شبکه CAN باس: ساختار، عملکرد و کاربردهای فنی

با پیشرفت روزافزون فناوری خودرو و نیاز به سیستم‌های ارتباطی دقیق و قابل اطمینان، شبکه CAN (Controller Area Network) به عنوان یکی از مهم‌ترین استانداردهای ارتباطی در صنعت خودروسازی مطرح شده است. در این مقاله به بررسی ساختار شبکه CAN باس، اصول عملکرد، اجزا و چگونگی طراحی و کاربردهای آن می‌پردازیم.

مقدمه‌ای بر شبکه CAN

شبکه CAN در دهه 1980 توسط شرکت Bosch توسعه یافته و به عنوان یک پروتکل ارتباطی سریال زمینی برای سیستم‌های کنترل خودرو معرفی شد. هدف اصلی از طراحی این پروتکل، کاهش پیچیدگی کابل‌کشی و افزایش قابلیت اطمینان در تبادل داده بین واحدهای کنترل الکترونیکی (ECU) در خودروها بوده است.

ویژگی‌های کلیدی شبکه CAN

• ارتباط چندنقطه‌ای و اشتراکی
• پشتیبانی از سرعت انتقال تا 1 مگابیت بر ثانیه
• مقاومت بالا در برابر نویز الکترومغناطیسی
• ساختار پیام‌محور (Message-Oriented) با اولویت‌بندی پیام‌ها
• امکان تشخیص خطا و بازفرستادن پیام‌ها

ساختار فیزیکی و لایه‌های شبکه CAN

شبکه CAN از سه لایه اصلی فیزیکی، داده و کاربرد تشکیل شده است که هر کدام نقش حیاتی در عملکرد کل سیستم ایفا می‌کنند.

لایه فیزیکی (Physical Layer)

این لایه مشخص‌کننده جنبه‌های سخت‌افزاری و الکتریکی شبکه است که شامل کابل‌کشی و پروتکل‌های سطح سیگنال می‌شود. معمولاً در شبکه CAN، زوج سیم پیچ‌خورده (Twisted Pair) برای کاهش نویز و تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌شود.

• خطوط CAN_H و CAN_L: دو خط سیگنال اصلی هستند که سیگنال‌های دریافتی و ارسالی بین ECU‌ها را انتقال می‌دهند.
• مقاومت ترمینیتور (Termination Resistor): مقاومت‌های 120 اهم در ابتدا و انتهای باس برای جلوگیری از بازتاب سیگنال و حفظ کیفیت انتقال.

لایه داده (Data Link Layer)

این لایه مسئول فریم‌بندی داده‌ها، مدیریت دسترسی به باس و کنترل خطا است. فریم‌های داده CAN شامل ساختار مشخصی هستند که حاوی شناسه پیام، اندازه داده، مقادیر داده و بیت‌های کنترلی می‌باشند.

ساختار فریم CAN (CAN Frame)

بخش	توضیح
Start of Frame	شروع فریم، سیگنال شروع انتقال
Arbitration Field	شناسایی پیام و اولویت‌بندی
Control Field	اندازه داده‌ها و نوع فریم
Data Field	داده‌های اصلی (تا 8 بایت)
CRC Field	تشخیص خطا با استفاده از کد CRC
Acknowledge Field	تأیید دریافت صحیح پیام
End of Frame	نشانه پایان فریم

عملکرد و پروتکل‌های کنترل دسترسی

شبکه CAN از روش دسترسی چندین ایستگاه به صورت CSMA/CD with Arbitration بدون برخورد برای کنترل استفاده می‌کند. به عبارت دیگر، هر دستگاه در شبکه می‌تواند به صورت مستقل پیام ارسال کند اما در صورت وقوع تداخل، از طریق فرآیند داوری (Arbitration) میزان اولویت پیام‌ها مشخص شده و تنها پیام اولویت بالاتر ادامه خواهد داشت.

مکانیزم Arbitration در شبکه CAN

برای مثال، فرض کنید دو ECU همزمان در حال ارسال پیام هستند:

• هر پیام دارای شناسه 11 بیتی است که نقش اولویت را بازی می‌کند؛ شناسه کمتر به معنای اولویت بالاتر.
• در بیت‌های Arbitration، اگر یکی از دستگاه‌ها بیت 0 (Dominant) و دیگری بیت 1 (Recessive) ارسال کند، دستگاهی که بیت 1 ارسال کرده است باید ارسال را متوقف کند.

این فرآیند کاملاً بدون تداخل و از دست رفتگی پیام طراحی شده تا تضمین کند پیام‌های مهم در اولویت هستند و قابل دریافت صحیح باقی می‌مانند.

