CAN BUS Nedir?

CAN Bus, “controller area network”ün kısaltmasıdır. CAN Bus, ISO 11898 standartları tarafından tanımlanan bir elektronik iletişim veri yoludur. Bu standartlar, diğer şeylerin yanı sıra iletişimin nasıl gerçekleştiğini, kablolamanın nasıl yapılandırıldığını ve mesajların nasıl oluşturulduğunu tanımlar. Toplu olarak, bu sistem bir CAN veri yolu olarak adlandırılır.

Ayrıca Arduino ile MCP2515 CAN BUS modülü kullandığımız yazımızı okumanızı öneriyoruz.

CAN Bus, günümüz otomobillerinde ve diğer cihazlarda bulunan Elektronik Kontrol Birimlerinin (ECU’lar) birbirleriyle güvenilir, öncelik odaklı bir şekilde iletişim kurmasını sağlamak için tasarlanmış mesaj tabanlı bir protokoldür. Mesajlar veya “çerçeveler”, ağdaki tüm cihazlar tarafından alınır ve ana bilgisayar gerektirmez.

CAN Bus Nasıl Çalışır?

CAN Bus, ağdaki herhangi bir cihazın standart mesaj formatı olan bir “veri çerçevesi” oluşturmasına ve bunu sırayla iletmesine izin vererek çalışır.

CAN Bus Kullanım Alanları

Bugün, CAN uygulamalarına otomotiv ve motorlu taşıt dünyası hakimdir, ancak bununla sınırlı değildir. CAN hemen hemen her sektörde bulunur. Kullanılan CAN protokolünü şurada bulabilirsiniz:

• Her tür araç: motosikletler, otomobiller, kamyonlar…
• Ağır hizmet filo telematiği
• Uçaklar
• Asansörler
• Her türlü üretim tesisleri
• Gemiler
• Tıbbi cihazlar
• Öngörücü bakım sistemleri
• Çamaşır makineleri, kurutucular ve diğer ev aletleri.

CAN Bus Avantajları

CAN Bus standardı yaygın olarak kabul edilmektedir ve hemen hemen tüm araçlarda ve birçok makinede kullanılmaktadır. Bu, temel olarak aşağıdaki temel avantajlardan kaynaklanmaktadır:

• Basit ve Düşük Maliyetli: ECU’lar, doğrudan karmaşık analog sinyal hatları yerine tek bir CAN sistemi aracılığıyla iletişim kurarak hataları, ağırlığı, kablolamayı ve maliyetleri azaltır. CAN yonga setleri hazır ve uygun fiyatlıdır.
• Tamamen Merkezileştirilmiş: CAN veri yolu, tüm ağ ECU’ları ile iletişim kurmak için tek bir giriş noktası sağlayarak merkezi teşhis, veri kaydı ve konfigürasyon sağlar.
• Son Derece Sağlam: Sistem elektriksel bozulmalara ve elektromanyetik parazitlere karşı dayanıklıdır – güvenlik açısından kritik uygulamalar (ör. araçlar) için idealdir
• Verimli: CAN çerçevelerine(frame) kimlik numaralarına göre öncelik verilir. En yüksek öncelikli veriler, diğer çerçevelerin kesintiye uğramasına neden olmadan anında veri yolu erişimi sağlar.
• Azaltılmış Araç Ağırlığı: Kilometrelerce ağır yalıtımlı elektrik kablolarının ve bunların ağırlıklarının araçtan kaldırılmasıyla.
• Kolay Dağıtım: Zengin bir destek ekosistemi ile kanıtlanmış bir standart.

CAN, mükemmel kontrol ve arıza tespit yeteneklerine sahiptir. Bir hatayı algılamak kolayca yapılır ve böylece iletilen veriler gitmesi gereken yere ulaşır.

Karmaşık bir sistemin dağıtılmış kontrolü gerektiğinde ideal bir protokoldür. Ağır kablolamayı ve dolayısıyla maliyeti ve ağırlığı azaltır. Çiplerin maliyeti düşüktür ve protokolün temiz tasarımı nedeniyle CAN’ı uygulamak nispeten kolaydır.

CAN kullanmanın bir başka avantajı, ilk iki katmanın: fiziksel katman ve veri bağlantı katmanının, çeşitli konfigürasyonlarda mevcut olan ucuz mikroçiplerde uygulanmasıdır.

CAN Bus Tarihçesi

Işıkları açmak için evinizdeki bir anahtarı çevirdiğinizde, elektrik anahtardan ışıklara akar. Sonuç olarak, anahtarların ve kabloların, beklenen maksimum akımı kaldırabilecek kadar ağır ve yalıtılmış olması gerekir. Evinizin duvarları bu ağır, yalıtımlı kablolarla doludur.

