AUTOMOOTORI JUHTPLOKI SIGNAALID CAN-VÕRGUS SIGNALS IN THE CONTROL AREA NETWORK OF THE CAR ENGINE CONTROL UNIT

Transcription

1 EESTI MAAÜLIKOOL Tehnikainstituut Lembit Külaots AUTOMOOTORI JUHTPLOKI SIGNAALID CAN-VÕRGUS SIGNALS IN THE CONTROL AREA NETWORK OF THE CAR ENGINE CONTROL UNIT Bakalaureusetöö Tehnika ja tehnoloogia õppekava Juhendaja: Risto Ilves, PhD Tartu

2 LÜHIKOKKUVÕTE Külaots, L. Automootori juhtploki signaalid CAN-võrgus Tartu: EMÜ, pages, 43 joonist, 4 tabelit, formaadis A4; eesti keeles. Antud uurimustöö eesmärk on CAN-võrgu ehituse ja talitluse tundma õppimine. CANvõrgu ehituse uurimisel õpitakse tundma võrgu struktuuri ja selle erinevaid komponente. CAN-võrgu funktsioneerimise uurimisel tutvutakse CAN-protokolli ja selle omadustega. CAN-võrgus edastatud signaalide mõõtmisega uuritakse nende kuju, pingenivoosid. Uurimustöö kirjeldav osa on parema ülevaate saamiseks illustreeritud jooniste ja skeemidega. Signaali analüütilises osas on esitatud mõõtmistulemused tabelina ja graafikuna. Võtmesõnad:CAN-protololl, CAN-võrk, CAN kontroller, sõnumipõhine protokoll, kiht, elektrooniline juhtmoodul (ECU), nulli mittetagastuv (NRZ), bitti ajastamine, bitti sünkroniseerimine, CAN spetsifikatsioon, siini vahekohus, sõnumikaader, kaadritevaheline ruum, vahebitt. 2

3 ABSTRACT Külaots, L. The description of functions and construction of the Controller Area Network of cars and the analysis of the signals measured in the Controller Area Network. (Signals in the control area network of car engine control unit) -- Tartu, EMÜ, pages, 43 figures, 4 tables, format A4. In Estonian language. The aim of this research is to study the construction and functions of the Controller Area Network. This subject is an important field to study, due to the fact that automobile industry is one of the biggest industries. The main purpose for studying the construction of the Controller Area Network, was to learn its structure and different components. The purpose of studying the Controller Area Networks function is to acquaint the CANprotocol and its qualities. Sending signals to Controller Area Network is essential to distinguish and examine their shape and tension levels (pingenivoo). The second part of the research is illustrated with tables, scetches and figures to give a better overall view of this subject. In the analytical part of the signals, the results are given in columns or schedules, which makes it easier to analyse the results gotten from experiments done related to this specific subject of the research. This specific research can be used as an educational material in universities and colleges teaching specialties that are related to the automobile industries etc. Keywords: CAN-bus, control area network, CAN controller, message-based protocol, layer, electronic control units (ECU), non-return-to-zero (NRZ), bit timing, CAN specification, bus arbitration, message frame, interframe, bit stuffing. 3

4 SISUKORD LÜHIKOKKUVÕTE...2 ABSTRACT...3 SISUKORD...4 SISSEJUHATUS AUTODEL KASUTATAVAD ARVUTIVÕRGUD Auto arvutivõrgud ning nende eesmärk Arvutivõrkude tööpõhimõte Arvutivõrgu sõlme põhimõtteline ehitus ja talitlus Eeldused andmevahetuseks arvutivõrgusõlmede vahel Arvutivõrguõlmede võrku pöördumise viisid Edastatavate teadete suunamine (adresseerimine) Töövõime ja talitluskindluse tagamine CAN-VÕRK CAN-võrgu iseloomustus CAN-võrgu talitlusomadused CAN-siini seisundid Pingenivood CAN-võrgu erinevate talitlusomaduste juures CAN-võrgu talitluspiirid CAN-PROTOKOLLI (CAN-BUS) KIRJELDUS CAN protokolli iseloomustus Siini konfiguratsioonid Andmesõnumi sisupõhine adresseerimine Siini loogilised seisundid (staatused) Andmesõnumile reaalajas eelisõiguse andmise mehhanism CAN-siini arbitreerimise mehhanism CAN-protokolli infovahetus Andmesõnumid Kaugpäringu-sõnumi kaader Veasõnumi kaader Ülekoormus-sõnumi kaader Kaadritevaheline ruum Vahebiti lisamise reegel CAN-protokollis Võrgusõlmede omaalgatusliku sõnumi saatmise põhjused Vea avastusmehhanism BCH-koodid ja nende ülesanded CAN-protokollipõhine võrgu talitluse haldamine

5 Vigade jagunemine tekke iseloomu järgi CAN-Võrgu talitlushäiretest teatamine CAN-võrgu talitlushäirete piiramise mehhanism CAN-siinile edastatavate bittide ajastamine Bittide ajastamise põhjused Biti ajastamise eeldused Biti sünkroniseerimine Biti ajastamise praktilised võtted CAN-VÕRGU SIGNAALIDE MÕÕTMINE JA ANALÜÜS Signaalide mõõtmine mootori juhtploki CAN-võrgu siinil CAN-võrgus mõõdetud signaalide andmeanalüüs CAN-võrgus mõõdetud signaalide biti-põhine analüüs KOKKUVÕTE...95 KASUTATUD KIRJANDUS...99 SUMMARY LISAD Lisa A. Andmesõnumi algvorming CAN spetsifikatsiooni 2.0 järgi Lisa B. Mõõdetud signaalide graafikud Lisa C. Dekodeeritud bittid LIHTLITSENTS

6 SISSEJUHATUS Kaasegsetel autodel on erinevate süsteemide juhtimine teostatud juhtplokkide abil. Juhtplokid võimaldavad süsteemidel täpsemat toimida, arvestades ka süsteemidele mõjuvaid välistegureid. Sisuliselt on tegemist digitaalsete automaatjuhtimissüsteemidega (AJS). Lisaks sellele on loobutud juhtimast vastava süsteemi välisparameetreid, püütud võtta arvesse auto hetkeseisundit ehk -olukorda ning antud süsteemi juhitakse sellest seisukohast lähtuvalt. Tegemist on ilmselgelt tehisintellekti kasutamise tunnustega ka mobiilsete masinsüsteemide juures. Sellega tagatakse teatud ulatuses vastava süsteemi kohaldumis- ehk iseõppimisvõime. Selleks, et välja töötada autodele kasutaja mugavusest, ohutusest, kasutusvajadusest jms. lähtuvaid lisafunktsioone on erinevaid süsteeme juhtivad kontrollerid (juhtplokid) ühendatud üksteisega võrkudesse, moodustades vastavas mobiilses masinas sisuliselt arvutivõrgud. Nii on olnud võimalik kasutusele võtta näiteks veojõukontrolli funktsioon. Arvutivõrkude kasutamine autodel, eelkõige laialdast kasutust leidnud ühtlustatud talitluse põhimõtetele tugineva CAN-võrgu kasutamine eeldab sõidukit teenindavalt personalilt teadmisi CAN-siini talitluse usaldusväärsuse kontrollimisel: alates elektriliste mõõtmistega teostatavast siini füüsilise seisukorra kontrollist kuni kodeeritud signaalpingete dekodeerimiseni. Võrgu siinil levivate kodeeritud signaalide mõõtmine võimaldab hinnata võrgus levivate signaalide kuju- ja nivoohälbimusi, mis on põhjustatud CAN-võrgu talitlust mõjutavatest häiretest. Mõõdetud signaalide analüüs ja dekodeerimine loob eeldused CAN-võrgu mudeli valmistamiseks. 6

7 Antud uurimustöö eesmärk on sõidukile paigaldatud CAN-võrgu ehituse ja talitluse uurimine ning siinil mõõdetud signaalide üldine dekodeerimine, tuvastades CAN-võrgu siinil informatsiooni edastatavad bitid, mis moodustavad andmesõnumi. Töö on kasutatav EMÜ õppeprotsessis, sõidukite diagnoosimisel ja sõidukites kasutatavate juhtseadmete vahelise suhtluse selgitamisel. Eesmärgi täitmiseks on püstitatud järgmised ülesanded: 1) autode arvutivõrgu ehituse eripära ja selle talitluse uurimine; 2) CAN-võrgu kui ekstra sõidukite tarbeks välja töötatud arvutivõrgu ehituse ja talitluse uurimine; 3) autode arvutivõrkude talitlusi ühtlustava CAN-protokolli uurimine; 4) CAN-võrgu siinil leviva kodeeritud signaali mõõtmine, analüüsimine ja signaali dekodeerimine. Kirjeldatakse CAN-võrgu erinevaid koostisosi, mõistmaks võrgu ülesehitust. Võrgu standardiseeritud CAN-protokolli kirjeldamine võimaldab aru saada CAN-võrgu talitluse alustest. Uurimise käigus teostatakse CAN-võrgus edastatavate signaalide mõõtmine võimalikult sarnaselt autode hoolduspersonali tööolukorraga. Mõõtmised on läbi viidud Silberauto Eesti AS Tartu esinduse töökojas (Ringtee 61, Tartu). Elektrilised mõõtmised teostakse kliendi autol Mercedes-Benz C180 CGI. Signaalid mõõdetakse ostsilloskoobiga OWON HDS2062M, mis võimaldab mõõtetulemuste salvestamist ja salvestatud faili hilisemat konverteerimist tabelarvutussüsteemis. Auto CAN-võrgu siinil mõõdetud kodeeritud signaalide töötlemisel kasutatakse statistilist andmeanalüüsi. Uuritakse kodeeritud biti-signaali iseloomulikke omadusi (kuju, pingenivood jms), sõnumikaadri ja selle erinevate osade tuvastamise võimalusi kasutamata selleks CAN-võrgu analüüsimise tarkvara. Uurimustöö sisulises osas kirjeldatakse esmalt autode arvutivõrku ja selle talitlust üldisemalt, sest autodel on kasutusel paralleelselt mitmed võrguprotokollid, mis annavad võrkudele ainulaadsed talitluse omadused. Selline lähenemine annab võimaluse üldistada autodel kasutatavate arvutivõrkude ülesehitusi ja talitlusviise. 7

8 Järgnevalt kirjeldatakse CAN-võrgu kui kõige laialdasemalt levinud auto arvutivõrgu kasutuse võimalusi sõltuvalt signaalide levi keskkonnast, bittide edastamiskiirusest, võrgu pikkusest jne. Seejärel uuritakse ühtlustatud (standardiseeritud) CAN-protokolli, mis annab arvutivõrgule sellele iseloomulikud omadused ja struktuuri komponentide kaupa. Protokolli tundmine aitab mõista laialdaselt levinud CAN-võrgu talitlust. Uurimustöö praktilises osas analüüsitakse konkreetse auto CAN-võrgu siinil mõõdetava kodeeritud signaali karakteristikut ja teostatakse signaali üldine dekodeerimine. Kodeeritud signaalide reaalne mõõtmine koos selle andmeanalüüsiga annab ülevaate CAN-võrgu funktsioneerimisest konkreetsetes tingimustes. Signaali dekodeerimisel kasutatakse selle omadusi, mis on antud CAN-protokolliga. 8

9 1. AUTODEL KASUTATAVAD ARVUTIVÕRGUD 1.1. Auto arvutivõrgud ning nende eesmärk Autode ekspluateerimise lisandväärtuste loomisel on paigaldatud automaatjuhtimissüsteemide (AJS) koostöötamisega saavutatavad lisafunktsioonid. Selleks on näiteks autodele paigaldatud veojõukontroll (ASR). Tekkis vajadus automaatselt vahetada suuri andmehulki, selle tulemusena loodi autodele kohtvõrgud, mille ulatus piirdub vaid konkreetse sõiduki või töömasinaga [2, lk 154]. Andmete vahetamise eesmärgil loodud arvutivõrk on autodel laialdaselt levinud. Mitmed komponendid nagu andurid, täiturseadmed, kontrollerid (nimetatuna sõlmedeks) on ühendatud üksteisega ühe kanali kaudu (joonis 1.1.). Kanal, mille kaudu vahetatakse andmeid, võib omakorda koosneda mitmest juhtmest ehk kaabliharust. Joonis 1.1. Auto arvutivõrk [4, lk 2] 9

10 Ühes süsteemis kasutatavad andurid jm seadmed paiknevad üle kogu auto laiali. See tähendab, et sõidukisse ehitatud arvutivõrk on hajutatud struktuuriga süsteem, mille seadmed ehk võrgu sõlmed (network node) vahetavad informatsiooni samasse võrku lülitatud seadmega. Igal võrgul on kindel struktuur ehk topoloogia, mille järgi eristatakse järgmisi autode arvutivõrgu struktuure: 1) ring- (loop); 2) täht- (star); 3) lineaarne (line); 4) puu- (tree) ehk hargstruktuur. Samuti võidakse kasutada erinevate struktuuritüüpide kombinatsioone: 1) täht-ringstruktuur; 2) segmenteeritud (segmented) struktuur jne " [2, lk 154]. Arvutivõrkude struktuurid on illustreeritud joonistel 1.2, 1.3 ja 1.4. Joonis 1.2. Lineaarne (a) ja tähtstruktuur (b) [1, lk 1069] 10

11 Joonis 1.3. Ring- (c) ja hargstruktuur (d) [1, lk 1069] Joonis 1.4. Täht-lineaarne (e) ja täht-ringstruktuur (f) [1, lk 1069] Autode arvutivõrgu eelised (võrreldes traditsioonilise juhtmestikuga): 1) kulutused kaabeldusele on niivõrd madalad, et kompenseerivad mõnevõrra kõrgemad kulutused elektroonikakomponentidele; 2) kaabeldused vajavad vähem ruumi ja ka auto võimalik kaal on väiksem võrreldes samaväärse traditsioonilise kaabeldusega; 3) väiksem pistikühenduste hulk, mistõttu on väiksem ka võimalike tõrgete arv; 4) andmeid on võimalik jagada erinevate vastuvõtjate vahel, nii et ühe anduri signaali saavad kasutada mitmed süsteemid; 11

12 5) tarkvaraline juurdepääsu võimalus nendele auto süsteemidele, mis on konkreetsesse arvutivõrku ühendatud - nii võimaldatakse nende süsteemide kontrollerite lihtsat seadistust ja diagnostikat; 6) arvestuste jagamise võimalus mitmete kontrollerite vahel - see on vajalik olukordades, kus mingil kontrolleril on kasvanud arvestuse vajadus sellises mahus, mis ületab antud kontrolleri arvestusvõimsuse, või kui mingi süsteemi kontrolleri arvestusvõime on pärsitud; 7) andmetöötluseks vajalik anduri analoogsignaali digitaliseerimine toimub anduri vahetus läheduses ning saadetakse otse anduri vahetust läheduses üle bus-süsteemi. Auto arvutivõrk on koostatud piiratud territooriumil. Sellest tulenevalt on auto arvutivõrgule esitatud mitmeid nõudeid: 1) arvutivõrgus peab signaal levima olulise nõrgenemiseta 40 meetri ulatuses; 2) signaalide väljapeegeldused bus-süsteemist (kaabeldustest) peavad jääma piiridesse, mis ei tekita häireid teistes sama auto võrkudes; 3) võrk peab ühendama omavahel kümneid abonente; 4) võrgu komponendid peavad füüsiliselt vastu pidama karmidele keskkonna mõjudele auto kasutamisel kõiguvad temperatuurid suurtes vahemikes, esineb vibratsiooni, elektromagnetlainetest põhjustatud raadiohäireid jne [1, lk 1064]. Kaasaegse auto valmistamiseks toodetakse väga palju erinevaid komponente, mistõttu on otstarbekas lähtuda kulude kokkuhoiul seeriatootmise printsiipidest ka auto arvutivõrgu riistvara valmistamisel. See tähendab aga, et erinevatel riistvara komponentide tootjatel peavad olema võimalused üksteistega konkureerimiseks. Järelikult peavad mingi sõiduki tüübi juures bus-süsteemide põhidisainid (konfiguratsioonid) kattuma. 12

13 1.2. Arvutivõrkude tööpõhimõte Arvutivõrk koosneb esmalt füüsikalisest keskkonnast ehk riistvarast (hardware), s. o. ülekandeliinidest ja -seadmetest, mis on ette nähtud signaalide ülekandmiseks. Arvutivõrgu riistvara talitlust korraldab andmeside tarkvara (software). Võrku saab ühendada seadmeid, millel on ühesugused füüsilised ja programmilised liidesed (network interface card, NIC) ja andmeportsjoni vormingud ehk kaadrid (frames). Samuti peab andmevahetus toimuma ühesuguse protokolli (network protocol) järgi [2, lk 154] Arvutivõrgu sõlme põhimõtteline ehitus ja talitlus Arvutivõrgud on selliselt kavandatud, et võrgu kõik sõlmed (joonis 1.5.) teostavad pidevalt (matemaatilisi) arvestusi. Neid sooritatakse arvutivõrgu tarbeks välja töötatud kommunikatsiooni kontrolleris (Communication-Controller). Kommunikatsiooni kontrolleriga on integreeritud mikrokontroller (Host), mis on oma olemuselt arvuti. Infovahetuse juhtseadme (Communication-Controller), mis koosneb keskprotsessorist, mälust jms, ülesandeks on nii võrgu koormamine kui ka vajadusel Host i koormuse vähendamine selle arvutuste läbiviimise tõhususe langemisel (tegemist ilmse ülekoormusega): vähendatakse antud Host i koormust, jagades selle ülesanded ülejäänud võrgusõlmede Host ide vahel. Kasutades tänapäeval pooljuhttehnoloogiat, on enamik kompaktjuhtseadmed (microcontroller id) juba kommunikatsioonkontrolleritega integreeritud. 13

14 Joonis 1.5. Auto arvutivõrgu sõlm [1, lk 1065] Võrgu sõlme järgmiseks komponendiks on võrgu siiniga otseselt ühendatud saatja/vastuvõtja (transceiver), mis muundab communication-controller ilt saadava informatsiooni arvutivõrgu siinile saatmiseks kõlbulikuks signaalide kogumiks, milles konkreetne informatsiooni osa kajastub siinile väljastatavas pingenivoos. Samuti võtab transceiver vastu võrgu siinilt signaalid nende pingenivoodega ja muundab need communication-controller ile suunatavaks informatsiooni kogumiks [1, lk 1065] Eeldused andmevahetuseks arvutivõrgusõlmede vahel Andmevahetuse tagamiseks võrgu sõlmede vahel on ISO (International Organization for Standardization) välja arendanud üheselt määratletud seitsmekihilise avatud süsteemi (open system interconnection, OSI) mudel ISO-7, mis on kujutatud joonisel 1.7. Kihi kohta kehtivaid reegleid nimetatakse protokollideks. Talitluste järgi jaguneb mudel kaheks 14

15 piirkonnaks: kihid on orienteeritud signaalide ülekandele ja kihid orienteeritud rakendustele[2, lk 154]. Üks kiht hõlmab endas kontseptuaalselt sarnaseid funktsionaalsusi, mis pakuvad teenust ülemisele kihile, need kasutavad alumise kihi pakutavaid teenuseid. Kõige alumine on nn füüsiline kiht (joonis 1.7.), kus määratletakse signaalide ülekandekeskkond (signaalijuhi liik) ja füüsikalised omadused elektripinge ja -vool, optilised omadused. Arvutivõrkudes kasutatakse signaalide ülekandeks mitmesuguseid kaabeldusi (cabling) nagu varjestatud koaksiaalseid (shielded co-axial cable), triaksiaalseid, keerutatud kahejuhtmelisi (twisted two-wire), keerutatud jõu- ja signaaljuhtmepaare (twisted pair for signal and power), kiudoptilisi (fiber-optic) ja raadio- (radio) sideliine [2, lk 154]. Madalaid kaabelduskulusid silmas pidades kasutatakse autode arvutivõrkude ehituses keerutatud kahejuhtmelisi kaableid. Juhtmete varjestuse iseärasused sõltuvad otseselt nii signaali edastamise tingimustest (kas kahejuhtmelise või ühejuhtmelise bus-süsteemi kaudu), kui ka varjestuse tehnilistest tingimustest ja võimalustest. Valguskiudoptikast (või mingist muust kunstmaterjalist) valmistatud valguskaablit infrapunases spektraalpiirkonnas töötamiseks kasutatakse eelkõige nendes võrkudes, kus on oluline andmete edastamise suur kiirus. Valguskaabel on elektromagnetlainetusest tulenevate kiirguste suhtes häirekindel, kuid ei ole veel suudetud saavutada piisavat vananemiskindlust. Signaalide kandja ehk signaalide levikeskkonna (meediumi) füüsikalised võimalused on piiratud bittide kodeerimise liikidega. Optilise valguskaabli korral toimub kodeerimine signaalide kahe põhiseisundi valgus on ja valgust ei ole abil ning seetõttu kasutatakse signaali kodeerimisel signaali amplituuti (antud juhul valguse heledust). Elektiline kõrgsagedussignaal võimaldab erinevaid viise bittide edastamiseks. Lihtsaimaks ja seetõttu ka autodel eelistatuimaks viisiks on bittide rühmitamine pingeväärtuste järgi (nimetatakse ka amplituutmodulatsiooniks) selliselt, et pinge väärtus kestab kogu konkreetse bitti kestuse vältel (signaali amplituut ei lähe iga uue biti edastamise korral vahepeal nulli). Seda meetodit nimetatakse ka nulli mittetagastuvaks (NRZ ehk Non Return 15

