ركبت سيارتك ، وضغطت على زر التشغيل ، وظهر المحرك في أي وقت من الأوقات ، ولكن كيف قررت سيارتك ما إذا كان يجب تشغيلها أم لا؟
حسنًا ، لبدء تشغيل السيارة ، تم الاتصال بالعديد من الهوائيات ووحدات التحكم الإلكترونية مع سلسلة المفاتيح. يضمن بروتوكول شبكة منطقة التحكم (CAN) إجراء الاتصال بين مفتاح التشغيل والهوائيات ووحدات التحكم الإلكترونية بشكل مناسب داخل سيارتك.
إذن ما هو بروتوكول CAN ، وكيف يساعد الأجهزة الموجودة على أنظمة سيارتك على العمل معًا؟ حسنًا ، دعنا نكتشف ذلك.
ما هو بروتوكول CAN ، ولماذا هو مطلوب؟
في الماضي ، لم يكن لدى السيارات الكثير من الإلكترونيات. في الواقع ، إذا كنت ترغب في بدء تشغيل سيارتك في أوائل القرن العشرين ، كان عليك الخروج من سيارتك وتشغيل المحرك يدويًا.
على العكس من ذلك ، تحتوي سيارات اليوم على العديد من أجهزة الاستشعار الإلكترونية والأجهزة الإلكترونية التي تراقب كل شيء من درجة حرارة المقصورة إلى ثورات العمود المرفقي.
ومع ذلك ، فإن البيانات الواردة من هذه المستشعرات لا قيمة لها حتى تتم معالجتها. تتم معالجة البيانات هذه عن طريق أجهزة الكمبيوتر المعروفة باسم وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs).
على عكس الكمبيوتر الذي يحتوي على وحدة معالجة مركزية واحدة ، تحتوي السيارة على العديد من وحدات التحكم الإلكترونية ، كل منها مسؤول عن أداء مهمة معينة. على الرغم من أن وحدات التحكم الإلكترونية هذه يمكنها أداء مهمة واحدة بكفاءة ، إلا أنها يجب أن تعمل معًا لضمان ميزات مثل عضلات المعدة و خروج اعمل جيدا.
نتيجة لهذا ، يجب توصيل جميع وحدات التحكم الإلكترونية في السيارة. يمكن للمرء استخدام طوبولوجيا من نقطة إلى نقطة لإجراء هذه الاتصالات ، حيث يتم توصيل كل وحدة تحكم إلكترونية مباشرة بكل وحدة تحكم إلكترونية أخرى. ومع ذلك ، فإن هذه البنية ستجعل النظام معقدًا. في الواقع ، تحتوي السيارة الحديثة على أكثر من 70 وحدة نقدية أوروبية ، وسيؤدي توصيلها بطريقة فردية إلى زيادة وزن الأسلاك بشكل كبير.
لحل هذه المشكلة ، أنشأت Bosch ، جنبًا إلى جنب مع Mercedes-Benz و Intel ، بروتوكول شبكة منطقة التحكم في عام 1986. مكّن هذا البروتوكول وحدات التحكم الإلكترونية من التواصل مع بعضها البعض باستخدام ناقل بيانات مشترك يُعرف باسم ناقل CAN.
كيف يمكن العمل؟
بروتوكول CAN هو منهجية اتصال قائمة على الرسائل تعتمد على مجموعة من كبلات الزوج الملتوية لنقل البيانات. تُعرف هذه الأسلاك باسم CAN high و CAN low.
لتمكين نقل البيانات على هذه الأسلاك ، يتم تغيير مستويات جهدها. يتم بعد ذلك ترجمة هذه التغييرات في مستويات الجهد إلى مستويات منطقية تمكن وحدات التحكم الإلكترونية في السيارة من التواصل مع بعضها البعض.
لنقل منطق واحد على ناقل CAN ، يتم ضبط جهد كلا الخطين على 2.5 فولت. تُعرف هذه الحالة أيضًا بالحالة المتنحية ، مما يعني أن ناقل CAN متاح للاستخدام من قبل أي وحدة تحكم إلكترونية.
على العكس من ذلك ، يتم إرسال المنطق 0 على ناقل CAN عندما يكون خط CAN العالي بجهد 3.5 فولت وخط CAN المنخفض عند 1.5 فولت. تُعرف حالة الحافلة هذه أيضًا بالحالة المهيمنة ، والتي تخبر كل وحدة تحكم إلكترونية في النظام أن وحدة تحكم إلكترونية أخرى يقوم بالإرسال ، لذلك يجب عليهم الانتظار حتى انتهاء الإرسال قبل أن يبدأوا في إرسال رسالتهم.