Arabalar ve kamyonlar eskiden tamamen aynı şekilde kablolanırdı: Henry Ford, 1915’te arabalarına ışık ve elektrikli korna ekleme fikrini aldığından beri, aküden elektrik, ışıklara ve diğer cihazlara anahtarlardan akıyordu. 1960’lara gelindiğinde, her araçta binlerce ağır kablo dolaşıyordu. Her ekstra ağırlık, bir aracın yakıt verimliliğini azaltır.

1970’lerdeki petrol ambargolarının ardından, otomobil üreticileri üzerinde yakıt verimliliğini artırmaları için artan bir baskı vardı. Böylece yaptıkları arabaların ağırlığını azaltmanın yollarını aramaya başladılar.

1980’lerin başında, arabaların içinde giderek daha fazla ECU (elektronik kontrol ünitesi) vardı ve Almanya’nın Robert Bosch şirketi gibi şirketler, birden fazla ECU ve araç sistemi arasında bir iletişim sistemi olarak kullanılabilecek bir tür veri yolu iletişim sistemi arıyorlardı. Pazarı aradılar ancak tam olarak ihtiyaç duydukları şeyi bulamadılar, bu nedenle otomobil üreticisi Mercedes-Benz ve yarı iletken üreticisi Intel® ve Almanya’daki birkaç üniversite ile ortaklaşa “CAN Bus”ı geliştirmeye başladılar.

1986’da Bosch, Detroit’teki SAE Kongresi’nde CAN standardını tanıttı. Bir yıl sonra Intel Corporation, ilk CAN denetleyici yongalarının sevkiyatına başladı ve otomotiv dünyası sonsuza dek değişti.

CAN Bus Mesaj Yapısı(CAN Frame)

CAN veri yolu üzerindeki cihazlara “düğümler” denir. Her düğüm, bir CPU, CAN denetleyicisi ve düğüm tarafından gönderilen ve alınan verilerin sinyal seviyelerini uyarlayan bir alıcı-vericiden oluşur. Tüm düğümler veri gönderip alabilir, ancak aynı anda değildir.

Düğümler doğrudan birbirlerine veri gönderemezler. Bunun yerine, verilerini, adreslendikleri herhangi bir düğüm için mevcut olan ağa gönderirler. CAN protokolü kayıpsızdır ve veriyolundaki çekişmeleri çözmek için bit tabanlı bir tahkim yöntemi kullanır.

Tüm düğümler, ağdaki tüm verileri aynı anda örnekleyecek şekilde senkronize edilir. Bununla birlikte, veriler saat (zaman) verileriyle iletilmez, bu nedenle CAN, örneğin EtherCAT gibi gerçekten senkronize bir veri yolu değildir.

CAN ile tüm veriler çerçeveler içinde gönderilir ve dört tür vardır:

• Veri çerçeveleri(data), verileri bir veya daha fazla alıcı düğüme aktarır
• Uzak çerçeveler(remote) diğer düğümlerden veri ister
• Hata çerçeveleri(error) rapor hataları
• Aşırı yük çerçeveleri(overload) aşırı yük koşullarını bildirir

Mesaj uzunluğunun iki çeşidi vardır: standart ve genişletilmiş. Gerçek fark, tahkim alanındaki ek 18 bitlik tanımlayıcıdır.

CAN Bus Fiziksel Katmanları

CAN veri yolu, bit doldurma ile Sıfıra Dönüşsüz (NRZ) kullanır. İki farklı sinyal durumu vardır: baskın (mantıksal olarak 0) ve çekinik (mantıksal olarak 1). Bunlar, kullanılan fiziksel katmana bağlı olan belirli elektrik seviyelerine karşılık gelir (birkaç tane vardır.) Modüller, veriyoluna kablolu ve şekilde bağlanır: sadece bir düğüm veri yolunu baskın duruma sürüyorsa, tüm veriyolu çekinik bir durum ileten düğümlerin sayısından bağımsız olarak bu durumdadır.

CAN Maksimum Hızı

Standarda göre bir CAN veri yolunun maksimum hızı 1 Mbit/saniyedir. Bazı CAN kontrolörleri yine de 1Mbit/s’den daha yüksek hızları işleyebilir ve özel uygulamalar için düşünülebilir.