16 to Zero) (joonis 1.6). Autode arvutivõrgus levivate signaalide selliste sageduste juures toimuvad ka arvutivõrgu siinidelt signaalide peegeldused, mis võivad oluliselt häirida signaali kuju. Signaalide peegelduste vähendamiseks sillatakse siinide vabad otsad lõpptakistitega [1, lk 1066]. Joonis 1.6. Biti kodeerimine NRZ-meetodiga [5] Altpoolt teisena paiknev kanalikiht (joonis 1.7.) jaotatakse kaheks kanaliks: loogiliseks kanaliks (logical link control, LLC) ja keskkonnakanaliks (media access control, MAC). Selles kanalikihis korraldatakse seadme ja võrgu vaheline andmeside biti ja baidi tasandil. Teostatakse järgmised toimingud: kõigepealt toimub vigade tuvastamine tsükkelkoodkontrolliga (cyclic redundancy check, CRC), järgnevalt kasutatakse liikluse ja põrke tuvastusega pöördust (carrier sense multiple access with collision detection, CSMA/CD) või infoüksuste eraldusmärke (token) [2, lk 155]. 16

17 Joonis 1.7. Seitsmekihiline OSI mudel [1, lk 1065] 17

18 Niisiis võib väita, et kanalikihis toimub informatsiooni (või andmete) õige ja korrastatud transport võrgus olevate sõlmede vahel. Andmebitid on plokkidena kaadriteks (Frames) rühmitatud. Lisades olemasolevatele andmebittidele veel ka kontrollsumma või numbrite kogumi (sõltub vastavast protokollist), saab tuvastada andmete ülekandmisel tekkiva vea ja seda ka korrigeerida. Kui aga andmete edastamisel tekkinud vea tõttu nõuavad andmeid vastuvõtvad sõlmed andmete uut edastamist, siis antakse edasi nõue andmeid edastavale sõlmele, mis kordab uuesti andmete edastamise seda seanssi, mille korral viga ilmnes [1, lk 1066]. Võrguohjekihi (joonis 1.7.) ülesanneteks on tagada adresseerimised, samuti ühendused teiste võrkudega. Lisaks peab võrguohjekiht tagama teatepakettide, nt kaadrite (frames) jaotamise [2, lk 155]. Vastavalt konkreetsele võrgu struktuurile ei ole alati kõik võrgu abonendid üksteisega füüsiliselt konkreetse kaabeldusega otseühenduses, vaid vahevõrgusõlmede kaudu. Edastamaks teadet (informatsiooni) kindlale võrgusõlmele, tuleb määrata teate teekond teadet sooviva sihtabonendini läbi teatud vahesõlmede, s.t. teostatakse teate adresseerimine võrguohjekihis määratletud protokolli alusel. Transpordikiht (joonis 1.7.) on andmevoo juhtimiseks, sh infoüksuste segmenteerimiseks, seadistamiseks (või lähtestuseks), tuvastamiseks ja nende järjestuse juhtimiseks [2, lk 155]. Lahtiseletatuna tähendab eelpool kirjutatu seda, et traspordikihi ülesanneteks on esmalt saatmiseks ettenähtud suurte andmepakettide osandamine, siis juba osandatud andmepaketi osade välja saatmine, valides vastavalt vajadusele väljasaatmiste teekondi ja ajahetki, ning vastuvõtva võrgu sõlme juures osandatud andmepaketi osade uuesti ühendamine ühtseks terviklikuks andmepaketiks. Teise suure ülesandena peab transpordikiht informatsiooni edastamisel-vastuvõtmisel ilmnenud vigade korral hoolitsema, et vigaselt edastatud - vastuvõetud andmepakett uuesti edastatud saaks [1, lk 1067]. Seansikiht (joonis 1.7.) on ettenähtud andmevahetuse sünkroniseerimiseks ja juhtimiseks. Esituskiht (joonis 1.7) peab aga tagama koodide ja andmevormingu muundamise, andmetihenduse (pakkimise abil) ning andmete nõutaval kujul esitamise. 18

19 Rakenduskiht (joonis 1.7) kujutab endast kasutajaliidest, et ohjata võrguprotokolli madalamaid kihte, samuti on see kasutaja võrgutööks. Rakenduskihis toimub failide ülekanne võrguseadmete vahel, andmete lugemine ja kirjutamine. Võrkude iseloomustamiseks kasutatake järgmisi näitajaid: võrguseadmete ehk sõlmede maksimaalne arv, signaali maksimaalne ülekandekaugus, andmeedastuskiirus, andmeportsjoni suurus, kommunikatsioonimeetod, arbitreerimismeetod, vigade avastamise ja diagnostika viisid, võrgu avatuse määr ja võrgu standardite olemasolu [2, lk 155, 156]. Selgitades sõnumite edastamist arvutivõrkudes tuleb lahti kirjutada põhimõtted võrgu sõlmede siinile pöördumiste võimalustest Arvutivõrguõlmede võrku pöördumise viisid Olemuselt kujutavad andmed ehk informatsioon enamasti kindla struktuuriga edastatavat paketti (teate kaader), mis lisaks asjakohasele sisule sisaldab veel ka metaandmeid info allika, eesmärgi, aadressi ja eelisõiguse kohta, samuti kontrollbitte vältimaks informatsiooni edastamisega kaasnevaid moonutusi. Arvutivõrgu, kus mitmed või vähemalt enamus sõlmi üheaegselt võrku pöördust soovivad teostada, üheks keskseks ülesandeks on võrku ühendatud sõlmede teadete saatmisõiguste (või volituste) administreerimine, et konflikte ära hoida. Konfliktide vältimise toiminguid siinil nimetatakse vahekohtuks ehk arbitreerimiseks. Sealjuures tuleb arvesse võtta iga teate korral eraldi, kui pakiline on selle teate edastamine. Võrgu sõlmede konflikte vältiva siinile pöördusteks on levinud mitmeid mehhanisme pöördusviise. Tsükliliselt töötavate bus-süsteemide juures on konfliktivaba pöördus siinile võimalik, kui iga sõlm eraldi on ära näidanud selle, kui pikk osakaal üldisest teadete edastamise tsüklist 19

20 on selle konkreetse sõlme poolt edastatav teate edastamise kestus. Samuti peab iga sõlm hoolitsema, et kõikide sõlmede kellad ajastatult ehk sünkroniseeritult töötaksid. Seepärast nimetataksegi selliselt töötavaid arvutivõrke ka ajastatud ehk sünkroniseeritud arvutivõrkudeks ehk bus-süsteemideks. Hoides teadete edastamise perioodi pikkust rangelt paigas, on võimalik teada saada kõikides võrgu töötamise seisundites, kui kaua teade liigub edastavast sõlmest vastuvõtva sõlmeni. Ajastatud meetodil võivad töötada näiteks elektriliste ajamitega juhtimissüsteemid (elektriline rool), kus ei ole talutav täiturajami hilistuv toime. Lisaks toetab ajastatud bus-süsteem võimalust, et enamus võrgu komponente ja osasüsteeme saab isesisvalt, teistest sõltumatult arendada ja toota, sest selle võrgu komponentide ja osasüsteemide ühilduvuse kaudu on kaitstud terviksüsteemi ennustuslik toimimine. Niisiis saab kinnitada, et kui auto arvutivõrgu igal osasüsteemil on sellele määratletud sõltumatu ajaperiood, millal siini täita, siis ei ole võimalik kahel võrgu sõlmel vastastikku üheaegselt häirida arvutivõrgu siini (bus-süsteemi) hõivamist. Joonis 1.8. Eelisõiguslik Master-Slave-talitlus [1, lk 1067] On olemas arvutivõrke, kus eelisõiguslik aktiivne ehk ülemseade (master devices) annab teistele passiivsetele ehk alluvseadmetele (slave devices) piiratud juurdepääsu siinile. 20

21 Kokkuvõtlikult määrab ülemseade päringute kaudu enda alluvseadmetele sõlmede kommunikeerumissageduse. Alluvseade vastab vaid siis, kui ülemseade seda kõnetab. Kuid mõned ülem-alluvsüsteemi protokollid lubavad eelpool kirjeldatule vaatamata, et alluvseade teavitab ülemseadet teate edastamisest. Mitmik-ülemseadmetega võrgus (multimaster-network) võivad enamus võrgu sõlmi iseseisvalt võrgu siinile pöördust läbi viia, kui võrgu siin on vabanenud. See tähendab, et iga võrgu sõlm võib tegutseda ülemseadme rollis ja et kõik sõlmed võivad võrdväärsetena alustada teadete edastamisega. Peavad olema vaid meetodid pöörduskonfliktide ära tundmiseks ja käsitlemiseks. Need võivad toimida näiteks eelistamisega kaasneva otsustusfaasi või venima jäänud edastamisseansi kordamise kaudu. Edastamist vajavatele teadetele eelisõiguste või prioriteetide rakendamine hoiab ära võrgu siinil konflikti, kui mitu võrgu sõlme tahavad üheaegselt võrgu siini hõivata. Eelisõigus määratakse nendele võrgu sõlmedele, millele on omistatud kõrgem prioriteet või mis tahavad edastada kõrge prioriteediga sõnumit, siinil tekkiva vastuolu tõttu, ja saadetakse eelisõigusega sõlme sõnum (teade) esimesena. Kui võrgu siin on uuesti vabanenud, alustavad need sõlmed, millel on edastamist vajavaid teateid, eriti kui on veel ootele jäänud teateid, uut sõnumite edastamise katset. Nimetatud protsess kordub senikaua, kuni kõikidel võrgu sõlmedel on nende poolt edastamist vajavad teated laiali saadetud. Multimaster-struktuur mõjub arvutivõrgu kättesaadavusele positiivselt, kuna puudub eraldi info edastamist ja vastuvõtmist juhtiv sõlm, mille töövõime kadu viib kogu arvutivõrgu töövõime kaotamiseni. Üheks siinil konflikte välistavaks sõlmede pöörduste võimaldamise viisiks on loa kettedastus (token passing), mille korral määratakse sõlmele ajutiselt pöördusõigus, mis siis piiratud ajavahemiku jooksul teisele sõlmele edasi antakse [1, lk 1067, 1068]. Loa kettedastuse (token passing) korral liigub arvutivõrgu siinil elektronsignaal, mis läbib kõiki arvuteid. Infot võrku saata tahtev arvuti seab oma loa olekusse hõivatud (busy) ning saadab andmed nende sihtaadressi võrku. Luba ja andmed liiguvad mööda võrgu siini hetkeni, kui need sihtarvuti poolt võrgust välja võetakse. Luba liigub ringiga tagasi infot 21

22 saatva arvuti juurde, mis seab loa tagasi olekusse pole hõivatud (not busy). Nüüd tekib teistel arvutitel võimalus võrku ja loasignaali kasutada [2, lk 157]. Arvutivõrkude tööpõhimõtet detailsemalt kirjeldades tuleb põhjalikumalt selgitada teadete suunamise (adresseerimise) põhialuseid ja toiminguid Edastatavate teadete suunamine (adresseerimine) Selleks, et saaks teateid võrgu kaudu edastada ja selles sisalduvat informatsiooni analüüsida, sisaldavad need lisaks n.ö. kasulikule infole (Payload) ka infot andmeedastuse kohta. Andmeedastuse kohta käiv info võib selgesõnaliselt info ülekandes sisaldunud või kaudselt nõuetega (ettekirjutustega) määratletud olla. Suunamine on vajalik selleks, et teade (sõnum) õige vastuvõtja leiaks. Teate suunamiseks on mitmesuguseid meetodeid. Joonis 1.9. Adresseerimise viisid [1, lk 1068] Joonisel 1.9 (a) on kujutatud abonendile ehk vastuvõtvale sõlmele orienteeritud adresseerimise meetodit, kus info vahetus leiab aset võrgu sõlmede aadresside alusel. Edastava sõlme poolt väljastatav teade sisaldab lisaks ülekantavatele andmetele ka siht- 22

23 ehk lõppsõlme aadressi. Kõik teadet vastuvõtvad võrgu sõlmed võrdlevad teatega edastatavat vastuvõtja aadressi tema enda aadressiga ja ainult see vastuvõtja, mille aadress ühtib teates oleva aadressiga, analüüsib teadet. Teadet on võimalik üheaegselt suunata üksikutele adressaatidele, adressaatide grupile (multicast) või kõikidele võrgu sõlmede (broadcast). Tuleb märkida, et enamus arvutivõrke suunavad teateid vastuvõtvale sõlmele orienteeritud meetodi alusel. Teatele ehk sõnumile orienteeritud adresseerimise meetodi juures adresseeritakse teated (joon 1.9 b). Teade on vastavalt selle sisule teate-id-koodi kaudu märgistatud. Teate-ID on informatsiooni iseloomu (või infotüübi) järgi varem kindlaks määratud. Selle meetodi juures ei pea infot edastav sõlm teadma edastatava teate sihtpunkti, kuna iga infot vastuvõttev sõlm otsustab ise, kas seda teadet läbi töötada. Sama ID-ga teadet võivad mitu sõlme üle võtta ja analüüsida. Teate edastamisele orienteeritud adresseerimise meetod tugineb teadete edastamisele mingis kindlas määratletud ajaaknas. Kui teadet edastada alati ühes kindlas määratletud ajaaknas, siis see teade ka alati selles samas positsioonis identifitseeritakse. Teate edastamisele kindlas määratletud ajaaknas orienteeritud meetodit kasutatakse iseseisvalt või ka kombineeritult, kasutades seda koos kas teatele orienteeritud adresseerimismeetodiga või koos abonendile orienteeritud adresseerimise meetodiga [1, lk 1068] Töövõime ja talitluskindluse tagamine Arvutivõrgu tähtsaks omaduseks on tema toimevõime ehk funktsionaalsus vigu ära tunda ja vajaduse korral vähendatud töövõimekus alles hoida. Selle omaduse alla loetakse ka võimalikkus (võime) andmete moonutuste märkamiseks. 23

24 Ümbritsevast keskkonnast tekkivate raadiohäirete tõttu (näiteks süütepoolist), mis võivad arvutivõrgu kaabelduses ilmneda, esineb juhtumeid, et mõni bit võetakse vastuvõtja juures vastu vale väärtusega. Seda on võimalik märgata sellest, et lisaks andmetele edastatakse veel ka kontrollinformatsiooni. Lihtsamal juhul võib selleks olla lisa samaväärtusega bit, millega saab mõista, kas teates esinevate ühtede õige kogus on paaris- või paaritu arv. Üldisemat juhtu sellest nimetatakse Cyclic Redundancy Check (CRC), mille korral saavutatakse kontrollbittide meelevaldselt valitava hulga abil erinevaid, andmete moonutustest tulenevatest vajadustest, info kaitse meetme kvaliteediklasse. Võrgu vähedatud võimega talitluse tagamiseks tuleb kujundada võrk selliselt, et potentsiaalselt rivist väljalangevatele juhtmelõikudele oleksid olemas möödaviigud ja vältida kahjustatud sõlmede kaudu võrgu siinile tekkida võivaid tõkkeid (blokeeringuid). Kindlustatud on, et võrgu sõlme poolt edastatud info, näiteks sõiduki kiirus, on kõigile võrgus olevatele adressaatidele (abonentidele) kättesaadav või ei ole kättesaadav mitte kellelegi. Seda terviklikkuse ja kooskõlalisuse (saksa k.: Konsistenz; inglise k.: consistency) põhimõtet järgides ei juhtu niimoodi, et kaks sõlme samast sõiduki kiiruse hetkeväärtusest erinevat ülevaadet (hetkepilti) saavad. Selleks annab sõlm märku teate vastuvõtmise äpardumisest või see sõlm jätab võrku saatmata kinnituse teate veatust vastuvõtmisest (Acknowledge); seepeale lükkavad teised sõlmed nende poolt juba veatult vastuvõetud teate tagasi [1, lk 1070]. Kuna teadet vastu ei võetud, siis korratakse selle teate edastamise seanssi. Kui aga teate edastamine sellegipoolest ei laabu, võib teadet edastav võrgu sõlm ennast tarkvaraliselt siinilt lahti ühendada, et säiliks võrgu ülejäänud osa toime võimekus (funktsionaalsus). 24

25 2. CAN-VÕRK 2.1. CAN-võrgu iseloomustus Eesti keeles kasutamist leidnud mõiste CAN-võrk vaste teistes keeltes on CAN-bus (CANsiin), mis hõlmab sõidukite tarbeks aastaks välja töötatud normide kogu (annabki sõiduki arvutivõrgule omaduste kogumi) [1, lk 1071], mida üldisemalt tähistatakse mõistega CAN (Controller Area Network). Kuna CAN-siin kannab eesti keeles kasutatuna mitmetähenduslikke varjundeid, siis kasutatakse kõnekeeles tõlkimata mõisteid: CAN-bus, CAN (Controller Area Network) või eestikeelset mugandust CAN-võrk. Auto on keeruline tehniliste süsteemide kogum, mis nende koostoime mõjul on võimeline liikuma ühest punktist teise. Süsteemide üksteise suhtes lähestikku funktsioneerimine tekitab paratamatult häireid naabersüsteemide talitlustes. Nimetatud tingimustele vastabki standardil ISO põhinev CAN, millel on järgmised olulised omadused: 1) sõnumite edastamine võrku nende tähtsuse järjekorras, kusjuures peab olema tagatud nende häireteta järjestamine siini vahekohtu ehk arbitreerimise funktsiooniga; 2) madal omahind, kasutades odavaid keerutatud varjestamata juhtmepaare koos võrgu sõlmedele esitatavate lihtsate talitlusjuhistega (protokollidega), mis tarbivad väiksemat arvutuslikku võimsust; 3) andmeedastuskiirus alates 125 kbit/s (aeglane CAN) kuni 1 Mbit/s (kiire CAN); 25

26 4) andmeedastuse suur usaldusväärsus, kasutades juhuslike vigade ja püsirikete avastamiseks ja teistele võrgusõlmedele märku andmiseks andmesõnumeid vastuvõtva sõlme võimet kinnitada veatut andmesõnumi vastuvõtmist ning edastada teadet vastuvõetud veatu sõnumi vastuvõtmisest üle kogu CAN-võrgu kõikidele võrgu sõlmedele (kontrolleritele ja teistele võrgu seadmetele); 5) multi-master põhimõte, mille korral kõik võrgus olevad võrdväärse staatusega sõlmed edastavad sõnumeid vahetult üksteisele, kasutamata selleks peaarvutit või serverit; 6) andmesõnumi häireteta saatmine CAN-võrgu siini kaudu teistele võrgu sõlmedele, sest häireid edastavad defektsed sõlmed lülituvad automaatselt siinilt välja [1, lk 1071] CAN-võrgu talitlusomadused CAN-võrgu talitlus, mis oma olemuselt on samaväärsete võrgusõlmede (autodele paigaldatud süsteemide elektroonilised juhtplokid, milleks kasutatakse programmeeritavaid kontrollereid) poolt samaaegselt sõnumipõhine andmete bittide järjestikune võrgu siinile saatmine (arbitreerimiseks ehk siini vahekohtu võimaldamiseks), siinile saadetud andmesõnumite prioriteetsuse määratlemine viisil, kus siinile jääb vaid kõige olulisem andmesõnum, siinil vahekohtu võitnud andmesõnumi veatu levimine üle kogu CAN-võrgu, andmesõnumi lugemine võrgu sõlme poolt ja siini vabastamine andmesõnumi poolt järgmise andmesõnumi edastamiseks. See sõltub siini mitmetest omadustest, mida arvestatakse ka edastatavate andmete kodeerimisel enne nende siinile saatmist. Nende omaduste järgimisest sõltub võrgus eelpool kirjeldatud protsesside toimimine, mille 26

27 tulemus määratletakse mõistega CAN-võrgu talitlus ehk funktsioneerimine. Alljärgnevalt kirjeldatakse CAN-võrgu põhilisemaid talitlusomadusi CAN-siini seisundid CAN-võrku ühendatud võrgu sõlmedevahelises infovahetuses kasutatakse CAN-siinile (CAN-bus le) informatiivse biti saatmiseks kahte loogilist seisundit: 1) domineerivat ehk valitsevat ja 2) retsessiivset ehk taanduvuslikku. Domineerivat seisundit esitatakse numbriga 0 ja retsessiivset numbriga 1. Biti saatmiseks transiiverilt CAN-võrgu siinile toimub biti kodeerimine nulli mittetagastuva meetodi (Non Return to Zero, lühendina NRZmeetod) järgi, mille korral kahe samaväärse staatusega biti järjestikuse siinile saatmise vahel ei tagastuta transiiveris vahepeal mitte kunagi null-seisundisse (erinevalt Manchesteri meetodist). Joonis 2.1. Biti kodeerimise meetodid [5] 27

28 Nimetatud omadus võimaldab NZN-meetodi abil bitti kodeerides erinevate võrgusõlmede poolt üheaegselt siinile saadetavate andmesõnumite vastavate bittide sünkroniseerimist, sest mingi võrgu sõlmeni jõuavad andmesõnumid erinevatelt võrgusõlmedelt eri aegadel. Bittide sünkroniseerimine on vajalik siini vahekohtu korraldamiseks. CAN-võrgu siin moodustub reeglina kahest juhtmest, tehnilise lahendusena kahest keerutamata või keerutatud juhtmepaarist (kuna oluline on hoida kulutused madalad, siis ei pruugi juhtmepaar olla varjestatud), milles edastatakse teineteise suhtes peegelpildis olevaid pingesignaale. Neid juhtmeid nimetatakse järgmiselt: 1) CAN_H (CAN- High) selles levivad võrgupingete kõrgemad nivood ja 2) CAN_L (CAN Low) selles levivad võrgupingete madalamad nivood. Joonis 2.2. CAN-võrgu pingenivood ja loogilised seisundid juhtmetes [6] Kahe juhtmeliini kaudu sümmeetrilisi pingenivoosid juhtides vähendatakse CAN-siini vastuvõtlikkust väliskeskkonnale või lähedal asuvast auto arvutivõrgust kiiratavatele elektromagnetlainetele, mis võivad häirida CAN-võrgu talitlust. Eriti häirivad võrgu tööd võrguga samasageduslikud elektromagnetlained (eriti, kui need juhtuvad olema samafaasilised võrgu signaalpingete suhtes). Kuna võimalikud raadiohäired mõjuksid juhtmepaari mõlemale juhtmele, siis kasutatakse siinil olevate bittide loogiliste seisundite määramiseks juhtmetes samal ajahetkel moodustuvate pingete vahet ehk 28

