مجلة النور للتقنيات الإلكترونية

بروتوكول شبكة المتحكمات Controller Area Network - CAN هو بروتوكول اتصال تسلسلي تم ابتكاره من قبل شركة ألمانية لتصنيع التجهيزات الكهربائية تدعى Bosch في ثمانينات القرن الماضي ، و تحديدا عام  1986 .
بعد ذلك تم توثيق CAN كمعيار ISO-11898 للتطبيقات عالية السرعة (تصل إلى 1Mbps) و معيار ISO-11519 للتطبيقات منخفضة السرعة (تصل إلى 125kbps) و بذلك غدا بروتوكول شبكة المتحكمات CAN نظام الاتصال القياسي بين مختلف عناصر التحكم في السيارات .

نظرا للتطور المطرد في صناعة السيارات ، و تطوير الكثير من الأنظمة الإلكترونية كنظام ABS و أنظمة التكييف و القفل المركزي و التحكم بالمرايا ..... و بسبب تعقيد هذه الأنظمة و الحاجة للاتصال فيما بينها ، كانت الحاجة ملحة لابتكار حل مناسب ، فتم تطوير معيار CAN بداية لتأمين الاتصال بين وحدات التحكم الإلكترونية في سيارات مرسيدس حيث لا يعمل معيار UART بالشكل الملائم فظهرت أول رقاقة CAN من شركة Bosch و من ثم تولت Intel عملية تصنيع رقاقات CAN حتى اعتمد من قبل معظم شركات السيارات ،لذلك قد يسمى أحيانا Car Area Network .

تم تطوير CAN للاستخدام أساسا في صناعة السيارات ، لكنه يستخدم اليوم أيضا في الأتمتة الصناعية و التجهيزات الطبية و الأتمتة المنزلية إضافة للنظم المضمنة Embedded Systems حيث يؤمن الاتصال التسلسلي بين المتحكمات والحساسات و مختلف الأجهزة في الزمن الحقيقي . و ذلك بسبب الوثوقية العالية في نقل البيانات و المرونة الكبيرة التي يوفرها إضافة لتوفر الدارات المتكاملة و المتحكمات الصغرية التي تدعم CAN بشكل مباشر .

يعتمد CAN على مبدأ البث العام Broadcast حيث يتم استقبال جميع الرزم من قبل كافة الأجهزة المتصلة بالمسرى ، ومن ثم يقوم كل جهاز بفحص خانة العنوان ، فيستقبل الرسالة إذا كانت موجهة له ، وإلا فإنه يتجاهلها .
تجب الملاحظة إلى أن جهازا واحدا فقط يستطيع الإرسال في لحظة ما ، فإذا حاول جهازان أو أكثر الإرسال بنفس اللحظة ، يسمح للرسالة ذات الأولوية العليا بالإرسال بحيث تعود الأجهزة الأخرى إلى حالة الاستقبال .

قد يحوي نظام السيارة القياسي أكثر من مسرى CAN ، كل يعمل بسرعة مختلفة وفقا للجهاز المتصل به ، فأنظمة التحكم بالأبواب ، النوافذ ، التكييف من الممكن وصلها إلى مسرى ذي سرعة منخفضة ، أما الأجهزة التي تحتاج إلى استجابة أسرع كنظام ABS فإن وحدات التحكم و الصمامات يجب وصلها بالمسرى ذي السرعة الأعلى .أدى استخدام CAN في صناعة السيارات إلى إنتاج متحكمات CAN بكميات كبيرة ، حيث يباع حوالي 400 مليون جهاز يعمل على مسرى CAN كل سنة ، كما تم دمج متحكمات CAN ضمن العديد من المتحكمات الصغرية بما فيها متحكمات PIC من شركة Microchip و AVR من Atmel .

يبين الشكل مسرى CAN بثلاثة عقد ، عند حدوث تصادم (محاولة إرسال من قبل عقدتين أو أكثر)، يتم إيقاف الإرسال من قبل جميع العقد إلا واحدة تكون هي (الفائزة) بالمسرى و الانتظار مدة عشوائية من الزمن قبل محاولة إعادة الإرسال . يعالج بروتوكول CAN عملية التصادم باستخدام مبدأ التحكيم ، حيث تحصل العقدة الأعلى أولوية  فقط على حق إرسال البيانات .

يوجد حاليا نوعان رئيسيان من بروتوكول CAN هما CAN2.0A و CAN2.0B :
CAN2.0A هو المعيار القياسي و الذي يستخدم 11 بت لحقل التعريف ، بينما المعيار CAN2.0B الموسع يستخدم 29 بت لحقل التعريف ، لذلك فإن متحكمات CAN2.0B متوافقة تماما مع متحكمات CAN2.0A و تستطيع إرسال و استقبال الرسائل بالمعيارين .