طراحی فیزیکی شبکه CAN باس

برای حصول اطمینان از عملکرد صحیح شبکه، موارد زیر باید رعایت شوند:

طول و کیفیت کابل

شبکه CAN باس دارای محدودیت طول بر اساس سرعت انتقال است. به عنوان مثال، در سرعت 1 مگابیت بر ثانیه، طول کابل نباید بیش از 40 متر باشد، اما اگر سرعت به 125 کیلوبیت بر ثانیه کاهش یابد، طول می‌تواند تا 500 متر افزایش یابد.

استفاده از مقاومت‌های انتهایی

مقاومت 120 اهم در ابتدا و انتهای باس باعث جلوگیری از بازتاب سیگنال می‌شود که به ویژه در سرعت‌های بالا اهمیت دارد.

سخت‌افزار مورد نیاز

• کنترلر CAN: برای مدیریت پردازش داده‌های شبکه و فریم‌ها.
• مبدل سطح فیزیکی (Transceiver): تحویل سیگنال‌های دیجیتال به شکل مناسب روی باس و بالعکس.

کاربردهای شبکه CAN در خودروهای مدرن

شبکه CAN باس به عنوان ستون فقرات سیستم‌های الکترونیکی خودروها مطرح است. برخی کاربردهای اصلی آن عبارتند از:

سیستم‌های موتور و انتقال قدرت

کنترل ECU موتور، مدیریت تزریق سوخت، کنترل ترمز ABS و گیربکس اتوماتیک به وسیله تبادل داده از طریق CAN انجام می‌شود. به عنوان نمونه، سنسورهای دور موتور، دما و فشار از طریق پیام‌های CAN مقدار خود را به ECU ارسال می‌کنند تا پارامترهای بهینه تنظیم شود.

سیستم‌های ایمنی و پایداری

سیستم‌هایی مانند ESP، کنترل فشار باد تایر، سامانه فرمان و کیسه هوا به کمک پیام‌های سریع و قابل اعتماد CAN ارتباط برقرار می‌کنند.

سیستم‌های سرگرمی و اطلاعاتی (Infotainment)

برای ارتباط بین نمایشگرها، سامانه‌های ناوبری، و رادیو و همچنین اتصال به گوشی‌های هوشمند، شبکه CAN نقش مهمی دارد.

نمونه عملی: پیاده‌سازی شبکه CAN در خودروی سواری

فرض کنید یک خودروی سواری مجهز به چندین ECU از جمله ECU موتور، ECU ترمز ABS و ECU داشبورد است که همه توسط شبکه CAN باس به هم متصل شده‌اند.

• ECU موتور پیام‌هایی با شناسه‌های پایین‌تر (اولویت بالاتر) برای تنظیم فوری موتور ارسال می‌کند.
• ECU ترمز ABS پیام‌هایی با اولویت متوسط جهت گزارش وضعیت ترمز ارسال می‌کند.
• ECU داشبورد پیام‌هایی با اولویت کمتر برای بروز رسانی نمایشگر سرعت و تماشا وضعیت سایر سنسورها ارسال می‌کند.

این ساختار باعث می‌شود در صورت ارسال همزمان چند پیام، پیام‌های حیاتی موتور و ترمز در اولویت قرار بگیرند و اطلاعات به موقع و بدون تأخیر دریافت شود.

چالش‌ها و نکات مهم در طراحی شبکه CAN

محدودیت سرعت و طول کابل

با افزایش طول کابل، سرعت انتقال باید کاهش یابد تا کیفیت سیگنال حفظ شود.

مدیریت خطا

سیستم CAN به صورت خودکار خطاهای انتقال را تشخیص داده و پیام‌ها را بازپخش می‌کند، اما در صورت بروز خطاهای مکرر، ممکن است دستگاه‌ها به حالت خطا رفته و ارتباط قطع شود.

افزایش تعداد ECU‌ها

افزودن ECU‌های جدید باید با توجه به محدودیت فیزیکی و تداخل سیگنال لحاظ شود.

نتیجه‌گیری

شبکه CAN باس به عنوان یک استاندارد قدرتمند و قابل اعتماد در ارتباطات درون خودرویی، نقش کلیدی در بهبود عملکرد سیستم‌های الکترونیکی خودرو ایفا می‌کند. درک ساختار فنی و اصول عملکرد این شبکه برای مهندسین خودرو جهت طراحی و نگهداری صحیح سیستم‌ها امری ضروری است. با توجه به پیشرفت‌های آینده در خودروهای خودران و الکتریکی، اهمیت شبکه CAN و تکنولوژی‌های مرتبط همچنان افزایش خواهد یافت.