CAN باس: توپولوژی یا محل شناسايي
شبکه CAN (Controller Area Network) یکی از مهمترین پروتکلهای ارتباطی در صنعت خودرو و سیستمهای تعبیهشده است. در این مقاله به بررسی دقیق مفهوم توپولوژی (Topology) و محل شناسايي (Node Addressing) در شبکه CAN باس خواهیم پرداخت. این دو مفهوم کلیدی باعث میشوند سیستمهای متعددی در یک خودرو بتوانند به روشی مؤثر و بدون خطا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
مقدمهای بر شبکه CAN
شبکه CAN برای اولین بار توسط شرکت Bosch در دهه 1980 توسعه یافت تا امکان ارتباط میان ایسییوهای مختلف در خودرو بدون نیاز به سیستمهای پیچیده سیمکشی فراهم گردد. این پروتکل به صورت یک باس مشترک (CAN bus) طراحی شده است که تمامی دستگاهها (نودها) به آن متصل میشوند و پیامهای دیجیتال را به صورت فریمهای داده رد و بدل میکنند.
توپولوژی CAN باس
در شبکههای کامپیوتری و ارتباطی، توپولوژی به نحوه اتصال فیزیکی نودها به یکدیگر و به محیط ارتباطی گفته میشود. در CAN، توپولوژی معمولاً به صورت باس خطی (Linear Bus) یا ستارهای و حتی توپولوژیهای ترکیبی است، اما به صورت استاندارد خطی در اکثر خودروها استفاده میشود.
1. توپولوژی خطی (Linear Bus)
ساختار اصلی CAN باس به صورت یک کابل دوتایی (Twisted Pair) است که تمامی نودها از نقاط مختلف به آن متصل میشوند. این توپولوژی دارای مزایای زیر است:
- کاهش نویز: کابل پیچخورده باعث کاهش نویزهای الکترومغناطیسی میشود.
- سادگی نصب: نیازی به سوئیچ یا هاب مرکزی نیست.
- قابلیت انعطاف: میتوان نودهای جدید را به انتهای کابل اضافه کرد.
با این حال، طول کابل و تعداد نودها محدود است که طبق استاندارد CAN 2.0، طول کابل میتواند تا 40 متر در سرعت 1 مگابیت بر ثانیه و تا 1000 متر در سرعت پایینتر (مثلا 125 کیلوبیت بر ثانیه) باشد.
2. توپولوژی ستارهای (Star)
توپولوژی ستارهای به این شکل است که تمام نودها به یک مرکز مشترک متصل میشوند، ولی در CAN باس سنتی توصیه نمیشود زیرا باعث انعکاس سیگنال و خطا میشود. با این وجود در سیستمهای پیشرفتهتر با استفاده از ترمیناتور و سیگنالهای بازسازی، توپولوژی ستارهای قابل پیادهسازی است.
3. توپولوژیهای ترکیبی و دیگر ساختارها
در سیستمهای بزرگتر ممکن است ترکیبی از توپولوژی باس و ستاره را شاهد باشیم تا نیازهای خاص شبکه مانند افزونگی و قابلیت اطمینان بیشتر فراهم شود.
محل شناسايي در CAN – آدرسدهی نودها
یکی از مهمترین تفاوتهای CAN نسبت به پروتکلهای دیگر این است که آدرس نودها به صورت فیزیکی تعیین نمیشود، بلکه با استفاده از شناساگر پیام (Identifier) در فریم داده صورت میگیرد. این مکانیزم باعث میشود توپولوژی فیزیکی به صورت بسیار ساده باقی بماند و پیچیدگی آدرسدهی را کاهش دهد.
1. مفهوم شناساگر پیام (Message Identifier)
شناساگر پیام 11 بیت (CAN 2.0A) یا 29 بیت (CAN 2.0B) است که هویت پیام را مشخص میکند اما نود خاص را تعیین نمیکند. به این ترتیب نودها بر اساس شناساگرها تصمیم میگیرند چه پیامی را دریافت یا ارسال کنند.
به عنوان مثال، در یک خودرو، نود سنسور سرعت پیامی با شناساگر 0x100 ارسال میکند و نود ایسییو موتور پیام با شناساگر 0x101 را ارسال میکند. نودهای دیگر تنها پیامهایی را که میخواهند دریافت کنند میخوانند و بقیه را نادیده میگیرند.
