1. Επισκόπηση του πρωτοκόλλου CAN
1.1 Προέλευση και ανάπτυξη του πρωτοκόλλου CAN
Το πρωτόκολλο CAN προτάθηκε για πρώτη φορά από τη γερμανική εταιρεία Bosch το 1983, με στόχο να λύσει τα προβλήματα επικοινωνίας στο ηλεκτρονικό σύστημα του αυτοκινήτου. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, το πρωτόκολλο CAN χρησιμοποιείται σταδιακά ευρέως στον βιομηχανικό έλεγχο, τον ιατρικό εξοπλισμό, το έξυπνο σπίτι και άλλους τομείς.
1.2 Χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου CAN
Το πρωτόκολλο CAN έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- Πολλαπλός-κύριος έλεγχος: Το πρωτόκολλο CAN υποστηρίζει πολλούς κόμβους για ταυτόχρονη επικοινωνία, γεγονός που βελτιώνει τον πραγματικό-χρόνο και την αξιοπιστία του συστήματος.
- Εκπομπή επικοινωνίας: Το πρωτόκολλο CAN υιοθετεί τη μέθοδο εκπομπής για επικοινωνία, όλοι οι κόμβοι μπορούν να λάβουν τα απεσταλμένα δεδομένα.
- Μη-μη καταστροφική διαιτησία: Όταν δύο ή περισσότεροι κόμβοι στέλνουν δεδομένα ταυτόχρονα, το πρωτόκολλο CAN διασφαλίζει τη σωστή μετάδοση δεδομένων μέσω ενός μηχανισμού διαιτησίας.
- Εντοπισμός και χειρισμός σφαλμάτων: Το πρωτόκολλο CAN διαθέτει λειτουργίες ανίχνευσης και χειρισμού σφαλμάτων, οι οποίες μπορούν να ανιχνεύσουν και να χειριστούν σφάλματα στη διαδικασία επικοινωνίας εγκαίρως.
2. Στοιχεία του πλαισίου μηνύματος CAN
Το πλαίσιο μηνύματος CAN είναι η πιο βασική μονάδα μετάδοσης δεδομένων στο πρωτόκολλο CAN και τα στοιχεία του είναι τα εξής:
2.1 Bit έναρξης πλαισίου
Το bit έναρξης πλαισίου είναι το πρώτο bit του πλαισίου μηνύματος και χρησιμοποιείται για την αναγνώριση της αρχής του πλαισίου μηνύματος.
2.2 Πεδίο Διαιτησίας
Το πεδίο διαιτησίας χρησιμοποιείται για την ιεράρχηση των δεδομένων που θα σταλούν. Στο πρωτόκολλο CAN, το μήκος του πεδίου διαιτησίας είναι 11 ή 29 bit, που αντιστοιχούν σε τυπικά και εκτεταμένα πλαίσια, αντίστοιχα. Όσο μικρότερη είναι η τιμή του πεδίου διαιτησίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η προτεραιότητα.
2.3 Πεδίο ελέγχου
Το πεδίο ελέγχου αποτελείται από το bit Remote Transmission Request (RTR) και το bit Identifier Extension (IDE). Το bit RTR χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει εάν το πλαίσιο δεδομένων είναι ένα απομακρυσμένο πλαίσιο ή ένα πλαίσιο δεδομένων και το bit IDE χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει εάν το πλαίσιο είναι ένα τυπικό πλαίσιο ή ένα εκτεταμένο πλαίσιο.
2.4 Πεδίο δεδομένων
Το πεδίο δεδομένων χρησιμοποιείται για την αποθήκευση των πραγματικών δεδομένων που μεταδίδονται. Το μήκος του πεδίου δεδομένων είναι 0-8 byte για τυπικά πλαίσια και 0-64 byte για εκτεταμένα πλαίσια.
2.5 Πεδίο ελέγχου
Το πεδίο αθροίσματος ελέγχου αποτελείται από τον κυκλικό έλεγχο πλεονασμού (CRC) και τον οριοθέτη CRC, ο οποίος χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει εάν υπάρχει σφάλμα στα δεδομένα κατά τη μετάδοση, και τον οριοθέτη CRC, που προσδιορίζει το τέλος του αθροίσματος ελέγχου CRC.
2.6 Πεδίο απαντήσεων
Το πεδίο απαντήσεων αποτελείται από μια θέση απάντησης και έναν καθορισμό απαντήσεων. Η υποδοχή απάντησης χρησιμοποιείται για τη λήψη απάντησης από έναν κόμβο και ο προσδιοριστής απαντήσεων προσδιορίζει το τέλος του πεδίου απάντησης.
2.7 Τέλος-του-Frame Bit
Το bit-του-πλαισίου είναι το τελευταίο bit ενός πλαισίου μηνύματος και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του τέλους του πλαισίου μηνύματος.