مميزات بروتوكول CAN :

• مسرى CAN متعدد السيادة : عندما يكون المسرى حرا ، يمكن لأي جهاز موصول بالمسرى البدء بالإرسال
• مسرى CAN يتيح مرونة عالية للمصمم ، حيث أن الأجهزة الموصولة بالمسرى لاتمتلك عناوين كالبروتوكولات الأخرى ، أي أن الرسالة لا ترسل من عقدة لأخرى باستخدام العنوان ، و بدلا من ذلك تتلقى جميع العقد جميع الرسائل المرسلة عبر المسرى ، ثم يقرر الجهاز معالجة الرسالة أو تجاهلها ، يفيد ذلك في توجيه الرسالة إلى عقدة واحدة أو مجموعة عقد اعتمادا على تصميم النظام . فائدة أخرى لعدم وجود العناوين تظهر عند إضافة جهاز للمسرى أو إزالة منه ، حيث لا يتطلب ذلك أي تعديل في بنية النظام أو برمجته .
• يتمتع مسرى CAN بميزة طلب الإرسال عن بعد RTR أو Remote Transmit Request التي تعني أن أي عقدة على المسرى قادرة على طلب المعلومات من العقد الأخرى ، لهذا ، وبدلا من انتظار عقدة لإرسال معلوماتها بشكل دوري ، يمكن إرسال طلب المعلومات إليها . كمثال على ذلك : في السيارة حيث تعد درجة حرارة المحرك معاملا هاما ، يمكن تصميم النظام بحيث يقوم بإرسال درجة حرارة المحرك بشكل دوري ، أما الحل الأكثر فعالية ، فهو إرسال المعلومات المتعلقة بدرجة الحرارة عند طلبها فقط ، مما يخفض كثيرا من ازدحام الممر و يحافظ على سلامة النظام .
• سرعة اتصال مسرى CAN ليست ثابتة ، فالأجهزة المتصلة مع المسرى قادرة على العمل عند أي سرعة اتصال مختارة .
• جميع الأجهزة المتصلة بالمسرى قادرة على كشف الأخطاء ، ثم يقوم الجهاز الذي اكتشف الخطأ بتنبيه الأجهزة الأخرى فورا .
• من الممكن وصل الكثير من التجهيزات إلى مسرى CAN ، و نظريا لا يوجد حدود لعددها ، لكن عمليا فإن عدد الأجهزة الممكن وصلها إلى المسرى محدود بالتأخير الزمني للمسرى ، إضافة للتحميل الكهربائي .

ترسل المعلومات على المسرى بالنمط التفاضلي ، و من الممكن أن تأخذ حالتين : السيطرة أو التنحي . يبين الشكل في الأسفل جهود المسرى في الحالتين ، بحيث يعرف الصفر المنطقي بحالة السيطرة ، و يعرف الواحد المنطقي بحالة التنحي . عند وجود حالة تحكيم للمسرى ، يتغلب بت حالة السيطرة دوما على بت حالة التنحي ، ففي حالة التنحي يكون الجهد التفاضلي على المسرى (بين CANH و CANL) أقل من العتبة الدنيا (أي أقل من 0.5 فولت على مدخل المستقبل و أقل من 1.5 فولت على مخرج المرسل) أما في حالة السيطرة ، يكون الجهد التفاضلي على المسرى أكبر من العتبة الدنيا .يبين معيار ISO-11898 لمسرى CAN بأنه يتوجب على أي جهاز متصل بمسرى CAN أن يكون قادرا على قيادة 40 مترا من الأسلاك بسرعة اتصال 1Mbps . و من الممكن إنجاز طول أكبر للمسرى عادة بتخفيض سرعته . يبين الشكل 4 تغير طول المسرى بالنسبة لسرعة الاتصال عبره ، و كمثال يمكن ملاحظة أن مسرى بطول ألف متر من الممكن أن ينجز اتصالا بسرعة 40kbps كحد أقصى .

يتوجب إنهاء مسرى CAN لتخفيض انعكاس الإشارات على المسرى (الإنهاء هو ربط ممانعة مماثلة لممانعة خط النقل) حيث يتطلب معيار ISO-11898 أن تكون ممانعة المسرى مساوية 120 أوم ، ومن الممكن إنهاء المسرى بإحدى الطرق المبينة في الشكل :

الإنهاء القياسي هو الطريقة الأكثر استخداما ، وهو عبارة عن مقاومة بقيمة 120 أوم موصولة عند كل نهاية من نهايتي المسرى ، بينما يستخدم الإنهاء المقسوم مقاومتين بقيمة 60 أوم موصولتين كما هو مبين في الشكل ، و تفيد هذه التشكيلة في تخفيض الانعكاس و شعبيتها تزداد مع مرور الوقت .

بنية إطار البيانات و أنواعه :

يوجد نوعان من إطارات البيانات في بروتوكول CAN : الإطار القياسي ، ويستخدم 11 بت لحقل التعريف ، و الإطار الموسع الذي يستخدم 29 بت . يستخدم إطار البيانات من قبل المرسل لإرسال البيانات للجهاز المستقبل ، و حقل  البيانات هو الحقل الأكثر أهمية بالنسبة للمستخدم .