2. مقایسه با آدرسدهی سنتی
در پروتکلهای دیگر مانند پروتکلهای شبکه محلی (LAN) یا سایر شبکههای صنعتی، هر دستگاه دارای آدرس فیزیکی منحصر به فرد است. اما در CAN، آدرسدهی منطقی از طریق شناساگر پیام صورت میگیرد که این ویژگی ارتباط چندنقطهای بدون نیاز به مدیریت پیچیده آدرسها را ممکن میسازد.
3. تاثیر در توپولوژی شبکه
به دلیل اینکه آدرسها مستقل از محل فیزیکی نودها هستند، توپولوژی فیزیکی میتواند بسیار ساده باشد و تغییر در محل نودها یا افزودن نود جدید پیچیدگی آدرسدهی را ایجاد نمیکند. این ویژگی باعث شده توپولوژی CAN خطی و ساده حفظ شود.
جزئیات فنی و استانداردهای مرتبط
1. زبان فریمهای CAN
یک فریم CAN شامل بخشهای زیر است:
- Start of Frame (SOF): شروع فریم
- Identifier: شناساگر پیام (11 یا 29 بیت)
- Control Field: شامل تعداد دادههای ارسالی
- Data Field: 0 تا 8 بایت داده
- CRC: بررسی صحت دادهها
- Acknowledgment: تایید دریافت
- End of Frame: پایان فریم
2. ترمیناتور (Termination Resistor)
برای جلوگیری از انعکاس سیگنالها که میتواند باعث خطا شود، در دو سر باس CAN مقاومت 120 اهم قرار میدهند. این موضوع مخصوصاً در توپولوژی خطی اهمیت دارد.
3. سرعت انتقال و طول کابل
سرعت انتقال در CAN میتواند بین 10 کیلوبیت بر ثانیه تا 1 مگابیت بر ثانیه تغییر کند. طول کابل مستقیما به سرعت وابسته است؛ هر چه سرعت بالاتر باشد، طول کابل باید کوتاهتر باشد و بالعکس.
کاربردهای توپولوژی و مکانیزم شناسايي CAN در خودروها
1. سامانههای کنترل موتور
ایسییوهای موتور با سنسورها، عملگرها و دیگر نودها از طریق CAN ارتباط برقرار میکنند. توپولوژی خطی ساده اتصال سنسورها را به ایسییو مرکزی میسر میکند و شناساگرهای پیام، هر جزء را مشخص میسازند.
2. سامانههای ایمنی (Airbag، ABS)
سامانههای حیاتی نیازمند ارتباط سریع و مطمئناند. توپولوژی CAN و آدرسدهی بدون نیاز به آدرس فیزیکی باعث کاهش پیچیدگی و افزایش اطمینان میشود.
3. سامانههای اطلاعات و سرگرمی
اتصال نمایشگر، پخشکننده و کنترلهای فرمان به واسطه CAN صورت میگیرد. انعطاف توپولوژی و شناساگرهای پیام امکان افزودن یا حذف آسان قطعات را فراهم میکند.
نتیجهگیری
در شبکه CAN، توپولوژی شبکه معمولاً به صورت یک باس خطی است که ساده، مقرون به صرفه و مقاوم در برابر نویز طراحی شده است. در مقابل، مکانیزم آدرسدهی به جای اختصاص آدرس فیزیکی به هر نود، بر اساس شناساگر پیام انجام میشود که انعطاف، سادگی و کارایی بالایی دارد. ترکیب این دو مفهوم، شبکه CAN را به یکی از محبوبترین پروتکلهای ارتباطی در صنعت خودروسازی تبدیل کرده است که قابلیت اطمینان و عملکرد بالا را تضمین میکند.
با توجه به پیشرفت فناوریهای خودرو، آگاهی دقیق از توپولوژی و مکانیزم شناسايي CAN برای مهندسین الکترونیک خودرو و تکنسینها ضروری است تا بتوانند سیستمهای پیچیدهتری با قابلیت اطمینان بالا طراحی کرده و عیبیابی نمایند.