CAN باس: پروتکل و کاربردهای آن در خودروهای مدرن

در دنیای خودروهای امروزی، سیستم‌های الکترونیکی و شبکه‌های داده‌ای پیچیده جایگاه بسیار مهمی دارند. یکی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین پروتکل‌های ارتباطی در صنعت خودرو، پروتکل CAN باس است. این پروتکل به‌عنوان یک استاندارد جهانی برای انتقال داده‌ها بین واحدهای کنترل الکترونیکی (ECUها) شناخته می‌شود و به خودروها اجازه می‌دهد تا به صورت همزمان و بدون تداخل با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

مقدمه‌ای بر CAN باس

CAN مخفف عبارت Controller Area Network است. این پروتکل در سال 1983 توسط شرکت Bosch طراحی شد با هدف فراهم آوردن روشی قابل اعتماد، سریع و ارزان برای تبادل داده‌ها میان واحدهای مختلف الکترونیکی در خودروها. اولین استفاده صنعتی آن در اوایل دهه 1990 بود و از آن زمان تاکنون به‌طور گسترده در صنعت خودروسازی و سایر صنایع کاربرد پیدا کرده است.

چرا از CAN استفاده می‌شود؟

• قابلیت اطمینان بالا: طراحی CAN به گونه‌ای است که داده‌ها را با حداقل خطا منتقل می‌کند، حتی در محیط‌های پر نویز مانند موتور خودرو.
• کاهش سیم‌کشی: به جای استفاده از سیم‌های متعدد و پیچیده، CAN اجازه می‌دهد تا چندین ECU با کمترین تعداد سیم به صورت مشترک روی یک باس اطلاعات را منتقل کنند.
• ارتباط real-time: سرعت مناسب و قابلیت پردازش سریع داده‌ها امکان ارتباط بلادرنگ بین سیستم‌ها را فراهم می‌کند.

ساختار و اصول کار CAN باس

فیزیکال لایه (Physical Layer)

در CAN، داده‌ها از طریق یک زوج سیم پیچ‌خورده به نام CAN_H و CAN_L منتقل می‌شوند. این زوج سیم دارای مزایای ذیل است:

• کاهش نویز الکتریکی و تداخل‌های محیطی
• توانایی انتقال داده‌ها در فواصل چند صد متری با سرعت‌های مختلف (از 10 کیلوبیت بر ثانیه تا 1 مگابیت بر ثانیه)

لایه داده (Data Link Layer)

پروتکل CAN بخشی از لایه‌های OSI است که مسئول مدیریت دسترسی به باس و تضمین صحت داده‌های منتقل شده است. این لایه شامل دو بخش زیر است:

• فرمت فریم: فریم‌های CAN شامل موارد زیر هستند:
  • داده‌های شناسایی (Identifier) که مشخص می‌کنند داده‌ها مربوط به کدام ECU یا سیستم است
  • داده‌های پیام (Data Field) که تا 8 بایت داده اطلاعاتی ارسال می‌کنند
  • فیلدهای کنترلی و چک‌سام (CRC) برای اطمینان از صحت پیام
• مدیریت خطا: CAN باس از چندین مکانیزم تشخیص خطا از جمله CRC، تشخیص بیت‌های اشتباه، تایم‌اوت‌ها و شناسایی خطاهای همزمان استفاده می‌کند.

مکانیزم انتقال و اولویت‌بندی فریم‌ها

هر پیام در CAN با یک شناسه (ID) منحصر به فرد ارسال می‌شود. اولویتی که ایکنایی روی باس برای انتقال پیام دارد بر اساس مقدار این شناسه تعیین می‌شود: شناسه‌های دارای مقدار کمتر (مقدار باینری کوچکتر) اولویت بالاتری دارند و زودتر روی باس ارسال می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود که پیام‌های حیاتی با تأخیر کمتر و سریع‌تر منتقل شوند.

انواع فریم در پروتکل CAN

پروتکل CAN به سه نوع فریم اصلی تقسیم می‌شود:

فریم داده (Data Frame)

این فریم برای انتقال داده‌های واقعی (تا 8 بایت) بین واحدها استفاده می‌شود. ساختار آن شامل بخش‌های زیر است:

• Remote Transmission Request (RTR): برای تعیین درخواست دریافت داده
• Data Length Code (DLC): نشان‌دهنده طول داده‌ها
• Data Field: محتوای پیام تا 8 بایت
• CRC Field: بررسی صحت داده‌ها

فریم remote (Remote Frame)

این فریم برای درخواست ارسال داده از یک ECU استفاده می‌شود. در این حالت یک ECU پیام درخواست را روی باس می‌فرستد و ECU گیرنده موظف به ارسال فریم داده متناسب با آن می‌شود.

فریم خطا (Error Frame)

زمانی که یک ECU خطایی را تشخیص می‌دهد، این فریم به منظور اطلاع‌رسانی به سایر واحدهای روی باس ارسال می‌شود. این مکانیزم به افزایش امنیت و اطمینان پروتکل کمک می‌کند.