29 diferentsiaalpinget, et CAN-võrgu siinile mõjuvaid võimalikke elektromagnetilisi häireid filtreerida. Joonis 2.3. Pingenivood CAN-siini vastavates juhtmetes, diferentsiaalpinge [7] Soovides CAN-võrgu ehitamise kulusid veelgi vähendada, jäeti paigaldamata teine juhtmeliin ja varustati kõik võrgus olevad sõlmed ühise massiga, mis võttis teise juhtme funktsiooni üle. Võrgu sõlmedele tarviliku ühise massi tõttu on ühejuhtmelise CAN-võrgu laiendamine piiratud vaid autokere siseselt. Ka ei toimu seda tüüpi võrgus elektromagnetlainetest põhjustatud häirete ehk võrgumüra filtreerimist. Kuna andmeedastuskiirus on ühejuhtmelises CAN-võrgus väiksem, siis on selles võrgus leviva signaali küljed ka rohkem kaldu. Aeglase CAN-na (lowspeed-can) on ühejuhtmeline CAN-võrk leidnud rakendust auto kere- ja mugavussüsteemide juhtimiselektroonikas. 29

30 Joonis 2.4. Ühejuhtmelise CAN-võrgu siini signaali kuju [8] Ühejuhtmelise CAN-võrgu erijuhuks on olukord, kus näiteks juhtmepaariga aeglase CAN-võrgu talitluse käigus katkeb üks juhe. Sellisel juhul jätkab aeglane kahejuhtmeline CAN-võrk funktsioneerimist ühejuhtmelise CAN-võrguna. Ühejuhtmeline CAN-võrgu lahendus ei ole käesoleva ajani normeeritud [1, lk 1071, 1072]. Nagu eelpool märgitud, on juhtmepaaridega CAN-võrke kahte tüüpi: kiire (Highspeed-) CAN-võrk, mille omadusi on kirjeldatud eespool ja aeglane CAN-võrk (Lowspeed- CAN bus või fault tolerant CAN bus), mille omadused on kirjeldatud standardis ISO Viimati nimetatus käsitletakse järgmisi CAN-võrgu omadusi: 1) aeglane andmevahetuskiirus (CAN Low-Speed); 2) tõrketaluvus (Fault-Tolerant) ja 3) signaalide edastamiskeskkonnast sõltuv kasutajaliides (Medium-Dependent Interface). Aeglase CANvõrgu siinil olev biti kodeeritud signaal erineb oluliselt kiire CAN-võrgu signaali kujust ja pingenivoodest. Seepärast esitatakse alljärgneval illustratsioonil ka aeglase CAN-võrgu signaali kujud ja pingenivood, mis sõltuvad siini loogilistest seisunditest ja juhtmest (kas CAN-H või CAN-L). 30

31 Joonis 2.5. Aeglase CAN-võrgu siini pingenivood ja loogilised seisundid juhtmetes [8] Üldises plaanis saab aeglast CAN-i iseloomustada kui mõningast järeleandmist juhtmepaariga CAN-võrgu talitlusnõuetes, sest mugavuselektroonika juhtimises puudub vajadus kiire andmeedastuse järele Pingenivood CAN-võrgu erinevate talitlusomaduste juures Erinevate talitlusomadustega CAN-võrkudes on siini retsessiivsel ja dominantsel loogilisel seisundil erinevad pingenivood. Nii on kiire (Highspeed-) CAN-võrgu mõlemas juhtmes biti retsesiivse loogilise seisundi nimipingeks 2,5 V; domineeriva loogilise seisundi korral on CAN-H nimipingeks 3,5 V ja CAN-L nominaalpingeks 1,5 V. Aeglase (Lowspeed-) CAN-võrgu siinil biti retsessiivseks nimipingeks CAN_H juhtmes ca 0 V (kuid ei ületa 31

32 0,3 V) ja CAN-L juhtmeharus ca 5 V (vähemalt 4,7 V); biti domineeriva seisundi juures on vastavateks nimipingeteks CAN_H ahelas vähemalt 3,6 V ja CAN-L ahelas kuni 1,4 V. Allpool on joonis erinevate CAN-võrgu siine iseloomustavate arvuliste väärtustega. Joonis 2.6. Erinevate omadustega CAN-siinide pingenivood [9] Mitmesugused teatmeallikad esitavad erinevate omadustega CAN-võrgu siinidel asuvate bittide erinevate loogiliste seisundite juures mõnevõrra teistsuguseid pingenivoosid. See ilmneb, kui võrrelda omavahel jooniseid Kuna töö autoril puudub ülevaade, kas nendes allikates esitatud faktid on normeeritud või tegelikud väärtused, siis on uurimustöös esitatud nivoopingete kõikvõimalikud väärtused. Ka puudub autoril selgus, kas erinevad pingenivood häirivad erinevate samaomaduslike CAN-siinide ühilduvust. Nimetatud küsimuses selguse saamiseks tuleb tulevikus läbi viia vastavad uuringud. 32

33 CAN-võrgu talitluspiirid CAN-võrgu siinil toimuv andmesõnumite järjestamine toimub vahekohtu (arbitreerimise) meetodi alusel. See eeldab omakorda, et kõik võrgu siinile ühendatud võrgu sõlmed loevad andmekaadris sisalduva ID-kaadri algusbitti (ja sellele järgnevaid bitte) ühel ja samal ajahetkel. CAN-siinil levides toimub aga levi keskkonnast tulenevalt infobiti kodeeritud signaali hilistumine (viivitus), mis tähendab, et kõik võrku ühendatud sõlmed ei saa lugeda siinile saadetud biti signaali samal ajahetkel. Sellist olukorda illustreerib alljärgnev joonis 2.7. Joonis 2.7. Biti kodeeritud signaali hilistumine CAN-siinil levides [6] 33

34 Ka transiiveris toimub andmetöötlusest tulenev viivitus (iga protsessi toimumiseks kulub aega). Need hilistumised aga ei võimalda siini vahekohtu meetodit rakedada. Selleks, et arbitreerimist siinil teostada, tuleb iga võrgu sõlme juures läbi viia sünkroniseerimine. Sünkroniseerimine toimub sõlmesiseselt, selle töökirjeldus (spetsifikatsioon) on toodud standardis ISO Hilistumine põhjustab info maksimaalse edastuskiiruse sõltuvust siini kogupikkusest. Läbiviidud uuringud on näidanud, et see sõltuvus on pöördvõrdeline (kuid puudub lineaarne sõltuvus). Seda ilmestab ka esitatud illustratsioon (joonis 2.8). Joonis 2.8. CAN-võrgu andmeedastuskiiruse sõltuvus siini pikkusest [6] ISO (the International Organization for Standardization) on välja töötanud andmete edastuskiiruseks 1 Mb/s, kui siini üldpikkuseks on 40 meetrit; samas kui siini pikkuse 1 km juures on info edastuskiirus langenud 40 kb/s juurde [1, lk 1073]. 34

35 3. CAN-PROTOKOLLI (CAN-BUS) KIRJELDUS 3.1. CAN protokolli iseloomustus Võrgu protokollid on kirjeldatud OSI (open system interconnection) seitsmekihilise etalonmudeli alusel. CAN-protokoll (CAN bus) on määratlenud ainult kaks kihti: kanalikihi ja mingi osa füüsikalisest kihist. Kõrgemad kihid on jäetud CAN spetsifikatsiooniga määratlemata. Neid saab süsteemi disainer määratleda erivajadustest lähtuvalt või kasutatakse üldisi laiemalt kasutusel olevaid kõrgema kihi protokolle. Sama lähenemine kehtib ka füüsikalise protokolli CAN spetsifikatsiooniga kirjeldamata osale. Joonis 3.1 illustreerib ISO (International Standardization Organization) etalonmudeli OSI ja CAN protokolli vahelisi talituslikke seoseid ja erinevusi. Joonis 3.1. CAN ja OSI mudeli võrdlus [10] 35

36 Asjaolu, et süsteemi disaineritele on jäetud määratlemata osades vabad käed, on põhjustanud algselt autotööstuse tarbeks väljatöötatud CAN-protokolli laialdast kasutusele võtmist ka teistes valdkondades: lennunduses, tööstusautomaatikas ja meditsiinitehnikas [11]. CAN-protokolli (CAN bus i) välja töötamise eelduseks oli autotootjate soov vahetada välja materjalimahukaks muutunud juhtmestik juhtmepaarist moodustuva võrgu siini vastu. Lähtetingimusteks püstitati kõikvõimalike eletriliste ja elektrooniliste liideste kõrge töökindlus, enesediagnoosi võime ja autonoomne (iseeneslik) vigade kõrvaldamise võime. Ka need võrgule esitatud nõuded on soodustanud CAN-protokolli laialdast levikut valdkondadesse, kus oluliseks kriteeriumiks on süsteemi töökindlus. Uuritav infovahetusprotokoll, mis on määratletud standardiga ISO 11898, kirjeldab järgmist: 1) andmed liiguvad võrku ühendatud seadmete vahel; 2) andmevahetusprotsess on kohanduv OSI seitsmekihilise mudeliga; 3) infovahetuse protsess on jaotatud kihtide vahel ja on määratletud erinevatele kihtidele esitatud tingimustega. Protokoll on kujutatud skemaatiliselt (joonis 3.2) [7]. Joonis 3.2. CAN-protokolli ülesehitus kihtide kaupa ISO järgi [7] 36

37 Niisiis kannab CAN-protokoll sellele iseloomulikke omadusi alamatel kihtidel. Selle tulemusena saab arvutivõrku (ümber-)ehitada CAN-võrguks juba riistvara tasandil, ühendades CAN-siini (CAN bus) juhtmeliine ja võrku ühedatavaid kontrolleritest juhtplokke (ECU) füüsiliselt CAN-protokolli poolt esitatavaid nõudeid silmas pidades Siini konfiguratsioonid CAN-võrgu siinile antakse spetsiifilised omadused, disainides järgmisi komponente: 1) võrgu sõlmedeks olevate kontrollerite arhitektuuri ja paigutust üksteise suhtes; 2) lõpptakistite paigutust ja asukohta sõltuvalt CAN-i siinile antavatest omadustest; 3) CAN-siini, transiiverite saatjate ja vastuvõtjate vastastikusi loogilisi ühendusi. Siinil paiknevad kontrollerid töötavad multi-master põhimõttel, kus võrdsete staatustega kontrollerid on üksteisega lineaarselt ühendatud [1, lk 1073]. Multi-master põhimõte tähendab, et kõik sõlmed (juhtplokid) suudavad edastada ja vastu võtta andmesõnumeid, kuid nad ei teosta seda üheaegselt [12]. Kui oletada, et igale võrgu sõlmele saab CAN-protokollis omistada ühe, vaid sellele ainuomase ID, siis saab ühte CAN-võrku teoreetiliselt ühendada 2032 seadeldist. Transiiveritest põhjustatud riistvara probleemi tõttu võivad reaalselt ühises võrgus töötada kuni 110 sõlme, kui kasutatakse näiteks Philips 82C250-tüüpi CAN kontrollereid [11]. 37

38 Võrgu sõlm koosneb kolmest üksteisega integreeritud elemendist: 1. Keskarvuti, s.o. juhtplokk (ECU), mis juhib kogu sõlme tööd tervikuna, otsusustades vastuvõetud andmesõnumite tähenduse üle. Samuti otsustab ECU, millist sõnumit edastada teistele võrgusõlmedele. Elektroonilise juhtimise komponente- andurid, täiturseadmed jms- saab ühendada keskarvutiga. Seda nimetatakse allikates ka DSP-ks ehk digitaalseks signaalprotsessoriks. 2. CAN kontroller kui riistvara, millesse on integreeritud CAN-siinile saadetavate info-bittide sünkroniseerimist võimaldav kell. CAN kontroller salvestab siinilt (bus lt) jadamisi vastu võetud bitid, kuni andmesõnum tervikuna on kättesaadav ja kasutatav; DSP (või ECU) tõmbab terviklikult kättesaadava andmesõnumi digitaalseks andmetöötluseks enda valdusse ja katkestab ühenduse CAN kontrolleriga. Enne seda, kui CAN kontroller saadab infosõnumi bittide jadana siinile, salvestab keskprotsessor ehk DSP sõnumi kontrolleri salvestusseadmele. 3. Transiiver, mis koosneb saatjast ja vastuvõtjast. Transiiver dekodeerib siinilt vastuvõetava infobiti elektrilise signaali selliseks signaalitüübiks, mis on kontrolleris vastava standardiga kasutusel ja kaitseb seda ka võimaliku ülekoormuse eest. Vastuvõtjana tagab CAN transiiver retsessiivse signaali taseme ja kaitseb CAN kontrolleri kiibi sisendit CANvõrgu siinilt lähtuva võimaliku ülepinge eest. Saatjana kodeerib siinile saadetava info-biti, mis on CAN kontrolleri poolt transiiverile saadetuna CAN transiiveri poolt vastu võetud, elektriliseks signaaliks NZN meetodil (vt. joonis 3.1). Lisaks peab transiiver andma piisavat väljundvoolu normaalse signaalitugevuse tagamiseks ja kaitsma ettenähtud protsessidega kontrollerit ülekoormuse eest (väljastama vastavaid teateid siini kaudu teistele võrgusõlmedele) [6, 12]. 38

39 Joonis 3.3. CAN-siin (CAN bus) ISO järgi [10] Mõned kirjanduslikud allikad peavad vajalikuks rõhutada, et kõik võrgusõlmed on sisuliselt ühesuguse siseehitusega. Selle rõhutamiseks esitavad nad ka võrgu siini ja võrgu sõlmede detailiseeritud illustratsioonid (vt. joonis 3.4), kus on kujutatud täpsustatud disainid võrgu sõlmedele ja CAN-siinile, mis on kahe lõpptakistiga eraldatud kaheks teineteise suhtes tasakaalustatud liiniks ja nimetatud vastavalt CAN_H ja CAN_L. Siinil liikuvate elektriliste signaalide peegeldused põhjustavad n-ö võrgumüra, võrgu sõlmed ei suuda õigesti lugeda siinil edastatavaid signaale ja tekivad andmesõnumite häired. Probleemi vältimiseks on standardis ISO spetsifikatsiooniga nõutud siini mõlema poole lahtiste juhtmeotste ühendamine kahe takistiga, mille nimiväärtuseks on 120 Ω On teada, et vooluahelate lõpptakistid peavad sobima kokku liinide takistustega. Kuna standard ISO nõuab kaabli nimitakistuseks 120 Ω, siis tuleb ka lõpptakistitena kasutada sama väärtusega takisteid ja seepärast on ka eelneval illustratsioonil (joonis 4.3) kujutatud siini liinide otstel lõpptakisteid väärtusega 39 R L = 120 Ω. CAN-siini üksteise suhtes tasakaalustatud liinidel CAN_H ja CAN_L levivad üksteise suhtes sümmeetrilised elektrilised signaalid [6, 7,12].

40 Joonis 3.4. CAN-siini (CAN bus) detailne kujutamine [7] Joonis 3.5. Kiire CAN-siini (CAN bus) lõppühendused (termination) [6] Aeglasel CAN-siinil esineb lõpptakistite paigalduses erinevusi: 1) lõpptakistid paigaldatakse eraldi mõlemale juhtmeliinile; 2) ühejuhtmelisel CAN-siinil on on lõpptakistite väärtuseks 9 kω, mis on CAN riistvarasse integreeritud. 40

41 Lõpptakisti integreerimine võrgusõlme lõppelementi on komplitseeritud. Need põhiliini struktuurist tulenevad piirangud on ületatavad, kui kasutatakse võrgu elementidest võimendeid (repeater), sildasid (bridge) ja võrgu väravaid ehk võrgulüüse (gateway) (vt joonis 3.6) [6]. Joonis 3.6. Lõpptakistite paigutus ühejuhtmelisel CAN-siinil [6] Lisaks eelpool kirjeldatud takistitele kasutatakse CAN-transiiveri loogilistes ahelates ka nn pull-up või pull-down-tüüpi takisteid (vastavalt soovitud tehnilistele lahendustele, milles tahetakse pingenivood ahelas hoida kõrgemal või madalamal võimalikul väärtusel) [13]. Signaalide edastamine siinile (nn. bus-ühendused) on sündmusepõhine ja toimub juhuslikult. Kui kaks või enam võrgusõlme üritavad samaaegselt hõivata võrgu siini, rakendub mittepurustav bitipõhine vahekohus. Mittepurustav siini vahekohus on meetod, mille korral arbitreerimise võitnud sõlm jätkab edastatava andmesõnumi bittide saatmist siinile ilma teise sõlme andmesõnumi rikkumise või hävitamiseta. Lühidalt väljendades kirjutab siinil olev dominantne bitt retsessiivse biti üle. Väga oluline on, et andmesõnumit edastav võrgusõlm jälgiks pidevalt igat siinile saadetavat infobitti. See tingimus on ka põhjuseks, miks CAN transiiverid on disainitud selliselt, et CAN-siinide vastavad liinid CAN_H ja CAN_L on transiiverisiseselt ühendatud 41

42 saatja väljundi ja vastuvõtja sisendi samanimeliste ühendustihvtidega (pin-dega). Vastav ühendusskeem (vt. joonis 3.5 ja 3.6) vähendab ka võrgusõlme transiiverisisest signaali levimise hilistumist teekonnal saatja sisendist vastuvõtja väljundini ja on seepärast enamasti kasutusel CAN transiiverites. CAN-protokoll võimaldab siini disainida nii, et see tagab andmete edastuskiiruse kuni 1 Mbit/s tingimusel, kui siini pikkus jääb alla 40 meetri ja ühtsesse võrku on maksimaalselt ühendatud 30 sõlme. Kui aga võrgu pikkuseks on 500 meetrit, siis on andmete edastuskiirus ligi 125 kbit/s [7, 12] Andmesõnumi sisupõhine adresseerimine Mõned allikad nimetavad seda ka talitluslikuks adresseerimiseks (functional addressing), kus andmesõnum ei sisalda sõnumi alg- ja sihtpunkti aadresse, vaid tuvastab (identifitseerib) infosõnumi talitluse ja/või olulisuse (prioriteedi). Võrgu sõlme poolt võrku edastatava andmesõnumi jõudmiseks adressaat või adressaatideni sisaldab andmesõnum vastavat infovälja. CAN-protokoll ei määratle otseselt infosõnumi vastuvõtjaid kui adressaate. Nii seatakse tingimused, kuidas iga sõlm määratleb vastuvõetavat andmesõnumit, eristades seda siinil edastatava informatsiooni sisu alusel. Sõnumi sisu on kodeeritud identifitseerimisväljal [6, 11, 15]. Allikatele tuginedes saab väita, et CAN-võrgus toimub andmesõnumipõhine adresseerimine. See on võimalik, sest iga sõnum on määratletud kindla ja ainuomase tunnusega infoväljal, mida nimetatakse tuvastajaks (identifitseerijaks). ID identifitseerib sõnumi sisu (näiteks ratasete pöörlemiskiirus, mootori pöörlemissagedus). Võrgu sõlmedeks olevad loogilised kontrollerid, millesse on integreeritud nii protsessor, muutkui ka püsimälu, võtavad vastu üksnes neid andmeid, mille ID-d on kirjeldatud antud 42

43 võrgusõlme vastuvõetavate sõnumite nimekirjas. Kirjeldatud protsessi nimetatakse sõnumi vastuvõtmise tunnistamiseks (aksepteerimiseks). Sisupõhise adresseerimisega puudub vajadus CAN-võrgu haldamiseks ja järelikult on kergem ohjata ka võrgu erinevaid koostiselemente [1, lk 1073]. Samuti on lihtne võrku laiendada Siini loogilised seisundid (staatused) CAN-protokolli aluseks on info-bittide kaks loogilist taset või seisundit (staatust): 1) taanduv (retsessiivne) määratletakse loogilise ühega; 2) valitsev (dominantne) on määratletud loogilise nulliga. Dominantse biti oluliseks omaduseks on võime üle kirjutada sellega üheaegselt siinil olevat retsessiivset bitti [1, lk 1073]. Standardiga ISO on määratletud juhtmepaariga kiirel CAN-siinil selle kahe liini CAN_H ja CAN_L vahel rakendatavad diferentsiaalpingete nivood, mida kasutatakse retsessiivse ja dominantse biti kodeerimisel. Bittide loogiliste seisundite pingenivood on illustreeritud joonisel 3.7. Joonis 3.7. Dominantse ja retsessiivse biti kodeerimine CAN-siinil [6] 43

44 Diferentsiaalpinge nivoosid analüüsides nähtub, et transiiver on häälestatud sisendsignaalide eelistamisele, sest siinil rakenduv diferentsiaalpingenivoo määrab isegi dominantse biti korral, kas transiiver jätkab andmesõnumi bittide siinile saatmise režiimis või häälestub ümber infobittide siinilt vastu võtmiseks. Transiiveri võimalik ümberhäälestumine saatja režiimilt vastuvõtja režiimile on määratletud siini vastavate loogiliste seisundite diferentsiaalpingete lubatud piirväärtusega (tolerantsid). Need on sisendite ja väljundite korral erinevad (joon 3.7) [6] Biti retsessiivse loogilise staatuse juures on diferentsiaalpingenivoode tolerants-väärtused (lubatud miinimumid ja maksimumid) CAN_H ja CAN_L vahel järgmised: 1) vastuvõtja sisendil 1,0...0,5 V; 2) saatja väljundil kuni V. Dominantse staatuse juures on need väärtused niisugused: 1) vastuvõtja sisendil kuni 0,9...5,0 V; 2) saatja väljundil V [6]. Samas erinevad nimetatud allikas välja toodud vastava joonise väärtused tekstis esitatud väärtustest [6]. Uurimustöö käigus ilmnenud paradoks on veelkordseks kinnituseks, kui oluline on mõista ja üheselt aru saada siini liinide vastavate diferentsiaalpingete kokkuleppeliste väärtuste toimeid transiiveri sisendile ja väljundile. Isegi, kui ühe võrgusõlme väljund saadab siinile domineeriva staatusega biti, muutub siini (bus i) seisund (staatus) dominantseks, hoolimata teiste sõlmede väljundite kaudu siinile saadetud retsessiivsetest bittidest. Nimetatud omadus on CAN-siinil toimiva biti-põhise andmesõnumeid mittepurustava vahekohtu (arbitreerimise) aluseks. ISO spetsifikatsioon nõuab, et väljatöötatud nõuetele vastav või nendega ühilduv transiiver peab vastama mitmetele elektrilistele nõuetele tagamaks transiiverit (ja sellega ühtlasi ka võrgu sõlme tervikuna) võimalike elektrivõrgust tulenevate kahjustuste eest. Nii peaks transiiver taluma lühist pingevahemikus V ja lühiajalist pinget vahemikus V [6]. 44