يبين الشكل السابق بنية إطار البيانات القياسي ، حيث يبدأ ببت بداية الإطار Start Of Frame - SOF ، ثم يأتي حقل التعريف المؤلف من 11 بت ، و بعده بت طلب الإرسال عن بعد Remote Transmission Request - RTR ، حيث يشكلان معا حقل التحكيم (من 12 بت) الذي يحدد الجهاز الفائز بالمسرى عند حدوث التصادم ، بعد ذلك يأتي حقل التحكم Control المؤلف من 6 بت و الذي يحدد عدد بايتات حقل البيانات ، يلي ذلك حقل البيانات Data الذي قد يحوي من 0 إلى 8 بايت وهي التي تعد الرسالة الحقيقية بين المتحكمات ، و بعده حقل التدقيق الدوري للفائض CRC الذي يكتشف المستقبل بواسطته حدوث خطأ في البيانات المرسلة . يليه حقل الإعلام ACK المؤلف من بتين يستخدمان لإعلام المرسل بأن البيانات التي أرسلها قد تم استقبالها بشكل صحيح ، و يقوم بذلك أي مستقبل على المسرى . يتم التعرف إلى نهاية الرسالة بواسطة حقل نهاية الرسالة End Of Frame - EOF المكون من 7 بتات .

يختلف الإطار الموسع عن الإطار القياسي للبيانات بأن حقل التحكيم مؤلف من 32 بت ( 29 بت للتعريف ، بت IDE لتعريف الإطار الموسع للبيانات ، بت SRR غير مستخدم ، و بت طلب الإرسال عن بعد RTR ) .

مكونات إطار البيانات :

• حقل بداية الإطار Start Fo Frame - SOF : يعرف هذا الحقل بداية إطار البيانات ، وهو موحد في النوعين القياسي و الموسع .
• حقل التحكيم Arbitration Field : يستخدم هذا الحقل لحل مشكلة التصادم عندما يحاول أكثر من جهاز إرسال البيانات عبر المسرى بنفس الوقت ، بحيث يعرف هذا الحقل أولوية الرسالة و يختلف باختلاف نوع الإطار ، ففي الإطار القياسي ، يوجد 11 بت تستطيع توليد 2032 معرف مختلف للرسالة ، و تضاف 18 بت أخرى في الإطار الموسع لتستطيع تعريف أكثر من خمسمئة و ثلاثين مليون معرف مختلف !أثناء عملية التحكيم يقوم كل جهاز يريد الإرسال بإرسال المعرف الخاص بالرسالة ثم يقارن رسالته بمستوى الجهد على المسرى ، فيكمل عملية الإرسال إن تطابقت القيمتان . أما إذا اكتشف الجهاز مستوى سيطرة على المسرى أثناء محاولته إرسال مستوى متنحي ، فإنه يتوقف عن الإرسال و يتحول مباشرة إلى مستقبل . بعد انتهاء عملية التحكيم يكمل الجهاز الفائز بالمسرى إرسال رسالته كما هو مبين .يبين الشكل التالي عملية التحكيم على مسرى مؤلف من 3 عقد ترسل رسائل تحمل المعرفات التالية : Node1:11100110011 , Node2:11100111111 , Node3:11100110001 .

• حقل التحكم Control Field : يحتوي هذا الحقل على رمز طول البيانات المكون من 4 بتات ، حيث يحدد طول حقل البيانات ضمن الرسالة و الذي يبلغ 8 بايت كحد أقصى ، كما يبين الشكل ، يحتوي حقل التحكم على بتين آخرين محتفظ بهما لإطارات موسعة أخرى .
• حقل البيانات : يحمل هذا الحقل الرسالة الحقيقية بين المتحكمات على المسرى ، والتي قد يكون طولها من 0 إلى 8 بايت كما وضحنا سابقا . حسث يرسل البايت الأكثر أهمية MSB أولا .
• حقل التدقيق الدوري للفائض CRC Field : مؤلف من 16 بت تستخدم لفحص أخطاء الإرسال ضمن الإطار ، يتم استخدام بداية الإطار ، حقل التحكيم ، حقل التحكم ، و حقل البيانات في حساب قيمة CRC ، حيث ترسل مع الرسالة و يتم إعادة الحساب ضمن المستقبل و مقارنة النتيجتين ، فتدل عدم المطابقة إلى حدوث خطأ في الإرسال .
• حقل الإعلام ACK Field : يشير إلى أن مستقبلا واحدا على الأقل قد استلم الرسالة بشكل صحيح وهو مؤلف من بتين .

بقي لدي بعض المعلومات عن مسرى CAN سأطرحها في مقالة أخرى لاحقا ، و السلام عليكم و رحمة الله ....

  التعليقات (0)

إظهار/إخفاء التعليقات

أضف تعليق

إظهار/إخفاء صندوق مربع التعليقات

البريد الإلكتروني الاسم الموقع الإلكتروني		عنوان التعليق التعليق تصغير | تكبير
		أضف تعليق