń, ale tylko adresat odpowiada na nie. Protokół zapewnia mechanizmy wykrywania błędów, nadawania priorytetów i retransmisji, dzięki czemu transmisja jest niezawodna nawet w trudnych warunkach elektromagnetycznych, co jest szczególnie istotne w samochodach.

Warstwa fizyczna i magistrala CAN

Sieć CAN korzysta z dwóch przewodów – CAN High (CAN_H) i CAN Low (CAN_L), które tworzą różnicową parę sygnałową. Ta różnicowa transmisja pozwala skutecznie tłumić zakłócenia elektromagnetyczne i poprawia stabilność przesyłu danych. Typowa prędkość transmisji to od 125 kbps do 1 Mbps, co wystarcza do sterowania większością podzespołów w pojazdach i automatyce przemysłowej.

Format danych i ramki CAN

Ramka CAN zawiera kilka kluczowych pól: identyfikator (ID), dane (do 8 bajtów), bit kontroli i sumę kontrolną CRC. Identyfikator pełni również rolę priorytetu – niższa wartość ID oznacza wyższy priorytet, co decyduje o pierwszeństwie w dostępie do magistrali. Taka struktura pozwala na efektywne zarządzanie ruchem danych i minimalizowanie kolizji, bez konieczności centralnego sterownika.

Zalety i zastosowania CAN

• Wysoka niezawodność i odporność na zakłócenia
• Prosta topologia i niskie koszty okablowania
• Możliwość pracy w systemach czasu rzeczywistego
• Stosowanie w motoryzacji (systemy ABS, silnik, poduszki powietrzne)
• Automatyka przemysłowa i robotyka
• Systemy medyczne i transport publiczny

Implementacja protokołu i warstwy wyższe

W sieci CAN warstwa fizyczna definiuje sposób przesyłania sygnału, ale protokół zawiera też warstwę sterowania dostępem do medium i warstwę aplikacyjną (np. CANopen, J1939). W pojazdach używa się często standardu OBD-II, który wykorzystuje CAN do diagnostyki i komunikacji z ECU. Dla osób projektujących systemy embedded ważne jest zrozumienie, że sterowniki CAN są często integrowane z mikrokontrolerami, co pozwala na szybkie i efektywne wdrożenie systemu.

Praktyczne aspekty projektowania sieci CAN

Projektując sieć CAN, należy pamiętać o prawidłowym zakończeniu magistrali rezystorami terminującymi (120 Ω) na obu końcach linii, aby uniknąć odbić sygnału i zniekształceń. Ważne jest też odpowiednie rozmieszczenie węzłów, aby ograniczyć długość przewodów i opóźnienia. W systemach o dużej liczbie węzłów można stosować mostki CAN lub bramki, które pozwalają na segmentację sieci i zwiększenie jej skalowalności.

Choć CAN jest starszym protokołem, nadal pozostaje fundamentem wielu nowoczesnych systemów, a jego rolę często porównuje się z nowszymi standardami, takimi jak FlexRay czy Ethernet Automotive. Wczoraj omawialiśmy podstawy protokołów szeregowych, więc dziś poznanie CAN uzupełnia ten obraz o bardziej rozbudowaną i odporną na błędy technologię komunikacyjną, która sprawdza się w praktyce. W kolejnych wpisach zobaczymy, jak działają systemy FlexRay i AUTOSAR, które rozszerzają możliwości sterowania w nowoczesnych pojazdach.