45 3.5. Andmesõnumile reaalajas eelisõiguse andmise mehhanism Reaalajas andmesõnumite töötlemine on seotud vajadusega vahetada üle võrgu erinevate juhtplokkide (ECU) vahel kiiresti muutuvaid parameetreid (nt mootori koormus) sagedamini koos väiksemate viivitustega kui staatilisema muutusega parameetreid (nt mootori jahutusvedeliku temperatuur). See tähendab, et info edastamisel tuleb eelisõigused anda dünaamiste protsesside parameetrite väärtusi edastatavatele infoplokkidele (andmesõnumitele). Eelisõigus, mis sõnumil andmete edastamise käigus on tekkinud, võrreldes mõne teise vähem kiireloomulisema sõnumiga, on neile varem kinnitatud nende identifitseerimistunnuse (ID) kaudu. ID omistatakse igale andmesõnumile, mille edastamine toimub üle CAN-siini. Eelisõigused (prioriteedid) sätestatakse CAN-võrgu projekteerimise ajal, andes kõikvõimalikele andmesõnumitele selle unikaalsed ja ainuomased väärtused kahendsüsteemis (binaarne). Omistatud väärtusi ei saa võrgu ekspluatatsiooni ajal dünaamiliselt muuta; suurema eelisõigusega (prioriteediga) on see sõnum, mille ID-le on omistatud väikseim binaarne väärtus [14]. Eelnevat on võimalik lühidalt kokku võtta järgmiselt: andmesõnumile määratakse eelistus(prioriteet), andmete sisu omadused (tähtsus, olulisus, pakilisus). Lisaks sellele arvestatakse sõnumitele ID omistamisel ka võrgu sõlmi. Madalaim binaarväärtus (arvude kahendsüsteemis omistatud väärtus) vastab kõrgeimale prioriteedile ja vastupidi [1, lk 1073]. Juhul, kui eksitakse andmesõnumile omistatud ID kordumatusega (unikaalsusega), kanduks kahe või enama sõlme poolt siinile saadetava andmesõnumite vahekohus (arbitreerimine) väljaspool arbitreerismisvälja (ID-väli) ja põhjustaks vea CAN-siini töös. Algselt arvestati ID-de omistamisel andmetüüpidega ja neid andmesõnumeid saatvate sõlmedega (ühtedele sõlmedele eelistuse loomiseks siini vahekohtu toimumisel). Selline 45

46 lõhenemine põhjustas omakorda CAN-siini madala kasutusintensiivsuse ja reaalajas halvasti toimiva süsteemi- andmete edastamine hilines. Andmesõnumitele õigeaegseks vastamiseks pidid CAN-võrgu disainerid hoidma siini koormust umbes 30% nimikoormusest. Et tõsta siini efektiivsust ja luua paremat reaalajas töötavat süsteemi, võeti andmesõnumitele ID-de omistamisel CAN-võrgu arendustes arvesse hoopiski sõnumile vastamise tähtaega. Sellise põhimõttega lähenemine on võimaldanud kasvatada siini koormust % nimikoormusest [12] CAN-siini arbitreerimise mehhanism Andmesõnumite edastamisest vaba siini korral saab iga võrku ühendatud võrgusõlm (juhtplokk) alustada sõnumi saatmist siinile. Kui aga mitu juhtplokki (ECU) alustavad üheaegselt sõnumi saatmist, tekib juhtplokkide siinile pöördumisest tulenevalt konflikt: kõik andmesõnumid tahavad võrgusiinile pääseda. Tekkiva olukorra lahendamiseks rakendatakse siini-ning-vahekohtu- (bus-ning-arbitreerimis-) (loogika- )ühendusskeemi (ehk lühendatult juhtme-ning-ühendust), milles kõrgeima eelisõigusega (prioriteetsusega) andmesõnum (mis on väikseima binaarväärtusega) hetkega ennast kehtestab, kaotamata sellejuures ühtegi infobitti [1, lk 1074]. See tähendab, et siini loovutamise protsess on bitte mittehävitav biti-põhine (nondestructive) omadus, mille korral on igale CAN-võrku ühendatud sõlmele (ECU) omistatud 11-bitine või 29-bitine (laiendatud CAN-protokoll) kahendkood reegliga, kus binaarne null tühistab binaarse ühe. Nii on väikesim ID-number CAN-siini (CAN bus) eelistatuim, jäädes suurima tõenäosusega alati andmesõnumi edastajaks ka peale siini vahekohut. Järelikult omistatakse ID-tunnusega null olevale juhtplokile, mille arbitreerimise väljal on 11 binaarset nulli (standard CAN 2.0a), ülim prioriteet. 46

47 Andmesõnumite konfliktiolukorras kirjeldatuna on CAN-siini loovutamise mehhanism ehk siini vahekohus (bus arbitreerimine) skemaatiliselt järgmine: esimene võrgusõlm saadab siinile arvu null, samal ajal, kui teine sõlm saadab arvu üks, saavutab esimene sõlm kontrolli siini üle ja edastab oma sõnumi edukalt [11]. Illustratiivselt on võimalik protsess alljärgnev (joonis 3.8). Joonis 3.8. CAN-siini arbitreerimise mehhanism [8, 15] Eelnevale kirjeldusele lisaks on CAN-siini vahekohtu (arbitreerimise) protokoll reaalajas toimiv. See tähendab, et põhineb prioriteetidel ja siinil ei saa kasutada sõnumite n-ö eelisostu. Kui sõnum on juba siinile saadetud, siis ei saa seal olla antud sõnumist kõrgema prioriteediga sõnumeid, mis tekkisid siinile saatmise järjekorda peale infoülekande algust. CAN-siin (CAN bus) on sisuliselt traadiga NING loogikaelement ja see ühendab kõik üksteisega andmesõnumeid vahetatavad sõlmed (ECU). Keskkonna kanali protokoll talitleb vaheldumisi infobittide vahekohtu ja edastamise faasis. Ajatelg on jaotatud teenindusakendeks (slot-iks), mis peavad olema suuremad või võrdsed ajast, mis kulub infobiti kodeeritud signaali liikumiseks kanali ühest otsast teise ja tagasi. Vahekohtu ja edastamise faasid toimuvad biti kaadri digitaalse edastamise kestel [6]. 47

48 CAN-siinile iseloomulik talitlusviis saavutatakse siini, transiiveri (transceiver) saatja sisendi ja sama transiiveri vastuvõtja väljundi vahelise loogilise ühenduse ehk loogilise vooluringi (logic circuit) koostamisega [7]. Joonis 3.9. CAN-siini pööratud loogika [7] Tavapäraselt on loogilisi tehteid sooritavatel vooluringi elementidel (nn. loogika elementidel) seotud kõrgem pingenivoo arvuga üks ja madal pingenivoo arvuga null. See seos ei kehti CAN-siini (CAN bus) juures (joonis 3.9). Selline pööratud loogika on põhjuseks, miks firma Texas Instruments on CAN-transiiveritel tõstnud saatja sisend- ja vastuvõtja väljund-pin-i (mikroskeemi kinnitusjalg) pinge mittetöötavas (passiivses) olekus seadmesiseselt (s.o. transiiverisiseselt) üles, kasutades pull-up-tüüpi takisteid. Ta on koostanud loogiliselt töötava elektriskeemi (logic circuit) nii, et ükskõik, millise sisendsignaali puudumisel saavutab seade automaatselt (default) siini (CAN bu i) retsessiivse seisundi kõikide sisend- ja väljund-pin ide juures [7]. Eelnev kirjeldus on välja toodud eesmärgiga anda täpsustatud ülevaade vähemalt ühest viisist, kuidas võrgusõlmel (ECU) on võimalus seirata infobiti edastamiset CAN-siinile saatmise protsessis. Allikatele tuginedes on võimalik kinnitada, et lisaks bitti-de seirele nende edastamisel võimaldab pööratud loogika põhimõttel teostatud tehniline lahendus ka vähendada seadmes häireid, mis on põhjustatud biti levimisest üle kogu võrgu siini tekkivast hilistumisest (viivitusest) [7]. 48

49 Vilumuse omandamisel on võimalik uurida CAN-võrgu siinile ühedatud juhtplokkide (ECU) vahelist infovahetust andmesõnumite üldise liiklusena, siini vahekohust, võrgu müra jms. Järgnevalt esitatakse juhuslikkuse alusel valitud hetk meelevaldselt valitud CAN-võrgu siini liikluse uurimisest ostsilloskoobi Tektronix 784D abil ja vastavate uurimistööde teostamiseks vajalik ühendusskeem (vt. joonis 3.10 ja 3.11). Joonis Infoedastuse ja siini vahekohtu uurimine CAN-võrgus [7] Joonis Mõõteriista ühendamine CAN-võrgu siinile [7] 49

50 Uurides tähelepanelikult joonist 4.10 vasakult poolt paremale poole, leiame CAN-võrgu komponentide järgmised talitlusfaasid: 1) sõlm A lõpetab andmesõnumi edastamise; sõlmed B ja C saadavad kinnituse, et nad on sõnumi veatult vastu võtnud (sõlmede B ja C ACK bittid); 2) sõlmed B ja C alustavad veidi hiljem siini vahekohut (arbitreerimist), mille võidab sõlm C ja see saadab kohe ka enda andmesõnumi; 3) nüüd saadavad sõlmed A ja B kinnituse sõlme C andmesõnumi korrektsest vastuvõtmisest; sõlm B jätkab ka enda andmesõnumi edastamisega. Jälgida transiiveri saatja sisendi ja siini (bus) väljundi vastupidiseid polaarsusi; 4) sõlmed A ja C saadavad kinnituse sõnumi veatust vastuvõtmisest; 5) mingi aja jooksul siinil ja sõlmede juures infovahetusest tulenev liiklus puudub: siin on jõude ehk tühijooksul, sõlm A alustab info edastamist [7]. Käsitledes CAN-siini loovutamise (arbitreerimise) mehhanismi teoreetilisi ja tehnilisi aluseid, muutub mõistetavaks ka CAN-võrgu disainimise (konfigureerimise) faasi olulisus, reaalajas toimiva süsteemi vajalikkus. Ainult teoreetiliste aspektidega tutvudes tekib oht, et disainitud võrk ei saavuta eeldatavaid talitlusnäitajaid ja süsteem terviklikult ei rahulda esitatud tehnilisi tingimusi ega püstitatud eesmärke, kuigi võrgu elemente eraldi analüüsides vastavad need üksikkomponentidena tehnilistele tingimustele CAN-protokolli infovahetus Standardi järgi on CAN-protokollis defineeritud sisu ja talitluse (funktsiooni) alusel neli erinevat sõnumi kaadrit (frame): 50

51 1. Andmesõnumi kaader (data frame) kasutatakse (alg-)allikate juurest andmete edastamiseks ühe või mitme vastuvõtjani; 2. Allikalt (kaug-)päringusõnumi kaader (remote frame) kasutatakse andmeedastusel (täiendava) päringu teostamiseks vastava ( sama ID) andmesõnumi kaadris (data frame) sisalduva informatsiooni kohta; 3. Veasõnumi kaader (error frame) edastatakse võrgus vea tuvastanud võrgusõlme (ECU) poolt; 4. Ülekoormussõnumi kaader (overload frame) teavitab konkreetse sõlme ülekoormusest kasutatakse tagasiside andmiseks, kui võrgu sõlm taotleb viivitust andmete edastamisel saamaks ise info töötlemiseks täiendavat aega enne andmesõnumi või päringusõnumi kaadri edastamist [6, 12] Andmesõnumid CAN protokollis toetatakse kahte erinevat sõnumivormi: 1) algvormingut, milles ID pikkus on 11 bitti; 2) laiendatud vormingut, milles ID pikkus 29 bitti (lisa A) [6, 7, 12]. Kuna muud erinevused puuduvad, siis edastatakse alus-formaadis vormindatud andmesõnumis kuni 130 bitti ja laiendatud formaadis maksimaalselt 150 bitti. See tagab väga lühikese ooteaja järgmisele andmesõnumile siinile (bus le) pääsemiseks [1, lk 1074]. Alustades sõnumikaadri algvormingu uurimist ning kaadriga seotud infobittide olekuid (staatusi), tuleb silmas pidada, et andmesõnumi kaader (Data Frame) ja kaugpäringusõnumi kaader (Remote Frame) eraldatakse nendele eelnevatest infokaadritest nendevahelise ruumiga ja nimetatakse kaadritevaheliseks ruumiks (Interframe Space). 51

52 Joonis Andmesõnumi kaader koos kaadritevahelise ruumiga [18] Andmesõnumi algvormingu kaader, koosneb seitsmest järjestikusest väljast: 1. Algusväli (SOF- Start of Frame)- koosneb ühest dominentsest bitist, mis märgistab sõnumikaadri algust ja sünkroniseerib kõik siinile ühendatud võrgusõlmed (ECU). Kuna juhtplokkidel on lubatud alustada sõnumite edastamist alles siis, kui siin on tühi (tühijooksul), siis toimubki algusvälja dominantse bitiga võrgusõlmede jäik sünkorniseerimine (Hard Synchronization). Algusvälja dominantset bitti väljastab esimesena andmeedastust alustav ECU. 2. Siini vahekohtu väli (Arbitration Field) sisaldab järgmist: 1) tuvastamisvälja (ID- Identifier), mis koosneb 11 bitist; 2) päringubitist(rtr Bit- Remote Transmission Request Bit)- koosneb ühest bitist, mis andmesõnumi (Data Frame) korral on dominantne; päringusõnumi korral (Remote Frame) muutub retsessiivseks infobitiks. 3. Juhtimise väli (Control Field) sisaldab alltoodut: 1) algselt kahte varuks olevat bitti, kuid peale laiendatud sõnumikaadri vormigu väljatöötamist koosneb ühest IDE- (identifier extension) bitist, 52

53 mis määratleb ID-välja vormingu (standardvormingul dominantne bitt) ja ühest reservbitist; 2) andmete pikkuskoodist (DLC- Data Length Code)- koosneb neljast bitist, mille kombinatsioonid näitavad andmeväljas baitide arvu. 4. Andmeväli (Data Field) sisaldab edastatavaid andmeid ( bitti). 5. Tsükkelkoodkontrolli väli (CRC Field) sisaldab järgmist: 1) tsüklilise liialisuse kontollil (ingl.k. cyclic redundancy checking (CRC)) põhinevat algebralise hulkliikme (polünoomi) tuletatud kontrollväärtust (CRC Sequence) võimalike andmeedastuse häirete tuvastamiseks; 2) CRC eraldaja (CRC Delimiter), mis koosneb ühest retsessiivsest bitist. 6. Kinnitamise (või nõustumise) väli (ACK Field) sisaldab: 1) kinnituse aken (ACK Slot)- koosneb ühest retsessiivsest bitist, mida muudetakse sõnumi vastu võtnud ECU poolt dominantseks bitiks, kui kontrollsumma CRC osutub sobivaks (muutus edastatakse sõnumi saatnud võrgusõlmele); 2) ACK eraldaja (ACK Delimiter). 7. Lõpuväli (EOF- End of Frame) [1, lk 1074, 6, 7, 17]. Joonis Andmesõnumi algvorming CAN spetsifikatsiooni 2.0 osa A järgi [12] 53

54 Sõnumiraami standardse ja laiendatud vormingu bittide analüüsimisel tuleb silmas pidada, et näiteks IDE bitt, mis standardvormingus on juhtimise välja koosseisus, osaleb laiendatud kaadri vormingus siini vahekohtus, sest asetseb arbitreerimisvälja koosseisus (vt. joonis 3.14). Reaalselt CAN-võrku disainides või võrgusõlmedega andmeside ühendust luues on oluline teada, millise spetsifikatsiooni järgi võrku ühendatud sõlmede (ECU) sõnumite kaadrid on määratletud. CAN spetsifikatsiooni 2.0 osa A määratlusega sõnumi kaadris puudub IDE bitt ja juhtimisvälja alguses on kaks reservis olevat kasutamata bitti, mis reeglina on dominantsed. Joonis CAN kaadri vormingute võrdlus [18] CAN-võrgu sõlmedega (juhtplokkidega) võrguvälist andmeside ühendust disainides (näiteks diagnoosiseadmega) on kasulik teada, et algvormingus sõnumeid saatev juhtplokk ei suuda lugeda laiendatud vorminguga andmesõnumeid. Küll aga on võimalik, et laiendatud vorminguga sõnumeid edastav ECU suudab aru saada algvorminguga andmesõnumist. 54

55 Kaugpäringu-sõnumi kaader Tavaliselt edastab algandmeid valdav sõlm iseseisvalt, saates andmesõnumi (Data Frame). Samas on andmesõnumit vastu võtnud sõlmele jäetud võimalus esitada päring algallikate valdajatele, saates neile kaugpäringu sõnumi (Remote Frame). Allikale saadetaval päringusõnumil on selle poolt saadetud andmesõnumiga identne ID, puudub aga andmeväli. Samas määratleb juhtimise välja kuuluv pikkuskood baitide arvu, millel on ühene seos sama ID-ga andmesõnumiga. Ka on kaugpäringu-sõnumi kaadris vahetult tuvastamise väljale (ID) järgnev päringu-bitt (RTR) dominantne [12, 18]. CAN-võrgu pidevas talitluses, kus ei ole väistatud ka viivitused sõnumite edastamisel, võib teoreetiliselt tekkida olukord, kus ühe ja sama ID-ga andme- ja päringusõnumeid (selliseid sõnumeid saab olla vaid kokku kaks) soovitakse edastada. Vältimaks lahendamatut oluorda siini vahekohtus ja tagamaks päringusõnumi saatnud võrgu sõlmele (juhtplokile) koheselt täiendavate andmete saamise, on tuvastusväljale (ID) järgnev päringubitt (RTR): 1) valitsev (dominantne), s.o RTR= 0 andmesõnumi kaadris, ja 2) taanduvuslik (retsessiivne), s.o. RTR= 1 kaugpäringu-sõnumi kaadris [12]. Kasutades eelnevat talitluse kirjeldust, saab väita, et päringu-sõnumit kasutatakse võrgu sõlme (ECU) kasutada olevale informatsioonile täiendava päringu edastamiseks, kusjuures päringusõnumi kaadrisse (Remote Frame) kuuluv tuvastusväli (ID) määratleb täiendava informatsiooni iseloomu. Kaugpäringu-sõnumi kaader on samas vormingus (formaadis) kui andmesõnumi kaader (Data Frame) ja sellel on järgmised omadused: 1) tunnuseväli (ID) tähistab sõnumit, mille kohta päring esitatakse; 2) andmeväli on alati tühi, sest sisaldab null baiti; 3) pikkuskood (DLC) näitab taotletava sõnumi andmete hulka (andmevälja pikkust baitides); 4) vahekohtu välja kuuluv päringu-bitt (RTR) on alati taanduvuslik (retsessiivne) [6]. 55

56 Veasõnumi kaader Olemuselt on veasõnumi kaader (error frame) tagajärg (resultaat) võrgus tekkiva andmeedastuse talitluse häire ehk vea avastamise, tähistamise (teistele võrgus olevatele sõlmedele teadaandmise) ja talitlushäirest taastumise (vea kõrvaldumise) protsessidest [6]. Veasõnumi kaader on eriliselt vormindatud sõnum, mis rikub CAN-sõnumite vormindusreegleid, tekitades olukorra, kus kõik CAN-võrgu siinile ühendatud võrgusõlmed (ECU) edastavad samuti sama veasõnumi. Sealjuures veasõnumi esmaedastaja (n.ö. originaali edastaja) taasedastab sama sõnumi. CAN-kontrollerites toimiv vigade loendur tagab, et võrgusõlm ei saaks siinile edastada veasõnumeid korduvalt [7]. Veasõnumi kaader koosneb kahest väljast: 1) vealipu (Error Flag) pealepaneku (superposition) ehk vealipuga märgistamise väli, mis annab erinevatele võrgusõlmedele (-jaamadele) võimaluse märgistada vigane andmesõnum vealipu püstitamisega (sisaldab dominantset või retsessiivset bitti); 2) vea-eraldaja (Error Delimiter), mis sisaldab kaheksat retsessiivset bitti (joonis 3.15) [12,18]. Joonis Veasõnumi kaader [18] 56