CAN Kablo Uzunluğu

1 Mbit/s hızında, yaklaşık 40 metre (130 ft.) maksimum kablo uzunluğu kullanılabilir. Bunun nedeni, tahkim şemasının, sinyalin dalga önünün, bit örneklenmeden önce en uzak düğüme ve tekrar geri yayılabilmesini gerektirmesidir. Başka bir deyişle, kablo uzunluğu ışık hızı ile sınırlıdır.

Diğer maksimum kablo uzunlukları (bu değerler yaklaşıktır):

• 500 kbit/s’de 100 metre (330 ft)
• 250 kbit/s’de 200 metre (650 ft)
• 125 kbit/s’de 500 metre (1600 ft)
• 10 kbit/s’de 6 kilometre (20000 ft)

Galvanik izolasyon sağlamak için optokuplörler kullanılıyorsa, maksimum bus uzunluğu buna göre azaltılır.

CAN Konnektörleri

CAN bus konnektörleri için hiçbir standart yoktur. Genellikle, her Yüksek Katman Protokolü, bir veya birkaç tercih edilen CAN veri yolu bağlayıcı tipini tanımlar. Yaygın türler şunları içerir:

• CiA tarafından önerilen 9 pinli DSUB.
• DeviceNet ve SDS tarafından kullanılan 5-pin Mini-C ve/veya Micro-C.
• CANHUG tarafından mobil hidrolikler için önerilen 6 pinli Deutch konektör.

CAN Bus Osiloskop Görüntüleri

1 Mbit/s’de çalışan tamamen normal bir ISO 11898 CAN veri yolundan bir resim. Alıcı-verici 82C251’dir; başka bir deyişle, fiziksel katman, ISO 11898 tarafından belirtilen katmandır.

CAN_H ile GND arasında ölçüm yapılmıştır. Durgun ve çekinik voltajlarının 2,5 V civarında olduğuna dikkat edin. Baskın bir bit iletildiğinde voltaj yaklaşık 3,5 V’a yükselir.

Burada aynı bus var, ancak bunun yerine CAN_L ve GND arasında ölçüm yapılıyor.

İşte 125 kbit/s’de gönderilen başka bir mesaj. Mesajın (11 bit) tanımlayıcısı 300 veya onaltılık olarak 12c’dir. Yakından bakın ve mesajdaki ilk bitleri tanımlayabilmelisiniz.

İşte daha zor bir resim. Yukarıdakiyle aynı mesajı gösterir, sabit (11 bit) tanımlayıcı 300 ve hala 125 kbit/s, ancak CAN veriyolunda sonlandırma yoktur. CAN kablosu, kısa bir düz şerit kablodur.

CAN Bit Zamanlaması

CAN veri yolundaki her bit, zamanlama amacıyla en az 4 kuantaya bölünür. Kuantum mantıksal olarak dört gruba veya bölüme ayrılır:

• Senkronizasyon Segmenti
• Yayılma Segmenti
• Faz Segmenti 1
• Faz Segmenti 2

Her zaman bir kuantum uzunluğunda olan Senkronizasyon Segmenti, saatlerin senkronizasyonu için kullanılır. Bus üzerinde veri değiştiğinde burada bir bit kenarının oluşması beklenir.

CAN hatlarındaki gecikmeyi telafi etmek için Yayılma Segmenti gereklidir.
Saatleri senkronize tutmak için gerekirse Faz Segmentleri kısaltılabilir (Faz Segmenti 1) veya uzatılabilir (Faz Segmenti 2). Veri yolu seviyeleri, Faz Segmenti 1 ve Faz Segmenti 2 arasındaki sınırda örneklenir.

Çoğu CAN denetleyicisi, bir bit sırasında üç kez örnekleme seçeneği de sunar. Bu durumda, örnekleme, örnekleme noktasından önce gelen iki kuantanın sınırlarında gerçekleşir ve sonuç çoğunluk kod çözme işlemine tabidir (en azından 82527 için durum böyledir).

CAN Bus Hata İşleme

Basitçe söylemek gerekirse, Hata Çerçevesi, bir CAN mesajının çerçeveleme kurallarını ihlal eden özel bir mesajdır. Bir düğüm bir hata algıladığında iletilir ve diğer tüm düğümlerin bir hata algılamasına neden olur – bu nedenle onlar da Hata Çerçeveleri gönderir. Verici daha sonra mesajı otomatik olarak yeniden iletmeye çalışacaktır. Bir düğümün tekrar tekrar Hata Çerçeveleri ileterek otobüs trafiğini yok edememesini sağlayan ayrıntılı bir hata sayaçları şeması vardır.
Hata Çerçevesi, aynı değerde 6 bit olan (böylece bit doldurma kuralını ihlal eden) bir Hata Bayrağı ve 8 resesif bit olan bir Hata Ayırıcıdan oluşur. Hata Ayırıcı, veri yolu üzerindeki diğer düğümlerin, ilk Hata Bayrağını algıladıklarında Hata Bayraklarını gönderebilecekleri bir alan sağlar.

