CAN باس: خطوط انتقال

شبکه مخابراتی Controller Area Network که به اختصار CAN باس نامیده می‌شود، از پایه‌های اساسی ارتباطات الکترونیکی در خودروهای مدرن است. در این مقاله به بررسی خطوط انتقال در CAN باس، انواع کابل، روش‌های ترمینیشن، پارامترهای الکتریکی و ملاحظات طراحی پرداخته و با ارائه مثال‌های عملی، اهمیت و شیوه کارکرد این بخش حیاتی در خودروهای امروزی را شرح خواهیم داد.

مقدمه‌ای بر شبکه CAN

در خودروهای امروزی، سیستم‌های الکترونیکی متعددی (از جمله یونیت کنترل موتور، سیستم ترمز ABS، کیسه‌های هوا و ... ) نیازمند تبادل اطلاعات با سرعت و قابلیت اطمینان بالا هستند. پروتکل CAN (Controller Area Network) به عنوان یک شبکه سریال واسط بین این ECU ها (Electronic Control Unit) عمل می‌کند.

شبکه CAN بر اساس استاندارد ISO 11898 تعریف شده و از دو خط انتقال اصلی استفاده می‌کند به نام‌های CAN_H و CAN_L. این دو خط به همراه ملاحظات فیزیکی عبور داده در خودرویی، تشکیل دهنده شبکه CAN هستند.

معرفی خطوط انتقال در CAN باس

در لایه فیزیکی CAN باس، داده‌ها بر روی دو خط متقارن CAN_H (خط سطح بالا) و CAN_L (خط سطح پایین) منتقل می‌شوند. این خط‌ها که به شکل تفاضلی طراحی شده‌اند، نقش کلیدی در کاهش نویز الکترومغناطیسی و ایجاد ارتباطی پایدار ایفا می‌کنند.

ساختار و اهمیت خطوط تفاضلی

انتقال تفاضلی به این معنی است که سیگنال‌ها در دو خط همرس با هم ارسال می‌شوند ولی با قطب مخالف. به عنوان مثال، وقتی خط CAN_H به 3.5 ولت رسیده، خط CAN_L به 1.5 ولت کاهش می‌یابد و بالعکس. ولتاژ متوسط این دو خط ثابت و معمولاً حدود 2.5 ولت است.

این روش باعث می‌شود که هر نویزی که به طور همزمان روی دو خط تأثیر می‌گذارد (نویز مشترک) در تفاضل ولتاژ حذف شود، که نتیجه آن افزایش مصونیت نویز (Noise Immunity) و بهبود کیفیت ارتباط است.

مشخصات الکتریکی خطوط انتقال CAN

• ميانگين ولتاژ استراحت: تقریباً 2.5 ولت روی هر دو خط
• ولتاژ تفاضلی فعال (Dominant): بین 1 تا 2 ولت بسته به استاندارد
• امپدانس خط: معمولاً بین 100 تا 120 اهم
• طول کابل: تا 40 متر برای سرعت‌های بالا و تا 1 کیلومتر برای سرعت‌های پایین (تا 125 کیلوبیت بر ثانیه)

کابل‌ها و کانکتورها در شبکه CAN

انتخاب کابل و کانکتور مناسب در عملکرد CAN نقش پررنگی دارد. این ملزومات باید پاسخگوی پارامترهای الکتریکی و مکانیکی خودروهای مدرن باشند.

نوع کابل CAN

کابل مخصوص CAN، معمولاً کابل جفت به هم تابیده (Twisted Pair) با امپدانس مشخص 120 اهم است. جفت سیم‌ها باعث کاهش اثر نویز و هم‌پوشانی میدان الکترومغناطیسی می‌شوند. ساختار کابل‌های معمول CAN به شرح زیر است:

• دو سیم اساسی: CAN_H و CAN_L با روکش رنگی معمولاً سفید و آبی برای تمایز
• شیلد (Shield): برخی کابل‌ها دارای شیلد فلزی یا توری هستند که باعث جلوگیری از تداخل امواج و افزایش اطمینان انتقال می‌شود.
• جنس هادی: معمولاً مس با روکش پلاستیکی
• مقاومت حرارتی و مکانیکی: باید مطابق با استانداردهای خودروسازی باشد، مانند ISO 11898-2

طراحی کابل CAN در خودرو

کابل‌های شبکه CAN معمولاً باید شیلد شده باشند و به صورت جفت تابیده عرضه گردند و به تعداد ECUهای درون شبکه، به صورتی که کابل اصلی اتوبوس شبکه CAN بوده و شاخه‌های فرعی کمتر استفاده می‌شوند.