لتمكين هذه التغييرات في الجهد ، يتم توصيل وحدات التحكم الإلكترونية في السيارة بحافلة CAN من خلال جهاز إرسال واستقبال CAN ووحدة تحكم CAN. جهاز الإرسال والاستقبال مسؤول عن تحويل مستويات الجهد في ناقل CAN إلى مستويات يمكن أن تفهمها وحدة التحكم الإلكترونية. من ناحية أخرى ، يتم استخدام وحدة التحكم لإدارة البيانات المستلمة والتأكد من استيفاء متطلبات البروتوكول.
يمكن لجميع وحدات التحكم الإلكترونية المتصلة بحافلة CAN نقل البيانات على الكبل الملتوي ، ولكن هناك مشكلة ، يمكن فقط نقل الرسالة ذات الأولوية القصوى على ناقل CAN. لفهم كيفية قيام وحدة التحكم الإلكترونية بنقل البيانات على ناقل CAN ، نحتاج إلى فهم بنية رسالة بروتوكول CAN.
فهم بنية الرسالة لبروتوكول CAN
عندما ترغب وحدتا ECU في الاتصال ، يتم إرسال الرسائل ذات الهيكل أدناه على ناقل CAN.
يتم نقل هذه الرسائل عن طريق تغيير مستويات الجهد على ناقل CAN ، كما أن تصميم الزوج الملتوي لأسلاك CAN يمنع تلف البيانات أثناء النقل.
- SOF: باختصار لـ Start Of Frame ، فإن بت SOF عبارة عن إطار بيانات بت واحد مهيمن. يتم إرسال هذا البت بواسطة عقدة عندما تريد إرسال البيانات على ناقل CAN.
- المعرف: يمكن أن يكون المعرف على بروتوكول CAN إما 11 بت أو 29 بت في الحجم. يعتمد حجم المعرّف على إصدار بروتوكول CAN المستخدم. إذا تم استخدام النسخة الموسعة من CAN ، فإن حجم المعرف هو 29 بت ، وفي حالات أخرى ، يكون حجم المعرف 11 بت. الهدف الرئيسي للمعرف هو تحديد أولوية الرسالة.
- RTR: يتم استخدام طلب الإرسال عن بُعد أو RTR بواسطة العقدة عند الحاجة إلى طلب البيانات من عقدة أخرى. للقيام بذلك ، فإن العقدة التي تريد البيانات ترسل رسالة ذات بت متنحي في إطار RTR إلى العقدة المقصودة.
- DLC: يحدد رمز طول البيانات حجم البيانات التي يتم إرسالها في حقل البيانات.
- حقل البيانات: يحتوي هذا الحقل على حمولة البيانات. يبلغ حجم هذه الحمولة 8 بايت ، لكن البروتوكولات الأحدث مثل CAN FD تزيد من حجم هذه الحمولة إلى 64 بايت.
- اتفاقية حقوق الطفل: يعد حقل CRC اختصارًا لفحص التكرار الدوري ، وهو عبارة عن إطار للتحقق من الأخطاء. نفس الحجم يبلغ 15 بت ويتم حسابه بواسطة كل من جهاز الاستقبال والمرسل. تنشئ عقدة الإرسال CRC للبيانات عند إرسالها. عند استلام البيانات ، يحسب جهاز الاستقبال CRC للبيانات المستلمة. في حالة تطابق كل من CRC ، يتم تأكيد سلامة البيانات. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن البيانات بها أخطاء.
- حقل الإقرار: بمجرد استلام البيانات وخالية من الأخطاء ، تغذي العقدة المستقبلة بتة سائدة في إطار الإقرار وترسلها مرة أخرى إلى جهاز الإرسال. هذا يخبر جهاز الإرسال أن البيانات قد تم استلامها وخالية من الأخطاء.
- نهاية الإطار: بمجرد اكتمال نقل البيانات ، يتم إرسال سبع بتات متنحية متتالية. هذا يضمن أن جميع العقد تعرف أن العقدة قد أكملت نقل البيانات ، ويمكنها نقل البيانات على الناقل.
بالإضافة إلى البتات أعلاه ، يحتوي بروتوكول CAN على عدد قليل من البتات المحجوزة للاستخدام في المستقبل.
يمكن التبسيط من خلال مثال
الآن بعد أن أصبح لدينا فهم أساسي لما تبدو عليه الرسالة الموجودة على ناقل CAN ، يمكننا فهم كيفية نقل البيانات بين وحدات التحكم الإلكترونية المختلفة.
من أجل التبسيط ، دعنا نقول أن سيارتنا بها 3 وحدات تحكم إلكترونية: Node 1 و Node 2 و Node 3. من بين وحدات التحكم الإلكترونية الثلاثة ، تريد العقدة 1 والعقدة 2 التواصل مع العقدة 3.
دعونا نرى كيف يساعد بروتوكول CAN في ضمان الاتصال في مثل هذا السيناريو.