3. Λειτουργίες του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων
Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων είναι το δεύτερο επίπεδο στο μοντέλο αναφοράς OSI, το οποίο είναι κυρίως υπεύθυνο για την αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων πάνω από το φυσικό επίπεδο. Οι λειτουργίες του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων περιλαμβάνουν:
3.1 Συγχρονισμός καρέ
Ο συγχρονισμός πλαισίων είναι μία από τις βασικές λειτουργίες του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων, το οποίο χρησιμοποιείται για να διασφαλίσει ότι οι κόμβοι μετάδοσης και λήψης είναι σε θέση να προσδιορίσουν σωστά την αρχή και το τέλος ενός πλαισίου πληροφοριών.
3.2 Έλεγχος σφαλμάτων
Ο έλεγχος σφαλμάτων είναι μια άλλη σημαντική λειτουργία του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης σφαλμάτων και της διόρθωσης σφαλμάτων. Το πρωτόκολλο CAN χρησιμοποιεί κυκλικό έλεγχο πλεονασμού (CRC) για ανίχνευση σφαλμάτων για τη διασφάλιση της ακεραιότητας των δεδομένων.
3.3 Έλεγχος ροής
Ο έλεγχος ροής χρησιμοποιείται για να αποτρέψει έναν κόμβο μετάδοσης από το να στείλει δεδομένα πολύ γρήγορα για να επεξεργαστεί ένας κόμβος λήψης. Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων εξασφαλίζει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων ελέγχοντας τον ρυθμό με τον οποίο αποστέλλονται τα δεδομένα.
3.4 Έλεγχος πρόσβασης
Ο έλεγχος πρόσβασης είναι μια άλλη βασική λειτουργία του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων που χρησιμοποιείται για τον συντονισμό της επικοινωνίας μεταξύ πολλών κόμβων. Στο πρωτόκολλο CAN, ο έλεγχος πρόσβασης πραγματοποιείται μέσω ενός μη καταστροφικού μηχανισμού διαιτησίας για τη διασφάλιση της σωστής μετάδοσης δεδομένων.
4. Εφαρμογή πλαισίων μηνυμάτων CAN στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων
4.1 Συγχρονισμός καρέ
Στα πλαίσια μηνυμάτων CAN, το bit έναρξης του πλαισίου και το bit τέλους πλαισίου χρησιμοποιούνται για την επίτευξη συγχρονισμού πλαισίου. Ο κόμβος μετάδοσης προσδιορίζει την αρχή του πλαισίου μηνύματος στέλνοντας το bit έναρξης του πλαισίου και ο κόμβος λήψης συγχρονίζει το πλαίσιο ανιχνεύοντας το bit έναρξης του πλαισίου.
4.2 Έλεγχος σφαλμάτων
Το CRC του πεδίου αθροίσματος ελέγχου χρησιμοποιείται για τον έλεγχο σφαλμάτων στο πλαίσιο μηνύματος CAN. Ο κόμβος μετάδοσης δημιουργεί ένα CRC με βάση τα δεδομένα και το προσαρτά στο πεδίο δεδομένων πριν στείλει τα δεδομένα. Μετά τη λήψη των δεδομένων, ο κόμβος λήψης υπολογίζει εκ νέου το άθροισμα ελέγχου CRC και το συγκρίνει με το λαμβανόμενο άθροισμα ελέγχου CRC για να εντοπίσει οποιοδήποτε σφάλμα στα δεδομένα.
4.3 Έλεγχος ροής
Στο πρωτόκολλο CAN, ο έλεγχος ροής πραγματοποιείται κυρίως μέσω μηχανισμού διαιτησίας. Όταν δύο ή περισσότεροι κόμβοι στέλνουν δεδομένα ταυτόχρονα, το πρωτόκολλο CAN καθορίζει την προτεραιότητα μέσω του μηχανισμού διαιτησίας για να εξασφαλίσει την αξιόπιστη μετάδοση των δεδομένων.
4.4 Έλεγχος πρόσβασης
Στο πρωτόκολλο CAN, ο έλεγχος πρόσβασης πραγματοποιείται κυρίως μέσω του μη-μη καταστροφικού μηχανισμού διαιτησίας. Όταν δύο ή περισσότεροι κόμβοι στέλνουν δεδομένα ταυτόχρονα, το πρωτόκολλο CAN καθορίζει την προτεραιότητα των σταλθέντων δεδομένων συγκρίνοντας την τιμή του πεδίου διαιτησίας. Ο κόμβος με υψηλότερη προτεραιότητα μπορεί να συνεχίσει να στέλνει δεδομένα, ενώ ο κόμβος με χαμηλότερη προτεραιότητα πρέπει να περιμένει έως ότου ο κόμβος υψηλότερης προτεραιότητας ολοκληρώσει την αποστολή δεδομένων.