ترمینیشن خط CAN و اهمیت آن

یکی از نکات کلیدی در طراحی شبکه CAN، استفاده از مقاومت‌های ترمینیشن در دو انتهای اتوبوس است. این مقاومت‌ها که معمولاً 120 اهم هستند، وظیفه دارند تا امواج انعکاسی در کابل را کنترل کرده و از اختلال سیگنال جلوگیری کنند.

چرا ترمینیشن ضروری است؟

شبکه CAN در حالت فیزیکی مانند یک خط انتقال طولانی تلفنی عمل می‌کند که سیگنال‌های آن باید بدون بازتاب (Reflection) منتقل شوند. نبود یا نادرستی ترمینیشن منجر به ایجاد موج بازتابی شده که باعث برهم خوردن دیتای منتقل شده و خطای شبکه می‌شود.

موقعیت مقاومت‌های ترمینیشن

به طور استاندارد، مقاومت‌های 120 اهم در ابتدا و انتهای باس قرار می‌گیرند:

• ابتدای کابل اصلی (Head of the Bus)
• انتهای کابل اصلی (End of the Bus)

در برخی کاربردها و شبکه‌های پیچیده، لازم است استفاده از ترمینیشن داخلی در ECUها بررسی و تنظیم شود تا با طراحی کلی سیستم هماهنگ باشد.

نکات طراحی و توصیه‌های عملی خطوط انتقال CAN

طول کابل و سرعت انتقال

بر اساس استاندارد، طول کابل و سرعت ارسال داده در شبکه CAN رابطه معکوس دارند. به عنوان مثال:

• در سرعت 1 مگابیت بر ثانیه، طول کابل ≤ 40 متر باشد
• در سرعت 125 کیلوبیت بر ثانیه، طول کابل می‌تواند تا 1 کیلومتر افزایش یابد

این محدودیت‌ها به دلیل زمان تأخیر امواج و انعکاس‌ها است.

کاهش شاخه‌های فرعی (Stub Length)

شاخه‌های فرعی (Stub) که از خط اصلی منشعب می‌شوند، باید کوتاه و تا حد امکان کمتر از 30 سانتی‌متر باشند. شاخه‌های بلند باعث بازتاب سیگنال و تضعیف کیفیت ارتباط خواهند شد.

اهمیت شیلد در کابل CAN

استفاده از کابل شیلد شده برای کاهش تاثیر امواج الکترومغناطیسی خارجی بسیار مفید است، به خصوص در محیط خودرویی که موتور و تجهیزات دیگر نویز زیادی تولید می‌کنند.

اتصالات و کانکتورها

کانکتورهای شبکه CAN باید از نوع با کیفیت و سازگار با استاندارد خودرو باشند تا از قطعی و نوسانات کانکشن جلوگیری کنند. کانکتورهای دارای حفاظ و پین‌های محکم اولویت دارند.

نمونه کاربردی: طراحی خطوط انتقال CAN در خودروی مدرن

فرض کنید در یک خودرو سواری با 10 واحد ECU و شبکه CAN با سرعت 500 کیلوبیت بر ثانیه داریم. طراحی خطوط انتقال به شرح زیر خواهد بود:

1. طول کل کابل اصلی حدود 10 متر که مناسب سرعت 500 کیلوبیت بر ثانیه است.
2. استفاده از کابل جفت به هم تابیده شیلددار با امپدانس 120 اهم
3. مقاومت ترمینیشن 120 اهم در ابتدا و انتهای کابل شبکه قرار گیرد
4. شاخه‌های فرعی هر ECU کمتر از 20 سانتیمتر باشد
5. کانکتورهای مقاوم در برابر لرزش و حرارت انتخاب شود

با رعایت این نکات، کیفیت انتقال داده تضمین شده و خطاهای ارتباطی به حداقل می‌رسند.

جمع‌بندی

خطوط انتقال در شبکه CAN یکی از مهم‌ترین عناصر تاثیرگذار بر کیفیت، سرعت و پایداری ارتباطات داخلی خودرو هستند. انتخاب صحیح کابل، تعیین مقاومت ترمینیشن مناسب، طراحی طول کابل متناسب با سرعت و تجهیزات استاندارد، باعث افزایش طول عمر سیستم و کاهش مشکلات عملکردی می‌شود. در نهایت، شبکه CAN با استفاده از خطوط تفاضلی CAN_H و CAN_L، توانسته است جایگاه ویژه‌ای در صنعت خودرو رقم بزند و امکان توسعه تکنولوژی‌های بیشتری چون خودروهای خودران و سیستم‌های هوشمند را ایجاد کند.