57 Veasõnumite kaadrite korrektseks lõpetamiseks võib esineda olukordi, kus CAN-võrgu siin vajab täiendavalt lisaaega vähemalt kolme biti täiendavaks edastamiseks. Sellepärast ei tohiks CAN-siin olla täiskoormusel, sest nn. passiivse veaga võrgusõlm vajab, et CANvõrgu siin oleks tühijooksul vähemalt kolm bitti-aega (bitti edastamiseks kuluv aeg). Eelpool märgitud lisaaeg on oluline lokaalse vea puhul, kui see on ilmnenud sõnumi vastuvõtnud sõlmel (ECU) passiivse veana [18]. CAN-võrgus tähistavad võrgusõlmed info vahetamise käigus tekkivaid vigu vealippudega. Need jagunevad alljärgnevalt: 1) aktiivse vea lipp- koosneb kuuest järjestikusest dominantsest bitist; 2) passiivse vea lipp- koosneb kuuest järjestikusest retsessiivsest bitist (kui need just ei ole mingi teise võrgusõlme poolt üle kirjutatud dominantsed bitid) [12, 18]. CAN-siini aktiivselt mõjutavat viga levitava võrgujaama (juhtploki) avastamiseks kasutatakse aktiivse vea lippu, kui siinile on edastatud (või üle kantud) võrgu talitlust häiriv, ükskõik mis laadi tõrge ja selle raskusastet omav signaal. Vealippude esitlusviis rikub vahe-bittide lisamise seaduspärastust, mis on rakendatud algusvälja bitist (Start of Frame) kuni nõustumise eraldajani (CRC Delimiter); või lõhub kinnitamise välja (ACK Field) või lõpuvälja (End of Frame) kokkulepitud seaduspärasust (fikseeritud vormi ehk fixed form). Sõnumikaadris esinevate bittide esitlus- (või vormindus-)häirete tulemusena avastavad teised võrku ühendatud võrgujaamad (ehk võrgusõlmed) tõrkeseisundi ja nende poolt edastatakse omakorda vealipp. Nii võib dominantsete bittide jada kaudu jälgida üksikute võrgusõlmede poolt edastatud erinevate vealippude püstitamistulemuste kajastumist võrgu siinil. Bittide jada võib koosneda bittist [18]. Passiivse vea avastanud võrgujaam (ECU) püüab sellest märku anda passiivse vea lipu edastamisega CAN-võrku. Juhtplokk, mis avastas passiivse vea, ootab kuue järjestikuse samapolaarse biti edastamiseks võimalust veasõnumi kaadri alustamiseks. Passiivne vealipp on püstitatud, kui need kuus järjestikust samapolaarset bitti on mõne teise võrgujaama poolt tuvastatud [18]. 57

58 Veaeraldaja (Error Delimiter) koosneb kaheksast retsessiivsest bitist. Pärast vealipu edastamist saadab iga võrgujaam retsessiivse biti ja seirab CAN-siini kuni avastab retsessiivse biti. Pärast retsessiivse biti avastamist edastatakse veel seitse retsessiivset bitti [18] Ülekoormus-sõnumi kaader Ülekoormus-sõnumi kaader koosneb kahest biti-väljast: ülekoormuslipu väljast (Overload Flag) ja ülekoormuse eraldajast (Overload Delimiter) (joonis 3.16). Eristatakse kahte ülekoormuse põhiseisundit, mis viivad juhtploki poolt ülekoormuse lipu edastamiseni: 1) transiiveri vastuvõtja töörežiim, mis eeldab järgmise andme- või päringusõnumi edastamisele eelnevat viivitust; 2) kui infoedastamise vaheajal (intermission) avastatakse siinil dominantne bitt [12, 18]. CAN- spetsifikatsiooni 2.0b järgi on ülekoormuse sõnumi kaadri edastamise põhjuseks veel olukord, kui CAN-võrgu sõlm (juhtplokk) tuvastab veaeraldaja või ülekoormuse eraldaja kaheksanda biti kohal dominantse biti. Vealoenduri arvväärtus ei tohi samal ajal kasvada [18]. Ülekoormus-sõnumi edastamist on lubatud alustada vaid järgmisel kahel juhul: 1) arvatava vaheaja esimesel biti ajal; 2) esimese biti edastamist võib alustada peale dominantse biti avastamist siinil [18]. Järgmiste andme- või päringusõnumite edastamisega viivitamiseks võib moodustada kuni kaks järjestikust ülekoormuse sõnumit [18]. 58

59 Joonis Ülekoormus-sõnumi kaader [18] Ülekoormuslipp koosneb kuuest järjestikusest dominantsest bitist ja seepärast on see vastavuses aktiivse vea lipu vorminguga (formaadiga) [18]. Kuna ülekoormuslipp hävitab sõnumikaadrite vahelise välja kindlaksmääratud vormingu, avastavad kõik võrgu siinile ühendatud jaamad (EDC) siini ülekoormusseisundi ja alustavad omalt poolt ülekoormuslipu edastamist (sarnaneb olemuselt vealippude edastamisega) [12, 18]. Kui võrgujaam (juhtplokid) avastab sõnumikaadrite edastamise vahelisel perioodil (sõnumikaadrid edastatakse jadamisi mõningaste vaheaegadega, et tagada siini vahekohtu toimimine) kolme esimese biti jooksul dominantse biti, siis tahab jaam tõlgendada (interpreteerida) seda bitti sõnumikaadri algusväljana (Start of Frame). Selline käitumisviis on sõlmel, mis ise edastab sõnumeid, kuid avastab sõnumikaadrite vahelise aja nimetatud hetkel lokaalselt esineva domineeriva biti [18]. CAN-spetsifikatsioon 2.0b hoiatab, et kontrollerid, mille talitluste iseloom tugineb CANspetsifikatsioonile 1.0 ja 1.1, tõlgendavad sõnumikaadrite vahelisel perioodil avastatud kolmandat bitti teistsuguselt: kui dominantne bitt avastati lokaalselt sama sõlme juures (mis edastas hetkel sõnumikaadreid), siis ei tõlgenda siinil olevad teised võrgusõlmed ülekoormuslippu õigesti, vaid kuue järjestikuse dominantse biti esimest bitti kui sõnumikaadri algusvälja (Start of Frame). Sealhulgas rikub kuues dominantne bitt vahebiti lisamise reeglit (the rule of bits stuffing), põhjustades CAN-siinil vea seisundi (error condition) [18]. 59

60 Ülekoormuse eraldaja koosneb kaheksast retsessiivsest bittist ning seetõttu on sama vorminguga kui veaeraldaja [12, 18]. Pärast ülekoormus-lipu edastamist asub võrgujaam (juhtplokk) jälgima andmeedastuse liiklust võrgu siinil. Ajahetkel, kui juhtplokk (ECU) tuvastab siinil oleva bitti muutuse dominantsest retsessiivseks, on kõik võrku ühendatud juhtplokkid (kontrollerid) lõpetanud ülekoormuse lipu saatmise ja kõik siinile ühendatud võrgujaamad alustavad üheaegselt ülejäänud seitsme bitti edastamist [18] Kaadritevaheline ruum Andmesõnumi kaader ja kaugpäringu-sõnumi kaader on eraldatud eelmistest, ükskõik millistest sõnumikaadritest bittide väljaga, mida nimetatakse kaadrite vaheliseks ruumiks; ülekoormuse ja veasõnumi kaadritele ei eelne kaadrite vahelist ruumi. Samuti ei erista kaadrite vaheline ruum kahte ülekoormus- või vea-sõnumi kaadrit [12, 18]. Kaadritevaheline ruum sisaldab järgmisi bitti-välju: 1) sõnumite edastamise vaheline paus ehk seisak (intermission); 2) siini jõude ehk tühijooksul olek (bus idle); 3) andme edastuse peatumine (suspend transmission)- esineb passiivsete veateatega jaamadel, mis on siinile saatnud eelmise sõnumi (joonised 3.17, 3.18) [12, 18]. 60

61 Joonis Kaadritevaheline ruum sõnumi vastuvõtnud jaamal; puudub passiivne viga Joonis Kaadritevaheline ruum sõnumi saatnud jaamal, millel passiivne viga [18] Pausi ehk seisaku (intermission) väli koosneb kolmest retsessiivsest bittist. Pausi ajal on ainsaks tegevuseks ülekoormuse seisundist märku andmine; ühelgi võrgujaamal (kontrolleril) ei ole lubatud alustada aktiivset andme- või päringusõnumi kaadrite edastamist [12, 18]. Üheks erijuhtmiks on olukord, kui CAN-võrgu sõlm sõnumi edastamise võimaluse ootamise käigus avastab CAN-võrgu siinil pausi (intermission) välja kolmanda bittina dominantse bitti; CAN-sõlm tõlgendab seda algusvälja bittina ja arvab vajalikuks edastada järgmise bittina enda tuvastamisvälja esimest bitti (alustamaks siini vahekohtu toimumist), kuid omalt poolt sõlm algusvälja bitti ei väljasta. Samuti ei muutu sõlm peale omapoolsete bittide edastamist automaatselt sõnumite vastuvõtjaks [18]. Siini jõude ehk tühijooksul oleku (bus idle) aeg võib olla meelevaldse pikkusega ja sõltub info hulgast, mida tahavad CAN-võrku ühendatud juhtplokid üksteisele edastada. Selles 61

62 olukorras on CAN-siin tunnistatud vabaks ja igal võrgujaamal (ECU) on sõnumite edastamiseks võimaldatud siinile juurdepääs. Kuna teadaolevalt tahetakse eristada käimasoleva andmeedastuse käigus üksteisele järgnevaid sõnumeid, alustatakse selle edastamist siinil esimese bitiga peale seisakut (intermission) [18]. CAN-siinil avastatud dominantset bitti tõlgendatakse algusväljana (Start of Frame) [18]. Kui passiivse veaga võrgujaam (juhtplokk) on edastanud sõnumi, saadab see järgneva pausi ajal kaheksa retsessiivset bitti. Sõnumite edastamise vaheline paus (intermission) esineb tavaliselt enne järgnevate sõnumite edastamist, kuid võib tunnistada siini ka jõude ehk tühijooksul olevaks, kui sõnumite edatamine on peatatud (suspend transmission) [18]. Olukorras, kus teiste võrgujaamade poolt algatatud andmevahetus CAN-siinil algab sõnumite edastamise vahelise pausi ajal, tahab juhtplokk siinil edastatavat sõnumit vastu võtta [18] Vahebiti lisamise reegel CAN-protokollis Vahebiti lisamine laiemas mõistes on mitteinformatiivsete bittide lisamine võrgus edastatavatesse sõnumitesse. Mitteinformatiivse biti lisamise meetodit kasutatakse bitijadas, kusjuures lisatav vahebitt ei pea tingimata olema vastava bitijada osa ega ka sellega mingit moodi seotud. Meetodiga ühtlustatakse bitijadade pikkusi või täidetakse erinevaid puhvreid ja kaadreid. Vahebittide asukohtadest informeeritakse siinile ühendatud vastuvõtjat, kus need lisabitid eemaldatakse, et taastada bittide jadade originaalpikkused või vormindus [19]. Vahe- ehk täitebiti oluliseks kasutusalaks on nn pikkuspiiranguga kodeerimine (run-length limited coding). Nii piiratakse andmeedastusel ühesuguse väärtusega järjestikuste bittide 62

63 arvu. Sellisel juhul ei vaja vastuvõtja üldiselt täidise eemaldamiseks lisainfot täitebiti asukohast [19]. Pikkuspiiranguga kodeerimise kaudu luuakse täiendavaid signaalisiirdeid, tagamaks usaldusväärset vastuvõttu või reserveeritud koodsõnade vahetust. Näiteks andmevahetuses sisalduvate kaadrite sünkroniseeritud järgnevus (kõik kaadrite liigid ei pruugi olla iga kord kasutuses). Antud kodeerimisviisi kasutatakse ka CAN-võrgus [19]. CAN-kaadrite lõikudes (segmentides) on vahebiti lisamise reegel ühildatud bittide kodeerimise NZR-meetodiga. Saatja lisab automaatselt vastupidise polaarsusega biti sõnumikaadri siinile pärast viie järjestikuse samapolaarse biti CAN-siinile saatmist. Silmas tuleb pidada, et vahebiti lisamine ei ole absoluutne, selle tõttu ei lisata vahebitte CRC eraldajas, nõustumise väljas (ACK Field) ega lõpuväljas. Nende väljade vorming on muutumatu, vahebittide lisamist ei toimu (nagu ka veasõnumi ja ülekoormussõnumi kaadris). Vahebitid eemaldatakse kaadritest sõnumi vastuvõtja juures [12, 18] Vahebiti lisamine ei taga veel andmeedastuses oleva informatsiooni terviklikkust, s.t rikutust ülekande vigadest. See tagab, et andmeedastus algab ja lõpeb õigetes kohtades [19] Võrgusõlmede omaalgatusliku sõnumi saatmise põhjused Tavaliselt alustab CAN-siiniga ühendatud saatja andmeedastust: ta saadab siinile andmesõnumi kaadri. Kuid CAN-protokoll annab ka vastuvõtjale võimaluse hankida andmeid nende saatja juurest. Selleks peab andmeid vastuvõttev võrgujaam (juhtplokk) saatma andmete allikale kaugpäringusõnumi kaadri (remote frame). Andmesõnumi ja selle juurde kuuluva päringusõnumi kaadril on üks ja sama ID. Nendel on võimalik vahet teha ID bittidele järgnevate bittide võrdlemisel [1, lk 1074]. 63

64 3.10. Vea avastusmehhanism CAN-protokoll on ohutuks andmeedastuseks, võrgu enesediagnoosimiseks vigade tuvastamisel ja sellest märku andmiseks, vigade leviku piiramiseks ja talitlushäiretega võrgusõlmede siinimõjutuste takistamiseks välja töötanud sarja vea avastamise kontrollmehhanisme. CAN-võrgu häireteta talitlus põhineb järgmistel meetmetel: bitine tsükkelkoodkontrolli väli (CRC Field)- iga vastuvõtja võrdleb sõnumikaadriga vastuvõetud tsükkelkoodkontrollijada; on oma olemuselt BCH kood (BCH Code) ja on kõige paremini kohanduv kuni 127 bitti sisaldavale sõnumikaadrile [1, lk 1075, 18]; 2. Seire (monitoring)- iga saatja loeb iseenda poolt siinile saadetud sõnumit ja võrdleb iga samal ajahetkel siinile saadetud ja skanneeritud bitiga; 3. Vahe-biti lisamine- igas andmesõnumi kaadris (Data Frame) või päringusõnumi kaadris (Remote Frame) algusvälja bitist (Start of Frame) kuni tsükkelkoodkontrolli välja (CRC Field) lõpuni on lubatud maksimaalselt viis sama polaarsusega järjestikust bitti. Seetõttu lisab saatja märgitud piirkonnas peale iga sellist biti-gruppi ühe vastupidise poaarsusega biti nii, et ei tekiks nimetatud biti-voo mägitud vahemikus kuute järjestikust samapolaarset bitti. Vastuvõtjad eemaldavad vastuvõetud sõnumitest vahe-bitid uuesti; 4. Kaadrite kindlaksmääratud vorminduse kaitse- CAN-protokoll sisaldab mitmeid kindlaksmääratud vormingusega biti-välju, mida kontrollitakse kõikide siinile ühendatud võrgujaamade (juhtplokkide) poolt [1, lk 1075, 6, lk 22, 23]. 64

65 BCH-koodid ja nende ülesanded BCH-koodid (BCH codes) põhinevad universaalses algebras kasutusel oleva lõpliku ehk Galois välja teoorial ja nad moodustavad tsükliliste veaparanduskoodide alamrühma. Tähis tuleneb väljatöötajate perenimede esitähtedest. BCH-koodide kavandamisega on võimalik avastada edastatavates koodsõnades leiduvate vigaste sümbolite täpne asukoht, samuti on nendega võimalik avastada ja korrigeerida samas koodsõnas esinevat mitu vigast sümbolit. Kuna vea avastamise protsessi aluseks on jäägi arvutamine ehk sündroomi meetod (method as syndrome decoding), siis on ka andmesõnumite vastuvõtjates paiknevate dekooderite võimsustarve väike. See võimaldab hoida elektroonilisele riistvarale tehtavad kulutused madalad [20]. BCH-koodid on Hammingi koodide edasiarendused ja üldistused [21, lk 11]. Need moodustatakse algebralise hulkliikmena avaldatud infoploki bittide jagamisel teatud reeglite alusel tekitatud polünoomiga. Genereeritava polünoomi reeglite, nn. polünoomi generaatori valimisel antakse leitavale BCH-koodile soovitavad omadused, kuid alati peavad polünoomsel kujul olevad infoploki bitid ehk koodsõnad olema genereeritava polünoomi kordsed [21, lk 12]. Arvutivõrkudes toimimiseks on BCH-koodid välja töötatud kahte loogilist tasandit omavate kahendsüsteemseteks elektrilisteks signaalideks kodeeritud andmesõnumite edastamise jälgimiseks ja andmeedastuse käigus tekkivate võimalike rikutud bittide avastamiseks ja nende korrigeerimiseks. Sellest tulenevalt on kõik võrgus edastatavad andmesõnumid käsitletavad võimalike koodsõnadena, mis paiknevad kahendsüsteemses (modulo kaks) lõplikus väljas, mida tähistatakse GF(2), ja selles paiknevat võimalikku primitiivset elementi tähistatakse GF(2 m ), kus m on BCH-koodi võimalik pikkus. BCH-koodi leidmiseks tarviliku polünoomi genereerimisel jälgitakse, et see oleks minimaalne, võimaliku minimaalse järguga (polünoomi muutuja suurim astendaja võimalikult madala arvväärtusega). Veel peab jälgima, et genereeritav polünoom on primitiivne, s.t polünoom ei ole esitatav kahe ühest erineva polünoomi korrutisena. 65

66 Võimalikult suure hulga koodsõnade (arvutivõrku edastatud kahendsüsteemsete elektriliste signaalide) seiramiseks on genereeritud polünoom mitmete polünoomide kombinatsioon, kus primitiivseteks liikmeteks olevad polünoomid võivad olla erinevate järkudega, kuid need peavad olema lõpliku välja elementideks GF(2 m ), mis on avaldatud algebraliste hulkliikmetena [21, lk 12]. Kuigi genereeritav polünoom on keeruline, on selle lihtsustamine siiski võimalik, sest polünoomi primitiivsete elementide matemaatiliseks lihtsustamiseks koostatavad algebralised võrrandid lahenduvad radikaalides, kui eelnevalt on rakendatud polünoomi liikmete juures vähima ühiskordse leidmist [21, lk 12]. Andmesõnumi lõplikuks kodeerimiseks on sellele vaja lisada veel kontroll-bitid. Nende leidmiseks jagatakse algebralise hulkliikme kujul olev esialgne infoplokk genereeritud polünoomiga. Selle tulemusena arvutatud jäägid lisatakse infoploki juurde. [21, lk 14]. Nimetatud toimingu teostab lõplikku andmesõnumit koodsõnana võrku saatva kontrolleri transiiveri saatja osa (transmitter). Leitud koodsõna õigsuse kontrollimiseks jagatakse see genereeritud ja matemaatiliselt lihtsustatud polünoomiga. Kui arvutatud jäägi väärtuseks tuleb null, on võrku edastatav koodsõna (sisaldab infoplokki ja kontroll-bitte) veatu. Nullist erineva jäägi korral saab järeldada koodsõnas esinevat viga, kui eeldatakse, et koodsõna ei ole temas esinevate vigade mõjul teisenenud (transformeerunud) mõneks teiseks tõepäraseks koodsõnaks [21, lk 14]. Tehnilises mõttes on BCH-koodid mitmetasandilised muutuva pikkusega digitaalsed tsüklilised veaparanduskoodid, millega korrigeeritakse juhuslikult ilmnevate vigade mustreid. Seetõttu on BCH-koodidena kasutatavad ka lineaarsed tsüklilised blokk-koodid. Siinjuures peab silmas pidama, et koodsõna mistahes tsüklilise nihke tulemuseks on ikkagi koodsõna [20, 21, lk 14]. Arvutivõrgus esinevad häired võivad võrku edastatud koodsõna bitte rikkuda. Sellepärast peab koodsõna vastu võtva kontrolleri transmitteri vastuvõtja osa (receiver) teostama vastuvõetud koodsõna kontrollimisprotsessi. See on keeruline ja hõlmab endas kolme etappi: 66

67 1) vastuvõetud koodsõna teisendatakse algebralise hulkliikme kujuks ja minimaalse polünoomiga jagades leitakse jäägid, mida nimetatakse ka sündroomiks; 2) algebralistest võrranditest (mis tuletuvad sündroomist) leitakse vea/ vigade asukohta määrav polünoom; 3) kasutades vea/ vigade asukohta määravat polünoomi, selgitatakse välja rikutud bitid ja need korrigeeritakse. Rakendades vigade korrigeerimiseks BCH-koode, peab arvutama sündroomi vektori komponendid. Nende hulk võrdub kahekordse oodatavate vigade arvuga vastuvõetud koodsõnas. Sündroomi vektori komponentide leidmiseks on kasutatavad analoogsed algebralised teisendused, mida kasutati eelnevalt infoploki kodeerimisel täielikuks koodsõnaks [21, lk 15]. Matemaatiliselt on tõestatud, et iga sündroomi võrrand on funktsiooniks vaid vastuvõetud koodsõnas sisalduvatele vigadele. Need võrrandid lahendades, saadakse info vigade asukohta määrava polünoomi (locator polynom) kohta. Lahendataval võrrandisüsteemil on mitu lahendit [21, lk 16]. BCH-koodide dekodeerimise algoritmiks on lähendusmeetod, mida kasutades toimub etapiviisiline lähenemine vigade lokaator-polünoomile. Sõltuvalt eelmise etapi arvutustulemustest võib tekkida vajadus viia polünoomi liikmete juures sisse lisaparandusi. Vigade lokaator-polünoom loetakse leituks, kui selle aste on väiksem või võrdne oletatavate vigade arvuga [21, lk 16]. Kui polünoomi aste on vigade arvust suurem, siis ei ole võimalik vigu korrigeerida. Selleks, et leida vastuvõetud koodsõnas võimalike rikutud bittide paiknemine, s.o. vigade muster, arvutatakse lokaator-polünoomile vastavad ruutjuured radikaalide kaudu. Kasutatakse katse-eksituse meetodit, mis on matemaatilistest teisendustest tõhusam [21, lk 18]. 67