Aşırı Yük Çerçevesi

Aşırı Yük Çerçevesinden burada sadece eksiksiz olması için bahsedilmiştir. Biçim açısından Hata Çerçevesine çok benzer ve çok meşgul olan bir düğüm tarafından iletilir. Günümüzün CAN kontrolörleri onu kullanmayacak kadar akıllı olduğundan Aşırı Yük Çerçevesi çok sık kullanılmaz. Aslında, Aşırı Yük Çerçeveleri oluşturacak tek denetleyici artık eskimiş 82526’dır.

CAN Bus Türleri

ISO 11898 standardı, CAN’ın çeşitli versiyonlarını tanımlar. Otomobil endüstrisinde kullanılan baskın CAN türleri şunlardır:

Low Speed CAN

Yüksek güncelleme oranları gerektirmeyen hataya dayanıklı sistemler için kullanılır. Maksimum veri aktarım hızı 125 kbps’dir, ancak kablolama bu nedenle yüksek hızlı CAN’den daha ekonomiktir. Otomotiv uygulamalarında, düşük hızlı CAN tanılama, pano kontrolleri ve ekranları, elektrikli camlar vb. için kullanılır.

High Speed CAN

Yüksek güncelleme hızları ve yüksek veri doğruluğu gerektiren kritik alt sistemler (ör. kilitlenme önleyici fren sistemi, elektronik stabilite kontrolü, hava yastıkları, motor kontrol üniteleri vb.) arasındaki iletişim için kullanılır. Yüksek hızlı CAN’ın veri aktarım hızları saniyede 1 kbit ile 1 Mbit arasında değişmektedir.

Yüksek hızlı CAN, düşük hızdan daha hızlıdır, ancak yeni otomotiv uygulamalarının bant genişliği gereksinimi her yıl artıyor, bu nedenle otomobil OEM’leri artık CAN FD’yi yeni arabalara kuruyor. CAN FD, “steroidler üzerinde CAN” olarak yanak dil olarak tanımlanmıştır.

CAN FD Nedir?

CAN’ın en son sürümü, esnek bir veri hızı, mesaj başına daha fazla veri ve çok daha yüksek hızlı aktarımlar sunar. Her bir standart (düşük hız ve yüksek hız) CAN mesajı içindeki veri uzunluğu 8 bayttır, ancak CAN FD ile bu, %800 artarak 64 bayta yükseltilmiştir. Ek olarak, maksimum veri hızı da 1 Mbps’den 8 Mbps’ye önemli ölçüde artırılmıştır.

CAN FD ayrıca geriye dönük olarak uyumludur ve CAN 2.0 iletişim protokolünün yanı sıra CAN çıkışının salt okunur olarak kullanıldığı SAE J1939 gibi özel protokolleri destekler. CAN FD, esasen ISO 11898-1’de belirtilen orijinal CAN standardının bir uzantısıdır ve klasik CAN sistemleriyle tamamen uyumludur.

CAN FD ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır çünkü ECU’ların iletim hızlarını dinamik olarak değiştirmesine ve gerçek zamanlı gereksinimlere göre daha büyük veya daha küçük mesaj boyutlarını seçmesine olanak tanır. Artık yüksek performanslı araçlarda bulunur, ancak ECU performansı arttıkça ve CAN FD donanım maliyetleri düştükçe, CAN FD’nin neredeyse tüm araçlara girmesi an meselesidir.

Ek CAN Standartları ve Protokolleri

Neden CAN’ın “üstünde” ek standartlara ve protokollere ihtiyacımız var? Bunun nedeni, CAN zarif ve güvenilir bir protokol olsa da, güncelleme ihtiyacı olmasıdır. Bir mesajlaşma sistemidir, ancak mesajlardaki verileri analiz etmenin veya anlamanın herhangi bir yolunu içermez. Bu nedenle birçok şirket, CAN’ın içinde veya üzerinde çalışan ve ek işlevler sağlayan ek standartlar ve protokoller oluşturmuştur. Bunların en bilinenleri şunlardır:

SAE J1939 CAN

SAE J1939 protokolü, ilk olarak ABD’de ağır kamyonlar ve çekici-treyler kuleleri tarafından kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Bugün tüm dünyadaki dizel motor üreticileri tarafından kullanılmaktadır. J1939, CAN fiziksel katmanında çalışan daha üst düzey bir protokoldür. 18 tekerlekli kamyonlar gibi ağır kamyonlara özgü bazı yararlı işlevler sağlar.