- الكشف عن حالة الحافلة: جميع وحدات التحكم الإلكترونية الموجودة في السيارة متصلة بحافلة CAN. في حالة مثالنا ، تريد العقدة 1 والعقدة 2 إرسال البيانات إلى وحدة تحكم إلكترونية أخرى ؛ قبل القيام بذلك ، تحتاج كل من وحدات التحكم الإلكترونية إلى التحقق من حالة ناقل CAN. إذا كان الناقل في حالة مهيمنة ، فلن تتمكن وحدات التحكم الإلكترونية من نقل البيانات لأن الناقل قيد الاستخدام. من ناحية أخرى ، إذا كانت الحافلة في حالة متنحية ، يمكن لوحدات التحكم الإلكترونية نقل البيانات.
- إرسال بداية الإطار: إذا كان الجهد التفاضلي في ناقل CAN صفراً ، فإن كلا من العقدة 1 والعقدة 2 تغير حالة الحافلة إلى المهيمنة. للقيام بذلك ، يتم رفع الجهد العالي لـ CAN إلى 3.5 فولت ، ويتم تقليل جهد CAN المنخفض إلى 1.5 فولت.
- تحديد العقدة التي يمكنها الوصول إلى الحافلة: بمجرد إرسال SOF ، تتنافس كلتا العقدتين للوصول إلى ناقل CAN. يستخدم ناقل CAN بروتوكول الوصول المتعدد للكشف عن التصادم / الوصول المتعدد (CSMA / CD) لتحديد العقدة التي تحصل على حق الوصول. يقارن هذا البروتوكول المعرفات المرسلة من كلا العقدتين ويسمح بالوصول إلى المحدد ذي الأولوية الأعلى.
- إرسال البيانات: بمجرد وصول العقدة إلى الناقل ، يتم إرسال حقل البيانات ، إلى جانب CRC ، إلى جهاز الاستقبال.
- التحقق من الاتصال وإنهائه: عند استلام البيانات ، تقوم العقدة 3 بفحص CRC للبيانات المستلمة. إذا لم تكن هناك أخطاء ، فإن العقدة 3 ترسل رسالة CAN إلى عقدة الإرسال ذات البت السائد في إطار الإقرار جنبًا إلى جنب مع EOF لإنهاء الاتصال.
أنواع مختلفة من CAN
على الرغم من أن بنية الرسالة التي يستخدمها بروتوكول CAN لا تزال كما هي ، فإن سرعة نقل البيانات وحجم بتات البيانات يتم تغييرهما لنقل عرض نطاق ترددي أعلى للبيانات.
نظرًا لهذه الاختلافات ، يحتوي بروتوكول CAN على إصدارات مختلفة ، وترد نظرة عامة على ذلك أدناه:
- علبة عالية السرعة: يتم إرسال البيانات الموجودة على أسلاك CAN بشكل تسلسلي ، ويمكن إجراء هذا الإرسال بمعدلات مختلفة. بالنسبة إلى CAN عالي السرعة ، تبلغ هذه السرعة 1 ميجابت في الثانية. نظرًا لسرعة نقل البيانات العالية هذه ، يمكن استخدام السرعة العالية لوحدات التحكم الإلكترونية ، التي تتحكم في مجموعة نقل الحركة وأنظمة السلامة.
- علبة السرعة المنخفضة: في حالة CAN منخفضة السرعة ، يتم تقليل معدل إرسال البيانات إلى 125 كيلو بت في الثانية. نظرًا لأن السرعة المنخفضة يمكن أن توفر معدلات بيانات أقل ، يتم استخدامها لتوصيل وحدات التحكم الإلكترونية التي تدير راحة الراكب ، مثل تكييف الهواء أو نظام المعلومات والترفيه.
- يمكن FD: اختصار لمعدل البيانات المرنة CAN ، CAN FD هو أحدث إصدار من بروتوكول CAN. يعمل على زيادة حجم إطار البيانات إلى 64 بايت ويسمح لوحدات التحكم الإلكترونية بنقل البيانات بسرعات تتراوح من 1 ميجابت في الثانية إلى 8 ميجابت في الثانية. يمكن إدارة سرعة نقل البيانات هذه بواسطة وحدات التحكم الإلكترونية في الوقت الفعلي بناءً على متطلبات النظام ، مما يسمح بنقل البيانات بسرعات أعلى.
ما هو مستقبل اتصالات السيارات؟
يسمح بروتوكول CAN للعديد من وحدات التحكم الإلكترونية بالتواصل مع بعضها البعض. يتيح هذا الاتصال ميزات الأمان مثل التحكم الإلكتروني بالثبات وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة مثل اكتشاف النقطة العمياء والتحكم التكيفي في التطواف.
ومع ذلك ، مع ظهور الميزات المتقدمة مثل القيادة الذاتية ، تزداد كمية البيانات التي يتم إرسالها بواسطة ناقل CAN بشكل كبير. لتمكين هذه الميزات ، تدخل إصدارات أحدث من بروتوكول CAN ، مثل CAN FD ، إلى السوق.