68 Kui nüüd liidetakse leitud vigade muster vastuvõetud koodsõnaga, saadakse tulemuseks vigadest korrigeeritud vastuvõetud koodsõna [21, lk 18]. Kui vigu ei esine, siis sündroom lahendub nulliga (jääke ei teki). Kui esineb kuni kolm viga, siis on lihtne leida rikutud bittide võimalikke asukohti. Üle kolme vea asukoha määramise ja korrigeerimise protsess on töömahukam, sest lokaatorpolünoomi aste on üle kolme. Antud vea korrigeerimise meetodi puudus ilmneb, kui vastuvõetavas koodsõnas esineb seitse rikutud bitti. Olenevalt rikutud bittide asukohast, esineb juhtumeid, kus sündroomi tulemiks on null ja sellest tulenevalt võidakse järeldada, et vigu ei esine. Sellepärast kasutab enamik veaparandussüsteeme muid meetmeid, püüdes tagada edastatavate andmete terviklikkuse. Nii võidakse kasutada üldist kontrollkoodi kogu infot sisaldavale koodsõna bittide jadale [21, lk 18]. Vea avastamine ja korrigeerimine BCH-koodidega toimub kas tarkvaraliselt või riistvaraliselt, kusjuures uuendusena kasutatakse dekodeerimise juures Berlekamp i algoritmi. Kuid kiiretes ühendusvõrkudes ja ka piiratud võimsusega mikroprotsessorites ei ole ka Berlekamp i algoritm keerukuse tõttu tõhus. Nendel juhtudel on kasutatava algoritmi optimeerimine oluline. Nii püütakse arendada alternatiivseid BCHkoodide dekodeerimise meetodeid, mida saaks kasutada kiiretes andmeedastusvõrkudes ja piiratud võimsusega kontrollerite protsessorites [21, lk 18] CAN-protokollipõhine võrgu talitluse haldamine Talitlushäirete tuvastamise üldised abinõud põhinevad iga võrgusõlme (ECU) võimes jälgida kõikidele võrku ühendatud kontrolleritele edastatud informatsiooni kogu siinil oleku ajal, sõltumata mingi ECU hetkeseisundust (kas info edastaja või vastuvõtja). Iga 68

69 CAN-siinile ühendatud juhtplokk annab seiret teostades märku avastatud vigade seisunditest tähistades need vastavalt. Võrgus olevad vead võivad pärineda mitmetest allikatest [6, lk 23] Vigade jagunemine tekke iseloomu järgi CAN-võrgu talitlushäireid põhjustavad viis üksteist mittevälistavat veatüüpi: 1. Biti viga (bit error), mis tekib võrgu sõlmel saadab biti CAN-siinile. Infot võrku edastav juhtplokk jälgib ka võrgu siini. Biti viga avastatakse hetkel, kui siinil oleva nimetatud biti arvväärtus erineb selle CAN-siinile saadetud arvväärtusest. Eranditeks on retsessiivsed bitid, mis osalevad siini vahekohtu protsessis või paiknevad andmesõnumi kinnituse aknas (ACK Slot); 2. Vahe-biti lisamise reegli viga (stuff error) tuvastatakse hetkel, kui siinile on edastatud kuues järjestikune samapolaarsusega bitt; 3. Kontrollkoodi viga (CRC error) tekib juhul, kui andmesõnumit vastuvõtva CAN-võrgu sõlme poolt arvutatud CRC väärtus erineb sõnumit edastanud võrgu sõlme CRC salvestatud (ja saadetud andmesõnumisse lisatud) väärtusest; 4. Vormingu viga (form error) avastatakse, kui fikseeritud vormiguga biti-väli sisaldab ühte või mitut lubamatut bitti; 5. Kinnitusviga (acknowledgment error) avastatakse saatja poolt, kui leitakse CAN-siini seiramisel kinnituse aknas (ACK Slot) taandumuslik (recessive) bitt [6 lk 23, 18 lk 23]. 69

70 CAN-Võrgu talitlushäiretest teatamine Kui CAN-kontroller (juhtplokk) avastab andmeedastuses häire, siis sellise teate edastamine katkestatakse automaatse taasedastuse eesmärgil. Häire avastanud juhtplokk edastab siinile vea lipu. Siinil aktiivsena olev võrgusõlm (juhtplokk) edastab aktiivse vea lipu, passiivne võrgusõlm edastab aga passiivse vea lipu [1, lk 1075, 6, lk 22, 18, lk 23]. Selleks, et analüüsil eristada sõnumikaadri ülejäänud osast bittide jada, mis on seotud talitlushäiretest märku andmisega, nimetatakse võrgu vigadest ehk talitlushäiretest märku andvat bittide jada veasõnumi kaadriks (Error Frame). Veasõnumi kaader sisaldab järgmist: 1) vea lippude peale asetamise (superposition) väli- edastatud erinevate võrgusõlmede poolt, kusjuures nende edastamisaeg võib üksteisest erineda; 2) veaeraldamise (Error Delimiter) väli [6, lk 22]. Kui CAN-siinile ühendatud ükskõik milline võrgu sõlm avastab mingil hetkel võrgu talitlushäired kas biti, vahebiti lisamise reegli, vormingu- või kinnitusveana, siis vea avastanud võrgu sõlm alustab vea lipu edastamist juba mingi talitlushäire iseloomu omavale bitile järgnevast bitist [6, lk 23, 18. lk 23]. See tähendab, et kohe, kui avastatakse mingi biti juures viga, edastatakse operatiivselt võrgu siinile vea lipp, ootamata ära andmesõnumi terviklikku edastamist. Kui avastatakse kontrollkoodi viga (CRC error), algab vea lipu edastamine kinnituse eraldajale (ACK Delimiter) järgnevast bitist. Siinjuures välditakse vea lippude dubleerimist. Aktiivne vealipp, mis koosneb kuuest järjestikulisest dominantsest bitist, ja passiivne vealipp, koosneb kuuest järjestikulisest retsessiivsete bittide jadast, on võrku ühendatud juhtplokkide poolt kergesti tuvastatavad, sest nende saatmisega rikutakse vahebiti lisamise 70

71 reeglit või hävitatakse sõnumikaadri nõustumise välja kindlaksmääratud vormingut. Avastanud omakorda eelpool märgitud põhjuste tõttu talitlushäireid, alustavad ülejäänud juhtplokid omalt poolt vea lipu edastamist (püstitamist). Seetõttu saab siinil asuvate järjestikuste dominantsete bittide jada kaudu jälgida erinevate edastatavate vealippude ülestamist (peale panekut) võrgusõlmede kaupa. Dominantsete bittide jada pikkus ulatub kuuest kuni kaheteistkümneni [1, lk 1075, 6, lk 22]. Vealippude edastamist siinile illustreerib joonis Joonis Bittide jada hetkest, kui sõlm avastab vea [6. lk 24] Passiivset vea lippu edastav passiivne sõlm ei mõjuta võrgu siini, kuid tahab sellegipoolest oodata kuute järjestikulist samapolaarset bitti enne, kui jätkatakse uuesti passiivse vea lipu edastamist ja ettenähtud talitlusrežiimis opereerimist. Võrgu töövõime taastumise aeg vea avastamisest kuni järgmise sõnumi edastamise alguseni on kuni 31 biti-aega eeldades, et võrgu talitlust häiris ainult üks viga [6, lk 24]. 71

72 3.12. CAN-võrgu talitlushäirete piiramise mehhanism CAN-protokoll võimaldab piirata võrgu talitlushäireid, avastades talitlushäiretega kontrollereid (juhtplokke), viies nende talitlusrežiimid kas passiivseteks või lülitades üldse siinilt elektrooniliselt välja. Nii ei saa talitlushäiretega juhtplokid ja nende väljundseadmed mõjutada CAN-siini talitluse seisundeid. CAN-protokolli järgi eristatakse võrgusõlmede (ECU) talitlustes kolme seisundit: 1) aktiivse veaga (error active) kontrollerid- selles seisundis eeldatakse kontrollerite normaalset talitlust; juhtplokid võivad sõnumeid siinile saata, samuti andmete edastusvigadest aktiivse vea lipuga märku anda; 2) passiivse veaga (error passive) kontrollerid- nende talitlustes kahtlustatakse häireid; juhtplokid (ECU) saavad info-bitte edastada siinile, kuid vigadest märku andmise võime on piiratud passiivse vea lipu edastamisega; 3) siinilt välja lülitunud (bus off) kontrollerid- tarkvaraliselt siinilt lahti ühendunud moodulid on tõenäoliselt kahjustunud ja neil ei tohi olla siinile mingit mõju. Iga võrgusõlme moodulisse on installeeritud kaks vigade täisarvulist loendurit: 1) edastatava vea üldarv (transmit error count)- loendab info-bittide siinile edastamise käigus tekkivaid vigu (kindla eeskirja alusel), mille väärtus võimaldab hinnata andmete edastamise käigus tekkida võivaid kontrolleri talitluse häireid; 2) vastuvõetava vea üldarv (receive error count)- loendab siinilt info-bittide vastuvõtmise käigus tekkivaid vigu hinnates kontrolleri võimalikke talitlushäireid. 72

73 Kirjeldatud loenduritelt saadavad vigade üldarvud võimaldavad igal kontrolleril muuta enesediagnoosi korras enda talitluste olekuid, teavitades teisi siinile ühendatud kontrollereid enda hetkeseisundist [6. lk 24]. Kontrollerite talitluse olekud ja nende siirded teistesse olekutesse on skemaatiliselt kujutatud joonisel Joonis Sõlme talitluse olekud sõltuvalt vigade arvust [6. lk 25] Kontrolleri käivitamisel või ooterežiimist tööržiimi tõusmisel võib tekkida olukord, et siinil on talitluses vaid üks võrgusõlm ning kui see edastab sõnumi, siis ei saadeta kinnitust. Juhtplokk tõlgendab olukorda veana ning kordab automaatselt sõnumi edastamist siinile. Olles edastanud sellises olukorras sõnumit ettenähtud arv kordi, võib see kontroller antud oluorras viia end passivse vea talitlusolekusse, kuid ei lülita tarkvaraliselt ennast mitte kunagi siinilt välja [6, lk 25]. 73

74 3.13. CAN-siinile edastatavate bittide ajastamine Uurimustöö eelmises peatükis ilmnes, et CAN-võrku on kontrollerid ühendatud järjestikku ja need võivad talitleda asünkroonselt. Võrku ühendatud kontrollerite staatused on võrdsed ja sellepärast on CAN-protokolli, kui võrku ühendatud kontrollerite talitluseeskirjade kogumit, nimetatud multi-master kommunikatsiooni protokolliks. CAN-protokoll töötati välja kontrollerite, tajurite ja täiturseadmete talitluste sobitamiseks nii sõidukitel kui ka tööstusseadmetes [24, lk 7]. CAN-protokolli eriliseks tunnuseks on kasutaja võimalus programmeerida bittide edastuskiirust, bittide mõõtepunkti (bits sample point) asukohta ja mõõtepunktide arvu bittide edastamise ajaperioodil (bits period) (joonis 3.21). Nimetatud muutujate väärtusi kombineerides on võimalik optimeerida CAN-võrgu jõudlust lähtuvalt võrgu kasutusotstarbest. Eelpool nimetatud muutujate kombineerimisel peab võrgu arendaja (kasutaja) olema teadlik seostest, millised on süsteemi biti ajastusparameetrite (bit timing parameter), sagedusgeneraatori talitlussageduse hälbe (reference oscillator tolerance) ja signaali levimisel tekkivate erinevate hilistuste (signal propagation delay) vahel (joonis 3.22, 3.23 ja 3.24) [24, lk 7]. Joonis CAN-võrgu biti ajalõik (periood) [24, lk 7] 74

75 Bittide ajastamise põhjused Iga CAN-võrgu sõlm tuletab enda poolt võrku edastatavate bittide aegjuhtimise (bits timing) oma sagedusgeneraatori talitlussagedusest (joonis 4.22), millel on omadus kalduda kõrvale selle nimiväärtusest. Sagedusgeneraatori signaali (sagedus)hälve on arvutatav järgmiselt: f = f CLK max/ min f f CLK nom CLK nom (3.1) kus f CLK max/ min on genereeritud sageduste suurimad või vähimad väärtused, MHz; f CLK nom genereeritud sageduse nimiväärtus, MHz. Joonis Biti-perioodi tuletuspõhimõte Philips i CAN-kontrolleril [24, lk 8] 75

76 Talitlussageduse hälvete põhjusteks on sagedusgeneraatori vananemine ja töökeskkonna temperatuuri muutused [24, lk 10]. CAN-võrk võimaldab siinil võrgu sõlmede vahel toimuvaid vahekohtuid, mille käigus siinile edastatavaid bitte ei kaotata ega lõhuta. Niinimetatud mittelõhkuvate vahekohtute kaudu võistlevad võrgu sõlmed õiguse eest edastada andmesõnumeid ja sõnumite kinnitusi CAN-võrku. Siini vahekohus toimub andmesõnumi ID-väljas ja seetõttu peavad kõik andmesõnumeid edastavad sõlmed üheaegselt saatma siinile ID-välja bitid. Võrgu sõlmede kaugused erinevad aga üksteisest ja kuna elektriline signaal levib keskkonnas lõpliku kiirusega, siis tekivad signaalide edasi-tagasi võrgus levimisel hilinemised, mis tekitavad nihkeid bittide alguste (ehk algusäärte) (bit edge) vahel ning CAN-võrgus ei ole võimalik teostada veatut siini vahekohut (joonis 3.23) [24, lk 10, 11]. Joonis Signaali hilistumine sõlmede vahelisel levimisel [24, lk 11] 76

77 Joonis Hilistumiste määratlemine signaali levimisel CAN-võrgus [24, lk 11] CAN-võrgus leviva signaali kogu hilistumine on signaali leviku teele jäävates riistvaralistes koostisosades (komponentides), sealhulgas transiiveris, CAN-kontrolleris ja CAN-siinil, tekkivate hilistumiste summa (joonis 3.23 ja 3.24) [24, lk 11]. Bittide vahelise siini vahekohtu veatuks toimumiseks sünkroniseeritavate bittide algusservade nihete sünkroniseerimist nimetatakse bittide ajastamiseks (bit timing) [24, lk 10-12] Biti ajastamise eeldused Kuna võrgu sõlmed peavad vastastikku vastu võtma bitte elektriliste impulsside kujul, neid sünkroniseerima ja siis siini vahekohtu ajal tagasi saata, on kogu süsteemi signaali levimise 77

78 hilistus määratletav signaali levimisel kahe sõlme vahel tekkivate hilistumiste summaga (joonis 3.23 ja 3.24). Eeldades, et võrgu kahes sõlmes tekkivad hilistumised on võrreldavate suurustega, leitakse võrgu hilistumine järgnevalt [24, lk 12]: t ( t + t t ) prop = tprop( A, B) + tprop( B, A) = 2 Bus loop. eff. trc + loop. eff. oth (3.2), kus t prop on võrgus edasi-tagasi leviva signaali summaarne hilistumine, ns; t loop. eff. trc on edasi-tagasi leviku tegelik hilistumine transiiveris, ns; t loop. eff. oth - edasi-tagasi leviva signaali hilistumised teistes komponentides, ns. CAN-võrgu konkreetse sõlme juures signaali levimise hilistumise määratlemisel eeldatakse, et arvesse on võetud signaali edasi-tagasi levikut. Signaali edasi-tagasi levimise hilistumise maksimaalne väärtus on oluline bittide ajastusparameetrite arvutamisel. Transiiveris liikuva signaali edasi-tagasi leviku hilistumine leitakse järgmiselt [24, lk 12]: t = t + t loop. eff. trc TX RX (3.3), kus t loop. eff. trc on edasi-tagasi leviku tegelik hilistumine transiiveris, ns; ttx - signaali hilistumised transiiveri saatvas ahelas (kanalis), ns; t RX - s signaali hilistumised transiiveri vastuvõtvas ahelas (kanalis), ns. Kuna hilistumise konkreetne väärtus sõltub võrgu konkreetsest ülesehitusest (mis omakorda konkreetsest talitluseesmärgist), peab olema see määratud individuaalselt, arvestades konkreetse süsteemi võimalikke piiranguid. Arvutustulemused esitatakse normaliseeritud kujul [24, lk 12]: 78

79 tprop tscl PROP = (3.4), kus PROP on võrgus leviva signaali kõikide hilistumiste summa normaliseeritult; tscl - CAN-süsteemi kella ajaperiood, ns. Iga arvutivõrku iseloomustab bittide edastuskiirus ajaühikus, mis on vaadeldav ka bittide sagedusena. Kuna bittide edastuskiirust võib vaadelda konkreetse võrgu nimiväärtusena, siis nimetatakse selle pöördväärtust nominaalseks biti ajaks (nominal bit time) [24, lk 7, 8]: fbit 1 = t (3.5), Bit kus f Bit on biti edastuskiirus ajaühikus, kbit/s, tbit - biti aeg (ka normaalne bitti aeg), µs. Nominaalne biti aeg (NBT) jaotatakse kolmeks mittekattuvaks ajalõiguks: SYNC_SEG, TSEG1 ja TSEG2; nende vastavad kestvusajad avalduvad järgmiselt: t t t + t Bit = SYNC_ SEG + TSEG1 TSEG2 (3.6) Nendest lõikudest kahe viimase pikkust on võimalik muuta (mis ei muuda NBT üldpikkust) (joonis 3.21) [24, lk 8]. Kui nominaalse biti aeg (ja selle vastavad lõigud) esitatakse normaliseeritud kujul, jagades süsteemi kella ajaperioodiga, saadakse tulemus normaliseeritud kujul NBT. Normaliseeritud kujul esitatud nominaalne biti aeg (ja selle normaliseeritud ajalõigud) on määratletud täisarvulistena: 79

80 tbit NBT= = SYNC _ SEG+ TSEG1+ TSEG2 t (3.7), SCL kus NBT on nominaalne biti aeg, normaliseeritud täisarvuline väärtus; tscl - CAN-süsteemi kella ajaperiood s, soovitavalt ns. CAN-süsteemi kella ajaperioodi nimetakse ka ajamõõduks (time quantum- TQ), sest see on nominaalse biti aja põhiühikuks (joonis 3.22) [24, lk 8,10]. Aja mõõdu (time quantum- TQ) ajaliseks kestvuseks on konkreetse CAN-süsteemi kella üks periood, mis on tuletatud sagedusgeneraatori talitlussagedusest (oscillator reference) (joonis 3.22). CAN-süsteemi kella on võimalik kohaldada kasutaja poolt programmeeritava eelmõõtkava (prescaler) kaudu: tscl 2BRP = BRP * 2tCLK = f (3.8), CLK kus t SCL on CAN-süsteemi kella ajaperiood s, soovitavalt ns; BRP - eelmõõtkava (baud rate prescaler- BRP); täisarvuline väärtus; t CLK - sagedusgeneraatori genereeritud võnkumise ajaperiood s, soovitavalt ns; fclk - sagedusgeneraatori genereeritud võnkumise sagedus Hz, soovitavalt MHz. Kuna BRP on meelevaldselt muudetav täisarvuline suurus, siis on muudetav ka CANsüsteemi kella taktsagedus, mis omakorda muudab konkreetse CAN-võrgu omadusi, muutes süsteemi tundlikkust signaali hilistumiste ja sagedusgeneraatori poolt genereeritava signaali talitlussageduse hälbimise suhtes. Biti ajastamiseks on kasutusele võetud biti mõõtepunkt (sample point) kui bitt on ajaperioodil olev hetk, kui hinnatakse bitti kodeeritud elektrilise signaali väärtus. Kasutusel on nii ühe kui ka kolme mõõtepunkti (sample point) viisid, kus mõõtepunktid on üksteisest ühe ajamõõdu (TQ) kaugusel (joonis 3.21, 3.22 ja 3.23). Kuna tavaliselt kasutatakse ühe 80

81 mõõtepunkti (sample point) meetodit, siis käsitletakse antud uurimistöös ühe mõõtepunkti (sample point) viisi (joonis 3.23). Mõõtepunkti (sample point) asukoht biti ajaperioodil on täielikult määratud ajalõiguga TSEG2, sest ühe mõõtepunkti (sample point) meetodi korral asub mõõtepunkt ajalõikude TSEG1 ja TSEG2 piiril (joonis 3.22, 3.23) [24, lk 16]. Ajalõigu TSEG2 pikkus on sõltuv nominaalsest biti ajast (nominal bit time) ja signaali CAN-võrgus levimisel tekkivast hilinemisest (propagation delay). TSEG2 väikseimad ja suurimad väärtused on võimalik määrata nii graafiliselt kui ka analüütiliselt. Aeg-ajalt on otstarbekas väljendada mõõtepunkti (sample point) asukohta protsentides nominaalse biti aja suhtes, sõltudes signaali võimalikust suurimast hilistumisest (propagation delay) ja sagedusgeneraatori signaali (sagedus)hälbest, avaldatakse võrrandiga [24, lk 16]: NBT TSEG2 Tsample _ po int= *100% (3.9), NBT kus T sample _ po int on mõõtepunkti (sample point) asukoht, %; NBT - TSEG2 - normaliseeritud nominaalne biti-aeg, täisarvuline väärtus; normaliseeritud ajalõik, mis määrab mõõtepunkti asukoha Biti sünkroniseerimine Bittide sünkroniseerimine viisil, mis on määratletud CAN-võrgu töökirjelduses, (specification) tagab, et infosõnumeid on võimalik õigesti dekodeerida vaatamata võrgu sõlmede vahel kuhjuvatele faasivigadele. Need võivad olla tingitud sagedusgeneraatori 81