کاربردهای CAN باس در خودرو

با وجود افزایش پیچیدگی خودروهای مدرن، استفاده از CAN باس به صورت گسترده‌ای افزایش یافته است. چند نمونه از کاربردهای اصلی عبارتند از:

سیستم کنترل موتور (ECU موتور)

واحد کنترل موتور نقش کلیدی در مدیریت عملکرد موتور دارد و با ارسال و دریافت داده‌ها از سنسورهای مختلف از طریق CAN باس، بهترین شرایط کارکرد موتور را فراهم می‌کند. برای مثال، سنسور اکسیژن، دمای موتور و فشار هوای ورودی داده‌های خود را از طریق CAN ارسال می‌کنند.

سیستم ضد قفل ترمز (ABS)

سیستم ABS، وضعیت چرخ‌ها و سرعت گردش آنها را به ECU ترمز اطلاع می‌دهد و ECU با فرمان به ترمزها مانع قفل شدن چرخ‌ها می‌شود. این داده‌ها از طریق CAN با سرعت و دقت لازم منتقل می‌شوند.

سیستم ایربگ

داده فوری از سنسورهای تصادف برای تصمیم‌گیری درباره باز شدن ایربگ‌ها از طریق CAN در کسری از ثانیه تبادل می‌شود که نشان‌دهنده اهمیت بالای این پروتکل در امنیت خودرو است.

هیونینگ و سیستم سرگرمی (Infotainment)

سیستم‌های صوتی، نمایشگرها و مسیریابی، داده‌های خود را از طریق CAN دریافت و ارسال می‌کنند. همچنین قابلیت اتصال به سیستم‌های تلفن همراه یا اینترنت نیز بعضاً با واسطه‌های CAN انجام می‌شود.

مزایا و محدودیت‌های پروتکل CAN

مزایا

• قابل اعتماد و مقاوم در برابر نویز – به دلیل استفاده از زوج سیم پیچ‌خورده و مکانیزم‌های تشخیص خطا
• کاهش هزینه‌ها – کاهش سیم‌کشی و استفاده از یک باس مشترک برای چندین دستگاه
• قابلیت اولویت‌بندی پیام‌ها – اطمینان از انتقال سریع‌تر پیام‌های حیاتی
• پشتیبانی از شبکه‌های بزرگ – امکان اتصال تا 100ها ECU در یک شبکه

محدودیت‌ها

• حداکثر طول داده‌ها در هر فریم 8 بایت است که برای انتقال داده‌های حجیم باید پیام‌های متعدد ارسال شود
• سرعت انتقال محدود تا 1 مگابیت بر ثانیه که در کاربردهای بسیار پیچیده و مدرن گاهی ناکافی است
• نیاز به مدیریت دقیق شبکه برای جلوگیری از برخورد پیام‌ها در شبکه‌های بسیار بزرگ

نسخه‌های پیشرفته و توسعه یافته CAN

برای غلبه بر برخی محدودیت‌ها، نسخه‌های پیشرفته‌ای از CAN توسعه یافته‌اند که متناسب با نیازهای مدرن خودروها و صنایع دیگر هستند:

CAN 2.0A و CAN 2.0B

• CAN 2.0A: نسخه پایه با شناسه پیام 11 بیتی
• CAN 2.0B: نسخه توسعه یافته با شناسه 29 بیتی که امکان شناسایی بهتر پیام‌ها و افزایش تعداد دستگاه‌ها را فراهم می‌کند

CAN FD (Flexible Data-Rate)

یکی از تغییرات بزرگ در پروتکل CAN است که امکان انتقال حجم داده بیشتر (تا 64 بایت در هر فریم) و سرعت‌های بالاتر (بیش از 1 مگابیت بر ثانیه) را فراهم می‌کند. CAN FD به طور خاص برای خودروهای مدرن با نیاز به انتقال داده‌های بزرگ و سریع طراحی شده است.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

پروتکل CAN باس به عنوان ستون فقرات سیستم‌های شبکه‌ای خودروهای مدرن شناخته می‌شود. طراحی مقاوم، کارایی بالا و قابلیت هماهنگی میان واحدهای مختلف الکترونیکی، این پروتکل را به استانداردی محبوب و کاربردی تبدیل کرده است. با پیشرفت فناوری‌های خودرویی و نیاز به پردازش داده‌های بزرگ‌تر و سریع‌تر، نسخه‌های پیشرفته مانند CAN FD به کمک مهندسان آمده‌اند تا بهینه‌ترین عملکرد را در شبکه‌های داخلی خودروها فراهم کنند.

اگرچه محدودیت‌هایی مانند حجم داده محدود در هر فریم و سرعت انتقال وجود دارد، اما سازگاری، قابلیت توسعه و امنیت بالا باعث شده‌اند که CAN همچنان در آینده نزدیک نقش پررنگی داشته باشد.

منابع و مراجع فنی

• Bosch, "CAN Specification Version 2.0," 1991.
• M. H. Mahmoud, "Automotive CAN Networks Explained," SAE International, 2019.
• Microchip Technology Inc., "Introduction to CAN Bus," Application Note.
• ISO 11898-1:2015, "Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 1: Data link layer and physical signaling."