OBD II

Bu yerleşik teşhis bağlantı noktası, 1989’dan beri üretilen tüm otomobillerde bulunur. Genellikle direksiyon simidinin 2 fit (0,61 metre) yakınında bulunur, otomobil tamir atölyelerinin yanı sıra araç sahiplerinin bir tarama bağlayarak araç sorunlarını teşhis etmesine olanak tanıyan bir arayüzdür.

XCP/CCP CAN ve Ethernet

Evrensel Ölçüm ve Kalibrasyon Protokolü (XCP), ECU’ları kalibrasyon sistemlerine bağlamak için tasarlanmıştır. Adındaki “evrensel”, CAN veriyolu, CAN FD, FlexRay, Ethernet ve daha fazlasının üzerinde çalışabilmesi anlamına gelir. 1990’larda geliştirilen orijinal CAN Kalibrasyon Protokolünün (CCP) halefidir.

CANopen

CANopen, gömülü kontrol uygulamaları için kullanılan daha yüksek katmanlı bir protokoldür. CAN mesajlaşma protokolüne dayandığından, CAN verilerini okuyabilen ve kaydedebilen DAQ sistemleri ve veri kaydediciler de CANopen’dan verilere erişebilir.

CANopen, hareket kontrol sistemlerinde cihazlar arasında kolay birlikte çalışabilirlik sağlamak için icat edildi. Cihazlar arasında ve cihazlar arasında iletişim yüksek düzeyde gerçekleştirilir ve cihaz konfigürasyonu da desteklenir. Hareket kontrolü, robotik ve motor kontrol uygulamalarında yoğun olarak kullanılır.

MOST (Media-Oriented Systems Transport)

Herkes yeni arabasının önceki arabasına göre daha iyi, daha yetenekli bir eğlence sistemine sahip olmasını bekler. 50 yıldan uzun süredir standart olan eski moda AM/FM radyo, kaset ve 8 kanallı kasetlerin eski günlerinden kompakt disklere (CD) ve çıkarılabilir flash ortamlara kadar çıkarılabilir ortamları kabul edecek şekilde dönüştürülmüştür. Bugün odak noktası, mobil cihazlardan ve uydu radyodan içerik akışıdır.

FlexRAY

FlexRAY, şasi kontrolü gibi dinamik otomotiv uygulamaları için kullanılan bir protokoldür. 2005 yılında FlexRAY Konsorsiyumu tarafından oluşturuldu ancak o zamandan beri ISO 17458-1 ila 17458-5 kapsamında standart hale getirildi.

FlexRAY, verileri bir veya iki blendajsız, bükümlü çift kablo üzerinden iletir. 10 Mbps’de çalışır ve bir veya iki kablolu konfigürasyonları destekler. Veri yolu, yıldız ve hibrit ağ topolojileri, 10 Mbps’ye kadar hızlarda desteklenir. Diferansiyel sinyalleme, maliyet ve ağırlık ekleyen korumalı kablolara ihtiyaç duymadan gürültüyü düşük tutar.

Ethernet

Sürücü yardımı ve hatta kendi kendini süren/otonom araç işlevleri gibi yeni teknolojiler, çalışmak için daha yüksek bant genişliği gerektirir. Bu hız ihtiyacı, Ethernet donanımının düşük maliyetiyle birleştiğinde, otomobil üreticileri arasında Otomotiv Ethernetini teşvik etmede büyük bir faktör olmuştur. Otomotiv ethernet için diğer motivasyonlar, LIDAR ve diğer sensörler, ham kamera verileri, GPS verileri, harita verileri ve daha yüksek ve daha yüksek çözünürlüklü düz ekran ekranlar için gereken aktarım hızlarını içerir.

LIN Bus – Local Interconnect Network

LIN bus, CAN bus’a ucuz bir alternatiftir. Çok basit ama mutlaka bir ana ve 15 bağımlı düğümle sınırlıdır. LIN, alıcıların kendilerine gönderilen mesaj tanımlayıcılarını dinlediği seri tek yönlü bir mesajlaşma sistemidir.

Düşük bant genişliği ve düğüm sayısı sınırlamaları nedeniyle, LIN normalde küçük elektrik motorlarını ve kontrollerini kontrol etmek için kullanılır. LIN, 19.2 kbps veya 20 kbps veri hızı ile sınırlıdır.