82 signaali talitlussageduse väärtuse nihkumisest ehk hälbimisest (oscillator drift), signaali hilistumisest selle levimisel võrgus ruumiliselt hajutatud sõlmede vahel. Faasivigu põhjustavad ka signaalimüra poolt tekitatavad häired. Eristatakse jäika (hard synchronization) ja paindlikku ujuvsünkroniseerimist (resynchronization) [24, lk 12]. Jäik sünkroniseerimine (hard synchronization) toimub ainult infosõnumi kaadri alguses, kui võrku ühendatud CAN-kontroller käivitab enda biti ajastuse toimingud. Need toimingud käivitatakse automaatselt hetkel, kui kontroller tuvastab CAN-siini jõudeolekujärgselt esimese vastuvõetud taandumusliku (retsessiiv) biti ja kestab kuni valitseva biti algusääreni (dominant edge), hõlmates kaasa ka bitti sünkroniseeriva ajalõigu SYNC_SEG [24, lk 12]. Seevastu alustatakse paindlikku ujuvsünkroniseerimist (resynchronization) antud infokaadri ülejäänud osas iga kord, kui võetakse vastu taandumuslik bitt ning see kestab kuni valitseva biti algusääreni (dominant edge) [24, lk 12]. Iga andmesõnumit vastu võttev võrgusõlm on biti ajastamiseks suuteline võrdlema vastuvõetava biti ja enda poolt edastatava biti vastavate ajalõikude suhtelisi aegu ajateljel ning saadud tulemusi ka loogiliselt tõlgendama (interpreteerima). Kui näiteks andmesõnumit vastu võtva võrgu sõlme poolt tuvastatakse vastuvõetava biti algusserv selle sõlme poolt võrgu siinile saatva biti ajalõigul TSEG1 (see tähendab, et pärast vastuvõtva kontrolleri ajalõiku SYNC_SEG, kuid enne mõõtepunkti) tõlgendatakse vastuvõetavat bitti selliselt nagu oleks selle algus hilistunud, sest selle biti on võrgu siinile edastanud aeglasem saatja. Bittide ajastatuse paremaks sobitamiseks pikendatakse automaatselt biti vastu võtva kontrolleri poolt siinile edastatava biti ajalõiku TSEG1 [24, lk 12]. Kui aga vastuvõetava biti algus on omaks võetud (tuvastatud) pärast vastuvõtja biti mõõtepunkti, kuid enne SYNC_SEG, s.t ajalõigul TSEG2, tõlgendab vastuvõtja vastuvõetava biti algust kui kiirema saatja poolt siinile saadetud bittide järgmist biti-perioodi [24, lk 12]. 82

83 Pehme ujuvsünkroniseerimise omadused määratletakse sünkroniseerimise kestvusega (synchronization jump width- SJW), mis on suurim ajamõõdu ehk ajakvandi TQ kogus, mille võrra bittide ajavahemik kas pikeneb või lüheneb. SJW programmeeritavad väärtused arvutatakse järgmise valemiga [24, lk 9, 12]: t SJW SJW= t (3.10), SCL kus SJW on sünkroniseerimise normaliseeritud kestvuse täisarvuline väärtus; tsjw - sünkroniseerimise ajaline kestvus s; t SCL - CAN-süsteemi kella ajaperiood s, soovitavalt ns. Kui biti perioodi kõik ajalõigud on kvanditud, s.t need koosnevad täisarvu-kordsetest ajakvantidest (TQ), toimub ujuvsünkroniseerimine (resynchronization) ainult siis, kui faasivea absoluutne viga on suurem kui üks ajakvant. Sellest tulenevalt on isegi parimal juhul (kui andmesõnumit siinile saatval ja vastuvõtval võrgusõlme sagedusgeneraatoril on täpselt ühesugune talitlussagedus) ebatõenäoline, et bittide sünkroniseerimine teostatakse ühe TQ jooksul (joonis 3.25) [24, lk 9, 12]. Joonis Süsteemikella moonutus sünkroniseerimata sõlmede vahel [24, lk 13] 83

84 Biti ajastamise praktilised võtted CAN-võrgu siini äärmistes otstes olevate kontrollerite sagedusgeneraatorite edastatavate signaalide sagedustel on lubatud hälbida äärmustesse (s.t kui CAN-siini ühe äärmise kontrolleri sagedusgeneraatori signaali talitlussageduse väärtus on nihkunud selle lubatud vähima väärtuseni, siis samal ajahetkel võib teise äärmise CAN-kontrolleri signaali talitlussageduse väärtus nihkuda selle lubatud suurima väärtuseni) eeldustel, et kõiki võrku edastatud sõnumeid on võimalik kontrolleritel vastu võtta moonutusteta ja et sõnumite dekodeerimisel säilivad nende sisu ja tähendus [24, lk 12]. Ka võrgu äärmistes sõlmedes tekkida võival signaali suurimal lubatud hilistumisel on eelpool märgitud eeldused. Kui CAN-võrgus puuduvad mürast põhjustatud häired, tagab vahe-biti lisamise põhimõte paindliku ujuvsünkroniseerimise vaid kuni kümne järjestikuse biti-perioodi ulatuses. Sellise ujuvsünkroniseerimise tüüpiliseks olukorraks on viiele valitsevale bitile järgnevad viis taandumuslikku bitti [24, lk 12, 13]. Üldiselt kompenseeritakse faasivead programmeeritava väärtusega sünkroniseerimise kestvusega (synchronization jump width- SJW), mis määratleb olukorra, kui SJW saab omada vähimat lubatud väärtust. Praktikas talitlevad CAN-võrgud müra tingimustes. Häired võivad tekitada võrgus vigaseid seisundeid, mille tõttu tuleb mingil hetkel peale kümnendat biti-perioodi resünkroniseerida bittide algused. Nendel juhtudel on keerulisem täita ka biti kodeeritud signaali arvväärtuse mõõtmise nõudeid, sest biti sünkroniseeritavate aegade nihestus on suurem [24, lk 13]. Biti kodeeritud signaali arvväärtuse ebakorrektne mõõtmine põhjustab väära vigade avastamist, mis omakorda ei võimalda CAN-protokolli järgset vigade leviku piiramist. Säilitamaks CAN-protokollis määratletud vigade leviku piiramise tõhusust, piiratakse biti ajalõigu TSEG2 arvväärtuste vahemikku [24, lk 13]. 84

85 4. CAN-VÕRGU SIGNAALIDE MÕÕTMINE JA ANALÜÜS 4.1. Signaalide mõõtmine mootori juhtploki CAN-võrgu siinil Uurimaks CAN-võrgus levivate signaalide karakteristikut, kvatitatiivseid ja kvalitatiivseid näitajaid, teostati elektrilisi mõõtmisi sõiduki Mercedes-Benz C180 CGI mootori juhtploki CAN-siinil. Mõõtmiste usaldusväärsuse tagamiseks lähtuti standardi ISO normatiivsetest kirjeldustest andmete edastamisel, signaalide levimise omadustest, signaalide edastamise füüsilisest keskkonnast jne. Mõõtmistööd kavandati kiiretoimeliste CAN-võrkude siine normeeriva standardi ISO alusel. Nimetatud standard järgi on CAN-võrgus kaks vooluringi: CAN-sõlmede sisene digitaalne vooluring ja analoogvooluring CAN-siinilt võrgu sõlme transiiverini. (joonis 4.1). Sellest tulenevalt kodeeritakse infosõnumi bitid enne CAN-siinile saatmiseks katkematuks analoogsignaaliks, mille väärtused mõõtepunktides on määratletud siinile edastatud biti loogilisest staatusest, kuju aga sõnumiga edastatavast informatsioonist. Analoogsignaal on vastuvõtlik süsteemi häiretele. Sellest tulenevalt on oluline võrrelda analoogsignaali kuju- ja väärtuste hälbeid nende normatiivsete väärtustega, millised on esitatud tabelkujul normatiivaktis ISO Standardist tulenevalt on biti staatuse määratlemisel oluline differentsiaalsignaali pinge väärtusel, mis tuleneb CAN-siini mõlemal liinil mõõtetavate pingete väärtuste vahest antud mõõtepunktis (ajahetkel). See tähendab, et lisaks siini liinide pingegraafikutele tuleb uurida võimalike hälbimusi ka diferentsiaalpinge graafikus. 85

86 Joonis 4.1. CAN-võrgu vooluringid [25] Olemuslikult on siinile edastatud analoogsignaal siiniga ühenduses oleva sõlme väljundsignaal. Sellest tulenevalt ühendati mitmekanaliga ostsilloskoop OWON CANsiiniga; mõõteseadme ühenduskeem on esitatud joonisel 4.2. Joonis 4.2. Mõõteriista ühendamine juhtploki siini liinidele [25] 86

87 Mõõtetulemused salvestusid mõõteseadme püsimällu failina; hilisem andmetöötlus oli võimalik tabelarvutusprogrammiga. Elektriliste mõõtmiste käigus kogutud andmed on esitatud käesoleva uurimustöö elektroonilises lisas olevas failis nimetusega Signaalid mootori juhtploki CAN_võrgus_2015. Eelpool nimetatud failis esitatakse ka kõikidele mõõtetulemustele tuginev kodeeritud signaalide graafikud ja nende parameetrite võrdlused vastavate normatiivsete väärtustega. Samas failis esitati ka signaalide etapiviisiline dekodeerimine; uurimistöö paberkandjal esitletud lisas esitatakse vaid nendest fragmendid CAN-võrgus mõõdetud signaalide andmeanalüüs Mõõtetulemuste põhjal arvutati diferentsiaalpinge, koostati CAN-siini liinipingete ja diferentsiaalpingete graafikud. Nende alusel teostati mõõtetulemuste graafiline esitlus, analüüs ja signaali üldine kodeerimine. Tulemused esitati parema ülevaate saamiseks graafiliselt (lisa B). Liinipingete alumistel ja ülemistel väärtustel ilmnevad võrguhäiretest põhjustatud pingete kõikumised. Statistiliselt töödeldud andmed on esitatud tabelis 4.1. Tabel 4.1. CAN-võrgu signaalide mõõtetulemuste statistiline andmeanalüüs Parameeter CAN-H CAN-L Dif pinge Keskväärtus 2755,4 2035,12 720,28 Ulatus Minimaalne väärtus Maksimaalne väärtus Kirjete arv Kirje suurim väärtus Kirje väikseim väärtus

88 Tabelis 4.1 esitatud statistilise analüüsi väärtustest on siini talitluse hindamiseks kasutatavad keskväärtused kui kandevpinge väärtused, vastavate vähimad ja suurimad väärtused. Liinide ja diferentsiaalpingete väärtusi uuritakse vahemikes, kus need on omandanud oma piirväärtused. ISO järgi normeeritakse CAN-siini liinide pinged vahemikus V, kui CANvõrgu sõlmede toitepinge on 12 V. Selliselt normeeritud liinipinged võimaldavad edastada informatsiooni ka kohtvõrkudes süsteemide toitevoolu- või laadimisvooluahelate kaudu (generaatori laadimisvoolu juhtmine sõltuvalt tarbimisvoolust mootori juhtploki abil). Faili Signaalid mootori juhtploki CAN_võrgus_2015 töölehel Normatiivpinged esitatud graafilisel võrdlusel jäävad CAN-siini liinipinged normeeritud pingete vahemikku. Kiiretoimelise CAN-võrgu liinide tavapinged on ISO soovitusel alates -2 kuni 7 V. Nimetatud soovitus tuleneb asjaolust, et enamiku kontrollerite ja täiturseadmete talitlus toimub nimipingel 5 V. Selle soovitusega tagatakse arenduste madal omahind. Vaadeldava CAN-võrgu liinipinged jäävad soovitusliku pingevahemiku keskossa [tööleht Tavapinged CAN-siini liinil ]. CAN-siini liinide vastavad keskväärtused on liinide kandevpinge väärtused; multitestriga liini pingeid mõõtes saab kiire ülevaate CAN-võrgu siini võimalikust talitlushäirest (kas infoedastamine siinil toimub või ei toimu). Tagamaks tõrgeteta infovahetust, on normatiivaktis märgitud CAN-sõlmede väljundpinge vahemikud siini mõlemale liinile (CAN-H ja CAN-L) nii retsessiivsel kui ka dominantsel loogilisel seisundil. Uurides pingegraafikuid CAN-siini retsessiivse seisundi juures (tööleht CAN-siini pinge restsessiiv ), ilmneb olukord, kus liinide pingegraafikud vahetavad omavahel oma loogilise asukoha: CAN-H pinged langevad kohati madalamale CAN-L pingenivoost ja vastupidi. Kuna siini retsessiivse loogilise seisundi juures peavad siini liinide pinged olema ligilähedaste väärtustega, siis on retsessiivse nivoo pingete piirväärtused liinipingetele ühtlustatud ning need jäävad vahemikku V. Olemuslikult on CAN-siini liinidel CAN-H ja CAN-L levivate signaalide graafikud teineteise peegeldused. Selle omaduse tõttu on CAN-H ja CAN-L pingevahemikud 88

89 dominantse loogilise seisundi juures teineteisest erinevad. Liinil CAN-H on sõlme väljundpinge dominantse seisundi juures piirides 2,75...4,50 V; liinil CAN-L aga 0,50...2,25 V. Selliselt valitud pingevahemikud tagavad liini CAN-L samapolaarsuse ka häirest põhjustatud pinge alanemise juures, samuti on kaitstud CAN-sõlme liin CAN-H võimaliku ülepinge eest. Liinipingete vahemik on valitud selline, mis on piisav siini dominantse loogilise staatuse tuvastamiseks ka võrgu mürast põhjustatud pingekõikumiste halvimate väärtuste korral. Põhimõtteliselt on küll võimalik, et CAN-H võimaliku väikseima ja CAN-L võimaliku suurima väärtuse juures võib võrgu siiniga ühendatud kontroller tõlgendada olukorda kui sisendsignaali retsessiivset staatust, kuid selleks peab kestma selline olukord piisavalt kaua, et jõuaks lõpule signaali sünkroniseerimise protsess, mis on siini vahekohtu toimumise vältimatuks eeltingimuseks [tööleht CAN-siini pinge dominantne]. CAN-kontrollerid tuvastavad CAN-siini loogilised staatused diferentsiaalpinge väärtuste kaudu. Retsessiivse ja dominantse staatuse hõlpsaks eristuseks on ISO soovitanud dominantse staatuse diferentsiaalpinge minimaalseks väärtuseks vähemalt 1,2 V. Nimetatud diferentsiaalpinge väärtus tagatakse siini kanalite sisetakistuste häälestustega. Diferentsiaalpinge võrdlusgraafikus eristuvad selgelt võrguhäiretest põhjustatud pingete hälbed, mis väljuvad piirväärtustega kehtestatud raamidest. Diferentsiaalpinge retsessiivse staatuse minimaalne väärtus -120 mv lõikab maha pingekõikumiste alumised väärtused, dominantse staatuse maksimaalne väärtus 3,0 V teeb seda pingekõikumiste ülemiste väärtustega. Dominantse nivoo minimaalne väärtus 1,2 V ja retsessiivse nivoo maksimaalne väärtus 12 mv tagavad dominantse loogilise staatuse eristamiseks vajaliku diferentsiaalpinge minimaalse kasvu ca 1,2 V [elektroonilise lisa tööleht Dif. pinge võrdlus ]. CAN-protokolli üheks omaduseks on CAN-siiniga ühenduses olevate CAN-võrgusõlmede vaikimisi häälestus infosõnumite vastuvõtmiseks, st CAN-sõlm eelistab alati sõnumi vastuvõtmist sõnumi saatmisele. Selline seadistus on saavutatud ühelt poolt CANkontrolleri transiiverite saatja, vastuvõtja ja CAN-siini vaheline ühendusega, teiselt poolt kontrolleri diferentsiaalpinge sisend- ja väljundsignaalide erinevate nivoodega. Mõõdetud 89

90 CAN-signaali diferentsiaalpinge retsessiivse staatuse võrdlemisel ISO järgi normeeritud diferentsiaalpinge retsessiivse staatuse sisend- ja väljundpingete alumiste ja ülemiste väärtustega (el lisa tööleht Dif. pinge retsessiivne ) nähtub, et kontrolleri väljundsignaal toimib sisendsignaaliga võrreldes kitsamas vahemikus, kusjuures sisendsignaali alumine piir on allpool väljundsignaali alumist piiri. Olukord, kus diferentsiaalsignaali sisendsignaali alumine nivoo on -1,1 V tagab, et kontroller katkestab andmeedastuse CAN-siinile, kui transiiveri vastuvõtja tuvastab siinil bitisignaali, mille diferentsiaalpinge jääb vahemikku -1,1...0,5 V. Diferentsiaalpinge sisendsignaali ülemine nivoo 0,5 V määratleb antud loogilist staatust edastava pinge ülemise piiri. Infobiti dominantset staatust määratleva diferentsiaalpinge sisendsignaali ülemine piir ettenähtud 5,0 V on häiretest põhjustatud pingetippude tasandamiseks (nii nagu ka dif. pinge väljundsignaali ülemine piir 3,0 V); vastavad alumised väärtused määratlevad pingetaseme, mille korral omandab infobitt dominantse staatuse (tööleht Dif. pinge dominantne ). Diferentsiaalpinge vahemik 0,5...0,9 V moodustab turvalise tsooni, mis on vajalik CANsiinil infot edastava elektrilise signaali loogilise staatuse väärtõlgenduse vältimiseks CAN-võrgus mõõdetud signaalide biti-põhine analüüs CAN-võrgus mõõdetud signaalide biti-põhiseks uurimiseks, sõnumikaadri alguse, lõpu ja vastava kaadri moodustanud dekodeeritud bittide tuvastamiseks lähtutakse bittide ajastamisel kasutatavast biti-perioodi tuletamise ja sünkroniseerimise põhimõttest. Seepärast eeldatakse järgmist: 1) mõõtmised teostatakse võrdsete ajavahemike järel ja samastatakse mõõtmise sagedus CAN-süsteemi sagedusgeneraatori talitlussagedusega; 90

91 2) eeldatava sõnumikaadri biti- periood samastatakse CAN-süsteemi kella ajaperioodiga; 3) kõikide bittide kodeeritud signaalidel on ühesugune ajaperiood; 4) CAN-võrgu signaalide mõõtmisel tuvastatakse vähemalt ühes kohas olukord, kus ühele valitsevale bitile järgneb ainult üks taanduvuslik bitt (vajalik biti ajaperioodi täpsemaks määratlemiseks); 5) biti dekodeerimisel kasutatakse biti loogilise seisundi siirdepiirina biti kodeeritud signaali keskväärtust; 6) biti ajaperioodi määratlemisel kasutatakse biti kodeeritud signaaligraafiku ja selle keskväärtusgraafiku lõikepunkte; 7) biti kodeeritud elektrilise signaali väärtuse mõõtmiste arv ei pea olema iga biti juures ühesugune ehk biti perioodi ja selle mõõtmise perioodi suhe ei pea olema täisarvuline; 8) eeldatavad vahe-bitid eemaldatakse eeldatava sõnumikaadri dekodeerimisel; 9) täiendavalt korrigeeritakse, kui biti dekodeerimise käigus tekkiv faasiviga ületab biti-perioodi; 10) eeldatav sõnumikaader algab esimese kodeeritud dominantse biti signaaliga, mis järgneb vähemalt kolmele taanduvuslikule bitile; 11) sõnumikaadri eeldatavale valitsevale algus-bitile (või selle kuni viiest dominantsest bitist koosnevale rühmale) järgneb taandumuslik bitt; 12) tuvastatakse siini vahekohtu välja bitid, et määratleda, kas andmesõnum on vormindatud alus- või laiendatud formaadis; 13) alus-formaadis vormindatud sõnumikaadris on kuni 130 bitti; 14) laiendatud formaadis vormindatud sõnumikaadris esineb maksimaalselt 150 bitti; 15) eeldatav sõnumikaader lõpeb kas andmesõnumikaadri lõpuväljaga või veasõnumikaadri veaeraldajaga või ülekoormus-sõnumikaadri ülekoormuse eraldajaga; 91

92 16) eeldatava sõnumikaadri eeldatavat lõppu tähistatakse seitsme taanduvusliku bitiga; 17) veasõnumi- ja ülekoormus-sõnumikaadri lõppu tähistatakse kaheksa taanduvusliku bitiga; 18) mistahes eeldatava sõnumikaadri lõpetamisele järgneb kaadritevaheline ruum vähemalt kolme edastatava retsessiivse bitiga. CAN-võrgus mõõdetud signaalide graafikust on tuvastatav, et kahe järjestikuse biti kodeeritud signaali arvväärtuste mõõtmiseks sooritati 40 mõõtmist, st et ühe biti kodeeritud signaali arvväärtus hinnatakse 20 mõõtmisega biti kohta: f mõõt. = 20 /bitt Kasutades hinnangut, et iga biti juures teostati orienteeruvalt 20 mõõtmist, koondatakse mõõtmise tulemused 20-kaupa bittideks; selliselt koondatud mõõtmiste tulemused esitatakse koondatud algandmete tabelis (elektrooniline lisa töölehel Koondatud algandmed ). Tabelis on üksteistest eristatud CAN-võrgus info edastamiseks siinile saadetavad nn infobitid, bittide edastamisreegleid arvestavad vahebitid ja ebareeglipärased erisustega bitid. Eristamise käigus arvestatakse biti omadust muuta sünkroniseerimise käigus enda nominaalset kestvusaega. Vajadusel on välja toodud bittide pikenemised mõõtmiste võrra. Nende pikenemine tuleneb CAN-võrgus levivate bittide omadustest, mis võimaldavad võrgu siinile edastatavate bittide ajastamist. Teades, et dekodeeritud biti loogiline seisund on ühesugune üle kogu biti, samastatakse sõnumikaadri biti-periood CAN-süsteemi kella ajaperioodiga, määratledes biti sõnumikaadri ajakvandiks. Seos (4.8) viitab mõõtmissageduse ja biti ajaperioodi vahelisele pöördvõrdelisele seosele, lubades kasutajal määratleda meelevaldselt seoses (4.8) kasutatavat võrdlustegurit- mõõtkava: t mõõt. bitt = TQ sõnum =1 92

93 Eelpool kirjeldatud samastus võimaldab biti dekodeerimisel kasutada igast eeldatavast bitist vaid ühte mõõtepunkti; mõõtetulemused surutakse kokku, varjates funktsiooniga Hide igas bitis 19 mõõtmist, muutmata biti loogilist tähendust. Et vältida biti võimalikust vähenemisest või pikenemisest tekkivat sünkroniseerimis -viga, kasutatakse bittide keskmisi mõõtepunkte; antud töös kasutatakse positsioonil 10 olevat mõõtepunkti (lisa C). Kaadris sisalduvate bittide korrektseks esitlemiseks märgistati elektroonilise lisa töölehel Koondatud algandmed võimalikud vahe-bitid kollase taustaga. Punase taustaga märgistati bitid, mida on võimalik seostada CAN-sõnumite vormindusreeglite rikkumistega, määratledes vea-, ülekoormussõnumi kaaadri või kaadritevahelise ruumi võimalikud asukohad. Vormindusreeglite rikkumiste avastamine lihtsustab oluliselt edastatud infosõnumi kaadrite (andmesõnumi kaader koos vea- või ülekoormussõnumi kaadriga) piiritlemist ja nendes sisalduvate bittide määratlemist. Elektroonilise lisa töölehel Koondatud algandmed esitatatakse mõõtmiste algandmetest koondamisvõttega saadud CAN-siinile edastatud bitid, mille hulgast on eraldatud vahe-bitid. Bittide jadas on tuvastatav bittide lisamise seaduspärasuse rikkumine bittide positsioonidel 78 ja 200, mis võib tähistada sõnumikaadri lõpetamist. Kuna eelpool märgitud bittide positsioonide vahetus läheduses esineb 11 järjestikulist retsessiivset bitti, siis on välistatud sõnumikaadri edastamise katkestamine koos vea- või ülekoormussõnumi edastamisega. Järgnevalt määratletakse jadamisi edastatud bittide võimalikud omadused sõnumikaadritesse grupeerimise eesmärgil. Grupeerimine on esitatud töölehel Dekodeeritud bitid, väljavõte sellest aga lisas C. Bittide jada 14. ja 15. bitt annavad võimalikule sõnumikaadrile omadused ja muutuvad seetõttu esimese sõnumikaadri 13. ja 14. bitiks. Sõnumikaadri 13. bitt on dominantne ja tuvastab sõnumikaadrit andmesõnumi kaadrina (Data Frame); 14. bitt on samuti dominantne, näidates, et andmeseõnumi kaadris olev siini vahekohtu väli (Arbitration Field) sisaldab 11 bitist koosnevat tuvastamisvälja (ID- Identifier). Nii määratletakse kaadri 14. positsioonil oleva bitiga kaadri võimalik suurim pikkus. 93

94 Kaadris positsioonidel olevad neli bitti moodustavad andmete pikkuskoodi (DLC), sest nende omavahelised kombinatsioonid näitavad andmeväljas paiknevate baitide arvu. Töölehel Dekodeeritud bitid esitletud esimeses sõnumikaadris on seega 32 bitti [18, lk 12, 15]. Teades andmeväljas paiknevate bittide tegelikku hulka, on võimalik hinnata edastatud kaadri tegelikku pikkust. Esimeses kaadris on seega 76 bitti. Esimese sõnumikaadri 68. bitt kuulub kinnitamise (või nõustumise) välja (ACK Field) kinnituse aknasse (ACK Slot), kus vastuvõtja on dominantse bitiga kinnitanud, et kontrollsumma CRC osutus sobivaks. Järelikult on esimene sõnumikaader edastatud vastuvõtja poolt. Viimaseks uuritakse, miks ei peetud sõnumikaadri 74. biti juures kinni vahe-biti lisamise reeglist, välistades vea- või ülekoormussõnumi kaadri olemasolu. Kaadri 69. bitt kuulub kinnitamise välja (ACK Field), olles ACK eraldajana (ACK Delimiter) retsessiivseks bitiks. Bitid moodustavad lõpuvälja (EOF- End of Frame), milles ei lisata vahe-bitte, sest nende lisamine ei ole absoluutne. Järgmised kolm bitti töölehel Dekodeeritud bitid toodud bittide jadas, s.o bitid on kaadritevahelise ruumi osaks, moodustades sõnumite edastamise vahelise pausi ehk seisaku (intermissioni), mis CAN-protokolli kohaselt koosneb kolmest taanduvuslikust (retsessiivsest) bitist. Kokkuvõtvalt tuvastati, et bittidest moodustuv esimene kaader on allikalt andmeid vastu võtnud ja selle usaldusväärsuses kindel võrgu sõlme poolt välja saadetud 76 bitist koosnev sõnumikaader, mille siini vahekohtuväli sisaldab 11 tuvastamise (ID) bitti. 94

95 KOKKUVÕTE Kaasaegsete autode süsteemide juhtimismoodulid on kohati arendatud tehisintellekti tasemele. Mõnede süsteemide juhtplokid on omandanud iseõppimisvõime, olles suutelised kohalduma juhi sõidustiiliga ( nagu näiteks automaatse lülitusega käigukasti juhtimine). Kõikide süsteemide juhtimismoodulid ei ole veel lülitatud ühtsesse arvutivõrku, kuid need moodustavad erinevaid koostoime võrke. Lähtuvalt talitlusrežiimist liigitatakse juhtimissüsteemide töö kas infoedastamise kiiruse või info edastamise mahu järgi. Selle tulemusena ei pruugi veel kõikide süsteemide juhtplokid olla ühendatud võrgustikku otstarbekuse alusel. Reeglina on autode arvutivõrgud moodustatud kas infoedastamise kiiruse (mootori elektroonika, pidurite blokeerumisvastane süsteem, käigukasti elektroonika jms.) või info edastamise mahu alusel (erinevad multimeedia süsteemid). Autotootjatel puuduvad siduvad kohustused arvutivõrkude arhitektuuri, talitlusviisi jms suhtes. Pigem on täheldatud pikaajaliselt vastupidist tendentsi, kuna autode arvutivõrkudealane arendus on kiivalt seatud patendiõiguse kaitse alla; erinevad autotootjad on sunnitud arendama alternatiivsete omadustega autode arvutivõrke, mille talitlusväärtused on sisuliselt samaväärsed. Nii on pikaajaline autotootjate vaheline konkurents põhjustanud ajuressurssude raiskamist; killustatud parelleelstruktuuride tõttu on olnud palju paralleelseid samaväärseid arendusi, kuid otsustavat läbimurret autode IKT valdkonnas ei ole veel teostunud. Tunnetades arendustes sisulist seisakut ja arvestades survet autode hindadele on autotootjad asunud koostööle, mille otseseks tulemuseks on kokkulepitud alustel ja ühtsetele omadustele toetuva autode CAN-arvutivõrgu välja töötamine. CAN-võrgu välja töötamisel on kasutatud unifitseerimise põhimõtteid, mis ei pruugi küll igas konkreetses olukorras tagada võrgu talitlust selle parimal viisil, kuid võimaldab avatuse põhimõtteid kasutades võrgu hilisemat arendamist ka konkureerivate tootjate poolt või erinevate tootjate võrgusõlmede lisamist. 95

96 CAN-protokollid, mis peavad vastama välja töötatud standarditele, võimaldavad lisaks CAN-võrgu efektiivsele talitlusele ka selle lihtsat laiendamist (võrgusõlme lisamisel ei pea teisi võrgusõlmi ümber häälestama). Standardiseeritud CAN-protokollid hoiavad madalal nii võrgu projekteerimise, ehitamise kui ka edasise ekspluateerimise kulud. Kõigile kättesaadavad CAN-protokollide standardid on loonud võimaluse uurida igakülgselt mistahes CAN-võrgu omadusi, elektrilisi mõõtmisi teostades on juurdepääs CAN-siinil edastatavatele kodeeritud signaalidele, mida on võimalik vajadusel ka dekodeerida. Autode arvutivõrgu arendamisel, projekteerimisel, ehitamisel ja talitluse uurimisel saab lähtuda arvutivõrkude üldistest alustest, st ei ole piiranguid arvutivõrgu riistvarale (signaali edastusviisidele, nii võrgu siini kui signaali kandja materjalidele, võrgu topoloogiale, võrgu sõlmede ehitustele), võrgusõlmede võrku pöördumise ja edastatavate teadete suunamise viisidele. Võrdselt aksepteeritavad on kõik viisid, mis on suutelised võrgu siinil konfliktide vältimiseks teostama siini loovutamise (arbitreerimise) toiminguid. Samuti ei ole sisulist vahet infosõnumite suunamise põhimõtetes. Arvutivõrgu arendamisel sõidukites tuleb silmas pidada vaid asjaolusid, mis põhjustavad häireid võrgu talitluses, siini liinide vastupidavust ja nõudeid võrgu elementide mõõtmetele, sest auto on piiratud ruumalaga ja kõik elemendid peavad mahtuma auto välisgabariitidest piiratud ruumi. Autoehitus on laiaulatuslik tööstusharu, mis hõlmab isegi ühe kaubamärgi ulatuses alltöövõtjaid, tarnijaid erinevatest maailmajagudest ja riikidest, kelledel on väga erinev töökultuur jms. Sellest tulenevalt oli otstarbekas ühtlustada nõudmised võrgu komponentidele, ülesehitusele, talitlusele jne. Standardiseerimisel arvestati, et olemuselt on auto komplitseeritud süsteem, kus segavad võrgu talitlemist nii autosisesed kui ka välised häireallikad, vibratsioon ja agressiivne töökeskkond. Olles seadnud ülesandeks välja töötada võimalikult madala omahinnaga väiksema võimsustarbega arvutivõrk, mille kaudu on tagatud informatsiooni usaldusväärne edastamine ka lähedal paiknevate naabervõrkude poolt tekitatud võrgu müras ja milles on võimalik andmeid edastada nende tähtsuse järjekorras, töötati välja normide kogu, mis 96

97 annabki CAN-võrgule universaalsed omadused. Sõltumata CAN-siini kanalite arvust, lähtutakse kodeeritud signaali loogilise seisundi määratlemisel diferentsiaalpinge väärtusest. Selline lähenemine võimaldab võrgu sõlmedena kasutada universaalseid CAN kontrollereid. CAN-võrgu kavandamisel tuleb aga arvestada signaalide hilistumisega, mis põhjustab pikkade võrgusiinide korral info edastamise kiiruse langust. CAN-protokollide kirjeldused tuginevad seitsmekihilisele etalonmudelile, millest on CANprotokolli poolt määratletud vaid kaks alumist kihti. Selline lähenemine võimaldab süsteemi disaineril paindlikult arvestada olulisi erivajadusi CAN-võrgu tõhusa talitluse tagamiseks ja jätnud talle kõrgemate kihtide paindliku defineerimise võimaluse. CAN-protokolli kohaselt paiknevad kontrollerid siinil jadamisi. Multi-master põhimõte omistab neile võrdse staatuse. Siini liinid on mõlemast otsast eraldatud ja tasakaalustatud kindla väärtusega takistustega, mis peavad kokku sobima liinide takistustega. Need takistid aitavad vähendada võrgu müra. Täiendavalt võib võrgus esineda eriomaseid takisteid, mis aitavad liinide ahelas hoida pingeid kas kõrgemal või madalamal võimalikul väärtusel. Võrgu müra vähendab ka biti kodeeritud edastamisel kasutatav NZN-põhimõte, kus biti loogilist staatust edastav pingenivoo ei lange enne järgmise biti edastamist nulli. See tähendab, et bittide järjestikusel edastamisel hoitakse pingenivoo samal tasemel kuni järgmise biti loogilise staatuse edastamiseni, kusjuures liini pinge ei lange väärtuseni null. CAN-protokoll määratleb ka siini, transiiveri saatja ja selle vastuvõtja vastastikuse loogilise ühenduse, et vähendada siinil leviva signaali hilistumist ja tagada võrgusõlme võime jälgida igat siinile saadetavat infobitti. Lisaks aitavad kodeeritud signaali diferentsiaalpingete nivood häälestada transiiverit sisendpingete eelistamisele. CAN-siinil edastatakse korraga vaid ühte sisupõhiselt adresseeritud andmesõnumit. See on tagatud bitipõhise siini loovutamise mehhanismi abil, kus märgatavalt kõrgemat diferentsiaalpingenivood omav dominantne bitt saab eelisõiguse praktiliselt olematu diferentsiaalpingega taanduvusliku biti ees. CAN-võrgus signaale mõõtes on oluline tähtsus mõõteriista valikul, sest arvestada tuleb siinil edastatava info kiirusega, mis võib küündida kuni 1 Mbit/s. Parimaks võimalikuks 97

98 valikuks on mõõtmistulemusi salvestav ostsilloskoop, sest andmesõnumis ulatub bittide arv kuni 150 bitini. Iga biti juures aga tuleks teostada vähemalt kolm mõõtmist. Seega tuleb teostada piisavalt kiiresti vähemalt 500 mõõtmist, seda on võimalik läbi viia vaid automatiseeritult. Kodeeritud bittide signaalide hilisemaks dekodeerimiseks tuleb mõõtmised teostada mõlemas kanalis, et teineteise suhtes sümmeetriliselt levivate elektriliste signaalide hetkeväärtustest tuvastada signaalide diferentsiaalväärtused antud ajahetkel. Mõõdetud signaalide diferentsiaalväärtused võimaldavad usaldusväärselt määrata bittide loogilised staatused. Käesoleva uurimistöö käigus teostatud kodeeritud signaalide mõõtmine ja saadud mõõtmistulemuste põhjal koostatud graafik kinnitas kahtlusi, et töötaval CAN-võrgu siinil esineb kodeeritud signaalidel võrguhäiretest põhjustatud väärtuste- ja kujuhälbeid. Need võivad piirata CAN-võrgu talitluse efektiivsust, kuid nende signaalide dekodeerimine tõestas, et võrgu sõlmedel on sellegipoolest eeldused vastu võetud signaalide dekodeerimiseks ja nende baasil moodustuvast informatsiooniblokist üheselt aru saamiseks. Mõõdetud signaalide keskväärtused on mõõtetestriga mõõdetavad füüsikalised suurused, mille väärtuste hälbimiste hindamine eeldatavatest statistilistest väärtustest võimaldab teostada CAN-siini liinide diagnostikat: hinnata liinide katkestuste või erinevate lühiühenduste võimalusi. Antud uurimistöös sisalduva informatiooni baasil on võimalik liikuda järgmisele teadmiste tasemele, modelleerides CAN-protokollile vastava CAN-kontrolleri ja laiendades sellega reaalajas töötavat CAN-võrku. Selliselt kogutud informatsioon, teadmised ja kogemused võimaldavad modelleerida tervikliku CAN-võrgu. Uurimistöö on kasutatav EMÜ õppeprotsessis, sõidukite diagnoosimisel ja sõidukites kasutatavate juhtseadmete vahelise suhtluse selgitamisel. 98

99 KASUTATUD KIRJANDUS 1) Reif, K., Dietsche, K.-H. (2011) Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 27. Auflage. Wiesbaden: Vieweg+ Teubner Verlag lk. 2) Lehtla, T., Rosin, A. (2001). Automaatika. Leonardo da Vinci pilootprojekt International Curricula of Mechatronics and Training materials for Initial Vocational Training, EE/99/1/87301/PI.1.1.A./FPI. Tallinn. 166 lk. Kättesaadav : ( ). 3) Mõisteid automaatjuhtimisest. (2010). [WWW]: file:///volumes/snow/downloads/kool/kevad10/automaatika/m%d5isteid%20auto MAATJUHTIMISEST.webarchive ( ). 4) Autode arvutivõrgud: Loengukonspekt CAN, VAN, MOST, LIN. EDUKAI. (2007). 29 lk. 5) CAN physical layer CAN in Automation. [WWW] / ( ). 6) Di Natale, M. Understanding and using the Control Area Network University of California. [WWW] ( ). 7) Corrigan, S. Introduction to the Controller Area Network (CAN) Texas Instruments. [WWW]: ( ). 8) Provencher, H. Controller Area Networks for Vehicles University of Ontario Institute of Technology. [WWW] 99

100 ( ). 9) CAN Controller Area Network emotive GmbH. [WWW] ( ). 10) Richards, P. (2002). A CAN Physical Layer Discussion. Microchip Technology Inc. [WWW] ( ). 11) Analyser Tool for CAN/ DeviceNet/ CANopen/ J1939/ LIN version 2.97 Userś Guide. (2012). Warwick Control. [WWW] ( ) 12) CAN bus. (2013). Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ). 13) Pull-up resistor. (2013). Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ]. 14) Controller Area Network (CAN). (2001). CAN in Automation. [WWW]: ( ) 15) CAN protocol. (2001). CAN in Automation. [WWW] ( ). 16) Bit time. (2013). Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ). 17) CAN protocol. (2001). CAN in Automation. [WWW]: ( ). 18) CAN protocol specification. (2001). CAN in Automation. [WWW] ( ). 19) Bit stuffing. (2002). Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ). 100

101 20) BCH code. (2007). Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ). 21) Wallace, H. (2001). Error Detection and Correction Using the BCH Code. Atlantic Quality Design, Inc. [WWW] ( ). 22) Weisstein, E. W. (2000). Primitive Polynomial. Wolfram Research, Inc. [WWW] ( ). 23) Knuth, D. E. (1997). Berlekamp s algorithm. Wikimedia Foundation, Inc. [WWW] ( ). 24) Jöhnk, E., Dietmayer, K. (1997). Determination of Bit Timing parameters for SJA 1000 CAN Controller. Philips Electronics N.V. [WWW] of%20bit%20timing%20parameters%20for%20sja1000%20- %20Application%20Note.pdf ( ) 25). ISO/CD : Road vehicles Controller area network (CAN) Part 2: High-speed medium access unit. (1999). [WWW] 1:v1:en ( ). 101

102 SIGNALS IN THE CONTROL AREA NETWORK OF THE CAR ENGINE CONTROL UNIT SUMMARY This work provides an overview on CAN protocol theory; a description of the hardware required to create a CAN environment; a rigorous definition of the nomenclature used to accurately define CAN signals. Different CAN bus configurations; as well as different techniques for using identifiers; and numerous automotive applications are covered. CAN is a providing safety in field bus systems. It is not related to secure communication where data encryption and decryption is used to protect systems from unauthorized access. It ensures the validity of CAN messages or the safety of the hardware. This technology already exists, but is not commonly used in automotive applications. There are three types of CAN Safety technologies: safety-related communication, safety-critical communication and intrinsically safe communication. Here there is a safe state the controller is forced into, given in any failure for a safetyrelated communication. 102

103 LISAD 103

104 Lisa A. Andmesõnumi algvorming CAN spetsifikatsiooni 2.0 järgi Tabel A.1. Andmesõnumi algvorming CAN spetsifikatsiooni 2.0 osa A järgi Välja nimi Pikkus (bitt) Algus (SOF) 1 Tuvastamine (ID) Päringubitt (RTR) Tuvastamisv. vormingu osunduse bitt (IDE) 11 Reservbitt (r0) 1 Andmete pikkuskood (DLC) Andmeväli (Data Field) Kontrollkood (CRC) Kontr. eraldaja (CRC Delim.) Kinnituse aken (ACK Slot) Kinnituse erald (ACK Delimiter) Otstarve Dominantne bitt. Märgistab sõnumikaadri algust ja sünkroniseerib kõik siinile ühendatud võrgusõlmed (ECU) Vahekohtu väli. Kordumatu binaarne sõnumite tunnuskood, mis määrab ka sõnumi eelistuse (prioriteedi). Vahekohtu väli. Andmesõnumi (Data Frame) korral on dominantne; päringusõnumi (Remote Frame)- muutub retsessiivseks info-bittiks. Juhtimise väli. Kuulutab, kas kasutatakse ID alg- või laiendatud vormingut. Domineeriv bitt arvuna 0 näitab algvormingut (retsessiivne bitt arvuna 1 seevastu laiendatud vormingut). Juhtimise väli. Kasutamata üks bitt. Tavaliselt saadetakse domonantsed (0), kuid aksepteeritakse ka muid väärtusi. Juhtimise väli. Kombinatsioonid näitavad andmeväljas baitide arvu Edastatavad andmed. 15 Tsüklilise liialisuse kontollis tuletatud polünoomi kontrollväärtus; võimalike andmeedastuse häirete tuvastamiseks 1 Koosneb ühest retsessiivsest bitist. 1 Saatja saadab retsessiivse (1) biti; vastuvõtja võib kinnitada dominantse (0) bitiga, kui kontrollsumma CRC osutus sobivaks. 1 Peab olema retsessiivne (1) bitt. Lõpuväli (EOF) 7 Peab olema retsessiivne (1) bitt. 104

105 Lisa A. järg Tabel A.2. Andmesõnumi algvorming CAN spetsifikatsiooni 2.0 osa B järgi Välja nimi Pikkus (bitt) Algus (SOF) 1 Tuvastamine A (ID) Päringubitti asendaja (SRR) Tuvastamisv. vormingu osundus (IDE) Tuvastamine B (ID) Päringubitt (RTR) Reservbitt (r1;r0) Pikkuskood (DLC) Andmeväli (Data Field) Kontrollkood (CRC) Kontr. eraldaja (CRC Delim.) Kinnitus (ACK Slot) Kinnituse erald (ACK Delim.) Otstarve Märgistab sõnumikaadri algust ja sünkroniseerib kõik siinile ühendatud võrgusõlmed (ECU). Vahekohtu väli. Kordumatu binaarne sõnumite tunnuskoodi esimene osa, mis määrab ka sõnumi eelistuse (prioriteedi). Vahekohtu väli. Retsessiivne bitt, mis edastatakse laiendatud kaadris samal positsioonil, kus asus algvormingus RTR-bitt. Vahekohtu väli. ID alg- või laiendatud vorming. Dom. bitt (0) näitab algvormingut; rets.-ne bitt (1) laiendatud vormingut. Vahekohtu väli. Teine osa kordumatul binaarsel sõnumite tunnuskoodil, mis määrab ka sõnumi eelistuse (prioriteedi). Vahekohtu väli. Andmesõnumi (Data Frame) korral on dominantne; päringusõnumi (Remote Frame) muutub retsessiivseks bitiks. Juhtimise väli. Kasutamata kaks bitti. Tavaliselt saadetakse domonantsed (0) bitid, kuid aksepteeritakse ka dominantsete ja retsessiivsete bittide kõiki kombinatsioone. Juhtimise väli. Kombinatsioonid näitavad andmeväljas baitide arvu Edastatavad andmed. 15 Tsüklilise liialisuse kontollis tuletatud polünoomi kontrollväärtus; võimalike andmeedastuse häirete tuvastamiseks. 1 Koosneb ühest retsessiivsest bitist. 1 Saatja saadab retsessiivse (1) biti; vastuvõtja võib kinnitada dominantse (0) bitiga, kui kontrollsumma CRC osutus sobivaks. 1 Peab olema retsessiivne (1) bitt. Lõpuväli (EOF) 7 Peab olema retsessiivne (1) bitt. 105

106 Lisa B. Mõõdetud signaalide graafikud Joonis B.1. Mõõdetud signaalide graafik 106